Physique-Chimie cycle 4 / 3e - Livre du professeur - éd. 2017 2017025399, 9782017025399

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Mise en pages et schémas : Soft Office Couverture : Nicolas Piroux Édition : Nathalie Legros

1400 g éq. CO2

www.hachette-education.com © Hachette Livre 2017, 58 rue Jean Bleuzen, 92178 Vanves Cedex ISBN 978-2-01-702539-9

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Avant-propos

Les manuels de Physique Chimie de cette collection proposent des ressources tant pédagogiques que didactiques ou scientifiques pour mettre en œuvre le programme de Physique Chimie du cycle 4. Elles ont toutes été conçues en lien étroit avec le socle commun de connaissances, de compétences et de culture. Les manuels sont découpés en modules. Chaque module correspond à un ou plusieurs attendus de fin de cycle du programme. Ce découpage permet au professeur d’organiser une progressivité sur les trois années du cycle, en favorisant une spiralisation propice aux apprentissages. L’évolution des pratiques pédagogiques a été notre préoccupation centrale lors de l’écriture de ces manuels. • Les activités proposées sont contextualisées et offrent une grande variété de démarches scientifiques qui peuvent être mises en œuvre : démarches expérimentales, historiques, documentaires, de modélisations, etc. • Les compétences mises en œuvre sont explicitées dans les activités et les exercices, avec indication du domaine du socle. • Les notions sont reprises et enrichies d’année en année tout au long du cycle dans une logique spiralaire. De plus, au travers des doubles démarches dans les activités, des coups de pouce et des exercices d’Accompagnement Personnalisé, les apprentissages peuvent être différenciés. Bien évidement, ces manuels permettent aux enseignants de mettre en œuvre une évaluation par compétences afin de personnaliser et de différencier davantage le parcours d’apprentissage des élèves. 

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Les EPI proposés dans les manuels peuvent aussi être utilisés comme des fils rouges pour proposer aux élèves des progressions différentes au travers des manuels. Ce livre du professeur propose : – le programme du cycle 4 traité dans chaque module ; – les rappels sur le programme du cycle 3 utile dans chaque module ; – les tableaux de progression, module par module, pour les attendus de fin de cycle ; – les grilles d’évaluation des attendus de fin de cycle ; – les réponses à toutes les questions des activités ; – les réponses à tous les exercices ; – les grilles d’évaluation détaillées des exercices de tâche complexe ; – des détails sur les enrichissements proposés dans le manuel numérique (animations, vidéos d’expériences, liens Internet). 

Les auteurs

3

Sommaire

THÈME 1

MODULE

Organisation et transformations de la matière

1 La constitution de la matière

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle����������������������������������������������������������6 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 10 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 17 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 25 MODULE

2 Les transformations chimiques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 30 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 34 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 43 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 53 MODULE

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MODULE

Mouvement et interactions

6 L’énergie

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 114 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 116 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 123 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 131 MODULE

7 Les circuits électriques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 134 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 137 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 144 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 152

THÈME 4

MODULE

Des signaux pour observer et communiquer

 es signaux lumineux 8 L et les signaux sonores

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 158 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 161 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 166 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 173

4 Les mouvements

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 70 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 72 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 77 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 84 MODULE

MODULE

L’énergie et ses conversions

 ’organisation de la matière 3 L dans l’Univers

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 58 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 60 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 64 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 69

THÈME 2

THÈME 3

5 Les interactions

Réviser pour le brevet�������������������������������������������������������������� 176 Sujets supplémentaires���������������������������������������������������������� 200

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 86 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 89 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 100 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 110 5

MO DU LE

1

La constitution de la matière

Programme du cycle 4 Organisation et transformations de la matière Attendu de fin de cycle • Décrire la constitution et les états de la matière.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Décrire la constitution et les états de la matière Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier les propriétés des changements d’état. Caractériser les différents changements d’état d’un corps pur. Interpréter les changements d’état au niveau microscopique. Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour déterminer une masse volumique d’un liquide ou d’un solide. Exploiter des mesures de masse volumique pour différencier des espèces chimiques.

Dans la continuité du cycle 2 au cours duquel l’élève s’est initié aux différents états de la matière, ce thème a pour but de lui faire découvrir la nature microscopique de la matière et le passage de l’état physique aux constituants chimiques. Mise en œuvre d’expériences simples montrant la conservation de la masse (mais non conservation du volume) d’une substance lors d’un changement d’état. Si l’eau est le principal support expérimental – sans en exclure d’autres – pour l’étude des changements d’état, on pourra exploiter des données pour connaître l’état d’un corps dans un contexte fixé et exploiter la température de changement • Espèce chimique et mélange. d’état pour identifier des corps purs. • Notion de corps pur. L’étude expérimentale sera l’occasion de mettre l’accent sur les • Changements d’états de la matière. transferts d’énergie lors des changements d’état. • Conservation de la masse, variation du volume, température L’intérêt de la masse volumique est présenté pour mesurer un de changement d’état. volume ou une masse quand on connaît l’autre grandeur mais • Masse volumique : Relation m = ρ × V. aussi pour distinguer différents matériaux. Un travail avec les mathématiques sur les relations de proportionnalité et les grandeurs-quotients peut être proposé.

6

Thème 1

Ces études seront l’occasion d’aborder la dissolution de gaz dans l’eau au regard de problématiques liées à la santé et l’environnement. Ces études peuvent prendre appui ou illustrer les différentes méthodes de traitement des eaux (purification, désalinisation…).

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Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges. Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l’eau. • Solubilité. • Miscibilité. • Composition de l’air.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Attendu de fin de cycle • Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique.

Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique

Connaissances et compétences associées

Mettre en œuvre des observations et des expériences pour caractériser un échantillon de matière. • Diversité de la matière : métaux, minéraux, verres, plastiques, matière organique sous différentes formes… • L’état physique d’un échantillon de matière dépend de conditions externes, notamment de sa température. • Quelques propriétés de la matière solide ou liquide (par exemple : densité, solubilité, élasticité…). • La matière à grande échelle : Terre, planètes, Univers. • La masse est une grandeur physique qui caractérise un échantillon de matière.

Observer la diversité de la matière, à différentes échelles, dans la nature et dans la vie courante (matière inerte – naturelle ou fabriquée –, matière vivante). La distinction entre différents matériaux peut se faire à partir de leurs propriétés physiques (par exemple : densité, conductivité thermique ou électrique, magnétisme, solubilité dans l’eau, miscibilité avec l’eau…) ou de leurs caractéristiques (matériaux bruts, conditions de mise en forme, procédés…). L’utilisation de la loupe et du microscope permet l’observation de structures géométriques de cristaux naturels et de cellules. Des activités de séparation de constituants peuvent être conduites : décantation, filtration, évaporation.

Identifier à partir de ressources documentaires les différents constituants d’un mélange.

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Mettre en œuvre un protocole de séparation de constituants d’un mélange. • Réaliser des mélanges peut provoquer des transformations de la matière (dissolution, réaction). • La matière qui nous entoure (à l’état solide, liquide ou gazeux), résultat d’un mélange de différents constituants.

Observation qualitative d’effets à distance (aimants, électricité statique). Richesse et diversité des usages possibles de la matière : se déplacer, se nourrir, construire, se vêtir, faire une œuvre d’art. Le domaine du tri et du recyclage des matériaux est un support d’activité à privilégier. Les mélanges gazeux pourront être abordés à partir du cas de l’air. L’eau et les solutions aqueuses courantes (eau minérale, eau du robinet, boissons, mélanges issus de dissolution d’espèces solides ou gazeuses dans l’eau…) représentent un champ d’expérimentation très riche. Détachants, dissolvants, produits domestiques permettent d’aborder d’autres mélanges et d’introduire la notion de mélange de constituants pouvant conduire à une réaction (transformation chimique). Informer l’élève du danger de mélanger des produits domestiques sans s’informer.

Module 1

7

Progression curriculaire retenue dans les manuels

8

Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier les propriétés des changements d’état. Caractériser les différents changements d’état d’un corps pur. Interpréter les changements d’état au niveau microscopique.

Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier les propriétés des changements d’état. Caractériser les différents changements d’état d’un corps pur. Interpréter les changements d’état au niveau microscopique. Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour déterminer une masse volumique d’un liquide ou d’un solide. Exploiter des mesures de masse volumique pour différencier des espèces chimiques.

Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier les propriétés des changements d’état. Caractériser les différents changements d’état d’un corps pur. Interpréter les changements d’état au niveau microscopique. Proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour déterminer une masse volumique d’un liquide ou d’un solide. Exploiter des mesures de masse volumique pour différencier des espèces chimiques.

• Espèce chimique et mélange. • Notion de corps pur. • Changements d’états de la matière. • Conservation de la masse, variation du volume, température de changement d’état.

• Espèce chimique et mélange. • Notion de corps pur. • Changements d’états de la matière. • Conservation de la masse, variation du volume, température de changement d’état. • Masse volumique.

• Espèce chimique et mélange. • Notion de corps pur. • Changements d’états de la matière. • Conservation de la masse, variation du volume, température de changement d’état. • Masse volumique : Relation m = ρ × V.

Concevoir et réaliser des expériences pour Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges. caractériser des mélanges. Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l’eau. • Solubilité. • Miscibilité. • Miscibilité. • Composition de l’air.

Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges. Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l’eau. • Solubilité. • Miscibilité. • Composition de l’air.

Thème 1

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Décrire la constitution et les états de la matière

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : • Décrire la constitution et les états de la matière.

MI : maîtrise insuffisante MF : maîtrise fragile MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI Les états de la matière.

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 3

Les corps purs et les mélanges. Les états de la matière à l’échelle microscopique. Les changements d’état, la masse et le volume. Les changements d’état et la température. La masse et le volume.

3, 8 4, 5, 6 6 7, 8 9, 10

Les corps purs et les mélanges. La composition de l’air.

1, 2, 5, 6 2, 3

La masse volumique.

4

La solubilité.

1, 5, 6

Les corps purs et les mélanges.

3, 4, 5

Les états de la matière à l’échelle microscopique.

1

Les changements d’état et la température.

1

La masse volumique.

2, 3

La solubilité.

4, 5

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Compléments pédagogiques Dans les manuels de niveaux, le calcul de masse à partir de la connaissance de la masse volumique et du volume est abordé en 3e, ce qui permet de réinvestir la notion de masse volumique vue en 4e. La notion de solubilité, vue en 4e, est approfondie en 3e pour étudier la solubilité d’un gaz dans l’eau, calculer une masse maximale de soluté ou un volume de solution.

Vu en 4e QCM Flash

p. 10 du manuel 

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1  a. et b.    2  a.    3  a.    4  a.

Module 1

9

AC TIV ITÉ

1 Quel est l’avantage d’un autocuiseur pour la cuisson des aliments ?

p. 13 du manuel

Matériel • Une seringue. • De l’eau du robinet. • Une plaque chauffante. • Un bécher. Vidéos et animations en lien avec l’activité La pression (doc. 3) Une animation, disponible dans le manuel numérique, permet d’interpréter, au niveau microscopique, les variations de la pression d’un gaz. Compléments La température de l’eau ne devra pas être supérieure à 50 °C pour éviter les risques de brûlures. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir la notion de changement d’état et la description microscopique de la matière, vues dès la 5e, mais en ajoutant la pression atmosphérique. 1 Lorsqu’on fait bouillir de l’eau dans un autocuiseur, l’eau passe de l’état liquide à l’état de vapeur. L’autocuiseur

étant muni d’un couvercle étanche, la vapeur d’eau ne peut pas s’échapper : il y a donc de plus en plus de molécules d’eau constituant la vapeur. Ces molécules sont donc de moins en moins espacées : la pression augmente. 2 Sur la courbe montrant le changement d’état de l’eau, on peut lire que lorsque la pression est de 1 bar (ordon-

nées), la température de vaporisation est de 100 °C. 3 Sur la courbe du doc. 2 on peut observer que la température d’ébullition de l’eau augmente lorsque la pression

augmente. 4 Expérience proposée :

Faire chauffer de l’eau. Aspirer de l’eau avec une seringue. Boucher la seringue et diminuer la pression en tirant sur le piston. Observation : Des bulles apparaissent. Interprétation : L’eau entre en ébullition. Conclusion : Si la pression est plus faible que la pression atmosphérique, la température d’ébullition de l’eau est inférieure à 100 °C. Au contraire, on peut émettre l'hypothèse que si la pression est supérieure à la pression atmosphérique, l’eau bout à une température supérieure.



5 Dans un autocuiseur, la pression est supérieure à la pression atmosphérique donc la température de l’eau est

supérieure à 100 °C. Les aliments cuisent donc plus vite.

Un pas vers le bilan Lorsque la pression diminue, la température d’ébullition d’un liquide diminue. Lorsque la pression augmente, la température d’ébullition d’un liquide augmente.

10

Thème 1

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AC TIV ITÉ

2 Comment un sous-marin peut-il « flotter entre deux eaux » ?

p. 14 du manuel

Matériel • De l’eau. • Du sable. • Une éprouvette graduée. • Une balance précise au dixième de gramme. • Une coupelle de pesée. • Un petit tube ou un flacon avec bouchon étanche modélisant le sous-marin. • Du fil à coudre pour entourer le tube et pouvoir le récupérer. • Une spatule. Compléments L’expérience a été réalisée avec un petit tube à essais en plastique surmonté d’un bouchon en caoutchouc. Après avoir versé le sable, il faut enfoncer le bouchon toujours de la même manière. En effet, une variation infime de volume perturbe l’expérience. En fonction de la précision de la balance, il est très difficile d’obtenir la masse exacte permettant une égalité des masses volumiques du tube et de l’eau. On pourra alors très légèrement jouer sur l’enfoncement du bouchon pour que le tube flotte entre deux eaux. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La notion de masse volumique a été vue en 4e. Cette activité réinvestit cette notion mais, cette fois, pour déterminer la masse d’un objet connaissant sa masse volumique et son volume. 1 Hypothèse possible : un corps flotte entre deux eaux si sa masse volumique est égale à celle de l’eau. 2 Protocole proposé :



• Mesurer, par déplacement d’eau, le volume d’un petit tube étanche bouché. • Calculer la masse que doit avoir le tube rempli de sable pour que sa masse volumique soit égale à celle de l’eau, soit 1 kg/L (données). • En déduire la masse de sable à ajouter dans le tube. 3 Essai réalisé :

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur



• Volume du tube : 198 – 175 = 23 mL. Le volume du tube est de 23 mL. • Masse du tube vide : mtube = 8,6 g. Calcul de la masse du tube avec le sable : 23 mL = 23 × 10–3 L. ρ = m ; d’où m = ρ × V. V m = 1 × 23 × 10–3 kg = 23 × 10–3 kg m = 23 g. Le tube avec le sable doit avoir une masse de 23 g. • 23 – 8,6 = 14,4 g. On doit donc ajouter une masse de 14,4 g de sable dans le tube pour qu’il flotte entre deux eaux.

4 Un sous-marin flotte entre deux eaux si sa masse volumique est égale à la masse volumique de l’eau.

Un pas vers le bilan Pour déterminer la masse d’un matériau, on multiplie la masse volumique de ce matériau par son volume.

Module 1

11

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi est-il possible de flotter

très facilement dans la mer Morte ?

p. 15 du manuel

Matériel • De l’eau. • Du sel. • Une paille. • De la pâte à modeler. • Un bécher. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre présente les particularités de la mer Morte. Compléments Dans cette activité, la solubilité est abordée de manière implicite, puisqu’on dissout du sel dans l’eau jusqu’à saturation. Cela pourra être l’occasion de revoir cette notion avec les élèves. La solubilité d'une espèce est définie par la masse maximale de soluté dissous dans 1 litre de solution saturée selon des conditions définies (température, pH, etc.). C’est la concentration massique maximale en espèce dissoute de la solution. Pour la question 3, nous avons testé l’expérience avec 40 g de sel dissous dans 160 mL de solution. Lors de la dissolution d’un solide dans un liquide, le volume de la solution augmente (voir tableau plus bas). C’est la raison pour laquelle il est important de mesurer le volume de la solution entre chaque dissolution. C’est aussi pour cette raison que la solubilité d’une espèce chimique doit se calculer en prenant en compte le volume de la solution, et non celui du solvant. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité réinvestit la notion de masse volumique, vue en 4e, dans le but de comprendre la flottaison d’objets plongés dans des liquides.



Lorsque la paille lestée reste en suspension dans l’eau, sa masse volumique (ou sa densité) est égale à la masse volumique (ou sa densité) de l’eau. 2 Le tableau ci-dessous recueille les différents volumes d’eau salée mesurés à chaque ajout de sel, jusqu’à satu-

ration de la solution. Repère sur le densimètre

1

2

3

4

5

Masse de sel ajouté (g)

0

10

30

50

70

200

204

210

213

216

Volume de la solution (mL)

12

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

1 Exemple de réalisation :

3 Pour connaître la masse de sel dissous dans une eau salée, il faut :



• Mesurer le volume de cette solution. • Plonger ensuite le densimètre dans cette eau salée. • Observer à quel niveau se situe la ligne de flottaison, ce qui correspond à une colonne du tableau de la question 2. • Connaissant le volume de la solution testée, en déduire, par proportionnalité, la masse de sel dissous. 4 Essai réalisé pour une solution distribuée par le professeur :



Volume de la solution : 160 mL. Niveau sur le densimètre : 4, ce qui correspond à 50 g de sel pour 213 mL de solution. Masse (g)

50

m

Volume (mL)

213

160



50 × 160 = 37,5 g. m= 213 Il y a 37,5 g de sel dans la solution d’eau salée distribuée par le professeur.



Remarque : e =





40 – 37,5 = 0,06 soit 6 % d’erreur environ. 40 L’erreur provient essentiellement de la difficulté d’avoir un repérage précis sur le densimètre.

5 D’après le doc. 3, un homme de 75 kilogrammes a un volume estimé à 70 Litres.



Calcul de la masse volumique de cet homme : ρhomme = m = 75 = 1,07 kg/L. V 70 La masse volumique de la mer Morte est de 1,24 kg/L. La masse volumique d’un homme est donc inférieure à la masse volumique de la mer Morte, ce qui explique qu’il peut flotter très facilement dans la Mer Morte.

Un pas vers le bilan

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Un objet flotte à la surface d’un liquide si sa masse volumique (ou sa densité) est inférieure à la masse volumique (ou à la densité) du liquide.

Module 1

13

AC TIV ITÉ

4 Peut-on fabriquer une boisson gazeuse aussi pétillante que l’on veut ?

p. 16 du manuel

Matériel • De l’eau. • Une balance au dixième ou au centième de gramme. • Une machine à soda avec une cartouche de dioxyde de carbone. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre illustre la mise en œuvre du protocole expérimental. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments La dissolution du dioxyde de carbone est réalisée sous pression. On ne retrouve pas la valeur de la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau, qui est de 1,7 g de CO2 par kg de solution, à 20 °C sous une pression de 1 bar, car la pression est supérieure à 1 bar. La solubilité est alors supérieure à 1,7 g/kg. Lorsqu’on ouvre la bouteille, la pression diminue et du dioxyde de carbone initialement dissous s’échappe sous forme gazeuse. L’objectif de l’expérience est ici uniquement de montrer que la dissolution du dioxyde de carbone a une limite. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir la notion de solubilité, en s’intéressant à la solubilité d’un gaz (ici le dioxyde de carbone) dans l’eau. 1 Dans une eau, peut-on dissoudre autant de dioxyde de carbone que l’on veut ? 2 Hypothèses possibles : oui / non (l’élève devra argumenter sa réponse). 3 Protocole expérimental :



• Peser une bouteille de machine à soda bouchée remplie d’eau. • Ajouter du dioxyde de carbone à l’aide de la machine en appuyant plus ou moins longtemps sur le bouton-pression de la machine. • Peser à nouveau la bouteille bouchée. • Renouveler l’expérience plusieurs fois.



Essai réalisé avec une balance au centième de gramme : Évolution de la masse de la bouteille d’eau gazeuse : 307,99 g



313,88 g

315,56 g

316,13 g

316,07 g

316,05 g

La masse augmente : le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau. En revanche, la masse n’augmente pas indéfiniment. dissout plus dans l’eau. On ne peut donc pas fabriquer une boisson aussi pétillante qu’on veut.

Un pas vers le bilan On ne peut pas dissoudre n’importe quelle quantité de gaz dans un liquide.

14

Thème 1

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4 À partir d’une certaine masse de gaz dissous, la masse n’augmente plus, donc le dioxyde de carbone ne se

AC TIV ITÉ

5 Comment fonctionne un absorbeur d’humidité ?

p. 17 du manuel

Matériel Démarche expérimentale A • Oxalate d’ammonium pour le test des ions calcium. • Nitrate d’argent pour le test des ions chlorure. • Un déshumidificateur d’air placé dans un lieu humide quelque temps auparavant. • Deux tubes à essais. Démarche expérimentale B • Chlorure de calcium. • De l’eau. • Une balance. • Une éprouvette graduée. • Un bécher. Vidéos et animations en lien avec l’activité Démarche expérimentale A Une vidéo en accès libre montre les tests d’identification des ions chlorure et calcium après avoir prélevé l’eau du bac d’un absorbeur d’humidité. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Démarche expérimentale B Une vidéo en accès libre montre la réalisation du protocole expérimental estimant, à 2 g près, la masse maximale que l’on peut dissoudre dans 10 mL d’eau. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité est présentée en double démarche et traite de la solubilité d’une espèce chimique : • Dans la démarche expérimentale A, des tests d’identifications permettent de montrer qu’une espèce chimique peut se dissoudre dans l’eau. • La démarche expérimentale B permet de réinvestir la notion de solubilité, par le calcul de la solubilité du chlorure de calcium.

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Compléments La solubilité d'une espèce est définie par la masse maximale de soluté dissous dans 1 litre de solution saturée selon des conditions définies (température, pH, etc.). C’est la concentration massique maximale en espèce dissoute de la solution. Lors de la dissolution d’un solide dans un liquide, le volume de la solution augmente : c’est la raison pour laquelle il est important de mesurer le volume de la solution après dissolution pour calculer la solubilité.

Démarche expérimentale A 1 Expérience proposée :



• Verser l’eau contenue dans le bac de récupération du déshumidificateur dans deux tubes à essais. • Ajouter quelques gouttes d’oxalate d’ammonium dans le premier tube et quelques gouttes de nitrate d’argent dans le deuxième tube.



Observation du 1er tube : Un précipité blanc se forme. Interprétation : Des ions calcium sont présents dans l’eau de récupération du bac.

Module 1

15

Observation du 2e tube : Un précipité blanc se forme. Interprétation : Des ions chlorure sont présents dans l’eau de récupération du bac.



2 Dans le déshumidificateur, l’eau provient de l’air humide de la pièce où le déshumidificateur a été placé. Cette

eau ne contient donc pas, à l’origine, d’ions calcium et chlorure. Les ions calcium et chlorure proviennent donc du chlorure de calcium qui s’est dissous dans l’eau. 3 Lorsque l’air humide entre en contact avec le chlorure de calcium solide du déshumidificateur, l’eau contenue

dans l’air est piégée par le chlorure de calcium. Cette eau dissout du chlorure de calcium. La solution obtenue, constituée d’eau et de chlorure de calcium dissout, tombe dans le bac de récupération.

Un pas vers le bilan On peut mettre en évidence la présence d’une espèce chimique dissoute dans l’eau en réalisant des tests d’identification.

Démarche expérimentale B a Protocole expérimental :



• Dissoudre par paliers de 2 g de chlorure de calcium dans 10 mL d’eau. Lorsque le chlorure de calcium ne peut plus se dissoudre : • Noter la masse maximale mmax de chlorure de calcium versé. • Mesurer le volume V de la solution.



Essai réalisé : Les résultats expérimentaux correspondent à ceux de la vidéo proposée dans l’activité. À 2 g près, la masse maximale de chlorure de calcium que peuvent dissoudre 10 mL d’eau est mmax = 10 g.



La solution de chlorure de calcium a été versée dans une éprouvette graduée pour mesurer le volume de la solution. Volume de la solution : V = 14 mL.



b Calcul de la solubilité :

mmax 10 = 0,71 g/mL. = V 14 La solubilité du chlorure de calcium dans l’eau est environ de 0,7 g/mL. Dans l'eau à 20 °C, la solubilité du chlorure de calcium est égale à 745 g ·L–1.

s=



c Lorsque l’air humide entre en contact avec le chlorure de calcium solide du déshumidificateur, l’eau contenue

dans l’air est piégée par le chlorure de calcium. Cette eau dissout du chlorure de calcium. La solution obtenue, constituée d’eau et de chlorure de calcium dissous, tombe dans le bac de récupération.

Pour évaluer la solubilité d’une espèce chimique dans l’eau : • Dissoudre par paliers une masse connue d’une espèce chimique dans un volume d’eau. Lorsque l’espèce chimique ne peut plus se dissoudre : • Noter la masse maximale mmax de cette espèce chimique versée. • Mesurer le volume V de la solution. mmax • Calculer la solubilité : s=  . V

16

Thème 1

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Un pas vers le bilan

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La masse volumique QCM 1  b. 2  c. 3  b. 4  Calculer une masse volumique V = 250 mL. On calcule la masse volumique ρsang du sang, connaissant le volume V et la masse m de sang. ρsang = m  avec ρ en g/mL si m est en g et V en mL. V Donc ρsang = 265 = 1,06 g/mL. 250 La masse volumique du sang est de 1,06 g/mL. 5  Calculer une masse On calcule la masse m de sable, connaissant le volume V du sable et sa masse volumique ρsable : ρsable = m  avec ρsable en kg/L si m est en kg et V en L. V Donc m = ρsable = 1,6 × 100 = 160 kg. On ne peut pas remplir la brouette à ras bord sans risquer de la détériorer car la masse maximale qu’elle peut supporter est 120 kg. 6  Calculer une masse • Calcul du volume de la table : V = L × ¯ × e V = 2 × 0,8 × 0,015 = 0,024 m3. • Calcul de la masse m de la table, connaissant sa masse volumique ρmarbre et son volume V : ρmarbre = m  avec ρmarbre en kg/m3 si m est en kg et V V en m3.

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Donc m = ρmarbre × V. m = 2 800 × 0,024 = 67,2 kg. La table pèse 67,2 kg.

7  Calculer un volume • Calcul du volume V du mercure, connaissant sa masse m et sa masse volumique ρmercure : ρmercure = m  avec ρmercure en kg/L si m est en kg et V V en L. Donc V = m = 1 = 0,074 L. ρmercure 13,5 • Conversion 0,074 L = 74 mL. Un kilogramme de mercure occupe un volume de 74 mL. Cela correspond environ au tiers de la capacité d’un verre à moutarde.

p. 21 et 22 du manuel

8  Calculer un volume Conversion : 1 000 g = 1 kg. Calcul du volume V d’un lingot d’or, connaissant sa masse m et sa masse volumique ρor : ρor = m  avec ρor en kg/L si m est en kg et V en L. V Donc V = m = 1 = 0,052 L. ρor 19,3 Un kilogramme d’or occupe un volume de 52 mL. Cela correspond environ au quart de la capacité d’un verre à moutarde. 9  Comparer des masses volumiques Calcul de la masse volumique de la peinture glycéro, connaissant sa masse m et son volume V : Conversion : 500 mL = 0,500 L. ρglycéro = m avec ρglycéro en g/L si m est en g et V en L. V Donc ρglycéro = 720 = 1 440 g/L. 0,500 La masse volumique de l’eau étant de 1 000 g/L, la masse volumique de la peinture glycéro est supérieure à la masse volumique de l’eau, donc la peinture glycéro va couler. 10  Comparer des volumes La masse volumique du fer est supérieure à la masse volumique de l’aluminium, donc une masse de fer occupe un volume plus petit qu’une même masse d’aluminium.

La solubilité QCM 11  a. 12  b. 13  Exploiter la solubilité On peut dissoudre au maximum 2 kg de sucre par litre de solution, soit 1 kg pour 0,5 L de solution. On ne peut donc pas dissoudre 2 kg de sucre pour obtenir 0,5 L d’eau sucrée. La solution sera saturée. 14  Interpréter une expérience Une vidéo en accès libre montre la dissolution puis la recristallisation de l’iodure de plomb. La solubilité de l’iodure de plomb augmente avec la température. Module 1

17

EX ER CI CE S

16  Déterminer une masse à dissoudre Calcul de la masse maximale mmax du glucose, connaissant la solubilité s du glucose et le volume V de la solution : mmax = s × V avec mmax en g si s est en g/L et V en L.

18

Thème 1

Donc mmax = 700 × 1,5 = 1 050 g. On peut dissoudre au maximum 1 050 g de glucose dans 1,5 L de solution.

17  Déterminer expérimentalement une solubilité Pour évaluer la solubilité d’une espèce chimique dans l’eau : • Dissoudre, par paliers de 100 mg, de la vitamine C dans 5 mL d’eau, par exemple. Lorsque la vitamine C ne peut plus se dissoudre : • Noter la masse maximale m max de vitamine C introduite. • Mesurer le volume V de la solution. • Évaluer la solubilité de la vitamine C par le calcul : m s = max V avec s en g/L si mmax est en g et V en L.

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15  Prévoir une saturation • Calcul de la solubilité s de l’aspirine, connaissant la masse maximale mmax dissoute et le volume V de la solution : m s = max  avec s en g/mL si mmax est en g et V en mL. V Donc s = 1 = 0,0033 g/mL. 300 • Calcul de la masse d’aspirine qu’on peut dissoudre dans 400 mL d’eau : mmax = s × V avec les mêmes unités que précédemment. Donc mmax = 0,0033 × 400 = 1,33 g. Si on verse 1,2 g d’aspirine, la solution ne sera pas saturée.

EX ER CI CE S

Se perfectionner Tâche complexe 18  Transport en camion Question posée : Peut-on charger la remorque du doc. 1 au maximum avec n’importe quel bois ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les caractéristiques de cette remorque ? 2. Quelle masse maximale la remorque peut-elle transporter ? 3. Qu’est-ce qui différencie les bois ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La largeur intérieure de la remorque est de 2,48 m. Sa longueur utile est de 13,70 m. Sa hauteur utile est de 2,45 m (doc. 1). 2. La remorque peut transporter au maximum 26 tonnes de marchandises (doc. 1). 3. Les bois ont des masses volumiques différentes (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Déterminer quel type de bois peut occuper le volume de la remorque sans que sa masse ne dépasse celle autorisée. 4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume de la remorque. • Calculer, pour chaque bois, la masse de ce volume de bois. • Comparer les masses calculées à la masse maximale autorisée.

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5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une entreprise de transport veut charger du bois dans un poids lourd dont la remorque ne peut pas transporter plus de 26 tonnes. On nous demande de déterminer quel type de bois peut occuper le volume de la remorque sans que sa masse ne dépasse celle autorisée. • Mettre en forme la réponse. • Calcul du volume de la remorque (doc. 1) : V = 13,7 × 2,45 × 2,48 ≈ 83,24 m3. • Calcul, pour chaque bois, de la masse de ce volume de bois (doc. 2) : mbois = ρbois × V avec m en kg si ρbois est en kg/m3 et V en m3. On convertit ensuite cette masse en tonne en sachant que 1 t = 1 000 kg.

p. 23 et 24 du manuel

Bois

Masse (t)

Balsa

11,6

Chêne

50,8 – 81,6

Chêne (cœur)

97,4

Contreplaqué

36,6 – 73,3

Ébène

95,7

Hêtre

66,6

Pin

41,6

Sapin

37,4

Teck

71,6

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Si on veut la charger au maximum, la remorque ne pourra pas transporter des matériaux d’une masse supérieure à 26 tonnes. On ne peut donc la charger au maximum qu’avec du balsa. On pourrait néanmoins se demander si le bois occuperait vraiment tout le volume qui lui est offert. Il faudrait le ranger très soigneusement. Grille d’évaluation en fin de module.

19  Utiliser une langue étrangère Traduction : Une pile de pièces de métal de couleur dorée a une masse de 425 g. Le volume des pièces a été calculé en utilisant une méthode par déplacement d’eau. Calcul de la masse volumique ρ du métal, connaissant sa masse m et son volume V : ρ = m  avec ρ en g/mL si m est en g et V en mL. V Donc ρ = 425 = 8,85 g/mL. 48 Cette masse volumique est très proche de la masse volumique du cuivre : le métal peut être du cuivre. Tâche complexe 20  La pétanque Question posée : La boule de pétanque du doc. 1 est-elle creuse ou pleine ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les caractéristiques de la boule de pétanque ? 2. Quelle caractéristique change si la boule est pleine ou creuse ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La boule a un diamètre de 71 mm et une masse de 720 g. Elle est en acier inoxydable. (doc. 1) 2. La masse change si la boule est creuse ou pleine (connaissances). Module 1

19

EX ER CI CE S 3e étape : Dégager la problématique Déterminer la masse volumique de la boule de pétanque et la comparer à la masse volumique de l’acier.

3. La masse de sucre dans un litre de sirop est inférieure à la solubilité du sucre, donc le sirop n’est pas saturé en sucre.

4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume de la boule de pétanque. • En déduire la masse volumique de la boule de pétanque. • La comparer à la masse volumique de l’acier.

22  Choisir un meuble adapté Tâche complexe à son aquarium Question posée : Le meuble présenté dans le doc. 1 est-il adapté à l’aquarium du doc. 2 destiné à accueillir des poissons-clowns ?

Grille d’évaluation en fin de module.

21  Sirops contre la toux 1. On calcule la masse de sucre dans chaque sirop pour un même volume de 1 mL : Sirop n° 1 n° 2 n° 3 n° 4

Masse de sucre dans 1 mL 18,85 = 0,188 g 100 5 = 0,333 g 15 3,5 = 0,7 g 5 896 mg = 0,896 g

Le sirop le plus sucré est le numéro 4. 2. Connaissant la masse de sucre pour 1 mL de sirop, il faut multiplier cette masse par 1 000 pour connaître la masse de sucre dans un litre de sirop. 0,896 × 1 000 = 896 g. Il y a 896 g de sucre dans un litre de ce sirop. 20

Thème 1

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les caractéristiques du meuble ? 2. Quelles sont les caractéristiques de l’aquarium ? 3. Quelles particularités a un poisson-clown ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le meuble a une hauteur de 83 cm, une longueur de 100 cm et une largeur de 40 cm. Il peut supporter au maximum 200 kg (doc. 1). 2. L’aquarium a une longueur de 82 cm, une profondeur de 40 cm et une hauteur de 52 cm. Il a une masse à vide de 28 kg (doc. 2). 3. Le poisson clown habite dans les récifs coralliens et vit dans de l’eau salée (doc. 3) dont la masse volumique est de 1,04 kg/L (donnée). 3e étape : Dégager la problématique La masse de l’aquarium rempli d’eau salée dépasse-telle la masse maximale que peut supporter le meuble ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume de l’eau que peut contenir l’aquarium. • Calculer la masse d’eau salée lorsque l’aquarium est rempli. • Calculer la masse de l’aquarium avec l’eau salée qu’il peut contenir. • Comparer cette masse avec la masse maximale supportée par le meuble. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un aquarium, lorsqu’il est rempli d’eau salée, doit être posé sur un meuble d’aquarium pouvant supporter une masse maximale de 200 kg. On nous demande de déterminer si la masse de l’aquarium rempli d’eau salée dépasse la masse maximale que peut supporter le meuble. • Mettre en forme la réponse. • Calcul du volume de l’aquarium (doc. 2) : V = H × L × ¯ avec V en m3 si H, L et ¯ sont en m. Donc V = 0,83 × 1 × 0,4 = 0,332 m3 = 332 L. • Calcul de la masse d’eau salée (doc. 3) : meau salée = ρeau salée  × V avec m en kg si ρeau salée est en kg/L et V en L. Donc meau salée = 1,04 × 332 = 345,3 kg.

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5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une boule de pétanque a une masse et un diamètre bien définis. On nous demande de déterminer la masse volumique de la boule de pétanque et de la comparer à la masse volumique de l’acier. • Mettre en forme la réponse. La boule a un diamètre de 71 mm (doc. 1). Son rayon est deux fois plus petit, soit : r = 35,5 mm = 0,035 5 m. Le volume de la boule de rayon r est donné par V = 4  × π × r3 (données). 3 Donc : V = 4  × π × (0,0355)3 = 1,9 × 10–4 m3. 3 La masse de la boule est m = 720 g = 0,72 kg (doc. 1). La masse volumique de la boule est donnée par : ρboule = m avec ρboule en kg/m3 si m est en kg et V V en m3. 0,72 Donc ρboule = = 3 842 kg/m3. 1,9 × 10–4 La masse volumique ρacier de l’acier est de 8 010 kg/m3, donc : ρboule , ρacier. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique La masse volumique de la boule étant inférieure à celle de l’acier, elle est donc creuse.

EX ER CI CE S • Calcul de la masse totale de l’aquarium rempli (doc. 2) : maquarium rempli = maquarium + meau salée = 28 + 345,3 = 373,3 kg. La masse totale, de l’aquarium et de l’eau salée, est d’environ 373 kg. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le meuble supporte jusqu’à 200 kg, or la masse totale de l’aquarium rempli est de 373 kg. On ne peut donc pas l’utiliser. On peut se demander, si les poissons pourraient vivre dans un aquarium moins rempli et donc si on ne pourrait pas néanmoins l’utiliser. Grille d’évaluation en fin de module.

23  L’acoustique du violon Une vidéo en accès libre présente le métier de luthier.

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1. a. La clarté du jeu est d’autant meilleure que la vitesse v de propagation du son dans le bois est grande (doc. 1). Le meilleur bois de résonance est donc l’épicéa, car la vitesse de propagation du son est la plus grande.

Se perfectionner

b. La clarté du jeu est d’autant meilleure que la masse volumique du bois est faible (doc. 1). Avec les données du doc. 2, on peut calculer le volume des éprouvettes : 2 × 2 × 30 = 120 cm3. On peut alors calculer la masse volumique de chacun de ces bois en utilisant la relation ρ = m  avec ρ en V g/cm3 si m est en g et V en cm3.

m1 V 68,4 = 0,57 g/cm3. = 120 m ρépicéa = 2 V 52,8 = 0,44 g/cm3. = 120 L’épicéa a une plus faible masse volumique que l’érable, c’est donc un meilleur bois de résonance. Cela confirme la réponse précédente. 2. L’humidité augmente la masse du bois et le fait gonfler. On peut émettre l’hypothèse que la masse du bois augmente davantage que son volume, et donc que la masse volumique augmente : le bois sera de moins bonne qualité. 3. Plus les cernes sont petits, plus la vitesse de propagation du son est élevée (doc. 2), donc meilleur est le bois pour l’usage indiqué. ρérable =

Module 1

21

EX ER CI CE S

SePrendre préparerunpour bon le départ brevet

22

Thème 1

25  Préparation d’une vinaigrette 1. L’huile et le vinaigre ne sont pas miscibles car ils se séparent toujours lorsqu’ils sont au repos. 2. La recette propose de dissoudre le sel dans le vinaigre. Le sel est donc soluble dans le vinaigre. 3. Le vinaigre balsamique est un mélange de plusieurs constituants. 4. La masse et le volume sont proportionnels, donc si on double le volume de vinaigre versé, la masse du vinaigre versé va doubler. 5. • On calcule la masse mvinaigre de 10 mL de vinaigre connaissant la masse volumique ρvinaigre du vinaigre et son volume Vvinaigre : mvinaigre = ρvinaigre × Vvinaigre avec mvinaigre en g si ρvinaigre est en g/L et Vvinaigre en L. Donc mvinaigre = 1 020 × 0,01 = 10,2 g. • On calcule la masse m de 30 mL d’huile connaissant la masse volumique ρhuile de l’huile et son volume V : mhuile = ρhuile × Vhuile avec les unités que précédemment. Donc mhuile = 900 × 0,03 = 27 g. • Protocole expérimental proposé : Pour préparer la vinaigrette, on mélange 10,2 g de vinaigre et 27 g d’huile.

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24  La cuisson des pâtes 1. L’ébullition de l’eau se produit à 100 °C. 2. La température reste constante et égale à 100 °C lors de l’ébullition, il est donc inutile d’augmenter la puissance du chauffage. 3. On pèse la masse de l’eau salée. La masse doit être égale à la masse d’eau additionnée à la masse de sel dissous. 4. À l’état liquide, les molécules sont en contact mais pas ordonnées. À l’état gazeux, les molécules sont espacées. Le schéma correct est donc le schéma 2 . 5. On calcule la masse maximale mmax de sel connaissant la solubilité s du sel et le volume V de la solution : mmax = s × V avec mmax en g si s est en g/L et V en L. Donc mmax= 360 × 0,5 = 180 g. On peut dissoudre au maximum 180 g de sel pour obtenir 500 mL d’eau salée. 6. Lors de l’ébullition, le volume d’eau diminue. Or le sel ne se vaporise pas. La solution devient alors saturée en sel et celui-ci réapparaît.

p. 25 du manuel

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Accompagnement personnalisé 26  À chacun son rythme Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Calcul de la masse m d’une matière connaissant la masse volumique ρ de cette matière son volume V : ρ = m  ; d’où m = ρ × V. V 2. On applique la relation précédente : m = avec m en kg si ρ est en kg/m3 et V en m3 ; m = 1 600 × 3 = 4 800. Le client doit acheter 4 800 kilogrammes de sable. 3. La remorque ne supporte pas plus de 800 kg. Calcul du nombre de trajets : 4 800 = 6. 800 Il doit effectuer au minimum 6 trajets.

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27  Comprendre le vocabulaire 1. Les unités de masse découlaient du grain, c’est-àdire sensiblement la masse d’un grain d’orge ou de froment. Or cette masse n’est pas fixe. 2. La centième partie du mètre est le centimètre. Le cube de la centième partie du mètre est donc le centimètre cube. Cela signifie « un centimètre cube d’eau à 0 °C ». 3. La masse volumique ρ d’une matière de masse m et de volume V est donnée par : ρ = m avec ρ en g/cm3 si m est en g et V en cm3. V Si 1 cm3 d’eau à 0 °C a une masse de 1 g alors : ρeau = 1 = 1 g/cm3. 1 Soit 1 000 g/dm3 = 1 000 g/L : c’est la masse volumique de l’eau. 28  Pour aller plus loin 1. a. On calcule la masse volumique ρeau, connaissant le volume Veau et la masse m de l’eau : avec ρeau en g/L si meau est en g et Veau en L. m ρeau = eau = 125 = 1 000 g/L. Veau 0,125 On calcule de même la masse volumique ρhuile, connaissant le volume Vhuile et la masse mhuile de l’huile. m ρhuile = huile = 151 = 839 g/L. Vhuile 0,180 ρ b. dhuile = huile = 839 = 0,839. ρeau 1 000 L’huile a une densité de 0,839. 2. On calcule les masses volumiques comme précédemment, mais en utilisant des unités différentes : ρ = m avec ρ en lb/in3 si m est en lb et V en in3. V m ρeau = eau = 0,0361 = 0,0361 lb/in3 ; Veau 1 mhuile 0,0545 = 0,0303 lb/in3. ρhuile = = Vhuile 1,8 ρ dhuile = huile = 0,0303 = 0,839. ρeau 0,0361

p. 26 et 27 du manuel

L’huile a une densité de 0,839. 3. La densité est un rapport de masses volumiques sans unité : la densité est la même quelles que soient les unités utilisées pour la calculer.

29  À chacun son rythme Une vidéo en accès libre présente les concrétions de Pamukkale. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Rédiger un texte argumenté proposant une explication scientifique à l’apparition des concrétions calcaires.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une concrétion calcaire ? 2. Où et comment apparaissent-elles ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une concrétion calcaire est un assemblage de particules composées de carbonate de calcium (doc. 1). Le carbonate de calcium est constituée d’ions carbonate et calcium et a pour formule CaCO3 (doc. 2). Il est soluble dans l’eau contenant du dioxyde de carbone et peu soluble dans l’eau (doc. 2). 2. Elles apparaissent sur les sources chaudes saturées en carbonate de calcium (doc. 1). Les eaux des profondeurs se chargent en dioxyde de carbone et en carbonate de calcium (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Relier la formation des concrétions calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau. 4e étape : Construire la réponse • Expliquer d’où proviennent les ions calcium et carbonate. • Justifier la solubilité de ces ions dans les eaux profondes. • Justifier la diminution de la solubilité de ces ions dans les eaux de surface. • Expliquer alors l’apparition des concrétions. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Dans certaines sources chaudes, on peut voir apparaître des concrétions constituées de carbonate de calcium. On nous demande de relier la formation des concrétions calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau. • Mettre en forme la réponse. Les ions carbonate et les ions calcium proviennent des roches calcaires. Leur solubilité est d’autant plus Module 1

23

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Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Les ions carbonate et les ions calcium proviennent des roches calcaires. 2. La solubilité du carbonate de calcium augmente lorsque l’eau contient du dioxyde de carbone dissous. 3. Dans les profondeurs, l’eau est saturée en dioxyde de carbone dissous d’origine volcanique. Or le carbonate de calcium est soluble dans une eau contenant du dioxyde de carbone dissous. Donc les ions carbonate et calcium sont dissous. 4. En surface, cette eau perd une partie de son dioxyde de carbone qui s’échappe dans l’atmosphère. Les ions

24

Thème 1

calcium et carbonate sont très faiblement solubles dans une eau contenant peu de dioxyde de carbone. Les ions calcium et carbonate s’associent alors pour former du carbonate de calcium solide. 5. Dans les profondeurs, l’eau est saturée en dioxyde de carbone dissous d’origine volcanique. Le carbonate de calcium des roches calcaires se dissout dans cette eau riche en dioxyde de carbone. Arrivée en surface, cette eau perd une partie de son dioxyde de carbone. Les ions calcium et carbonate ne peuvent plus être dissous, et les concrétions calcaires apparaissent.

30  Analyser sa production 1. La masse volumique ρsirop du sirop est calculée à partir du volume V et de la masse m du sirop : ρsirop = m avec ρsirop en g/L si m est en g et V en L. V Le volume du sirop est V = 20 mL = 0,02 L. La masse du sirop est m = 25 g. Donc ρsirop = m = 25 =1 250 g/L. V 0,020 La masse volumique du sirop est 1 250 g/L. 2. Le volume V de sirop est calculé à partir de la masse volumique ρsirop et de la masse m du sirop : m avec V en L si ρ est en g/L et m en g. V= ρsirop Donc V = 30 = 0,024 L = 24 mL. 1 250 L’enfant doit prendre 24 mL de sirop par jour.

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importante que l’eau contient du dioxyde de carbone dissous. Dans ces eaux profondes, l’eau est saturée en dioxyde de carbone dissous d’origine volcanique : les ions carbonate et calcium s’y dissolvent donc facilement. En surface, cette eau perd une partie de son dioxyde de carbone qui s’échappe dans l’atmosphère. La solubilité des ions calcium et carbonate diminue. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les ions calcium et carbonate s’associent alors pour former du carbonate de calcium solide qui explique alors l’apparition de concrétions calcaires.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 18 Transport en camion Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : La largeur intérieure de la remorque est de 2,48 m. Sa longueur utile est de 13,70 m. Sa hauteur utile est de 2,45 m. Doc. 1 : La remorque peut transporter au maximum 26 t de marchandises. Doc. 2 : Les bois ont des masses volumiques différentes.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer quel type de bois peut de nature scientifique. occuper le volume de la remorque sans que sa masse ne dépasse celle autorisée. Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer, pour chaque bois, la masse de ce volume de bois. • Comparer les masses calculées à la masse maximale autorisée. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Utilisation de la relation : à une autre. mbois = ρbois × V. • Lecture du schéma. • Lecture du tableau.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

25

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 20 La pétanque Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : La boule a un diamètre de 71 mm et une masse de 720 g. Elle est en acier inoxydable. Doc. 1 et données : La masse change si la boule est creuse ou pleine.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer la masse volumique de nature scientifique. de la boule de pétanque et la comparer à la masse volumique de l’acier.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme les calculs sont justes, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation : V = 4 × π × r3. 3 • Utilisation de la relation : mboule = ρboule × V.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

26

Thème 1

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer le volume de la boule. • En déduire la masse volumique de la boule de pétanque. • La comparer à la masse volumique de l’acier • Conclure en revenant sur la problématique.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

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D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 22 Choisir un meuble adapté à son aquarium Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Le meuble d’aquarium a une hauteur de 83 cm, une longueur de 100 cm et une largeur de 40 cm. Il peut supporter au maximum 200 kg. Doc. 2 : L’aquarium a une longueur de 82 cm, une profondeur de 40 cm et une hauteur de 52 cm. Il a une masse à vide de 28 kg. Doc. 3 : Le poisson-clown habite dans les récifs coralliens et vit dans de l’eau salée. Donnée : La masse volumique de l’eau salée est de 1,04 kg/L.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer si la masse de l’aquarium de nature scientifique. rempli d’eau salée dépasse la masse maximale que peut supporter le meuble. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer le volume de l’aquarium. • Calculer la masse d’eau salée lorsque l’aquarium est rempli. • Calculer la masse de l’aquarium avec le sel et l’eau. • Comparer cette masse avec la masse maximale supportée par le meuble • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Utilisation de la relation : à une autre. V = H × L × ¯. • Utilisation de la relation : m = ρ × V.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

27

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 29 À chacun son rythme – Pamukkale, le château de coton Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Une concrétion calcaire est un assemblage de particules composées de carbonate de calcium. Doc. 2 : Le carbonate de calcium est constituée d’ions carbonate et calcium et a pour formule CaCO3. Doc. 2 : Il est soluble dans l’eau contenant du dioxyde de carbone et peu soluble dans l’eau. Doc. 1 : Elles apparaissent sur les sources chaudes saturées en carbonate de calcium. Doc. 3 : Les eaux des profondeurs se chargent en dioxyde de carbone et en carbonate de calcium.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Relier la formation des concrétions de nature scientifique. calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique à une autre. Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

28

Thème 1

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Expliquer d’où proviennent les ions calcium et carbonate. • Justifier la solubilité de ces ions dans les eaux profondes. • Justifier la diminution de la solubilité de ces ions dans les eaux de surface. • Expliquer alors l’apparition des concrétions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

MO DU LE

2

Les transformations chimiques

Programme du cycle 4 Organisation et transformations de la matière Attendu de fin de cycle • Décrire et expliquer des transformations chimiques.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Décrire et expliquer des transformations chimiques Mettre en œuvre des tests caractéristiques d’espèces chimiques à partir d’une banque fournie. Identifier expérimentalement une transformation chimique. Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique. Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes. Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation chimique observée. • Notions de molécules, atomes, ions. • Conservation de la masse lors d’une transformation chimique.

Cette partie prendra appui sur des activités expérimentales mettant en œuvre différent types de transformations chimiques : combustions, réactions acide-base, réactions acides-métaux. Utilisation du tableau périodique pour retrouver, à partir du nom de l’élément, le symbole et le numéro atomique et réciproquement.

Associer leurs symboles aux éléments à l’aide de la classification périodique. Interpréter une formule chimique en termes atomiques. • Dioxygène, dihydrogène, diazote, eau, dioxyde de carbone.

30

Thème 1

Ces différentes transformations chimiques peuvent servir de support pour introduire ou exploiter la notion de transformation chimique dans des contextes variés (vie quotidienne, vivant, industrie, santé, environnement). La pratique expérimentale et les exemples de transformations abordées sont l’occasion de travailler sur les problématiques liées à la sécurité et à l’environnement.

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Propriétés acidobasiques Identifier le caractère acide ou basique d’une solution par mesure de pH. Associer le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et OH-. • Ions H+ et OH-. • Mesure du pH. • Réactions entre solutions acides et basiques. • Réactions entre solutions acides et métaux.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information

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Connaissances Exemples de situations, d’activités et de ressources et compétences associées pour l’élève Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique Mettre en œuvre des observations et des expériences pour caractériser un échantillon de matière. • Diversité de la matière : métaux, minéraux, verres, plastiques, matière organique sous différentes formes… • L’état physique d’un échantillon de matière dépend de conditions externes, notamment de sa température. • Quelques propriétés de la matière solide ou liquide (par exemple: densité, solubilité, élasticité…). • La matière à grande échelle : Terre, planètes, univers. • La masse est une grandeur physique qui caractérise un échantillon de matière.

Observer la diversité de la matière, à différentes échelles, dans la nature et dans la vie courante (matière inerte –naturelle ou fabriquée –, matière vivante). La distinction entre différents matériaux peut se faire à partir de leurs propriétés physiques (par exemple : densité, conductivité thermique ou électrique, magnétisme, solubilité dans l’eau, miscibilité avec l’eau…) ou de leurs caractéristiques (matériaux bruts, conditions de mise en forme, procédés…). L’utilisation de la loupe et du microscope permet : l’observation de structures géométriques de cristaux naturels et de cellules. Des activités de séparation de constituants peuvent être conduites : décantation, filtration, évaporation. Observation qualitative d’effets à distances (aimants, électricité statique). Richesse et diversité des usages possibles de la matière : se déplacer, se nourrir, construire, se vêtir, faire une œuvre d’art.

Identifier à partir de ressources documentaires les différents constituants d’un mélange. Mettre en œuvre un protocole de séparation de constituants d’un mélange. • Réaliser des mélanges peut provoquer des transformations de la matière (dissolution, réaction). • La matière qui nous entoure (à l’état solide, liquide ou gazeux), résultat d’un mélange de différents constituants.

Le domaine du tri et du recyclage des matériaux est un support d’activité à privilégier. Les mélanges gazeux pourront être abordés à partir du cas de l’air. L’eau et les solutions aqueuses courantes (eau minérale, eau du robinet, boissons, mélanges issus de dissolution d’espèces solides ou gazeuses dans l’eau…) représentent un champ d’expérimentation très riche. Détachants, dissolvants, produits domestiques permettent d’aborder d’autres mélanges et d’introduire la notion de mélange de constituants pouvant conduire à une réaction (transformation chimique). Informer l’élève du danger de mélanger des produits domestiques sans s’informer.

Module 2

31

Progression curriculaire retenue dans les manuels Décrire et expliquer des transformations chimiques

Mettre en œuvre des tests caractéristiques d’espèces chimiques à partir d’une banque fournie. Identifier expérimentalement une transformation chimique. Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique.

Mettre en œuvre des tests caractéristiques d’espèces chimiques à partir d’une banque fournie. Identifier expérimentalement une transformation chimique. Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique.

Mettre en œuvre des tests caractéristiques d’espèces chimiques à partir d’une banque fournie. Identifier expérimentalement une transformation chimique. Distinguer transformation chimique et mélange, transformation chimique et transformation physique.

Interpréter une transformation chimique Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes. comme une redistribution des atomes. Utiliser une équation de réaction chimique Utiliser une équation de réaction chimique Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation fournie pour décrire une transformation fournie pour décrire une transformation chimique observée1. chimique observée2. chimique observée2. Notions de molécules, atomes.

Notions de molécules, atomes, ions.

Conservation de la masse lors d’une transformation chimique. Associer leurs symboles aux éléments à l’aide de la classification périodique. Interpréter un formule chimique en termes atomiques. • Dioxygène, dihydrogène, diazote, eau, dioxyde de carbone.

Conservation de la masse lors d’une transformation chimique. Associer leurs symboles aux éléments à l’aide de la classification périodique. Interpréter un formule chimique en termes atomiques. • Dioxygène, dihydrogène, diazote, eau, dioxyde de carbone.

Identifier le caractère acide ou basique Identifier le caractère acide ou basique Identifier le caractère acide ou basique d’une solution par mesure de pH. d’une solution par mesure de pH. d’une solution par mesure de pH. Associer le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et OH–. Ions H+ et OH–. Mesure du pH.

Mesure du pH.

Mesure du pH.

Réactions entre solutions acides et Réactions entre solutions acides et basiques. basiques. Réactions entre solutions acides et métaux. 1

avec les noms des espèces chimiques

32

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

2 avec les formules des espèces chimiques

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : • Décrire et expliquer des transformations chimiques.

MI : maîtrise insuffisante MF : maîtrise fragile MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI

MF

Définir une transformation chimique et physique

MS

Activités TBM 1, 5, 6

Définir les réactifs et produits d’une transformation chimique

2, 3

Modéliser une réaction chimique

2, 3

Propriétés acidobasiques : l’échelle de pH Définir une transformation chimique et physique

4, 5, 6 1, 3, 4 , 6

Définir les réactifs et les produits d’une transformation chimique.

2, 7

Modéliser une réaction chimique

2, 3, 5, 6, 7

Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes.

2, 3, 5, 6, 7

Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation chimique observée.

3, 5, 6, 7

Notions de molécules, atomes.

2, 3, 5, 6, 7

Conservation de la masse lors d’une transformation chimique.

3,4

Propriétés acidobasiques : l’échelle de pH

4

Réactions entre solutions acides et basiques.

4

Définir une transformation chimique et physique.

2, 4, 6

Définir les réactifs et les produits d’une transformation chimique.

2, 4

Modéliser une réaction chimique.

2, 4

Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes.

2, 4

Utiliser une équation de réaction chimique fournie pour décrire une transformation chimique observée.

2, 4, 6

Notions de molécules, atomes, ions. Propriétés acidobasiques : l’échelle de pH. Associer le caractère acide ou basique à la présence d’ions H+ et OH–.

3, 4, 5, 6 1, 6 6

Réactions entre solutions acides et basiques.

1, 6

Réactions entre solutions acides et métaux.

5

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Vu en 4e QCM Flash

p. 10 du manuel

a.    2  b.    3  b. et c.    4  a. et c.    5  b.    6  a. 1 

Module 2

33

AC TIV ITÉ

1 Comment préserver un manuscrit d’une dégradation acide ?

Matériel et produits ➀ Fabrication d’une encre ferro-gallique avec de la grenade : • La peau d’une demi-grenade finement découpée. • 250 mL d’eau. • Deux béchers (500 mL). • Un bec électrique. • Un filtre et un support de filtre. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du sulfate de fer II. ➁ Fabrication d’une encre ferro-gallique avec de la noix de galle de chêne : • Deux noix de galle de chêne. • Un mortier et un pilon. • 250 mL d’eau.

p. 29 du manuel

• Deux béchers (500 mL). • Un bec électrique. • Un filtre et un support de filtre. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du sulfate de fer II. ➂ Variation du pH lors de l’ajout d’une solution de bicarbonate de calcium dans une solution acide : • De l’encre ferro-gallique ou une autre solution acide. • Une soucoupe. • Un bécher. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du bicarbonate de calcium.

Compléments Les noix de galle peuvent se trouver dans des forêts de chênes ou s’acheter chez des revendeurs de pigments. La grenade est un fruit cueilli de septembre à décembre. 1 Mise en œuvre du protocole expérimental du doc 4.



Observations : • Couleur du filtrat : brun-jaune. • pH de l’encre : pH = 5. • Couleur de l’encre : noire. 2 La solution de bicarbonate de calcium est basique (doc. 3).



Exemple d’hypothèse : le pH d’une solution acide à laquelle on ajoute une solution de bicarbonate de calcium va augmenter. 3 Protocole expérimental :



– Verser de l’encre ferro-gallique ou une autre solution acide dans un bécher. – Mesurer le pH et noter sa valeur. – Dans un bécher, dissoudre une pointe de spatule de bicarbonate de calcium dans un peu d’eau. – Verser la solution de bicarbonate de calcium dans le bécher contenant la solution acide et mélanger. – Mesurer le pH et noter sa valeur. – Conclure. permet de le préserver d’une dégradation.

Un pas vers le bilan On peut rendre une solution moins acide en la mélangeant à une solution basique. La réaction acide-base qui se produit modifie le pH du mélange.

34

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4 Une transformation chimique avec une solution basique peut rendre l’encre du manuscrit moins acide, ce qui

AC TIV ITÉ

2 Le dihydrogène pourrait-il être le carburant du futur ?

p. 30 du manuel

Matériel a Dispositif expérimental : • Un électrolyseur. • Deux tubes à essais. • Un générateur de tension continue 12 V. • De l’eau. • Du sulfate de sodium. c Tests d’identification : • Des allumettes. • Des buchettes de bois.

Compléments • Un électrolyseur peut être fabriqué à peu de frais avec un grand bécher et des fils électriques isolés et recourbés dont seulement les extrémités sont dénudées. Les connexions sont alors réalisées par le haut et non par le bas, des pinces crocodiles assurent la connexion avec le reste du circuit. • Le sulfate de sodium permet de réaliser une solution plus conductrice que de l’eau douce (eau du robinet). On peut utiliser par exemple une solution à 10 g/L. Vidéos et animations en lien avec l’activité La voiture à dihydrogène (Introduction) Une vidéo en accès libre montre le principe de fonctionnement d’une voiture à moteur électrique qui fabrique sa propre électricité à partir d’un réservoir de dihydrogène et d’une pile à combustible. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais illustre son contexte. Électrolyse de l’eau (doc. 3) Une vidéo en accès libre montre la production de gaz lors d’une électrolyse de l’eau faite en laboratoire. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle montre l’identification des gaz formés. Elle est indispensable à l’activité si l’électrolyse n’est pas réalisée en classe. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés par l’enseignant, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée entre les groupes d’élèves.

Démarche documentaire

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

1 Les réactifs utilisés dans une pile à hydrogène sont le dihydrogène et le dioxygène. Le dihydrogène provient de

l’industrie du pétrole ou du gaz naturel, du traitement du bois (doc. 2) ou de manière plus marginale de l’électrolyse de l’eau (doc. 3) et le dioxygène provient de l’air. 2 a. Le doc. 2 indique : « Le procédé s’appuie sur la réaction entre le méthane (CH4) et l’eau (H2O) » : les réactifs



sont donc bien le méthane (CH4) et l’eau (H2O). Il précise aussi que le procédé « permet d’obtenir du dihydrogène (H2) et du dioxyde de carbone (CO2) » : les produits sont donc bien le dioxyde de carbone (CO2) et le dihydrogène (H2). b. CH4 + 2 H2O  → CO2 + 4 H2 Type d’atomes

Nombre d’atomes avant transformation

Nombre d’atomes après transformation

Carbone (C)

1

1

Hydrogène (H)

4 + 2 × 2 = 8

4 × 2 = 8

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

2 Module 2

35

3 La production de dihydrogène à partir du méthane produit du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.

Sa production n’est donc pas satisfaisante du point de vue écologique. 4 Le dihydrogène pourrait être le carburant du futur seulement si sa production provient de sources d’énergie

renouvelables et sans dégagement de dioxyde de carbone.

Un pas vers le bilan Lors de l’électrolyse de l’eau, il y a transformation des molécules d’eau (H2O) en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). Son équation s’écrit : 2 H2O → O2 + 2 H2 Cette équation traduit la transformation des espèces (H2O transformé en O2 et en H2) et la conservation des atomes de chaque type car il y a les mêmes nombres d’atomes de chaque type avant et après la transformation. Une équation de réaction chimique permet donc : – de traduire la transformation des espèces chimiques ; – de rendre compte de la conservation des atomes de chaque type.

Démarche expérimentale a Mise en œuvre du protocole expérimental du doc. 3.



Observations : • On observe un dégagement de gaz au niveau de chaque électrode. • Les gaz produits sont stockés dans chaque tube à essais. • Ces deux gaz sont incolores. • Le tube qui est relié à la borne – du générateur contient deux fois plus de gaz que l’autre. b L’équation de réaction indique qu’à partir de deux molécules d’eau, il se forme deux molécules de dihydrogène

et une molécule de dioxygène. Ceci explique le rapport des volumes de ces deux gaz formés.

On admet ici que les volumes de gaz sont proportionnels aux quantités de matières des espèces formées et ne dépendent pas de la nature de ces espèces. Cela est valable pour un gaz (dans le modèle des gaz parfaits à température et pression identiques par exemple) mais pas pour un solide ou liquide. c Suite à la réponse précédente, on peut penser que le gaz dont le volume dégagé est le plus grand est du dihy-

drogène et que le gaz dont le volume dégagé est le plus petit est du dioxygène. On réalise le test de recherche du gaz dioxygène sur le tube contenant le plus faible volume de gaz : – présenter une buchette incandescente à l’ouverture du tube ; – la buchette se rallume ; – ce qui atteste de la présence de dioxygène. On réalise le test de recherche du gaz dihydrogène sur le tube contenant le plus grand volume de gaz : – présenter une flamme à l’ouverture du tube ; – il se produit une petite détonation (aboiement) ; – ce qui atteste de la présence de dihydrogène.



d Le dihydrogène pourrait être le carburant du futur seulement si sa production provient de sources d’énergie

renouvelables et sans dégagement de dioxyde de carbone.

Lors de l’électrolyse de l’eau il y a transformation des molécules d’eau (H2O) en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). Son équation s’écrit : 2 H2O → O2 + 2 H2 Cette équation traduit la transformation des espèces (H2O transformé en O2 et en H2) et la conservation des atomes de chaque type car il y a les mêmes nombres d’atomes de chaque type avant et après la transformation. Une équation de réaction chimique permet donc : – de traduire la transformation des espèces chimiques ; – de rendre compte de la conservation des atomes de chaque type.

36

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

3 Que contient l’extrait sec d’une eau minérale ?

p. 32 du manuel

Compléments Des planches de puzzles vierges à découper sont disponibles en téléchargement dans le manuel numérique du professeur. 1 Tout solide ionique est électriquement neutre (doc. 3), et ne peut donc pas être formé par l’association de deux

ions positifs ou de deux ions négatifs. 2 • Modèle de tous les ions présents sur l’étiquette de l’eau minérale : Ca2+

Hydrogénocarbonate (HCO3) :

Sodium (Na+) :

Na+

Sulfate (SO4 ) :

Magnésium (Mg2+) :

Mg2+

Chlorure (C,ˉ) :

Potassium (K+) :



–

Calcium (Ca2+) :

2–

SO 2– 4

C,–

–

NO–3

Nitrate (NO3) :

K+

HCO –3

• Modèle des solides ioniques : Chlorure de potassium :

k+

C,–

Chlorure de calcium :

C,

Ca2+

C,–

Sulfate de sodium :

K+

SO 2– 4

K+

NO–3

Mg2+

NO–3

Nitrate de magnésium : 3 Chlorure de potassium : KC,.



Chlorure de calcium : CaC,2. Sulfate de sodium : Na2SO4. Nitrate de magnésium : Mg(NO3)2.

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4 L’extrait sec d’une eau minérale contient des solides ioniques formés à partir des ions présents en solution.

Un pas vers le bilan La charge globale d’un solide ionique ou d’une solution ionique est nulle. Un solide ionique ou une solution ionique sont électriquement neutres.

Prolongement Le sulfate de calcium ne peut pas être représenté par les modèles d’ions représentés dans le doc.2 car il n’est pas possible d’emboiter ensemble et complètement de tels modèles d’ions doublement chargés + et – . Cela nécessiterait une modification des modèles :

Ca2+

SO 2– 4

Module 2

37

AC TIV ITÉ

4 Comment restaurer un objet d’art en métal ?

p. 33 du manuel

Matériel • Un bécher de 250 mL. • Deux pinces crocodile. • Deux fils de connexion. • Un générateur de tension continue 12 V. • Une électrode en graphite. • Une plaque de cuivre. • Une solution de sulfate de cuivre. Vidéos et animations en lien avec l’activité Restauration d’une œuvre en cuivre (doc. 1) Une vidéo en accès libre reprend les éléments présentés dans le doc.1. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais permet de varier les supports pédagogiques pour favoriser l’appropriation du document par des élèves de profils d’apprentissage différents. 1 Schéma :

G

Plaque de cuivre

Moule (graphite) Solution sulfate de cuivre



Observations : Petit à petit le morceau de graphique se recouvre de cuivre et simultanément la plaque de cuivre est rongée. 2 Réactifs : Cu (de la plaque) et Cu2+ (du sulfate de cuivre).

Produits : Cu (sur le moule) et Cu2+ (issus de la plaque de cuivre).



3 Après avoir moulé les parties manquantes ou abimées d’un objet d’art en métal, il est possible de le restaurer

en réalisant un dépôt métallique dans le moule. Ce dépôt peut être obtenu en réalisant un circuit électrique dans lequel le moule est relié à la borne négative d’un générateur, un morceau du métal à déposer est relié à la borne positive du générateur et l’ensemble (moule + métal) est plongé dans une solution contenant les ions métalliques correspondant au métal à déposer.

La conservation des éléments chimiques au cours d’une transformation chimique se traduit par les deux règles suivantes : • la conservation des atomes (il y a autant d’atomes de chaque type avant et après la transformation chimique) ; • la conservation du nombre de charges (le bilan des charges électriques portées par les ions dans les réactifs est égal au bilan des charges électriques portées par les ions dans les produits).

38

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

5 Pourquoi l’intérieur des canettes métalliques est-il verni ?

p. 34 du manuel

Matériel Première partie : • Des tubes à essais. • Une pipette compte-gouttes. • Une spatule. • Une solution d’acide chlorhydrique (3 mol/L pour le professeur et 1 mol/L ou 0,1 mol/L pour les élèves). • Des poudres métalliques ou métaux en petits grains (fer, aluminium, zinc et cuivre). • Du matériel de sécurité : les lunettes de protection, une blouse et des gants. Deuxième partie : ➀ • Des bouchons pour les tubes à essais. • Des allumettes. • Des tubes à essais. • De l’eau de chaux. ➁ • Une pipette compte-gouttes. • Une solution d’hydroxyde de sodium (1 mol/L ou 0,1 mol/L). Vidéos et animations en lien avec l’activité Fabrication de canettes (Énoncé) Une vidéo en accès libre montre les étapes de la fabrication des canettes, en particulier le vernissage dont il est question dans l’activité. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais elle illustre le contexte. 1 Exemple d’hypothèse : Les sodas contiennent de l’acide (doc. 1). Le métal constituant la canette peut réagir avec

l’acide de la boisson qu’elle contient. Cela justifierait la nécessité de vernir l’intérieur des canettes. 2 Première partie du protocole : l’acide chlorhydrique réagit-il avec les métaux ?



– Placer la poudre ou les grains d’un métal dans un tube à essais. – À l’aide d’une pipette compte-gouttes, verser de l’acide dans le tube. – Boucher et agiter quelques secondes. – Ôter le bouchon et le reposer sans l’enfoncer sur le tube. – Observer.



• La manipulation d’acide et de soude par les élèves nécessite des précautions de sécurité : le port de lunettes, de gants et d’une blouse. La plus grande vigilance est conseillée si les élèves sont amenés à manipuler les solutions concentrées. • La rapidité de la réaction dépend de la concentration de l’acide et de l’état de surface du métal notamment pour l’aluminium et le zinc. Avec de l’acide de concentration 0,1 mol/L, le dégagement gazeux peut être visible (avec le fer et le zinc), mais l’identification du dihydrogène et des ions métalliques nécessite environ 30 minutes de réaction entre le métal et l’acide. Cette durée est réduite avec de l’acide à 1 mol/L. • Dans le cas de l’aluminium, une couche d’oxyde protège la surface et rend la réaction plus difficile. Il peut être judicieux de mettre au préalable les petits grains d’aluminium en contact avec de l’acide à 3 mol/L pour éliminer l’oxyde. • Le cuivre ne réagit pas avec l’acide chlorhydrique. Cette expérience négative peut être réalisée pour répondre au pas vers le bilan.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur







Deuxième partie du protocole : tests de reconnaissance ➀ Identification du dihydrogène : pour entendre la détonation à l’approche d’une flamme, il faut laisser s’accumuler le dihydrogène dans le tube en plaçant le bouchon au-dessus sans l’enfoncer.



Il peut être intéressant de faire anticiper par les élèves la nature du gaz qui se dégage à partir de la formule chimique des réactifs pour choisir le test à réaliser parmi ceux qui sont disponibles. Les élèves peuvent penser au dihydrogène, mais aussi au dioxygène, puisque la molécule d’eau contient l’élément oxygène. Module 2

39



➁ Reconnaissance des ions métalliques : – Prélever à l’aide d’une pipette une partie du liquide contenu dans le tube à essais où le métal et l’acide chlorhydrique ont réagi. – Verser ce prélèvement dans un autre tube à essais. – Introduire, avec une pipette compte-gouttes, quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium. – La couleur du précipité d’hydroxyde métallique qui se forme permet de caractériser la présence d’ions métalliques dans la solution.





• Choisir la même concentration pour l’hydroxyde de sodium que pour l’acide qui a servi à la réaction avec le métal. • Si un dégagement gazeux a été observé mais si le précipité d’hydroxyde métallique n’est pas observable, cela peut être lié à la trop faible quantité d’ions formés et/ou à la présence d’acide en excès qui réagit avec l’hydroxyde de sodium.



Schématisation : voir la fiche 2 du livret de l’élève.



3 Les atomes des métaux sont transformés en ions :

– le fer (Fe) est transformé en ions Fe2+ ; – le zinc (Zn) est transformé en ions Zn2+ ; – l’aluminium (A,) est transformé en ions A,3+.



4 L’intérieur des canettes métalliques est verni pour éviter que le métal ne réagisse avec les boissons acides.

Un pas vers le bilan Beaucoup de métaux réagissent avec les acides (exemple : le fer, l’aluminium et le zinc réagissent avec les acides), mais pas tous (exemple : le cuivre ne réagit pas). Pour s’assurer qu’un métal réagisse avec les acides, il faut le vérifier expérimentalement avec un échantillon de ce métal.

40

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Remarque : les métaux moins réducteurs que H2 ne réagissent pas avec H+. Il s’agit notamment du cuivre, de l’argent, de l’or et du platine.

AC TIV ITÉ

6 Comment préserver la couleur des haricots verts à la cuisson ?

p. 35 du manuel

Matériel • Trois tubes à essais. • Un bécher. • De l’eau distillée. • Une pipette compte-gouttes. • Une spatule. • Un bouchon pour tube à essais. • Une plaque chauffante. • Un papier indicateur de pH. • Du vinaigre. • Du bicarbonate de soude. • Des haricots verts (surgelés ou frais). Vidéos et animations en lien avec l’activité La couleur des haricots verts (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente les informations données dans le doc. 1. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité, elle peut se substituer au doc. 1 pour varier la nature des supports pédagogiques et favoriser l’appropriation des informations par des élèves de profils d’apprentissage différents. 1 a. La couleur verte des haricots verts provient du magnésium présent au centre de la molécule de



chlorophylle. b. Chauffée en présence de vinaigre, la chlorophylle perd sa coloration verte pour prendre une coloration jaune. c. Les ions hydrogène sont les responsables de ce phénomène. Ils remplacent le magnésium dans la molécule de chlorophylle. 2 La lessive de cendre est une solution basique. 3 Exemple d’hypothèse : Les ions HO– de la lessive de cendre réagissent avec les ions H+ libérés par les cellules

des légumes verts lors du chauffage, ce qui empêche la transformation chimique de la chlorophylle qui garde alors sa couleur verte. 4 Première partie du protocole :



© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur



On peut vérifier que le bicarbonate de soude conduit à des solutions basiques comme la lessive de soude. – Dans un tube à essais, verser un peu d’eau. – À l’aide d’une spatule, rajouter du bicarbonate de soude dans le tube à essais, boucher le tube et agiter légèrement. – À l’aide de papier indicateur de pH, mesurer le pH et noter sa valeur. – Conclure. On peut également vérifier ce qui est dit dans le doc. 3, à savoir que les ions H+ des solutions acides réagissent avec les ions HO– des solutions basiques. Pour cela, mesurer le pH d’une solution acide, puis celui d’une solution basique, mélanger les deux solutions et mesurer le pH final. Deuxième partie du protocole : – Dans un bécher, mettre un peu d’eau distillée et quelques haricots verts (4 ou 5). – Un tiers des groupes de la classe ajoute quelques gouttes de vinaigre, un autre tiers n’ajoute rien et le troisième tiers ajoute du bicarbonate de soude. – À l’aide d’un papier indicateur de pH, mesurer le pH des solutions. – Faire bouillir quelques minutes. – Comparer la couleur des haricots verts des différents groupes à la fin de la cuisson.

Module 2

41



On peut imaginer constituer davantage de groupes avec chacun une solution acide ou basique à rajouter à l’eau de cuisson des haricots de manière à vérifier que d’autres solutions basiques conservent la couleur des haricots verts. Il faut dans ce cas faire remarquer aux élèves que les haricots seront peut-être verts mais ne seront peut-être pas consommables. On peut également faire remarquer que les haricots verts devenus bruns à la cuisson dans l’eau restent consommables, mais sont moins appétissants. 5 On préserve la couleur des haricots verts à la cuisson en rajoutant une solution basique dans l’eau de cuisson

pour neutraliser l’action des acides que la cuisson libère.

Un pas vers le bilan

42

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Les ions hydrogène (H+) sont responsables du caractère acide d’une solution. Les ions hydroxyde (HO–) sont responsables du caractère basique d’une solution.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les transformations chimiques QCM 2  a.

3  Identifier les produits d’une réaction 1. Le produit identifié avec certitude est le gaz dihydrogène. 2. Le précipité blanc obtenu montre qu’il y a des ions aluminium (A¯3+) ou zinc (Zn2+). Dans les réactifs, il y a du zinc et pas de l’aluminium. L’autre espèce mise en évidence est donc l’ion zinc (Zn2+). 4  Interpréter le résultat d’une expérience Un des produits de la transformation chimique est un gaz : il s’est échappé de la bouteille car celle-ci n’était pas fermée, ce qui explique que la conservation de la masse n’est pas vérifiée en apparence.

Les espèces chimiques QCM 5  a.

6  a.

7  b. et c.

8  Identifier la nature d’espèces chimiques – Les ions sont : CO32  ; CN– ; PO43– ; NH4+ ; C2H8O2N+. 9  Reconnaîre la nature d’espèces chimiques Molécules : H2O ; N2 ; HC,. Ions : NO3– ; C,– ; Cu2+. Atomes : Cu ; C,.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

10  Reconnaître un élément chimique Représentants d’un même élément chimique : – Cu et Cu2+ ; – C, et C,–. 11  Identifier des éléments chimiques • Groupe qui contient l’élément oxygène (O) : H2O ; NO3– ; CO2. • Groupe qui contient l’élément hydrogène (H) : H2O ; HC,. • Groupe qui contient l’élément azote (N) : NO3– ; N2. • Groupe qui contient l’élément chlore (C,) : HC,.

Les équations de réaction QCM 12  b.

2. Conservation des éléments chimiques : Atomes

1  b. et c.

14  Interpréter un test de mise en évidence 1. Les réactifs sont Zn2+ et OH–. Le produit est Zn(OH)2.

Avant Après la transformation la transformation

Zinc (Zn)

1

1

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Hydrogène (H)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

2

–

2 × 1 = 2

0

Bilan

0

0

0

15  Interpréter une équation de réaction • Équation chimique ➀ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

1

1

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Hydrogène (H)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Conservation de de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

2

0

–

2 × 1 = 2

0

Bilan

0

0

• Équation chimique ➁ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

1

1

Oxygène (O)

1 × 2 = 2

1 + 1 = 2

Hydrogène (H)

1 × 2 = 2

2

Conservation de de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

0

–

0

0

Bilan

0

0

• Équation chimique ➂ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

13  b. et c.

p. 40 et 41 du manuel

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

2 × 1 = 2

2

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

2

Carbone (C)

1

1

Module 2

43

EX ER CI CE S Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

0

–

0

0

Bilan

0

0

Les propriétés acidobasiques QCM 16  b.

– Verser un peu de boisson dans un bécher. – Découper un morceau de papier indicateur de pH. – Plonger un agitateur de verre dans la boisson et toucher le papier pH avec l’agitateur. – Comparer la couleur prise par le papier avec l’échelle indiquée sur la boite. On peut aussi plonger l’électrode d’un pH-mètre dans le bécher contenant la boisson pour mesurer son pH.

20  Associer le pH à la prédominance des ions hydrogène H+ et des ions hydroxyde HO– 3

17  a. et c.

18  b.

1

2 pH

44

Thème 1

0

7

14

1 Les ions hydrogène H+ sont majoritaires. 2 Les ions hydroxyde HO– sont majoritaires. 3 Les ions hydrogènes H+ et HO– hydroxyde sont en

quantités égales.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

19  Identifier expérimentalement le caractère acide ou basique d’une solution 1. Hypothèse : On suppose que la boisson est acide car elle contient un acidifiant : l’acide citrique. 2. Le protocole à formuler est une mesure un pH de la boisson :

EX ER CI CE S

Se  perfectionner 21  Des métaux aux propriétés différentes Une vidéo en accès libre montre l’action de l’acide chlorhydrique sur les métaux. • Avec le cuivre : pas de transformation chimique

apparente. • Avec le zinc : transformation chimique (formation

d’un gaz). • Avec l’aluminium : transformation chimique (formation d’un gaz). • On peut en déduire que le zinc et l’aluminium réagissent avec les acides, tandis que le cuivre ne réagit pas. 22  Le fer n’est pas rouillé Une vidéo en accès libre pour les élèves montre l’action du sulfate de cuivre sur de la paille de fer. 1. La décoloration du sulfate de cuivre et la coloration de la paille de fer permettent d’affirmer qu’il y a eu une transformation chimique. 2. L’équation de réaction rend compte de l’éclaircissement de la solution car les ions Cu2+, responsables de la couleur bleue de la solution, sont des réactifs. Ils sont consommés. L’apparition d’un dépôt rougeâtre est justifiée par la formation de cuivre métallique de couleur rougeâtre. 3. La rouille est un solide rougeâtre issu de la corrosion du fer. L’apparition d’un solide rouge sur le fer peut faire penser à de la rouille. Le titre de l’exercice indique à juste titre qu’il ne s’agit pas de rouille. 4. Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

1

1

Fer (Fe)

1

1

Conservation de la charge électrique :

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

2

2

–

0

0

Bilan

+2

+2

23  Une modification de pH Le pH de l’acide chlorhydrique est compris entre 1 et 2. Le pH de la solution après réaction entre l’acide chlor­ hydrique et le zinc est proche de 6. L’augmentation du pH s’interprète par la diminution du nombre d’ions H+ dans la solution. Des ions H+ ont été consommés lors de cette réaction. Les ions H+ font partie des réactifs de cette réaction.

p. 42 à 46 du manuel

24  Intoxication au monoxyde de carbone 1. • Faire entretenir les installations permet de s’assurer que les arrivées d’air de la chaudière et que les conduits d’évacuation des gaz brûlés sont opérationnels. • Ventiler régulièrement permet de renouveler l’air de la pièce et ainsi éviter son appauvrissement en dioxygène lorsque la chaudière fonctionne, cela permet aussi d’évacuer les gaz issus de la combustion s’ils se sont accumulés dans la pièce. • Ne pas faire fonctionner les chauffages d’appoint en continu permet d’éviter l’appauvrissement de l’air de la pièce en dioxygène et l’accumulation des gaz issus de la combustion. 2. Pour garantir la sécurité dans une habitation, on pourrait installer un détecteur de monoxyde de carbone. 3. ➀ Combustion du carbone en monoxyde de carbone : il faut 2 atomes de carbone pour consommer 1 molécule de dioxygène (2 atomes de d’oxygène). ➁ Combustion du carbone en dioxyde de carbone : il faut 1 seul atome de carbone pour consommer une molécule de dioxygène (2 atomes de d’oxygène). Pour consommer 2 atomes de carbone, il faudrait donc 2 molécules de dioxygène. Il faut donc deux fois plus de molécules dioxygène pour consommer un atome de carbone dans la transformation ➁ du carbone en dioxyde de carbone que dans la transformation ➀ qui produit du monoxyde de carbone. Erratum : dans le manuel, la question posée doit être : Montrer que pour consommer la même ­quantité de carbone, il faut davantage de dioxygène pour la réaction de combustion ➁ que pour la réaction ➀. 25  Des acides pour se défendre 1. La classification périodique permet d’identifier les atomes comme suit : H : hydrogène, C : carbone, N : azote. 2. Les ions hydrogène (H+) sont responsables de la propriété acide d’une solution. 3. On pourrait déterminer le caractère acide d’une solution d’acide cyanhydrique en réalisant une mesure de son pH avec du papier indicateur de pH ou un pH-mètre. 26  Familles de molécules 1. Méthane : carbone : 1 ; hydrogène : 4. Éthane : carbone : 2 ; hydrogène : 6. Propane : carbone : 3 ; hydrogène : 8. Butane : carbone : 4 ; hydrogène : 10.

Module 2

45

EX ER CI CE S 2. Conservation des atomes :

Carbone (C)

1

1

Hydrogène (H)

4

2 × 2 = 4

Oxygène (O)

2 × 2 = 4

2 + 2 × 1 = 4

3. Les nombres placés devant les formules des réactifs et des produits de cette équation sont différents de ceux de la précédente car les alcanes n’ont pas le même nombre d’atomes de chaque type. Ces nombres permettent d’assurer la conservation des atomes de chaque type lors de la combustion. 4. Équation de la réaction de combustion du propane : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

27  Un poisson au court-bouillon 1. Pour que l’on ne sente plus l’odeur du poisson, il faut que toutes les molécules de triméthylamine (C3H9N) aient été consommées par la réaction avec l’acide éthanoïque (C2H4O2). L’équation de la réaction montre qu’une molécule de triméthylamine réagit avec une molécule d’acide éthanoïque. Il faut donc qu’il y ait au moins autant de molécules d’acide éthanoïque (C2H4O2) que de molécules de triméthylamine (C3H9N). 2. On ne sent plus l’odeur du poisson ni celle du vinaigre quand il y a exactement autant de molécules d’acide éthanoïque (C2H4O2) que de molécules de triméthylamine (C3H9N). 3. Conservation des éléments chimiques : Atomes

3 + 2 = 5

3 + 2 = 5

Hydrogène (H)

9 + 4 = 13

10 + 3 = 13

Oxygène (O)

2

2

Azote (N)

1

1

Conservation de la charge électrique : Avant Après la transformation la transformation

+

0

1

–

0

1

Bilan

0

0

28  Un détartrant biologique Hypothèse : L’aluminium réagit avec les ions H+ contenus dans les acides. 29  What the pH scale is used for? Traduction : L’échelle de pH est une mesure du nombre d’ions H+ dans une solution. S’il y a beaucoup d’ions H+, le pH est faible. Si le nombre d’ions HO– est plus important que le nombre d’ions H+ alors le pH est élevé. Une solution de bicarbonate de sodium a un pH supérieur à 7 ; elle réagit avec les 46

Thème 1

1. Les solutions de bicarbonates de sodium sont basiques. 2. Elles contiennent plus d’ions HO– que d’ions H+. 3. La transformation chimique entre le suc gastrique et une solution de bicarbonate de sodium conduit à la production de dioxyde de carbone.

30  Le dentifrice d’éléphant Une vidéo en accès libre montre l’expérience.

Compléments L’expérience peut être réalisée en classe en prenant les précautions nécessaires. Matériel : • Un grand cristallisoir. • Une grande éprouvette (au moins 250 mL). • Deux petits béchers (environ 50 mL). • Une spatule. • Des gants. • Des lunettes de protection. • De l’iodure de potassium (ou iodure de sodium) solide. • De l’eau oxygénée H2O2 à environ 130 volumes.

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

Charges

fluides gastriques, dans l’estomac, pour soulager des indigestions et produit du dioxyde de carbone gazeux.

• Du liquide vaisselle. • De l’eau tiède ou un dispositif de chauffage. Mode opératoire : – Dans un petit bécher, dissoudre l’équivalent de deux spatules d’iodure de potassium (ou de sodium) dans quelques millilitres d’eau tiède. – Dans l’éprouvette, verser 1 mL de liquide vaisselle puis 5 mL d’eau oxygénée concentrée. Homogénéiser. – Placer l’éprouvette dans le cristallisoir, bien au centre. – Verser rapidement la solution d’iodure de sodium dans l’éprouvette et reculer. 1. • Équation ➀ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Hydrogène (H)

2

2

Oxygène (O)

2

1 + 1 = 2

Iode (I)

1

1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Atomes

Avant Après la transformation la transformation

EX ER CI CE S

Se  perfectionner

Conservation de la charge électrique : Avant Après la transformation la transformation

Charges +

0

0

–

1

1

Bilan

1

1

• Équation ➁ : Conservation des éléments chimiques : Avant Après la transformation la transformation

Atomes Hydrogène (H)

2

2

Oxygène (O)

1 + 2 = 3

1 + 2 = 3

Iode (I)

1

1

Conservation de la charge électrique : Avant Après la transformation la transformation

Charges +

0

0

–

1

1

Bilan

1

1

2. H2O2 H2O2

+

Iˉ IOˉ

→ →

2 H2O2

+ Iˉ+ IOˉ

→

H2O H2O

+ +

IOˉ O2

2 H2O +

O2

+

Iˉ

+ Iˉ + IOˉ

D’où : 2 H2O2  → H2O + O2 3. La mousse provient de la formation du gaz dioxygène dans la solution contenant du savon liquide.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

31  La loi des volumes de Gay-Lussac 1. Formules chimiques : dihydrogène : H2 ; dichlore : C¯2. 2. Deux molécules de chlorure d’hydrogène sont obtenues à partir de : – une molécule de dihydrogène : H2 ; – une molécule de dichlore : C¯2. La formule chimique du chlorure d’hydrogène est donc HC,. 32  Les structures moléculaires de Gaudin 1. Une molécule est un assemblage d’atomes. 2. Formule chimique des molécules : Figure I : C¯2 ; H2 ; HC,. Figure II : O2 ; H2 ; H2O. Figure III : N2 ; H2 ; NH3. 3. Équations des réactions : Figure I : C¯2 + H2 → 2 HC, Figure II : O2 + 2 H2 → 2 H2O Figure III : N2 + 3 H2 → 2 NH3 33  Les soudures de rails pour les trains Une vidéo en accès libre montre le soudage des rails.

1. Transformations physiques : fusion des extrémités des rails, solidification du fer liquide issu de la transformation chimique. Transformations chimiques : combustion de la mèche de magnésium, réaction d’aluminothermie entre Fe2O3 et A,. 2. Nom des éléments chimiques repérés en gras : – Mg : magnésium ; – Fe : fer. 3. a. Le métal formé qui vient combler l’espace entre les rails est du fer. b. Le fer est liquide car sa température de fusion (1 538°C) est inférieure à la température du mélange lors de la transformation chimique (2 700°C) où il est formé. Tâche complexe 34  L’Everest Question posée : Proposer une explication scientifique aux difficultés que rencontre un hélicoptère en haute altitude.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle altitude l’hélicoptère atteint-il ? 2. Quelles difficultés rencontre l’hélicoptère ? 3. Comment un hélicoptère fonctionne-t-il ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. L’hélicoptère vole à 7 000 mètres d’altitude (doc. 1). 2. Il n’y a pas assez d’air pour faire tourner les hélices (doc. 1). 3. L’énergie thermique produite par la combustion d’un mélange air-carburant est transformée en énergie mécanique et permet la rotation des hélices (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Proposer une explication aux difficultés de combustion du mélange air-carburant lorsque l’hélicoptère atteint 7 000 mètres. 4e étape : Construire la réponse • Le moteur a besoin de dioxygène pour fonctionner et permettre la rotation des hélices. • La composition de l’air ne change pas avec l’altitude. • Mais la quantité d’air diminue avec l’altitude. • Donc la quantité de dioxygène diminue avec l’altitude. • Si la quantité de dioxygène devient trop faible le moteur ne pourra plus fonctionner. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les hélicoptères ne peuvent voler au-delà d’une certaine altitude (environ 7 000 mètres) (doc. 1). Module 2

47

EX ER CI CE S

• Mettre en forme la réponse. Le moteur de l’hélicoptère a besoin de dioxygène pour fonctionner et permettre la rotation des hélices. En effet, l’énergie thermique produite par la combustion du carburant dans l’air est convertie en énergie mécanique, et permet aux hélices de tourner (doc 3). Cependant, à une altitude de 5 500 mètres il n’y a plus que 50% de l’air disponible au niveau de la mer, et au sommet du Mont Everest il n’y en a plus que 30%. La composition de l’air ne change pas avec l’altitude avec environ 20% de dioxygène, mais comme l’air se raréfie, le dioxygène se raréfie aussi dans les mêmes proportions (doc. 2). Au-delà d’une certaine altitude, environ 7 000 mètres, la quantité de dioxygène est trop faible pour faire fonctionner correctement le moteur et donc permettre la rotation des hélices (doc. 1). • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Par manque de dioxygène, le moteur d’un hélicoptère ne fonctionne correctement pas au-delà de 7 000 mètres. Cette situation peut limiter l’action des sauveteurs en haute montagne comme c’est le cas dans l’Everest. Grille d’évaluation en fin de module.

35  Les feux d’artifice 1. Formule chimique des espèces repérées en gras dans le texte : – titane : Ti – nitrate de potassium : KNO3 – zinc : Zn – carbone : C – silicium : Si – soufre : S – bore : B – perchlorate – strontium : Sr de potassium : KC¯O4 – sodium : Na – aluminium : A¯ – magnésium : Mg – cuivre : Cu 2. Conservation des éléments chimiques : Atomes

48

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

3

3 × 1 = 3

Oxygène (O)

2 × 3 = 6

3 × 2 = 6

Azote (N)

2 × 1 = 2

2

Potassium (K)

2 × 1 = 2

2

Soufre (S)

1

1

Thème 1

3. L’aluminium (A,) réagit avec le perchlorate de potassium (KC¯O4). La bonne équation de réaction est obligatoirement l’équation ➀ car l’équation ➁ ne comporte pas de perchlorate de potassium. 4. L’oxyde formé contient un atome de titane et deux atomes d’oxygène. La formule chimique est donc TiO2.

36  Précaution d’emploi de la Javel Tâche complexe Question posée : Justifier chacune des précautions de stockage et d’utilisation du produit avec Javel. 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Que contient l’eau de Javel ? 2. Quelles précautions de stockage de l’eau de Javel sont recommandées ? 3. Quelles précautions d’utilisation de l’eau de Javel sont recommandées ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium et de l’hydroxyde de sodium (doc. 1). 2. L’eau de Javel ne doit pas être stockée à proximité d’acide (doc. 2), elle doit être stockée séparément (doc. 1). 3. L’eau de Javel doit être manipulée avec des gants et une tenue adaptée ( doc. 1). Elle ne doit pas être mélangée avec des produits détartrants (doc. 2). L’hydroxyde de sodium contenu dans l’eau de Javel peut réagir avec des métaux (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Justifier que les transformations chimiques susceptibles de se produire lorsque l’eau de Javel entre en contact avec d’autres espèces chimiques, expliquent les conditions de stockage et d’utilisation. 4e étape : Construire la réponse • Donner la composition de l’eau de Javel. • Déterminer les transformations chimiques susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques. • Établir un lien entre les transformations chimiques évoquées et les conditions d’utilisation et de stockage de l’eau de Javel. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. L’eau de Javel est un produit ménager largement utilisé grâce à ses propriétés nettoyantes et désinfectantes. Des transformations chimiques sont susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques. On nous demande de justifier que ces transformations chimiques expliquent les conditions de stockage et d’utilisation.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Ceci empêche parfois des missions de secours en haute altitude pour les alpinistes en détresse, par exemple lors des ascensions du Mont Everest, le sommet le plus haut du monde. On nous demande d’expliquer les difficultés de combustion du mélange air-carburant lorsque l’hélicoptère atteint 7 000 mètres.

EX ER CI CE S

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• Mettre en forme la réponse. L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium et de l’hydroxyde de sodium (doc. 1). Or, les ions hypochlorite et chlorure, présents dans l’eau de Javel, peuvent réagir avec les ions hydrogène pour former un gaz toxique (doc. 2). Il est donc essentiel de ne pas stocker l’eau de Javel à proximité d’autres produits (doc. 1) comme les produits détartrants qui contiennent des acides (doc. 2 et doc. 3) ni de les mélanger ensemble. En outre, l’eau de Javel contient de l’hydroxyde de sodium (doc. 1) qui peut réagir avec les métaux ou les acides (doc. 3). Là encore, il est essentiel de ne pas stocker l’eau de Javel à proximité de solutions acides mais également de ne pas l’utiliser sur les métaux (doc. 1).

Se  perfectionner

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les transformations chimiques susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques expliquent les conditions strictes de stockage et d’utilisation de l’eau de Javel. Il est également recommandé de porter des gants et une tenue adaptée pour éviter tout danger. Grille d’évaluation en fin de module.

Module 2

49

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet

Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Soufre (S)

1

1

Oxygène (O)

2 + 1 = 3

3

Hydrogène (H)

2

2

38  Gaz sulfureux 1. Les réactifs sont le soufre et le dioxygène. 2. Le produit est le gaz sulfureux. 3. On peut interpréter le résultat de l’expérience réalisée avec la teinture de tournesol comme une

50

Thème 1

transformation chimique. Le changement de couleur de la teinture bleue de tournesol en atteste.

39  L’œuf rebondissant 1. Il est possible de fabriquer une balle avec un œuf en enlevant la coquille de l’œuf sans abimer les membranes, notamment en plongeant l’œuf dans une solution acide. 2. Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C))

2 × 2 + 1 = 5

2 × 2 + 1 = 5

Oxygène (O)

2 × 2 + 3 = 7

2 × 2 + 2 + 1 = 7

Hydrogène (H)

2 × 4 = 8

2 × 3 + 2 = 8

Calcium (Ca)

1

1

Conservation de la charge électrique : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

+

0

2

–

0

2 × 1 = 2

Bilan

0

0

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

37  Le lac de Karymsky 1. Juste après l’éruption volcanique, le lac était acide car son pH était égal à 3,2, donc inférieur à 7. 2. Le mélange de dioxyde de soufre et d’eau provoque la formation d’une nouvelle espèce chimique comme l’indique le texte : « Une transformation a produit notamment de l’acide sulfureux ». 3. Les sources d’eau qui alimentent le lac augmentent son pH, car l’eau provenant de ces sources a un pH égal à 7. Ce pH étant supérieur au pH du lac après éruption, le pH augmente petit à petit avec l’alimentation en eau du lac. 4. Conservation des éléments chimiques :

p. 47 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 40  À chacun son rythme Corrigé de l’énoncé détaillé 1. pH de chacune des eaux : – eau de mer : pH = 9 ; – eau pétillante : pH = 6 ; – eau du robinet : pH = 7. 2. Classement de la plus acide à la moins acide : eau pétillante, eau du robinet, eau de mer. 3. L’eau qui contient le plus d’ions hydrogène (H+) est l’eau pétillante car elle a le pH le plus faible. 41  Analyser sa production 1. Cette eau est neutre car son pH est égal à 7. 2. On cherche le volume d’eau contenant une masse de 1 g de calcium. La masse de calcium est proportionnelle au volume d’eau minérale. Cette eau minérale apporte 9,9 mg de calcium pour 1 L d’eau. On sait que 1 g = 1 000 mg. Pour déterminer le volume on utilise un tableau de proportionnalité : Masse de calcium (en mg)

Volume d’eau (en L)

9,9

1

1 000

V

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

1 000 × 1 = 101 L. V= 9,9 Il faudrait donc boire 101 litres de cette eau pour avoir 1 gramme de calcium. 3. Il est impossible de boire autant d’eau en une journée. L’eau minérale ne peut pas être la seule source de calcium. L’apport en calcium doit provenir d’autres aliments pour satisfaire les besoins journaliers.

42  Pour aller plus loin 1. Première étape : méthane + eau → dihydrogène + monoxyde de carbone Deuxième étape : monoxyde de carbone + eau → dihydrogène + dioxyde de carbone Troisième étape : diazote + dihydrogène → ammoniac 2. Formule chimique des espèces repérées en gras dans le texte : • diazote : N2 • dihydrogène : H2 • eau : H2O • monoxyde de carbone : CO • dioxyde de carbone : CO2 3. Équations chimiques (avant vérification des lois de conservation) : • Première étape : CH4 + H2O → H2 + CO • Deuxième étape : CO + H2O → H2 + CO2 • Troisième étape : N2 + H2 → NH3

p. 48 et 49 du manuel

4. Première étape : CH4 + H2O → H2 + CO Conservation des atomes : Avant Après la transformation la transformation

Atomes Carbone (C)

1

1

Oxygène (O)

1

1

Hydrogène (H)

4 + 2 = 6

2

La loi de conservation des atomes n’est pas vérifiée, l’équation doit être modifiée. CH4 + H2O → H2 + CO

CH4 + H2O → 3H2 + CO

1

1

6

1

2

11

6

1

6

11

×3

Équation de la réaction ajustée qui vérifie la loi de conservation des atomes : CH4 + H2O  →  3 H2 + CO Deuxième étape : CO + H2O → H2 + CO2 Conservation des atomes : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

1

1

Oxygène (O)

1 + 1 = 2

2

Hydrogène (H)

2

2

La loi de conservation des atomes est vérifiée. Troisième étape : N2 + H2 → NH3 Conservation des atomes : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N)

2

1

Hydrogène (H)

2

3

La loi de conservation des atomes n’est pas vérifiée, l’équation doit être modifiée. N2 + H2 → NH3 2

2

1 3

×2

ê

N2 + H2 → 2 NH3 2

2

26 ×3

ê

N2 + 3 H2 → 2 NH3 2

6

26

Équation de la réaction ajustée qui vérifie la loi de conservation des atomes : H2  →  2 NH3 N2 + 3  Module 2

51

EX ER CI CE S Tâche complexe

• Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Quelle(s) méthode(s) l’aquariophile peut-il choisir pour corriger le pH de l’eau de son aquarium ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un discus ? 2. Pourquoi faut-il vérifier le pH de l’eau de l’aquarium ? 3. Quel est le pH de l’eau de l’aquarium ? 4. Que nous apprend le test réalisé sur la photographie ? 5. Quel est le pH idéal pour l’eau de l’aquarium ? 6. Quelles sont les méthodes possibles pour faire varier le pH de l’eau de l’aquarium ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un discus est un poisson d’eau douce fragile (doc. 2). 2. Pour les discus, un déséquilibre d’un des paramètres (température, pH...) peut provoquer une perte d’appétit du poisson, des troubles respiratoires, l’apparition de maladies… (doc. 2). 3. Le pH de l’eau de l’aquarium est pH = 7,4 (énoncé et doc. 1). 4. Du calcaire dissous a des propriétés basiques (doc. 3). Du dioxyde de carbone dissous se comporte comme un acide (doc. 3). 5. Pour les discus, le pH idéal de l’eau de l’aquarium est compris entre 6,2 et 6,9 (doc. 2). 6. Diluer l’eau de l’aquarium augmente le pH des eaux trop acides et diminue celui des eaux basiques (doc. 3). Du dioxyde de carbone absorbé par les algues diminue l’acidité (doc. 3). Intégrer de la tourbe acidifie l’eau de l’aquarium (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Analyser les méthodes permettant modifier le pH d’un aquarium et trouver celle(s) adaptée(s) pour cet aquarium de discus. 4e étape : Construire la réponse • Déterminer le pH de l’eau de l’aquarium. • Comparer sa valeur aux normes préconisées pour un discus. • Déterminer si le pH doit être augmenté ou diminué. • Choisir, parmi les méthodes possibles, celle(s) qui convient (conviennent) pour corriger le pH. • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les discus sont des poissons très populaires auprès des aquariophiles. Mais ce sont des poissons fragiles. Le pH de l’eau de leur aquarium doit être contrôlé régulièrement. On nous demande de choisir une méthode pour corriger la valeur du pH de l’eau de l’aquarium mesuré par un aquariophile. 52

Thème 1

• Mettre en forme la réponse. Après mesure, le pH de l‘eau de cet aquarium vaut 7,4 (énoncé et doc. 1). Or pour les discus, le pH devrait être compris entre 6,2 et 6,9 (doc. 2). Le pH de l’eau de cet aquarium doit donc être corrigé, il faut le faire baisser et donc rendre l’eau plus acide. Plusieurs méthodes peuvent rendre l’eau plus acide (doc. 3). On peut introduire de la tourbe, ce qui provoque un dégagement d’acide humique qui va acidifier l’eau. On peut aussi faire buller du dioxyde de carbone qui, en solution, possède des propriétés acides. Il est peut-être aussi possible de diluer l’eau de l’aquarium pour abaisser la valeur du pH mais cela ne devrait pas permettre de le faire baisser en dessous de 7. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ainsi, avec du dioxyde de carbone ou de la tourbe il est possible d’abaisser le pH de l’eau et de l’amener entre 6,2 et 6,9. La tourbe aura l’inconvénient de colorer légèrement l’eau. Dans tous les cas, le pH devra être contrôlé régulièrement, pendant l’opération et après. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Le pH doit-être compris entre 6,2 et 6,9. 2. Le pH de l’eau de l’aquarium testé par l’aquariophile est pH égal à 7,4. 3. Il faut diminuer le pH de l’eau. 4. a. Hypothèse du calcaire dissous : il a des propriétés basique, il fait donc monter le pH. b. Hypothèse du dioxyde de carbone dissous : il se comporte comme un acide, il fait donc baisser le pH de l’eau. c. Hypothèse du dioxyde de carbone absorbé par les algues : cela diminue l’acidité (diminue la quantité de dioxyde de carbone), ce qui fait monter le pH. d. Hypothèse de la tourbe introduite dans le filtre : cela provoque le dégagement d’un acide, ce qui fait baisser le pH de l’eau. 5. L’aquariophile peut dissoudre du dioxyde de carbone ou introduire de la tourbe dans son aquarium pour diminuer le pH de l’eau. Diluer l’eau de l’aquarium peut abaisser la valeur du pH, mais cela ne devrait pas permettre de le faire baisser en dessous de 7.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

43  À chacun son rythme

C OM P L É M E N T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 34 L’Everest Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : L’hélicoptère vole à 7 000 m d’altitude. Doc. 1 : Il n’y a pas assez d’air pour faire tourner les hélices Doc. 3 : L’énergie thermique produite par la combustion d’un mélange air-carburant est transformée en énergie mécanique et permet la rotation des hélices.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Proposer une explication aux difficultés de nature scientifique. de combustion du mélange air-carburant lorsque l’hélicoptère atteint 7 000 m. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La stratégie est détaillée et correcte. Par exemple : • Indiquer que l’air ne change pas avec l’altitude. • Indiquer que la quantité d’air diminue avec l’altitude. • En déduire la quantité de dioxygène diminue avec l’altitude. • En déduire que si la quantité de dioxygène devient trop faible le moteur ne pourra plus fonctionner. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 2

53

C OM P L É M E N T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 36 Précaution d’emploi de la Javel Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium et de l’hydroxyde de sodium. Doc. 2 : L’eau de Javel ne doit pas être stockée à proximité d’acide. Doc. 1 : L’eau de Javel doit être manipulée avec des gants et une tenue adaptée. Doc. 2 : L’eau de Javel ne doit pas être mélangée avec des produits détartrants. Doc. 3 : L’hydroxyde de sodium contenu dans l’eau de Javel peut réagir avec des métaux.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Donner la composition de l’eau de Javel. • Déterminer les transformations chimiques susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques. • Établir un lien entre les transformations chimiques évoquées et les conditions d’utilisation et de stockage de l’eau de Javel. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. • Interprétation des informations des étiquettes. • Interprétation des données de sécurité.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

54

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Justifier que les transformations Identifier des questions chimiques, susceptibles de se produire de nature scientifique. lorsque l’eau de Javel entre en contact avec d’autres espèces chimiques, expliquent les conditions de stockage et d’utilisation.

C OM P L É M E N T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 43 À chacun son rythme – Aquariophilie Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaine du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Capacités attendues

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM »

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Un discus est un poisson d’eau douce fragile. Doc. 2 : Pour les discus, un déséquilibre d’un des paramètres (température, pH...) peut provoquer une perte d’appétit du poisson, des troubles respiratoires, l’apparition de maladies, etc. Énoncé et doc. 1 : Le pH de l’eau de l’aquarium est pH = 7,4. Lire et comprendre des Doc. 2 : Pour les discus, le pH idéal de documents. l’eau de l’aquarium est compris entre 6,2 et 6,9. Doc. 3 : Du calcaire dissous a des propriétés basiques. Doc. 3 : Du dioxyde de carbone dissous se comporte comme un acide. Doc. 3 : Diluer l’eau de l’aquarium augmente le pH des eaux trop acides et diminue celui des eaux basiques. Doc. 3 : Du dioxyde de carbone absorbé par les algues diminue l’acidité. Doc. 3 : Intégrer de la tourbe acidifie l’eau de l’aquarium. Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Analyser les méthodes permettant de nature scientifique. modifier le pH d’un aquarium et trouver celle(s) adaptée(s) pour cet aquarium de discus.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

L’élève doit revenir sur la problématique. La stratégie est détaillée et correcte. Par exemple : • Déterminer le pH de l’eau de l’aquarium. • Comparer sa valeur aux normes préconisées pour un discus. • Déterminer si le pH doit être augmenté ou diminué. • Choisir, parmi les méthodes possibles, celle(s) qui convient (conviennent) pour corriger le pH. • Conclure en revenant sur la problématique.

Module 2

55

C OM P L É M E N T

Domaines du socle D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM »

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Par exemple : • Mise en relation de la couleur de la solution avec l’échelle de teintes. • Identification de l’intervalle de pH d’une eau adaptée au discus.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

MF MS TBM Compétences

56

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

MO DU LE

3

L’organisation de la matière dans l’Univers

Programme du cycle 4 Organisation et transformations de la matière Attendu de fin de cycle • Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers Ce thème fait prendre conscience à l’élève que l’Univers a été Décrire la structure de l’Univers et du Système solaire. Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : différent dans le passé, qu’il évolue dans sa composition, ses échelles et son organisation que le Système solaire et la Terre du kilomètre à l’année-lumière. participent de cette évolution. • Galaxies, évolution de l’Univers, formation du Système solaire, âges géologiques. L’élève réalise qu’il y a une continuité entre l’infiniment petit et • Ordres de grandeur des distances astronomiques. l’infiniment grand et que l’échelle humaine se situe entre ces deux extrêmes. Connaitre et comprendre l’origine de la matière. Pour la formation de l’élève, c’est l’occasion de travailler sur des ressources en ligne et sur l’identification de sources d’inComprendre que la matière observable est partout de même formations fiables. Cette thématique peut être aussi l’occasion nature et obéit aux mêmes lois. d’une ouverture vers la recherche, les observatoires et la nature des travaux menés grâce aux satellites et aux sondes spatiales. • La matière constituant la Terre et les étoiles. • Les éléments sur Terre et dans l’Univers (hydrogène, hélium, éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium…) • Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Connaissances et compétences associées Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique Mettre en œuvre des observations et des expériences pour caractériser un échantillon de matière.

58

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• La matière à grande échelle : Terre, planètes, Univers.

Progression curriculaire retenue dans les manuels Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers

Décrire la structure de l’Univers et du Système solaire. Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : du kilomètre à l’année-lumière. • Formation du Système solaire, âges • Galaxies, évolution de l’Univers, formagéologiques. tion du Système solaire, âges géologiques. • Ordres de grandeur des distances • Ordres de grandeur des distances astronomiques. astronomiques. Décrire la structure du Système solaire.

Décrire la structure de l’Univers et du Système solaire. Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : du kilomètre à l’année-lumière. • Galaxies, évolution de l’Univers, formation du Système solaire, âges géologiques. • Ordres de grandeur des distances astronomiques. Connaître et comprendre l’origine de la matière. Comprendre que la matière observable est partout de même nature et obéit aux mêmes lois. • La matière constituant la Terre et les étoiles. • Les éléments sur Terre et dans l’univers (hydrogène, hélium, éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium…) • Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : • Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers.

MI : maîtrise insuffisante MF : maîtrise fragile MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI

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Décrire la structure du Système solaire.

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 3, 4, 5

Connaître l’ordre de grandeur de distances astronomiques.

4, 5

Décrire la structure de l’Univers et du Système solaire.

1, 2, 4, 5

Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : du kilomètre à l’année-lumière.

3, 4, 5

Connaître et comprendre l’origine de la matière. Comprendre que la matière observable est partout de même nature et obéit aux mêmes lois. • La matière constituant la Terre et les étoiles. • Les éléments sur Terre et dans l’Univers (hydrogène, hélium, éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium…) Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

1, 2, 3, 4

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Vu en 4e QCM Flash

p. 10 du manuel 

1  a.     2  a. et c.    3  a.    4  a.    5  b.

Module 3

59

AC TIV ITÉ

1 Quelle sera la fin de vie de Bételgeuse ?

p. 51 du manuel

Vidéo et animations en lien avec l’activité Le cycle d’une étoile supergéante (doc. 1) Une vidéo en accès libre illustre le cycle d’une étoile, de sa formation jusqu’à la fin de sa vie. Cette présentation est complète et très accessible ; elle aborde le thème du doc. 2 sur les réactions thermonucléaires ainsi que le thème du doc. 3 sur la dualité entre la force gravitationnelle et la force pressante. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée • Le cycle de vie d’une étoile, de sa formation à la fin de sa vie, éveille la curiosité des élèves. Les documents proposés ainsi que la vidéo permettent de présenter simplement la vie d’une étoile. Cela sera une occasion de parler de la fin de vie de notre étoile, le Soleil, et ses conséquences. • Cette activité aborde la notion de force gravitationnelle, vue dans le module 5. Il n’est cependant pas indispensable d’avoir fait le module 5 pour réaliser cette activité. 1 C’est la force gravitationnelle qui permet à la matière constituant une étoile de rester compacte. 2 Une étoile se forme à partir d’une nébuleuse, objet céleste constitué de gaz. À la fin de sa vie, elle explose. Une

partie de sa matière se retrouve sous forme de gaz. On se retrouve dans une situation similaire avant la formation de l’étoile, d’où la notion de cycle.

Remarque : Les étoiles supergéantes forment, en plus du gaz, une étoile à neutrons ou un trou noir. 3 À la fin de sa vie, la matière constituant Bételgeuse va s’effondrer sur elle-même pour former une étoile à

neutrons ou un trou noir. Cet effondrement s’accompagne d’une explosion qui détruit le reste de l’étoile qui se retrouve sous forme de gaz.

Un pas vers le bilan Lors de la principale réaction de fusion nucléaire, de l’hydrogène se transforme en hélium.

60

Thème 1

Remarque : on peut faire remarquer aux élèves qu’une réaction nucléaire n’est donc pas une réaction chimique car il n’y a pas conservation des différents éléments chimiques.

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AC TIV ITÉ

2 Qu’est-ce que le Big Bang ? p. 52 et 53 du manuel

Vidéo et animations en lien avec l’activité Le modèle du Big Bang (doc. 2) Une vidéo en accès libre illustre le modèle du Big Bang pour expliquer la formation de l’Univers. On y aborde le rayonnement fossile dont parle le doc. 1. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La formation de l’Univers et l’origine du monde dans lequel nous vivons est un sujet qui suscite beaucoup d’interrogations auprès des élèves. Les documents proposés ainsi que la vidéo permettent de présenter de façon assez exhaustive ce modèle. 1 Alexandre Friedmann avance en 1922 que l’Univers est en expansion. Edwin Powell Hubble prouve l’existence



de cette expansion sept ans plus tard. Georges Gamow pense en 1948 que la naissance de l’Univers se serait accompagnée d’un rayonnement fossile. Ce rayonnement a été mis en évidence en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson. Ces deux hypothèses ont été avancées dans la théorie du Big Bang avant d’être prouvées expérimentalement. 2 On a prouvé au XXe siècle que l’Univers était en expansion, ce qui contredisait son infinité et sa stabilité. 3 Les constituants suivants sont apparus par ordre chronologique : les électrons, les protons et les neutrons, les

noyaux atomiques, les atomes, les gaz, les nuages géants, les galaxies, les étoiles et les planètes. 4 Le Big Bang est un modèle qui explique la formation et l’évolution de l’Univers.

Un pas vers le bilan L’âge de l’Univers est de 13,7 milliards d’années.

Prolongement On constate que depuis sa formation, la température de l’Univers ne cesse de diminuer. Elle est, à l’heure actuelle, de – 270 °C. Une possibilité serait que l’Univers voit sa température encore baisser, d’où le nom de « Big Freeze ».

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur



Complément : le terme « big bang » (grand boum) a été introduit plusieurs années après l’élaboration de la théorie qui porte aujourd’hui le nom de Big Bang. La première utilisation de cette expression a été faite en 1950 par le britannique Fred Hoyle pour se moquer de cette théorie qui contredisait les idées de stabilité en vogue au début du xxe siècle.

Module 3

61

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi la description de l’atome a-t-elle évolué ?

p. 54 et 55 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Évolution des idées sur l’atome (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente l’évolution des idées sur l’atome, de Démocrite jusqu’au XXe siècle. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’évolution des idées sur l’atome s’est étalée sur plusieurs siècles et évolue encore. Il est important que les élèves ne s’imaginent pas qu’une théorie ou qu’un modèle sont élaborés rapidement et ne souffrent aucune contestation. De même, il est important pour les élèves de comprendre que les scientifiques présentés dans l’activité n’avaient « pas tort » : ils présentaient un modèle de l’atome qui convenait dans le contexte de l’époque avec les connaissances d’alors. Cette activité documentaire sur une double page travaille dans ce sens. 1 La modélisation de l’atome a aussi intéressé des physiciens comme Joseph John Thomson à la fin du XIXe siècle et Ernest Rutherford au début du XXe siècle. 2 Avant Rutherford, le modèle de l’atome proposé par Thomson est celui d’une sphère pleine (le « pudding » de

Thomson). Rutherford, en bombardant une feuille d’or montre que l’atome est essentiellement constitué de vide. Son expérience a donc été cruciale pour faire évoluer le modèle précédent. 3 La description de l’atome a évolué car les scientifiques ont pu réaliser des expériences pour découvrir la struc-

ture d’éléments de petites dimensions.

Un pas vers le bilan

62

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• Un atome est constitué d’un noyau central chargé positivement autour duquel se déplacent des électrons, particules chargées négativement. Le noyau contient des protons chargés positivement et des neutrons, particules non chargées. • Un atome est électriquement neutre. Il contient autant de protons dans son noyau que d’électrons autour car la charge d’un proton est exactement opposée à celle d’un électron. • Un atome a une dimension de l’ordre de 10−10 mètre.

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi un ion est-il chargé ? p. 56 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée • Cette activité documentaire complète celle sur l’atome « Pourquoi la description de l’atome a-t-elle évolué ? ». Elle utilise l’électroneutralité de l’atome pour présenter la formation des ions (monoatomiques) et les définir. • Les pièces de puzzle mises en œuvre dans le prolongement sont les mêmes que celles de l’activité sur les ions du module 2. 1 Dans un atome, il y a autant de protons que d’électrons. Un proton porte une charge positive opposée à celle

portée par l’électron. Un atome est donc électriquement neutre. 2 Un atome est électriquement neutre alors qu’un ion est chargé.

Un pas vers le bilan Un ion est formé d’un atome ou groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Comme un atome est électriquement neutre, un ion est électriquement chargé.

Prolongement

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• Une pièce de puzzle qui a des bosses représente un ion chargé négativement. Un ion négatif a autant de bosses que de charges négatives. Un ion négatif a gagné un ou plusieurs électrons. Le nombre de bosses correspond donc au nombre d’électrons gagnés. • Une pièce de puzzle qui a des trous représente un ion chargé positivement. Un ion positif a autant de trous que de charges positives. Un ion positif a perdu un ou plusieurs électrons. Le nombre de trous correspond donc au nombre d’électrons perdus.

Module 3

63

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La matière dans l’Univers QCM 1  a. 2  b. 3  c.

p. 60 du manuel

13  Découvrir la formation de l’Univers Les atomes formés au début de la formation de l’Univers sont ceux d’hydrogène et d’hélium. Les atomes d’oxygène, de carbone, de fer et de silicium se sont formés dans les étoiles. 14  Décrire la constitution de l’atome

4  b. et c. 5  a.

Électron Noyau

6  b. et c. 7  a. 8  b. 10  a. 11  b. 12  Aborder le modèle du Big Bang Dans l’ordre chronologique, les particules apparues dans l’Univers sont : les protons, les noyaux d’hydrogène, les atomes d’hydrogène.

64

Thème 1

10–10 m

15  Interpréter une formule Les particules H+ et He2+, appelées des ions, se forment à partir d’atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Ici, les atomes d’hydrogène et d’hélium ont perdu respectivement un et deux électrons.

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9  c.

EX ER CI CE S

Se perfectionner 16  Tchouri et la naissance du Système solaire Une vidéo en libre accès présente les découvertes issues de la mission Rosetta. 1. On a découvert de l’oxygène moléculaire, du dioxygène sur Tchouri. 2. Le dioxygène n’existe pas dans l’espace car les rayonnements ultraviolets le cassent. On se demande donc quelle est son origine. Une hypothèse est qu’il se soit formé avant le Système solaire, ce qui remet en cause la constitution du nuage à la base de la formation du Système solaire. 3. Le Système solaire s’est formé il y a 4,6 milliards d’années.

17  L’âge de l’Univers 1. La troisième méthode donne un encadrement de cinq milliards d’années d’écart pour donner l’âge de l’Univers, ce qui est moins précis que la première méthode qui donne un encadrement de 1 milliard d’années. Dans le texte, il n’y a pas d’information sur la précision de la deuxième. 2. Ces méthodes ne se contredisent pas car les estimations qu’elles donnent sont proches les unes des autres. 18  La fin de l’Univers 1. Les astrophysiciens récompensés d’un prix Nobel de physique en 2011 ont découvert que l’expansion de l’Univers s’accélérait. 2. Ils n’avaient pas du tout anticipé un tel résultat, ils en avaient même un peu peur selon Brian Schmidt. 3. Soit l’Univers poursuit son expansion et il finira glacé car sa température diminue depuis le début de sa formation ; c’est le « Big Freeze ». Soit l’expansion s’arrête et s’inverse, l’Univers redevient alors minuscule, c’est le « Big Crunch ».

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19  What happened to Vénus ? Traduction Doc.1 Description de la Terre et de Vénus Terre

Vénus

Distance au Soleil : 150 millions de kilomètres Rayon : 6 371 km Composition de l’atmosphère : 80 % d’azote 20 % d’oxygène Température moyenne à la surface : 15 °C

Distance au Soleil : 108 millions de kilomètres Rayon : 6 052 km Composition de l’atmosphère : 96 % de dioxyde de carbone 4 % d’azote Température moyenne à la surface : 460 °C

p. 61 et 62 du manuel

Doc.2 Vénus inhospitalière Vénus a la même taille et la même composition que la Terre, et reçoit approximativement la même quantité de lumière du Soleil… Alors comment est-elle devenue si inhospitalière ? Nous n’en sommes pas entièrement sûrs… La raison de la situation difficile de Vénus : la planète est juste un peu trop près du Soleil. Ce qui a causé la vaporisation de l’eau. 1. Les deux planètes ont la même taille et la même constitution. Elles ne sont pas à la même distance du Soleil, n’ont pas la même température de surface et n’ont pas la même composition atmosphérique. 2. La vie sur Vénus est impossible car sa température de surface moyenne est trop élevée, 460 °C ; il n’y a pas d’eau et son atmosphère ne contient pas d’oxygène.

20  Les éruptions solaires Une vidéo en libre accès montre des éruptions solaires. 1. D’après le doc. 2, les noyaux de l’atome et de l’ion lithium sont identiques. L’atome de lithium a 3 électrons, l’ion en a 2. Un atome de lithium se transforme en ion lithium en perdant un électron. 2. • D’après le doc. 2, les noyaux de l’atome et de l’ion oxygène sont identiques. L’atome d’oxygène a 8 électrons, l’ion oxygène en a 10. L’atome d’oxygène se transforme en ion oxygène O 2- en gagnant 2 électrons. Remarque : Comme l’atome gagne des électrons, l’ion est chargé négativement. Le 2 devant la charge négative indique le nombre d’électrons gagnés. • D’après le doc. 2, les noyaux de l’atome et de l’ion béryllium sont identiques. L’atome de béryllium a 4 électrons, l’ion en a 2. L’ion béryllium se forme quand l’atome perd 2 électrons. Remarque : Comme l’atome perd des électrons, l’ion est chargé positivement. Le 2 devant la charge positive indique le nombre d’électrons perdus. 3. Pour former l’ion H+, l’atome d’hydrogène a perdu son unique électron. L’ion H+ n’est constitué que d’un noyau ne comportant qu’un proton. L’ion H+ est donc un proton. L’atome d’hélium a perdu ses deux électrons pour former l’ion He2+. Cet ion n’est donc constitué que d’un noyau ; c’est le noyau d’hélium. Module 3

65

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet Une vidéo en libre accès d’Hubert Reeves donne une explication au paradoxe d’Olbers. 1. Puisque la lumière provenant de Proxima du Centaure met 4 ans pour nous parvenir, cette étoile est à une distance de 4 années-lumière de la Terre. 2. Le Soleil est à une unité astronomique de la Terre, soit d = 150 000 000 km, soit 15 × 107 km. Calcul de la durée t, connaissant sa distance d et la vitesse v : t = d avec t en s si d est en km et v en km/s. t 7 Donc t = d = 15 × 10 = 500 s = 8 min 20 s. t 300 000 La lumière du Soleil met 8 minutes et 20 secondes pour nous parvenir. 3. La plupart des étoiles ne sont pas visibles car la lumière qu’elles émettent ne nous est pas encore parvenue. 4. Si l’espace est rempli d’étoiles, quelle que soit l’orientation de notre regard, on devrait en croiser une. Si on ne voit pas toutes les étoiles, c’est que leur lumière ne nous est pas encore parvenue, d’où le noir de l’espace. Cette lumière ne nous est pas encore

66

Thème 1

parvenue car ces étoiles viennent peut-être de se former ou bien parce qu’elles sont très éloignées. L’expansion de l’Univers accentue cet éloignement.

22  La Voie lactée Un lien vers un site Internet conduit à une présentation des objectifs de la mission Gaia. 1. Les particules chargées comme H+ et He2+ sont appelés des ions. 2. En général, le noyau d’un atome comporte des protons et des neutrons. Le noyau de l’atome d’hydrogène ne contient pas de neutron. 3. Le Système solaire a un diamètre de 100 ua, soit : 100 × 1,5 × 108 = 1,5 × 1010 km. Cette distance est très inférieure à une année-lumière, 9,5 × 1012 km. Hipparcos a exploré un espace de 65 années-lumière de diamètre donc bien au-delà du Système solaire. 4. La Voie lactée a un diamètre de 100 000 al. Le doc. 1 indique que le diamètre de la Voie lactée est supérieur à 60 000 années-lumière. Ces deux valeurs sont en accord l’une avec l’autre. 5. Les nuages de Magellan sont au-delà de 100 000 al. Ils ne font pas partie de notre galaxie.

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21  Le noir de la nuit

p. 63 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 23  À chacun son rythme Une vidéo en libre accès présente le Big Bang avec l’apparition des différentes particules jusqu’aux corps célestes les plus volumineux. • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Au début de la formation de l’Univers, des nucléons se combinent pour former les premiers noyaux.

p. 64 et 65 du manuel

2. Les noyaux se combinent aux électrons pour former des atomes. 3. Les premières étoiles se forment dans les galaxies. 4. Par ordre chronologique sont apparus : les électrons et les nucléons (protons et neutrons), les noyaux d’hydrogène et d’hélium, les atomes d’hydrogène et d’hélium, les galaxies, les étoiles, les atomes d’oxygène et de carbone, des noyaux plus complexes, des molécules, des planètes.

Neutron Électron Proton

Noyaux d’atomes

Atomes

24  Pour aller plus loin Une vidéo en libre accès montre le mouvement apparent des étoiles ainsi que l’obtention d’une photographie identique à celle de l’exercice. 1. Les étoiles bougent dans le ciel pendant le temps de pose qui est long. On voit donc leurs trajectoires qui sont des arcs de cercle. 2. En supposant que la nuit dure 24 heures, la ligne décrite par une étoile serait un cercle. 3. a. Par exemple, l’arc de cercle choisi (voir image suivante) a une longueur ¯ = 0,9 cm et un rayon r = 3,8 cm sur la photographie.

Étoiles, planètes

Galaxies

Cette étoile décrirait un cercle de longueur 23,8 cm en 24 heures sur la photographie. En utilisant un tableau de proportionnalité, on obtient : Distance (en cm)

Durée (en h)

23,8

24

0,9

t

D’où t = 0,9 × 24 = 0,91 h, soit environ 54 min. 23,8 Le temps de pose est de l’ordre d’une heure.

25  À chacun son rythme Une vidéo en accès libre montre des aurores boréales observées depuis l’ISS.

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0,9 cm

3,

8

cm

b. La longueur du cercle que décrirait cette étoile serait : L = 2 × π × r = 2 × π × 3,8 = 23,8 cm.

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : À quelle distance de la Terre, les satellites utilisés pour la surveillance du Soleil se situent-ils ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Pourquoi des satellites surveillent-ils le Soleil ? 2. Quelles informations obtient-on de ces satellites ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Des éruptions solaires provoquent un vent solaire (doc. 1 et 2). Le vent solaire provoque des aurores polaires et perturbe les communications sur Terre (doc. 1 et 3). Module 3

67

EX ER CI CE S

3e étape : Dégager la problématique Quelle distance parcourt le vent solaire depuis les satellites de surveillance pour atteindre la surface de la Terre ? 4e étape : Construire la réponse • Rappeler la distance qui sépare la Terre du Soleil. • Calculer la vitesse du vent solaire entre le Soleil et la Terre. • Relever la durée mise par le vent solaire pour aller d’un satellite de surveillance jusqu’à la surface de la Terre. • Calculer la distance parcourue par le vent solaire pendant la durée précédente. • En déduire la distance à laquelle se trouvent les satellites de surveillance du Soleil. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Lorsque le Soleil expulse de la matière, les particules éjectées se déplacent dans l’espace et forment un vent solaire. Certaines se dirigent vers la Terre ; au contact de l’atmosphère, il se forme des aurores polaires (doc. 1 et 2). Des satellites chargés de surveiller le Soleil détectent le passage de ce vent solaire. Une heure après, les aurores polaires se forment (doc. 3). Quelle distance parcourt le vent solaire jusqu’à la Terre après avoir été détecté par un de ces satellites ? • Mettre en forme la réponse. Les particules éjectées par le Soleil parcourent la distance Soleil-Terre, soit 150  0000  000  km, en 100 heures environ d’après le doc. 2. On peut donc évaluer la vitesse de ces particules. v = d = 150 000 000 = 150 000 km/h, t 100 soit 1,5 × 105 km/h. Le vent solaire a une vitesse de 150 000 km/h. Lorsque le vent solaire est détecté par les satellites de surveillance, il atteint la Terre une heure après. Ces satellites sont donc à 150 000 km de la Terre. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Les satellites utilisés pour la surveillance du Soleil se situent à 150 000 kilomètres de la Terre. Cette distance leur permet d’envoyer un message d’alerte une heure avant l’arrivée du vent solaire sur Terre, cela laisse un peu de temps pour se préparer à des perturbations éventuelles des communications. Grille d’évaluation en fin de module.

68

Thème 1

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Une aurore polaire est la conséquence de l’éjection de matière par le Soleil. Il s’en suit un vent solaire qui atteint la Terre une centaine d’heures après. L’aurore polaire est due à l’interaction de ce vent solaire avec l’atmosphère. 2. Les particules éjectées parcourent la distance SoleilTerre, 150 0000 000 km, en 100 heures. Calcul de la vitesse v, connaissant sa distance d et la durée t : v = d en km/h si d est en km et t en h . t d 150 000 000 = 150 000 km/h, v= = t 100 soit 1,5 × 105 km/h. Le vent solaire a une vitesse de 150 000 km/h. 3. Ces satellites sont à 150 000 kilomètres de la Terre puisque le vent solaire met une heure pour atteindre la surface de la Terre après avoir atteint ces satellites.

26  Comprendre du vocabulaire 1. Le mot atome vient du grec « atomos » qui signifie insécable. 2. On peut supposer que les grecs avaient utilisé ce terme, car ils pensaient que l’atome devait être la particule la plus petite, c’est-à-dire que l’on ne pouvait pas diviser. 3. On a découvert depuis que l’atome était constitué d’un noyau, lui-même constitué de protons et de neutrons, et d’un ou plusieurs électrons, donc de particules plus petites. On ne peut plus considérer l’atome comme insécable. 27  Analyser sa production 1. Comme une étoile émet sa propre lumière, c’est donc une source primaire. 2. L’année-lumière est une unité de distance. 3. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année. 4. Wenzen est à 1 600 années-lumière de la Terre, soit 1 600 × 9,5 × 1012 = 1,52 × 1016 km. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance (en km)

Distance (en al)

9,5 × 1012

1

d

1 600

9,5 × 1012 × 1 600

= 1,52 × 1016 km. 1 1,52 × 1016 km . 3,8 × 1015 km, donc Wenzel est plus éloignée de la Terre que Adhara. d=

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

2. Les satellites détectent les éruptions solaires et le vent solaire qui met une heure pour atteindre la Terre après avoir été détecté (doc. 3).

COMPLÉMENT Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 25 À chacun son rythme – Aurore polaire Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 et 2 : Des éruptions solaires provoquent le vent solaire. Doc. 1 et 3 : Le vent solaire provoque des aurores polaires et perturbe les communications sur Terre. Doc. 3 : Les satellites détectent les éruptions solaires et le vent solaire qui met une heure pour atteindre la Terre après avoir été détecté.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle distance parcourt le vent solaire de nature scientifique. depuis les satellites de surveillance pour atteindre la surface de la Terre ?

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Rappeler la distance qui sépare la Terre du Soleil. • Calculer la vitesse du vent solaire en le Soleil et la Terre. • Relever la durée mise par le vent solaire pour aller d’un satellite de surveillance jusqu’à la surface de la Terre. • Calculer la distance parcourue par le vent solaire pendant la durée précédente. • En déduire la distance à laquelle se trouvent les satellites de surveillance du Soleil. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. d • Utilisation de la relation v = . t La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 3

69

MO DU LE

4

Les mouvements

Programme du cycle 4 Mouvement et interactions Attendu de fin de cycle • Caractériser un mouvement.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Caractériser un mouvement Caractériser le mouvement d’un objet.

L’ensemble des notions de cette partie peut être abordé à partir d’expériences simples réalisables en classe, de la vie courante Utiliser la relation liant vitesse, distance et durée dans le cas ou de documents numériques. d’un mouvement uniforme. Utiliser des animations des trajectoires des planètes, qu’on peut considérer dans un premier modèle simplifié comme circulaires • Vitesse : direction, sens et valeur. et parcourues à vitesse constante. • Mouvements rectilignes et circulaires. Comprendre la relativité des mouvements dans des cas simples • Mouvements uniformes et mouvements dont la vitesse varie (train qui démarre le long d’un quai) et appréhender la notion au cours du temps en direction ou en valeur. d’observateur immobile ou en mouvement. • Relativité du mouvement dans des cas simples.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Connaissances et compétences associées

Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Observer et décrire différents types de mouvements

L’élève part d’une situation où il est acteur qui observe (en courant, faisant du vélo, passager d’un train ou d’un avion), à celles où il n’est qu’observateur (des observations faites dans la cour de récréation ou lors d’une expérimentation en classe, jusqu’à l’observation du ciel : mouvement des planètes et des satellites artificiels à partir de Élaborer et mettre en œuvre un protocole pour appréhender la données fournies par des logiciels de simulation) notion de mouvement et de mesure de la valeur de la vitesse d’un objet. • Mouvements dont la valeur de la vitesse (module) est constante ou variable (accélération, décélération) dans un mouvement rectiligne.

70

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Décrire un mouvement et identifier les différences entre mouvements circulaire ou rectiligne. • Mouvement d’un objet (trajectoire et vitesse : unités et ordres de grandeur). • Exemples de mouvements simples : rectiligne, circulaire.

Progression curriculaire retenue dans les manuels Caractériser un mouvement

Relativité du mouvement dans des cas Relativité du mouvement dans des cas Relativité du mouvement dans des cas simples. simples. simples. Mouvements rectilignes et circulaires.

Mouvements rectilignes et circulaires.

Mouvements rectilignes et circulaires.

Vitesse : valeur.

Vitesse : direction, sens et valeur.

Vitesse : direction, sens et valeur.

Utiliser la relation liant vitesse, distance Utiliser la relation liant vitesse, distance Utiliser la relation liant vitesse, distance et durée dans le cas d’un mouvement et durée dans le cas d’un mouvement et durée dans le cas d’un mouvement uniforme.* uniforme.1 uniforme.2 Mouvements uniformes et mouvements Mouvements uniformes et mouvements dont la vitesse varie au cours du temps dont la vitesse varie au cours du temps en direction ou en valeur. en direction ou en valeur. 1 pour

calculer une vitesse

2 pour calculer une vitesse, une distance ou une durée

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : • Caractériser un mouvement.

MI : maîtrise insuffisante MF : maîtrise fragile MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI Comprendre la relativité du mouvement. Décrire une trajectoire.

MF

MS

Activités

TBM 1, 4 2

Calculer une vitesse.

3, 4

Caractériser une vitesse par sa direction son sens et sa valeur.

1

Caractériser un mouvement en indiquant sa trajectoire et l’évolution de sa vitesse.

2, 3

Comprendre la relativité du mouvement.

1, 2

Utiliser la relation liant vitesse, distance et durée dans le cas d’un mouvement uniforme.

3

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Compléments pédagogiques • La notion de relativité du mouvement est abordée de manière simple dès la 5e. Cette notion est à nouveau présentée en 3e par le tracé de trajectoires dans des référentiels différents. • Dans les manuels de niveau, nous avons choisi d’aborder la relation entre la vitesse, la durée et la distance parcourue dès la 5e, uniquement pour calculer la vitesse. Cette relation est à nouveau utilisée en 3e, mais pour calculer cette fois-ci la durée d’un parcours ou la distance parcourue.

Vu en 4e QCM Flash

p. 66 du manuel 

1  a.     2  c.    3  b.    4  a. et b. 

Module 4

71

AC TIV ITÉ

1 Comment doit se déplacer un joueur de rugby pour rattraper le ballon ?

p. 69 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir la relativité du mouvement. Le pointage vidéo illustre bien le fait que la trajectoire du ballon dépend du référentiel choisi. Deux démarches différentes sont proposées dans cette activité. En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés par l’enseignant, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée entre les groupes d’élèves.

Démarche expérimentale A Matériel Logiciel de pointage vidéo. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo nécessaire à la démarche expérimentale A montre un coup de pied à suivre. Compléments Le logiciel Avistep permet de pointer plusieurs points d’une même image. Il est donc possible, sur chaque image, de repérer la position du ballon et celle du joueur. Le logiciel permet également de modifier le référentiel d’étude. Une version est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html

72



La fiche 10 du livret présente le principe du pointage vidéo. Pour pointer deux points d’une même image : • Ouvrir le fichier correspondant au mouvement étudié. • L’échelle à utiliser est la règle noire de 1,50 m de longueur. • Dans la barre de menu, sélectionner Mesures et deux marques par image. • À chaque image, cliquer sur le ballon (point n°1) puis cliquer sur la tête du joueur (point n°2).



Une fois le pointage terminé, nous obtenons l’image ci-dessous.



• Pour afficher les représentations dans différents référentiels, dans la barre de menu, sélectionner Résultats et Trajectoire dans un référentiel.

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Nous avons utilisé la version 2.1.1 pour effectuer le pointage suivant.

1 On obtient la représentation graphique ci-dessous par le pointage vidéo.



La trajectoire est une portion de courbe.

2 On obtient la représentation graphique ci-dessous par le pointage vidéo.



La trajectoire du point n°1 (le ballon) par rapport au point n°2 (la tête du joueur) est approximativement une portion de droite.

3 Le joueur doit se déplacer à la même vitesse que le ballon.



Remarque 1 : On admettra cette réponse qui ne tient compte que de la vitesse horizontale du ballon et élude la composante verticale de la vitesse.



Remarque 2 : Il est possible de décomposer le trajet du ballon en deux parties : – une première partie qui correspond à la montée du ballon ; – une deuxième partie qui correspond à la descente du ballon. Les trajectoires rectilignes sont plus aisément repérables si la trajectoire du ballon est décomposée en deux parties. On obtient alors les représentations graphiques suivantes.



1

  Représentation graphique de la trajectoire

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

lors de la montée du ballon



La trajectoire du point n°1 (le ballon) par rapport au point n°2 (le joueur) lors de la montée du ballon est une portion de droite aux imprécisions de mesure près. Module 4

73



2

  Représentation graphique de la trajectoire

lors de la descente du ballon



La trajectoire du point n°1 (le ballon) par rapport au point n°2 (le joueur) lors de la descente du ballon est une portion de droite aux imprécisions de mesure près.

Un pas vers le bilan Le mouvement d’un objet n’est pas le même pour tous les observateurs. Il dépend du référentiel d’étude.

Démarche expérimentale B Matériel Chronophotographie du coup de pied à suivre, disponible en téléchargement. a On relie par des segments les positions du ballon et de la tête du joueur.

b Les segments sont pour la plupart parallèles entre eux.



Remarque 1 : On admettra cette réponse qui ne tient compte que de la vitesse horizontale du ballon et élude la composante verticale de la vitesse.



Remarque 2 : Le dernier segment n’est pas parallèle aux autres car le joueur a dû un peu diminuer sa vitesse pour récupérer le ballon.

Un pas vers le bilan Le mouvement d’un objet n’est pas le même pour tous les observateurs. Il dépend du référentiel d’étude.

74

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

c Le joueur doit se déplacer à la même vitesse que le ballon.

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi l’orientation des antennes

p. 70 du manuel

paraboliques est-elle toujours la même ?

Vidéos et animations en lien avec l’activité Un lien internet en accès libre illustre la relativité du mouvement d’un satellite géostationnaire. Cette animation est indispensable à la mise en œuvre de l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir la relativité du mouvement et de comprendre pourquoi les satellites de télécommunications doivent être géostationnaires. 1 La trajectoire d’un satellite géostationnaire autour de la Terre est un cercle. 2 La période de révolution de ce satellite est 24 heures. C’est la même durée que la période de rotation de la Terre

autour de l’axe des pôles. 3 « Un satellite géostationnaire voit en permanence la même partie de la Terre » signifie que le satellite semble

immobile par rapport au sol. 4 Géo est un préfixe qui signifie la Terre, on le retrouve dans géographie (dessin de la Terre) ou géologie (étude

de la Terre) par exemple. Ce satellite est dit géostationnaire car il semble stationnaire, c’est-à-dire immobile par rapport à la Terre, plus précisément par rapport à un point de la surface de la Terre. 5 L’antenne parabolique est fixe par rapport à la surface de la Terre et le satellite est également fixe par rapport

à la surface de la Terre. Donc l’antenne parabolique et le satellite sont fixes l’un par rapport à l’autre. L’antenne peut donc toujours recevoir les signaux émis par le satellite. Cependant, il faut que son orientation ne soit pas modifiée.

Un pas vers le bilan

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Un objet peut rester immobile tout en étant en mouvement. En effet, tout dépend du référentiel choisi. Si le référentiel choisi a le même mouvement que l’objet, alors l’objet est immobile dans ce référentiel.

Module 4

75

AC TIV ITÉ

3 Comment fonctionne le dispositif d’aide au stationnement d’une voiture ?

p. 71 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre présente une expérience de mesure de distance à l’aide des ultrasons. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais permet de mieux comprendre le principe de la mesure. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir la relation v = d afin de calculer une distance. t



1 La durée t entre la date d’émission tE et la date de réception tR vaut t = tR – tE.

Application numérique : t = 4,8 – 4,0 = 0,8 ms.

2 Les ultrasons parcourent deux fois la distance d car ils effectuent un aller-retour.

La relation devient 2d = v × t où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s. Application numérique : 2d = 340 × 0,8 × 10–3 ; soit 2d = 0,27 m. Donc la distance d séparant les deux voitures-jouets vaut 0,14 m.



3 Les ultrasons émis par l’émetteur de la voiture sont réfléchis par l’obstacle.



La connaissance de la durée d’un aller-retour des ultrasons et de leur vitesse de propagation permet de calculer la distance d’un aller-retour puis en la divisant par deux de connaître la distance entre la voiture et l’obstacle.

Un pas vers le bilan

76

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

La relation suivante permet de calculer la distance d parcourue par un objet à partir de sa vitesse v et de la durée t de son parcours : d = v × t, où d est exprimée en mètre (m) si v est exprimée en mètre par seconde (m/s) et t en seconde (s).

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La relativité du mouvement QCM 1  a. et c. 2  a. 3  Déterminer un référentiel 1. Le mouvement de la Lune est circulaire par rapport au référentiel centre de la Terre. 2. La lune est immobile dans le référentiel Lune. 4  Désigner un référentiel Le pointage A correspond au mouvement du ballon dans le référentiel sol. Le pointage B correspond au mouvement du ballon dans le référentiel gymnaste.

La vitesse QCM 5  a. 6  c. 7  a.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

8  a. 9  Vérifier une distance 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par les ultrasons en fonction de la durée t de leur parcours et de leur vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s. 2. Les ultrasons parcourent deux fois la distance d séparant la chauve-souris de sa proie, donc la relation est : 2d = v × t ; soit 2d = 340 × 20 × 10–3 = 6,8 m ; donc d = 6,8 = 3,4 m. 2 La chauve-souris et sa proie sont séparées de 3,4 mètres. 10  Évaluer une distance La relation permettant de calculer la distance d parcourue par le son en fonction de la durée t de son parcours et de sa vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s ;

p. 74 et 75 du manuel

soit d = 340 × 3 = 1 020 m. L’observateur est à 1 020 mètres de l’orage.

11  Calculer une distance 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par la voiture en fonction de la durée t de son parcours et de sa vitesse v est : d = v × t , où d est exprimée en km si v est exprimée en km/h et t en h ; soit d = 225,23 × 24 = 5 405,5 km. 2. Nombre de tours effectués : 5 405,5 = 396,6 tours. 213,629 La voiture a effectué 396,6 tours en 24 heures.

12  Vérifier une durée 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par les ultrasons en fonction de la durée t de leur parcours et de leur vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s. 2. La lumière laser parcourt deux fois la distance D séparant la Terre de la Lune. 2 × 3,84 × 105 donc t = 2D, soit t =  ; v 3 × 105 d’où t = 2,56 s. On obtient bien la durée annoncée dans l’exercice. 13  Évaluer une durée La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v du surfeur sont liées par la relation : t=d, v où t est exprimée en h, d en km et v en km/h ; soit t = 29 = 1,5 h . 20 Il a fallu 1,5  heure au surfeur pour parcourir les 29 kilomètres. 14  Calculer une durée La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v de propagation de la lumière sont liées par la relation : t=d, v où t est exprimée en h, d en km et v en km/h ; 1,5 × 108 soit t = = 500 s. 3 × 105 La lumière met 500  secondes, soit 8 minutes et 20 secondes, pour nous parvenir du Soleil. Module 4

77

EX ER CI CE S

Se perfectionner Une page internet avec une vidéo en accès libre présente l’ouragan Sandy. 1. 22 km/h est la vitesse de déplacement de l’ouragan. 120 km/h correspond à la vitesse des vents dans l’ouragan. 2. Si les scientifiques connaissent la vitesse de déplacement v de l’ouragan et sa distance d par rapport aux côtes, alors la relation t = d, où t est exprimée en h, d v en km et v en km/h, permet de calculer la durée t au bout de laquelle l’ouragan va arriver sur les côtes. 3. t = 930 = 42,3 heures, soit 42 heures et 18 minutes. 22 À partir du 28 octobre à 1 heure du matin, l’ouragan mettra environ 42 heures pour atteindre les côtes. 42 heures = 24 heures + 18 heures. L’ouragan atteindra les côtes le 29 octobre un peu après 19 heures.

16  En route ! 1. La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v de la voiture sont liées par la relation : t = d, v  où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. La distance est affichée sur l’écran du GPS : d = 234 km. t = 234 = 1,8 heure, soit 1 h 48 min. 130 2. Durée tGPS de déplacement prévue par le GPS : tGPS = 12 h 08 – 9 h 30 = 2 h 38 min. La durée prévue par le GPS ne correspond pas à la durée calculée. 3. La différence entre ces deux durées est due au fait que le GPS tient compte du fait que la voiture ne peut pas rouler constamment à la vitesse de 130 km/h. 17  Les foulées du Gois 1. Le vainqueur a couru en 24 min 55 s. 24 min 55 s = 24 × 60 + 55 = 1 495 s. 2. La vitesse v du coureur, la durée t de la course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d, t  où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s. Soit v = 8 000 = 5,35 m/s. 1 495 3. Pour comparer les deux vitesses, il faut qu’elles soient exprimées dans la même unité. Pour convertir une vitesse exprimée en m/s en km/h, il faut la multiplier par 3,6. 5,35 m/s = 5,35 × 3,6 = 19,3 km/h. La valeur calculée de la vitesse confirme la valeur affichée de la vitesse. 78

Thème 2

18  Voyager vers l’ISS 1. La vitesse de 28 000 km/h est mesurée dans le référentiel centre de la Terre. La vitesse de 7 cm/s est mesurée par rapport au référentiel ISS. 2. Par rapport à la Station spatiale ISS, la fusée est immobile lorsqu’elle est arrimée à l’ISS. 3. Lorsqu’elle est arrimée à la station spatiale ISS, la fusée a le même mouvement que la station spatiale, c’est-à-dire un mouvement circulaire par rapport au centre de la Terre. 4. Le mouvement d’un objet est relatif, car il dépend du référentiel choisi. 19  Rouler à l’économie Une vidéo en accès libre présente l’Eco-marathon Shell. 1. La durée t de la course, la distance d parcourue et la vitesse v de la voiture sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en 8 × 2,250 km/h ; soit t =  = 0,72 heure. 25 0,72 × 60 = 43,2 min. La course a duré 43 minutes environ. 2. La voiture parcourt 18 km avec 7,83 mL d’essence, soit 0,007 83 L. La distance pouvant être parcourue avec 1 L s’obtient par proportionnalité : Volume de carburant

Distance

0,007 83 L

18 km

1 L

d km

Avec 1 L, elle parcourt

18 × 1 = 2 299 km. 0,00783

20  Les baïnes La durée t mise par le baigneur pour être emporté sur une distance d de 400 m à la vitesse v de 1,5 m/s est donnée par la relation : t = d , v où t est exprimée en s si d est exprimée en m et v en m/s ; soit t = 400 = 267 s. 1,5 Au bout de 267 secondes, le baigneur emporté se trouve à 400 mètres au large. La vitesse v d’Adam Peaty, la durée t de la course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , v où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 100 = 1,75 m/s. 57,13

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

15  Un ouragan

p. 76 à 78 du manuel

EX ER CI CE S Un nageur nageant à la vitesse d’Adam Peaty ne serait pas emporté car sa vitesse de natation est plus élevée que celle du courant.

21  Le 400 m à Rio 1. Christophe Lemaitre a couru le 100 m en 10,07 s. S’il avait couru le 200 m à la même vitesse son temps aurait été 2 × 10,07 = 20,14 s. Or son temps sur le 200 m a été 20,12 s. Il a donc couru le 200 m à une plus grande vitesse que le 100 m. 2. La vitesse v de Christophe Lemaitre, la durée t de sa course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 200 = 9,94 m/s. 20,12 La vitesse v de Wayde van Niekerk, la durée t de sa course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 400 = 9,3 m/s. 43,03 La vitesse calculée de Christophe Lemaitre soit 9,94 m/s est supérieure à la vitesse de Wayde van Niekerk. Donc Christophe Lemaitre aurait été champion olympique s’il avait couru le 400 m à cette vitesse. 22  The International Space Station

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Traduction : La Station spatiale internationale vole à une altitude de 340 km et à très grande vitesse. À 28 800 km/h, il faut environ 1,5 heure pour faire une révolution complète autour de la Terre. Les astronautes qui travaillent et vivent sur la station peuvent voir 16 levers et couchers de soleil tous les jours. 1. Calcul de la distance d parcourue lors d’une révolution de la station ISS : d = 2 × π × r ; soit d = 2 × π × (340 + 6 370) = 42 160 km. La durée t de la révolution, la distance d parcourue et la vitesse v de la station ISS sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. t = d ; soit t = 42 160 = 1,5 heure. v 28 000 La durée d’une révolution est de 1,5 heure, on retrouve donc bien la durée donnée dans le texte. 2. Nombre de tours de la Terre par 24 heures : 24 = 16. 1,5 En 24 heures, les astronautes font 16 fois le tour de la Terre. Ils voient donc 16 levers et 16 couchers de Soleil.

Se perfectionner Tâche complexe 23  La sécurité routière Question posée : Le conducteur de la voiture ci-dessous peut-il s’arrêter au feu rouge s’il a une vigilance normale ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est l’influence d’une vigilance normale ? 2. À quelle distance du feu rouge est-il lorsqu’il voit le feu ? 3. À quelle vitesse roule-t-il ? 4. Comment calculer la distance parcourue par la voiture à partir du moment où le conducteur voit le feu rouge jusqu’à l’arrêt de la voiture ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le temps de réaction est le temps qui s’écoule entre le moment où le conducteur voit le danger et le moment où il appuie sur la pédale de frein. Le temps de réaction dépend de la vigilance du conducteur. Il est évalué à environ 1 seconde si la vigilance est normale (doc. 2). 2. Lorsqu’il voit le feu rouge, le conducteur se trouve à 80 mètres du feu (dessin). 3. Il roule à 90 km/h (dessin). 4. La distance parcourue par la voiture à partir du moment où le conducteur voit le feu rouge jusqu’à l’arrêt de la voiture est la distance d’arrêt. C’est la somme de la distance de réaction et de la distance de freinage (doc. 1). La distance de réaction est la distance parcourue pendant le temps de réaction. Ce temps est évalué à 1 seconde pour un conducteur ayant une vigilance normale. (doc. 2). La distance de freinage dépend de la vitesse et de l’état de la route (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Un véhicule roulant à 90 km/h peut-il s’arrêter en 80 mètres ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance de réaction du conducteur. • Calculer la distance de freinage du véhicule. • En déduire la distance d’arrêt. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un véhicule roulant à 90 km/h est à 80 mètres d’un feu rouge. Pourra-t-il s’arrêter à ce feu rouge ? • Mettre en forme la réponse. • La distance d’arrêt dA nécessaire pour que le conducteur s’arrête se décompose entre la distance de réaction dR et la distance de freinage dF (doc. 1).

Module 4

79

EX ER CI CE S

• La durée de réaction est exprimée en seconde. Il faut donc exprimer la vitesse en mètre par seconde (doc. 2). Pour convertir une vitesse exprimée en km/h en m/s, il faut la diviser par 3,6. 90 km/h = 90 = 25 m/s. 3,6 dR = 25 × 1 = 25 m. La distance de réaction dR vaut 25 mètres. • La distance de freinage dépend de l’état de la route (doc. 3). On peut considérer que la route est sèche car sur le dessin il n’y a pas d’essuie-glaces en marche et il y a juste quelques nuages dans le ciel. À 90 km/h, soit 25 m/s, sur route sèche, le graphique montre que la distance de freinage est de 50 mètres (doc. 3). • La distance d’arrêt dA est donnée par la relation : dA = dR + dF ; dA = 50 + 25 = 75 m.

80

Thème 2

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La voiture s’arrêtera après 75 mètres. Or elle est à 80 mètres du feu rouge. Elle pourra donc s’arrêter si le conducteur a une vigilance normale. Si la route est mouillée, ce ne sera pas le cas. En effet, pour la même vitesse, la distance de freinage est proche de 90 mètres. En ajoutant la distance de réaction, qui est toujours de 25 mètres, on obtient une distance supérieure à 80 mètres. Grille d’évaluation en fin de module.

24  Un tour en bateau La durée t du parcours, la distance d parcourue et la vitesse v du bateau sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h ; 162 = 7,3 heures. soit t = 12 × 1,852 Le trajet a duré 7,3 heures, soit : 7 + 0,3 x 60 = 7 heures et 18 minutes.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Il faut une seconde au conducteur dont la vigilance est normale pour commencer à freiner. Sa distance de réaction dR est donnée par la relation égale à : dR = v × tR.

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 25  L’expérience de Galilée Une vidéo en accès libre retrace l’expérience de Galilée.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

1. La chute de la bille est étudiée dans le référentiel sol. 2. Le doc. 1 montre que la position de la bille est repérée par le tintement d’une clochette. Lorsque la bille descend, la première expérience du doc. 2 montre que les clochettes situées à distance égale les unes des autres tintent de plus en plus rapidement. La deuxième expérience du doc. 2 montre que lorsque les tintements des clochettes se font à intervalles de temps égaux, les distances parcourues par la bille sont de plus en plus importantes. Le mouvement de la bille est donc accéléré. Le parcours de la bille est rectiligne (doc. 1). Le mouvement de la bille est donc rectiligne accéléré. 3. La direction de la vitesse de la bille est celle de la pente du plan incliné. C’est suivant cette ligne que les clochettes sont disposées. Le sens de la vitesse de la bille est vers le bas.

p. 79 du manuel

4. La durée t du parcours de la bille, la distance d parcourue et la vitesse v de la bille sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en s si d est exprimée en m et v en m/s ; soit t = 1,0 = 0,4 s. 2,5 La bille parcourt une distance de 1  mètre en 0,4 seconde.

26  Le lancer de marteau 1. a. Le marteau est en mouvement dans le référentiel sol. b. Sa trajectoire est un cercle dans ce référentiel. 2. La vitesse v marteau, la durée t du lancer et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 82,29 = 20,6 m/s. 4 La vitesse du marteau est égale à 20,6 mètres par seconde.

Module 4

81

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

28  Comprendre le vocabulaire 1. Le cinématographe signifie écrire le mouvement. 2. Le kinétoscope signifie observer le mouvement. L’énergie d’un objet en mouvement se nomme l’énergie cinétique. 29  Analyser sa production 1. d = 1 200 × 9,5 × 1012 = 1,14 × 1016 km. Kepler-62 f est à 1,14 × 1016 kilomètres de la Terre. 2. La durée t de déplacement d’un objet, la distance d parcourue et sa vitesse v sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. 1,14 × 1016 3. t = d  = v 40 000 t = 2,85 × 1011 heures ; 2,85 × 1011 = 3,25 × 107 années. soit 24 × 365 Il faudrait plus de 32 millions d’années pour atteindre Kepler-62f. 4. L’espérance de vie d’un homme est de l’ordre de 80 ans. Aucun homme embarquant dans une fusée ne pourrait atteindre Kepler-62f.

82

Thème 2

30  À chacun son rythme

Tâche complexe

Un lien internet en accès libre présente la problématique de l’exercice liée à la sécurité routière. Question posée : L’affirmation de la Prévention Routière est-elle correcte ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que la Prévention Routière ? 2. De quelle affirmation s’agit-il ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La Prévention Routière est une association qui informe les conducteurs sur les dangers liés à la vitesse (texte de l’exercice). 2. La Prévention Routière affirme que sur 100 km, rouler à 140 km/h plutôt qu’à 130 km/h fait gagner 3 minutes seulement (texte de l’exercice). 3e étape : Dégager la problématique La durée du trajet d’un véhicule roulant à 140 km/h pendant 100 km est-elle inférieure de 3 minutes à la durée d’un trajet d’un véhicule roulant à 130 km/h pour ce même trajet ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la durée du trajet du véhicule roulant à 140 km/h. • Calculer la durée du trajet du véhicule roulant à 130 km/h. • Comparer les deux durées. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La sécurité routière affirme que sur 100 km, rouler à 140 km/h plutôt qu’à 130 km/h fait gagner 3 minutes seulement. La durée du trajet d’un véhicule roulant à 140 km/h pendant 100 km est-elle vraiment inférieure de 3 minutes à la durée d’un trajet d’un véhicule roulant à 130 km/h pour ce même trajet ? • Mettre en forme la réponse. • La durée t de parcours, la distance d parcourue et sa vitesse v sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimé en h si d est exprimée en km et v en km/h. • Premier véhicule : d 100 t1 = 1 , soit t1 =  = 0,71 h . v1 140 Il a fallu 0,71 h au premier véhicule pour parcourir 100 km, soit 42,86 min ou 42 min et 51 s.

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27  À chacun son rythme • Corrigé de l'énoncé détaillé 1. La Terre met 24 heures pour effectuer un tour sur elle-même, donc t = 24 h. 2. La distance d parcourue par un point de l’équateur est donnée par la relation : d = 2 × π × RT. Soit d = 2 × π × 6 370 = 40 024 km. La distance parcourue est de 40 024 kilomètres. 3. La vitesse v d’un point situé sur l’Équateur, la durée t d’un tour de la Terre sur elle-même et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en km/h si d est exprimée en km et t en h . 4. Soit v = 40 024 = 1 668 km/h. 24 La vitesse d’un point situé sur l’équateur par rapport au centre de la Terre est égale à 1 668 kilomètres par heure.

p. 80 et 81 du manuel

EX ER CI CE S

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. L’affirmation est vraie : rouler à 140 km/h au lieu de 130 km/h sur 100 km fait gagner à peine un peu plus de 3 minutes. Rouler en excès de vitesse est interdit et dangereux. Cela ne permet même pas de « gagner du temps ». Grille d’évaluation en fin de module.

où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s ; soit d = 6,53 × 6 406 546. Donc d = 41 834 745 m, soit 41 835 km. La distance parcourue par Jean Le Cam en 74 jours 3  heures 35 minutes 46 secondes est de 41  835 kilomètres. 3. La distance entre Jean Le Cam et l’arrivée était de 45 280 – 41 835 = 3 445 km lorsque Armel Le Cléac’h passait la ligne d’arrivée.

32  Pour aller plus loin 1. Un schéma permet de comprendre la situation. L’alarme doit être située au milieu d’une des longueurs de la piscine comme le montre le schéma ci-dessous. 6m

B

3m

• Deuxième véhicule : d 100  = 0,77 h . t2 = 2, soit t2 = v2 130 Il a fallu 0,77 h au deuxième véhicule pour parcourir 100 km, soit 46,15 min ou 46 min et 9 s. • La différence de durée du trajet des deux véhicules est égale à t2 – t1. Soit t2 – t1 = 46,15 – 42,86 = 3,29 min, soit 3 min et 17 s. La différence de durée des trajets des deux véhicules est égale à 3 minutes 17 s.

Accompagnement personnalisé

d

31  À chacun son rythme

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Une vidéo en accès libre présente la victoire d’Armel Le Cléac’h lors de l’édition 2016-2017 du Vendée Globe. Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La vitesse v de Jean Le Cam, la durée t de son parcours et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; t = 80 × 24 × 3 600 + 4 × 3 600 + 41 × 60 + 54. t = 6 928 914 s. La durée de parcours de Jean le Cam est 6 928 914 secondes. On considère que la distance parcourue par Jean le Cam est la même que celle parcourue par Armel Le Cléac’h, soit 45 208 km. Exprimée en mètre, cette distance est d = 45 280 000 m. 45 280 000 = 6,53 m/s. v = d ; soit v = t 6 928 914 La vitesse de Jean Le Cam sur l’ensemble du parcours est de 6,53 mètres par seconde. 2. Calculons la durée t en seconde. t = 74 × 24 × 3 600 + 3 × 3 600 + 35 × 60 + 46  t = 6 406 546 s. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par la voiture en fonction de la durée t de son parcours et de sa vitesse v de propagation est : d = v × t ,

A

3m

C

La distance maximale à laquelle peut être un baigneur de l’alarme correspond à la distance d représentée en pointillés. Le théorème de Pythagore dans le triangle rectangle ABC permet de déterminer la distance d . BC² = AB² + AC² On obtient d2 = 32 + 32 soit d2 = 18. La fonction racine carrée (1  ) de la calculatrice permet de déterminer d . d = 4,2 m. 2. La vague créée par la chute d’un baigneur à une distance d = 4,2 m de l’alarme mettra la durée t pour atteindre l’alarme. Cette durée est donnée par t = d . v  Calculons la vitesse v de la vague. D’après le doc.1, la vague met 10  secondes pour parcourir 6 mètres. Sa vitesse v est donnée par la relation : 6 = 0,6 m/s. v = d  ; soit v = t 10 La durée tdéclenchement de déclenchement de l’alarme à partir de la chute, la distance d séparant le point de la chute et l’alarme et la vitesse v de la vague créée sont liées par la relation : tdéclenchement = d  ; v 4,2 soit  tdéclenchement = = 7 s. 0,6 L’alarme se déclenchera au maximum 7 secondes après la chute d’un baigneur dans la piscine.

Module 4

83

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 23 La sécurité routière Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

84

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Le temps de réaction est le temps qui s’écoule entre le moment où le conducteur voit le danger et le moment où il appuie sur la pédale de frein. Le temps de réaction dépend de la vigilance du conducteur. Il est évalué à environ 1 seconde si la vigilance est normale. Doc. 1 : La distance parcourue par la voiture à partir du moment où le conducteur voit le feu rouge jusqu’à l’arrêt de la voiture est la distance d’arrêt. C’est la somme de la distance de réaction et de la distance de freinage. Doc. 2 : La distance de réaction est la distance parcourue pendant le temps de réaction. Ce temps est évalué à 1 seconde pour un conducteur ayant une vigilance normale. Doc. 3 : La distance de freinage dépend de la vitesse et de l’état de la route.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Un véhicule roulant à 90 km/h est à 80 de nature scientifique. mètres d’un feu rouge. Pourra-t-il s’arrêter à ce feu rouge ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la distance de réaction du conducteur. • Calculer la distance de freinage du véhicule. • En déduire la distance d’arrêt. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation : d = v × t. • Lecture du graphique pour trouver la distance de freinage.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique. Thème 2

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM »

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Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 À chacun son rythme – Excès de vitesse sur autoroute Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Données : La Prévention Routière affirme que sur 100 km, rouler à 140 km/h plutôt qu’à 130  km/h fait gagner 3  minutes seulement.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : La durée du trajet d’un véhicule roulant à Identifier des questions 140 km/h pendant 100 km est-elle inféde nature scientifique. rieure de 3 minutes à la durée d’un trajet d’un véhicule roulant à 130 km/h pour ce même trajet ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la durée du trajet du véhicule roulant à 140 km/h. • Calculer la durée du trajet du véhicule roulant à 130 km/h. • Comparer les deux durées. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions Passer d’une forme littérales sont données, les calculs sont justes de langage scientifique et les unités sont cohérentes. à une autre. d • Utilisation de la relation v = . t

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 4

85

MO DU LE

5

Les interactions

Programme du cycle 4 Mouvement et interactions Attendu de fin de cycle • Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point d’application, une direction, un sens et une valeur.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point d’application, une direction, un sens et une valeur Identifier les interactions mises en jeu (de contact ou à distance) L’étude mécanique d’un système peut être l’occasion d’utiliser les diagrammes objet-interaction. et les modéliser par des forces. Associer la notion d’interaction à la notion de force.

Expérimenter des situations d’équilibre statique (balance, ressort, force musculaire).

Exploiter l’expression littérale scalaire de la loi de gravitation universelle, la loi étant fournie. Expérimenter la persistance du mouvement rectiligne uniforme en l’absence d’interaction (frottement). • Action de contact et action à distance. • Force : point d’application, direction, sens et valeur. Expérimenter des actions produisant un mouvement (fusée, • Force de pesanteur et son expression P = m × g. moteur à réaction). Pesanteur sur Terre et sur la Lune, différence entre poids et masse (unités). L’impesanteur n’est abordée que qualitativement.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Connaissances et compétences associées

Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Observer et décrire différents types de mouvements

L’élève part d’une situation où il est acteur qui observe (en courant, faisant du vélo, passager d’un train ou d’un avion), à celles où il n’est qu’observateur (des observations faites dans la cour de récréation ou lors d’une expérimentation en classe, jusqu’à l’observation du ciel : mouvement des planètes et des satellites artificiels à partir de Élaborer et mettre en œuvre un protocole pour appréhender la données fournies par des logiciels de simulation). notion de mouvement et de mesure de la valeur de la vitesse d’un objet. • Mouvements dont la valeur de la vitesse (module) est constante ou variable (accélération, décélération) dans un mouvement rectiligne.

Pour ce module 5, il n’y a pas de notions précises vues au cycle 3. Néanmoins, les notions de mouvement (trajectoire et vitesse) sont des prérequis puisque les actions sont définies par la modification du mouvement d'un objet.

86

Thème 2

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Décrire un mouvement et identifier les différences entre mouvements circulaire ou rectiligne. • Mouvement d’un objet (trajectoire et vitesse : unités et ordres de grandeur). • Exemples de mouvements simples : rectiligne, circulaire.

Progression curriculaire retenue dans les manuels Les interactions Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point d’application, une direction, un sens et une valeur

Identifier les interactions mises en jeu (de Identifier les interactions mises en jeu (de Identifier les interactions mises en jeu (de contact ou à distance. contact ou à distance) et les modéliser contact ou à distance) et les modéliser par des forces. par des forces. Associer la notion d’interaction à la notion Associer la notion d’interaction à la notion de force. de force. Exploiter l’expression littérale scalaire de la loi de gravitation universelle, la loi étant fournie. • Action de contact et action à distance. • Action de contact et action à distance. • Force : point d’application, direction, • Force : point d’application, direction, sens et valeur. sens et valeur. • Force de pesanteur et son expression • Force de pesanteur et son expression P = mg. P = mg.

Si la force de pesanteur et son expression ainsi que l’expression scalaire de la loi de gravitation universelle ne sont pas vues en 5e, les activités abordées en 5e permettent néanmoins de familiariser l’élève avec l’interaction gravitationnelle vue comme une action mécanique à distance de la Terre sur tout objet en interaction avec elle. Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : MI : maîtrise insuffisante • Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point MF : maîtrise fragile d’application, une direction, un sens et une valeur MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI Identifier les effets d’une action mécanique. Identifier l’interaction gravitationnelle.

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Définir une interaction.

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 3, 4, 5, 6 2, 3, 4, 5 3, 4, 6

Définir une action localisée, répartie, de contact ou à distance.

5

Associer la notion d’interaction à la notion de force.

1

Identifier une force de contact ou à distance.

2

Modéliser une action par une force.

1

Définir le poids et son expression P = m g.

3, 4

Calculer le poids d’un objet.

3, 5

Identifier les effets d’une ou deux forces sur le mouvement d’un objet.

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

Schématiser une force.

1, 2, 4, 6

Décrire le mouvement d’un objet soumis à deux forces de même direction.

1, 2, 3, 4

Identifier la force de pesanteur. Définir la loi de gravitation universelle.

4, 5, 6 7

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 5

87

Compléments pédagogiques • En 5e : nous avons choisi de présenter les concepts d’actions et d’interactions en nous appuyant sur le modèle du diagramme objet-interaction qui permet d’identifier l’objet d’étude ainsi que ceux avec lesquels il est en interaction. Deux actions constituent une interaction. • En 4e : les actions et les interactions sont modélisées par des forces, représentées par des flèches. Le poids d’un objet est modélisé. Les caractéristiques de la flèche qui modélise une force sont détaillées. Remarque : Dans le programme, il est proposé de « modéliser une interaction par une force ». Dans les manuels, comme habituellement en physique, une interaction est caractérisée par les actions réciproques que deux objets exercent l’un sur l’autre. Ainsi, une interaction sera modélisée, dans les manuels par deux forces. • En 3e : nous avons souhaité introduire une première approche de l’équilibre statique à deux forces. Cela permet de mieux anticiper l’effet d’une seule force sur un objet immobile et de l’associer à la mise en mouvement. Cette conception permet une première approche qualitative de la 2e loi de Newton : une force est associée à une variation de la vitesse. • Enfin, la manipulation de l’expression scalaire de l’interaction gravitationnelle est réservée à la classe de 3e. Pour ne pas alourdir inutilement cette notion, la constante universelle de gravitation G n’est pas citée : l’expression scalaire comporte systématiquement la valeur de cette constante.

Vu en 4e QCM Flash

p. 66 du manuel 

88

Thème 2

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1  b. et c.    2  a. et c.    3  b.    4  a.

AC TIV ITÉ

1 Comment les gymnastes parviennent-ils à réaliser des figures statiques ?

p. 83 du manuel

1 Les deux gymnastes étant en interaction, l’action du porteur sur la gymnaste et l’action de la gymnaste sur le

porteur sont modélisées par des forces opposées (elles constituent l’interaction) (doc. 2). Elles ont la même valeur. 2 La gymnaste est en équilibre, les actions qui s’exercent sur elle se compensent. Elle est soumise à l’action de

la Terre (son poids) et à l’action du porteur. Ces deux actions se compensent : elles sont opposées et ont donc la même valeur. 3 Schéma des forces qui s’exercent sur la gymnaste en équilibre :

Gymnaste

Poids de la gymnaste

Action du porteur sur la gymnaste Porteur 4 Pour parvenir à réaliser des figures statiques, chaque gymnaste doit être soumis à un ensemble de forces qui



se compensent. Lorsqu’un gymnaste est soumis à deux forces, ces deux forces doivent être opposées, c’est-àdire qu’elles ont : – la même direction ; – la même valeur ; – des sens opposés.

Un pas vers le bilan Cas du ballon en équilibre sur le nez de l’otarie : Ce ballon est soumis à son poids et à l’action du nez de l’otarie.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Ces deux forces ont : – la même direction (en pointillés) ; – des sens opposés ; – la même valeur (représentée par des flèches de même longueur). Ces deux forces ne constituent pas une interaction car il ne s’agit pas d’actions réciproques exercées entre le ballon et l’otarie : – Le poids du ballon est lié à l’interaction gravitationnelle : le ballon est attiré par la Terre et la Terre est attirée par le ballon (interaction ballon-Terre). – La force qu’exerce l’otarie sur le ballon est liée à l’interaction de contact entre le ballon et l’otarie : le ballon exerce une action sur l’otarie et l’otarie exerce une action sur le ballon (interaction otarie-ballon).

Poids

Fotarie/ballon

Module 5

89

AC TIV ITÉ

2 Comment fonctionne un ludion ?

p. 84 du manuel

Matériel • Un grand bécher. • Une bouteille plastique souple avec son bouchon. • Un petit tube, ouvert d’un seul côté, et qui passe par le goulot de la bouteille. • Des élastiques. • De l’eau. Vidéos et animations en lien avec l’activité Le ludion (doc. 1) Une vidéo en accès libre montre comment réaliser un ludion. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle montre en plus le fonctionnement du ludion. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Dans cette vidéo, on a volontairement choisi de laisser dans le haut de la bouteille un volume d’air important. Cela permet de bien voir qu’il faut comprimer la bouteille pour faire descendre le ludion. Lorsqu’il n’y a pas d’air dans le haut de la bouteille le ludion descend sans que la déformation de la bouteille ne soit visible. 1 Pour le professeur :





Protocole de fabrication du ludion : – Entourer avec des élastiques le côté ouvert du petit tube. – Placer le tube dans un grand bécher rempli d’eau, le côté ouvert, lesté avec les élastiques, vers le bas. Une bulle d’air doit être contenue dans le haut du tube. Vérifier que le tube reste vertical et que son extrémité haute au niveau de la surface est presque totalement immergée, mais pas complètement. S’il flotte trop, ajouter des élastiques. S’il coule, retirer des élastiques. Ce tube lesté, avec l’air qu’il contient constitue le ludion. – Remplir aux trois quarts la bouteille d’eau. – Y introduire le ludion. – Fermer la bouteille avec son bouchon.



Utilisation du ludion : – Initialement le ludion est presque totalement immergé. – Quand on comprime la bouteille, le ludion descend. – Inversement, si on relâche la compression de la bouteille, le ludion remonte. 2 Les deux forces qui s’appliquent au ludion sont : son poids P et la poussée d’Archimède A.

b. On relâche la compression de la bouteille. Le ludion se met à monter.

c. On comprime la bouteille. Le ludion se met à descendre.

A A P

90

Thème 2

P

A P

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

 a. Le ludion est immobile entre deux eaux (la bouteille étant légèrement comprimée).

3 a. Quand le ludion commence à monter ou descendre, la force modifiée est la poussée d’Archimède car on agit



sur le volume de l’air emprisonné. b. Lorsque le ludion est totalement immergé, la valeur de la poussée d’Archimède dépend du volume d’air emprisonné. Elle augmente ou diminue dans le même sens que lui (doc. 2). • Quand la poussée d’Archimède est inférieure au poids du ludion, le ludion se met à descendre. • Quand la poussée d’Archimède est supérieure au poids du ludion, le ludion se met à monter. 4 Au cours de l’expérience, le poids du ludion ne change pas (P = mtube × gTerre).

• Quand la bouteille est compressée, le volume de l’air contenu dans le tube diminue. Le volume immergé diminue aussi. Ainsi, la valeur de la poussée d’Archimède diminue et devient plus faible que celle du poids du ludion. Le ludion coule. • Quand la pression sur la bouteille est relâchée, le volume de l’air contenu dans le tube augmente. Le volume immergé augmente aussi. Ainsi, la valeur de la poussée d’Archimède augmente et devient supérieure à celle du poids du ludion. Le ludion monte.

Un pas vers le bilan Un objet immobile, soumis à deux forces verticales restera immobile si les deux forces se compensent, c’est-à-dire si elles ont : – la même direction ; – des sens opposés ; – la même valeur.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Cet objet initialement immobile peut se mettre en mouvement vers le haut si la valeur de la force orientée vers le haut a une valeur supérieure à celle orientée vers le bas. Cet objet peut se mettre en mouvement vers le bas si la valeur de la force orientée vers le bas a une valeur supérieure à celle orientée vers le haut.

Module 5

91

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi un funambule se munit-il

d’une barre pour marcher sur un fil ?

p. 85 du manuel

Matériel • Un bouchon en liège. • Un cure-dents. • Deux fourchettes. Vidéos et animations en lien avec l’activité Des fourchettes équilibristes (doc. 2) La première partie de la vidéo est en accès libre pour les élèves ; elle présente le matériel. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle montre en plus les conséquences de l’inclinaison des fourchettes. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. 1 a. Le centre de gravité et le point d’appui de l’ensemble

{crayon-couteau} dans la figure même droite verticale. b.



2

du doc. 1 sont sur une

Fdoigt/assemblage

Passemblage

2 a. Première partie :

– On plante le cure-dents au milieu de l’une des extrémités du bouchon. – On pose le cure-dents sur le bout de l’index. – On essaye de maintenir l’ensemble {bouchon-cure-dents} en équilibre sur le bout de l’index : l’équilibre est extrêmement instable. Seconde partie : – On plante les deux fourchettes sur les côtés du bouchon de telle sorte qu’elles soient en face l’une de l’autre et que les manches de fourchette soient en dessous du cure-dents. – On pose à nouveau le cure-dents sur le bout de l’index. – L’équilibre du bouchon sur l’index est maintenant stable. – On modifie l’angle d’inclinaison des fourchettes : plus l’angle d’inclinaison des fourchettes par rapport à ­l’horizontale est important (manche des fourchettes de plus en plus bas), plus l’équilibre est stable. b. L’ensemble {fourchettes-bouchon-cure-dents} reste en équilibre car le centre de gravité de l’ensemble est situé en dessous du point d’appui.



3 Proposition d’hypothèse : Un funambule se munit d’une barre pour descendre son centre de gravité, ce qui va

lui permettre de garder plus facilement son équilibre. Remarque : L’effet principal de la perche n’est cependant pas l’abaissement du centre gravité : la perche a pour principal but d’augmenter le moment d’inertie de l’ensemble en équilibre.



Un pas vers le bilan Si un objet soumis à deux forces est en équilibre, les deux forces se compensent, c’est-à-dire qu’elles ont : – la même direction ; – des sens opposés ; – la même valeur.

92

Thème 2

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AC TIV ITÉ

4 Comment une montgolfière peut-elle décoller ?



p. 86 du manuel

Remarque : Cette activité pourra être résolue comme une tâche complexe. 1 Le poids est dirigé vers le bas alors que la poussée d’Archimède est dirigée vers le haut.



La montgolfière pourra décoller si la valeur de la poussée d’Archimède A est supérieure à celle de son poids P (doc. 1).

• Calcul du poids de la montgolfière (doc. 1) : Le poids d’un objet de masse m s’exprime par la relation : P = m × g. La montgolfière à une masse m = 2 150 kg et g = 9,8 N/kg. Donc P = 2 150 × 9,8 = 21 070 N. • Calcul de la valeur de la poussée d’Archimède (doc. 1 et 2) : La poussée d’Archimède s’exprime par la relation A = ρfluide × V × g. La montgolfière de volume V = 2 200 m3, elle est immergée dans l’air de masse volumique ρair = 1,2 kg/m3. Donc A = 1,2 × 2 200 × 9,8 = 25 872 N. On peut vérifier que A est supérieure à P, donc la montgolfière peut décoller.

• Pour représenter les forces, on prendra par exemple pour échelle 1 cm représente 10 000 N. Les longueurs des flèches s’obtiennent alors par proportionnalité. Échelle

1 cm

10 000 N

Poids

LP cm

21 070 N

Poussée d’Archimède

LA cm

25 872 N



• Pour le poids : la flèche (verte sur le schéma ci-dessous) a pour longueur : 21 070 × 1 LP = = 2,1 cm. 10 000



• Pour la poussée d’Archimède : la flèche (rouge sur le schéma ci-dessous) a pour longueur : 25 872 × 1 LA = = 2,6 cm. 10 000 A

2,6 cm

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2,1 cm P 2 Pour qu’une montgolfière décolle, il faut augmenter la valeur de la poussée d’Archimède, il faut donc augmenter

le volume du ballon, on dit aussi qu’il faut gonfler le ballon.

Un pas vers le bilan L’intérêt de représenter une force par une flèche est de schématiser les quatre caractéristiques d’une force : point d’application, direction, sens et valeur. Cela permet ainsi de comparer visuellement les différentes forces qui s’appliquent à un objet. Module 5

93

AC TIV ITÉ

5 Comment Galilée a-t-il expliqué le mouvement d’un projectile ?

p. 87 du manuel

Matériel • Une table. • Une balle. • Une caméra (avec supports pour la fixer au sol). • Un logiciel de pointage vidéo. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés par l’enseignant, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée. Vidéos et animations en lien avec l’activité Des vidéos présentent des balles qui roulent sur une table horizontale puis qui chutent de la table. Elles sont disponibles dans le manuel numérique ; elles permettent d’effectuer le pointage si l’expérience n’est pas filmée en classe. Compléments Le logiciel AviStep permet d’effectuer le pointage. Une version du logiciel AviStep est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html Nous avons utilisé la version 2.1.1. La fiche 10 du livret présente le principe du pointage vidéo à l’aide du logiciel AviStep. Si la vidéo est réalisée en classe, il faut veiller à avoir un éclairage correct pour éviter les trainées.

Démarche documentaire 1 Plusieurs indices indiquent que Galilée n’a pas réalisé cette expérience. Tout d’abord, à deux reprises il emploie

l’expression « j’imagine », ce qui indique une expérience de pensée. Par la suite, le mouvement est décrit au futur : « le mobile ajoutera à son précédent mouvement… », « le résultat sera un mouvement composé… », ce qui confirme qu’il n’a pas été observé. 2 L’expression en gras signifie que le mobile a une masse. 3 La trajectoire peut être tracée en observant une vidéo du mouvement ou en utilisant l’image disponible dans

l’introduction de l’activité.

Trajectoire de la balle sur la table Trajectoire de la balle dans l’air

4 Liste des forces qui s’exercent sur la balle avant sa chute (on néglige l’action de l’air) :



94

Thème 2

– poids de la balle ; – force qu’exerce la table sur la balle ; Ces forces sont celles prises en compte lors du mouvement de la balle sur la table et non celles à l’instant du lancer.

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Position correspondant à l’extrémité de la table



Liste des forces qui s’exercent sur la balle pendant sa chute (on néglige l’action de l’air) : – poids de la balle. 5 Pendant la chute, la seule force qui s’exerce sur la balle est son poids. Cette force est verticale vers le bas.



Le poids affecte le mouvement de la balle sur la direction verticale : la balle chute de plus en plus vite sous l’effet du poids. Sur la direction horizontale, le mouvement n’étant pas affecté par une force, le mobile garde le mouvement horizontal à vitesse constante qu’il avait avant de quitter la table. On retrouve ainsi les deux éléments de la conclusion de Galilée : « le résultat sera un mouvement composé d’un mouvement horizontal uniforme et d’un mouvement naturellement accéléré vers le bas... ». 6 Galilée a expliqué le mouvement d’un projectile par la composition du mouvement horizontal uniforme et d’un

mouvement vertical accéléré.

Un pas vers le bilan Une force est capable : – de modifier la trajectoire d’un objet ; – de modifier la vitesse d’un objet.

Démarche expérimentale a Protocole :



Lors du pointage, on constate que lorsque la balle est sur la table, les positions successives de son centre sont alignées et équidistantes. Sur la table, le mouvement du centre de la balle est donc rectiligne et uniforme. b Liste des forces qui s’exercent sur la balle lorsqu’elle est sur la table (on néglige l’action de l’air) :



– poids de la balle ; – force qu’exerce la table sur la balle. Ces forces sont celles prises en compte lors du mouvement de la balle sur la table et non celles à l’instant du lancer.

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c On pointe les positions successives de la balle dès qu’elle quitte la table :

Module 5

95



On fait afficher les résultats : La composante horizontale de la vitesse :



On constate que la composante horizontale de la vitesse de la balle est constante au cours du temps et que la composante verticale de la vitesse de descente augmente au cours du temps. On peut en conclure que, selon l’horizontale, le mouvement est uniforme et que, selon la verticale, le mouvement est accéléré. On retrouve ainsi les deux éléments de la conclusion de Galilée : « le résultat sera un mouvement composé d’un mouvement horizontal uniforme et d’un mouvement naturellement accéléré vers le bas... »



La composante verticale de la vitesse :

d La force qui reste appliquée à la balle lorsqu’elle a quitté la table est son poids (on néglige l’action de l’air). e Galilée a expliqué le mouvement d’un projectile par la composition du mouvement horizontal uniforme et d’un

mouvement vertical accéléré. Remarque : La valeur de la vitesse est modifiée dans la direction de la résultante des forces. Dans le cas d’un projectile, la seule force est son poids (si on néglige l’influence de l’air). L’accélération est donc verticale et dirigée vers le bas.



Un pas vers le bilan

96

Thème 2

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Une force peut : – modifier la trajectoire d’un objet ; – modifier la vitesse d’un objet.

AC TIV ITÉ

6 Pourquoi un traîneau s’arrête-t-il si les chiens ne le tirent plus ?

p. 88 du manuel

Matériel • Des plaques de support en différents matériaux (voir les Notes pour le professeur ci-dessous). • Un solide étudié (voir les Notes pour le professeur ci-dessous). • Une poulie, un statif et une noix de serrage double. • Masses marquées. • Ficelle. Notes pour le professeur • Préparation des plaques de support – Les plaques de supports ont des dimensions environ de 30 cm par 60 cm. Leur surface est plus ou moins lisse ou rugueuse : plateau mélaminé, plateau en bois, plaque en verre, plaque en polystyrène, etc. – Pour faciliter les réglages de hauteur de la poulie, il est conseillé d’utiliser des plaques support de même épaisseur. • Préparation du solide étudié – Le solide étudié est une petite boîte fermée en plastique ou en carton lestée. Le choix du lest dépend des surfaces des plaques de support pour ne pas avoir un trop grand nombre de masses marquées à suspendre. Une boîte fermée est recommandée car elle permet de garder inconnue la valeur du lest. – Pour accrocher la ficelle à la boîte en carton : percer le carton et utiliser une rondelle ou un bouton pour nouer la ficelle. Celle-ci ne pourra plus percer le carton. – Faire une simple boucle à l’autre extrémité de la ficelle pour pouvoir y accrocher les masses marquées. – La poulie sur tige est maintenue en position et à hauteur à l’aide d’un support statif et d’une noix de serrage double. Vidéos et animations en lien avec l’activité Dispositif expérimental d’étude du frottement entre solides (doc. 2) Une vidéo en accès libre montre le dispositif expérimental et le principe de la réalisation des mesures. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais l’illustre. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. La vidéo montre en plus l’effet de plusieurs paramètres. 1 Exemples d’hypothèses :



– Il existe une force de frottement qui freine le traîneau. La valeur de cette force dépend de l’état de la neige et des patins du traîneau (Hypothèse 1). – Il existe une force de frottement qui freine le traîneau. Plus le traîneau est lourd, plus les frottements sont importants (Hypothèse 2). 2 Protocole :

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Hypothèse 1 : ➀ Sur une extrémité de table, positionner la poulie maintenue sur un statif. Veiller à la bonne stabilité du statif. ➁ Poser dans l’alignement de la poulie une plaque de support. ➂ Poser le solide étudié sur la plaque de support. Faire passer le fil sur la poulie et tendre le fil légèrement à la main (sans déplacer le solide). ➃ Accrocher une après l’autre des masses marquées à l’extrémité libre du fil jusqu’à ce que le solide étudié se mette en mouvement. Attention : Pour placer la première masse marquée, tenir le solide étudié quelques instants pour que la ficelle se tende. Ensuite, ajouter doucement les masses marquées successives, sans à coup ni mouvement de balancier pour ne pas induire d’autres forces que le poids des masses. ➄ Affiner la mesure de la masse qui met en mouvement le solide étudié en remplaçant la dernière masse ajoutée pour une ou plusieurs de valeur inférieure jusqu’à ce que le solide soit de nouveau mis en mouvement. ➅ Noter la valeur de la masse qui met en mouvement le solide étudié pour le support en place. ➆ Reprendre les étapes ➁ à ➅ pour une autre plaque de support. ➇ Conclure sur la pertinence de l’hypothèse 1. Module 5

97



Hypothèse 2 : ➀ Sur une extrémité de table, positionner la poulie maintenue sur un statif. Veiller à la bonne stabilité du statif. ➁ Poser dans l’alignement de la poulie une plaque de support. ➂ Poser le solide étudié sur la plaque de support. Faire passer le fil sur la poulie et tendre le fil légèrement à la main (sans déplacer le solide). ➃ Accrocher une après l’autre des masses marquées à l’extrémité libre du fil jusqu’à ce que le solide étudié se mette en mouvement. Attention : Pour placer la première masse marquée, tenir le solide étudié quelques instants pour que la ficelle se tende. Ensuite, ajouter doucement les masses marquées successives, sans à coup ni mouvement de balancier pour ne pas induire d’autres forces que le poids des masses. ➄ Affiner la mesure de la masse qui met en mouvement le solide étudié en remplaçant la dernière masse ajoutée pour une ou plusieurs de valeur inférieure jusqu’à ce que le solide soit de nouveau mis en mouvement. ➅ Noter la valeur de la masse qui met en mouvement le solide étudié pour le support en place. ➆ Lester (ou alléger) le solide étudié et reprendre les étapes ➁ à ➅. ➇ Conclure sur la pertinence de l’hypothèse 2.



Ces protocoles induisent implicitement que la poulie modifie la direction de la force de traction sans en changer son intensité. Cela peut être vérifié avec des dynamomètres. La force de traction étant alors égale au poids de l’ensemble des masses suspendues. Quand le solide étudié est mis en mouvement, le poids de l’ensemble des masses suspendues est alors supérieur (légèrement) aux forces de frottement. L’objectif de cette activité étant l’étude et la compréhension du principe des forces de frottement, il n’a pas été demandé le calcul du poids de l’ensemble des masses suspendues.



3 Le traîneau démarre :

Ffrottement



Ftraction

Le traîneau ralentit : Ffrottement



Ftraction

Il est à noter que dans cette situation, le traineau finit par s’arrêter si la valeur de la force de frottement reste supérieure à celle de la force de traction. Dans ces schémas, on n’a pas pris en compte le poids du traîneau et l’action verticale de la neige sur le traîneau.



4 Si les chiens ne le tirent plus, il n’y a plus de force de traction ; seule la force de frottement agit sur le traîneau

en s’opposant à son mouvement : le traîneau fini par s’arrêter.

Un pas vers le bilan

98

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• Les forces de frottement, comme toutes les forces, modifient le mouvement d’un objet. Comme elles sont de sens opposé à celui du mouvement de l’objet, elles ont pour conséquence de diminuer la vitesse de déplacement. • En l’absence de frottement, le mouvement ne serait pas ralenti. Il se poursuivrait indéfiniment à la même vitesse.

AC TIV ITÉ

7 Peut-on « gober » la pomme de Newton ?

p. 89 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Loi de gravitation universelle (doc. 1) Une animation en accès libre montre les effets sur la force d’attraction des différents paramètres composant la loi de la gravitation universelle. Cette animation permet de varier les supports pédagogiques pour favoriser l’appropriation du document par des élèves avec différents profils d’apprentissage. m1 × m2  . d2 b. m1 et m2 sont les masses des objets en interaction gravitationnelle et d est la distance qui les sépare.

1 a. La relation qui traduit la phrase du doc. 2 est la proposition



3

:

2 Les évolutions en sciences ne sont pas le résultat d’idées surgissant spontanément à partir d’observations



fortuites. En effet, dans le doc. 1 on peut lire : – « Il commence par étudier les travaux d’autres scientifiques … » – « Parallèlement, le scientifique britannique Robert Hooke » – « Il se base sur les recherches de l’astronome français Ismaël Boulliau ». Ces extraits montrent que Newton s’est inspiré des recherches d’autres scientifiques qui avaient travaillé avant lui. On peut aussi lire dans le doc. 2 : – « Pourtant, jusqu’en 1682, la correspondance de Newton montre qu’il pensait que les planètes tournaient autour du Soleil dans un mouvement tourbillonnaire, telle l’eau s’écoulant dans un évier ». La formulation de Newton est le fruit d’un cheminement : il avait formulé des hypothèses qu’il a révisées à la lumière des connaissances issues des travaux d’autres scientifiques, notamment ceux de Hooke qui avait formulé la même loi avant lui. 3 L’histoire de la pomme est une légende à la gloire de Newton. Il faut se méfier de ces histoires séduisantes. Les

évolutions en sciences sont le fruit de démarches (hypothèses, observations, interprétations, reproduction des expériences…) et non de théories spontanées telles des illuminations.

Un pas vers le bilan

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

La loi de la gravitation universelle, mise en forme par Isaac Newton, est la loi décrivant l'attraction entre des corps ayant une masse. Elle établit une relation entre la force d’attraction entre deux objets et leurs masses et la distance qui les sépare.

Module 5

99

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ QCM 1  c. 2  a. 3  a., b. et c. 4  b. 5  c. 6  Identifier des forces 1. La caisse est soumise à : – la force exercée par l’homme en chemise bleue placé à gauche ; – la force exercée par l’homme en chemise blanche placé à droite ; – son poids ; – la force exercée par le sol. 2. La caisse reste immobile car les forces se compensent : – la force exercée par l’homme en chemise bleue compense celle exercée par l’homme en chemise blanche ; – le poids de la caisse compense la force exercée par le sol sur la caisse. 7  Identifier et schématiser une force 1. La force qui met en Fathlète/poids mouvement « le poids » est la force exercée par l’athlète sur «  le poids ». 2. a. Dans cette situation le mot «  poids  » désigne l’objet sphérique lourd lancé par l’athlète. b. En physique, le mot poids correspond à la force de pesanteur qui est la force d’attraction que la Terre (ou un autre astre) exerce sur un objet au voisinage de sa surface. Cette force est verticale et dirigée vers le bas, centre de l'astre.

8  Utiliser une échelle de représentation 1. La valeur du poids est proportionnelle à la longueur de la flèche le représentant. Pour la déterminer il faut tenir compte de l’échelle. On détermine l’échelle en mesurant l’étalon sur le dessin. Puis on mesure la longueur de la flèche représentative du poids du super-héros. 100

Thème 2

Échelle Situation

0,8 cm

360 N

2 cm

P

2 × 360 = 900 N . 0,8 2. Lorsque le super-héros est immobile, les forces qui s’exercent sur lui se compensent. Les forces qui s’exercent sur le super-héros sont : – son poids ; – la force qu’exerce sur lui le fil auquel il est accroché. La force qu’exerce le fil sur le super-héros est donc opposée au poids du super-héros. Donc la valeur de la force qu’exerce le fil sur le super héros est égale à la valeur du poids du super-héros. D’où Ffil/super héros = 900 N.

Donc la valeur du poids est P =

9  Schématiser une force à l’échelle La valise est en l’équilibre. Les forces qui s’exercent sur elle se compensent. Ces forces sont : – le poids de la valise ; – l’action de la main du touriste sur la valise. La force qu’exerce la valise sur la main du touriste est opposée au poids de la valise. Cette force est donc verticale dirigée vers le haut. La valeur de la force qu’exerce la valise sur la main du touriste est égale à la valeur du poids de la valise. La masse de la valise est m = 12 kg, et l’intensité de la pesanteur gT = 9,8 N/kg. Comme le poids P d’un objet de masse m sur Terre s’exprime par la relation P = m × gT. On a P = 12 × 9,8 = 117,6 N. Donc Fmain/valise = 117,6 N. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle

1 cm

30 N

Situation

L cm

117,6 N

Donc la flèche représentative de Fmain/valise  a pour longueur : 117,6 × 1 L= = 3,9 cm. 30 Fmain/valise

3,9 cm

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Les forces

p. 93 du manuel

EX ER CI CE S L’interaction gravitationnelle et la force de pesanteur QCM 10  b. 11  a. et b.

satellite est opposée à la force d’attraction qu’exerce le satellite sur la Terre ; elles ont la même direction, des sens opposés et la même valeur : FTerre/Satellite = FSatellite/Terre = 6 × 104 N. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force :

12  a. et c.

Échelle

1 cm

2 × 104 N

13  a.

Situation

L cm

6 × 104 N

14  b. 15  Déterminer la valeur d’une force d’attraction gravitationnelle 1. La valeur de la force d’attraction gravitationnelle FS/T exercée par le Soleil sur la Terre est proportionnelle aux masses mS et mT de ces deux astres et inversement proportionnelle au carré de la distance d qui les sépare. m ×m Elle est donc de la forme FS/T = k × S 2 T  . d Dans cette relation, k est un coefficient de proportionnalité. 2. La valeur de la force d’attraction qu’exerce le Soleil sur la Terre est égale à la valeur de la force d’attraction qu’exerce la Terre sur le Soleil : FS/T = FT/S. Donc FT/S = 3,5 × 1022 N. 16  Représenter les forces d’une interaction gravitationnelle Le satellite et la Terre étant en interaction gravitationnelle, la force d’attraction qu’exerce la Terre sur le

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Prendre un bon départ

Donc la flèche représentative de chacune de ces forces a pour longueur : 6 × 104 × 1 L= = 3 cm. 2 × 104

Fsatellite/Terre 3 cm

FTerre/satellite 3 cm

17  Calculer la valeur d’une force d’attraction gravitationnelle m ×m FT/L = 6,67 × 10–11 × T 2 L  . d Avec les valeurs données dans l’énoncé, on obtient le calcul suivant : 5,97 × 1024 × 7,35 × 1022 FT/L = 6,67 × 10–11 ×  . (3,8 × 108)2 20 Donc FT/L = 2 × 10 N.

Module 5

101

EX ER CI CE S

Se perfectionner

attire la « maousse » autant que la « maousse » attire le « minus ».

18  Chute de noix de coco 1. a. La noix est accrochée dans le cocotier. Noix de coco

Cocotier

p. 95 du manuel

20  Poids et force d’attraction gravitationnelle 1. La masse de l’éléphant est méléphant = 6 000 kg, et l’intensité de la pesanteur gT = 9,8 N/kg. Comme le poids P sur Terre d’un objet de masse m s’exprime par la relation : P = m × gT. On a P = 6 000 × 9,8 = 58 800 N. m ×m 2. F = 6,67 × 10–11 × éléphant 2 Terre  . RT 6 000 × 5,97 × 1024 F = 6,67 × 10–11 × = 58 881 N. (6,37 × 106)2 3. On constate que F est sensiblement égale à P : la force d’attraction gravitationnelle est égale au poids.

Terre

b. La noix chute vers le sol. Noix de coco

Terre c. La noix est sur le sol. Noix de coco

21  Jupiter et ses satellites Sol 2. ➀

Fcocotier/noix

Une vidéo en accès libre montre Jupiter et ses principaux satellites.

Terre ➁

➂

1. FJupiter/IO

Pnoix

Fsol/noix

Pnoix

19  Newton et l’interaction gravitationnelle 1. Dans le doc. 1 on peut lire : « la gravitation augmente avec la masse des corps ». On constate dans le doc. 2 que la masse des deux objets en interaction intervient au numérateur de l’expression mathématique de la loi de gravitation universelle. Plus leurs masses seront importantes, plus la valeur des forces d’interaction gravitationnelle est grande. De plus, dans le doc.1 on peut aussi lire « et diminue rapidement quand on les éloigne ». La distance entre les objets en interaction intervient au dénominateur et au carré dans l’expression de la force de gravitation du doc. 2. Le fait que cette distance soit au dénominateur justifie le fait que la force diminue quand la distance augmente. Le fait qu’elle soit élevée au carré justifie l’adverbe « rapidement ». 2. Dans le doc. 1, le « minus » fait référence au corps de plus petite masse, ici la Lune, et la « maousse » fait référence au corps de plus grande taille, ici la Terre. Donc les deux objets, « minus » et « maousse », s’attirent mutuellement avec la même intensité : le « minus » 102

Thème 2

IO

Jupiter

mJupiter × mlo  . R2 Attention, la distance R doit être exprimée en mètre : R = 421 700 000 m. 1,9 × 1027 × 8,93 × 1022 F = 6,67 × 10–11 × 421 700 0002 F = 6,36 × 1022 N. 2. F = 6,67 × 10–11 ×

22  En route vers Jupiter 1.

B

FV/G A

2. La force d’attraction gravitationnelle FV/G exercée par Vénus sur Galileo est plus forte au point B qu’au point A car la force d’attraction gravitationnelle est inversement proportionnelle au carré de la distance

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Pnoix

EX ER CI CE S

Se perfectionner

qui sépare les deux objets, or en B la distance entre la sonde et la planète est plus petite qu’en A. 3. La force d’attraction gravitationnelle FV/G exercée par Vénus sur Galileo modifie la trajectoire de la sonde Galileo et elle augmente sa vitesse (doc. 1). 4. On parle d’assistance gravitationnelle car l’effet gravitationnel de la planète aide à la propulsion de la sonde.

23  Gravity 1.

Actrice

Filins

Terre

2. L’actrice ne chute pas car les actions cumulées des filins compensent l’action du poids de l’actrice. 3. L’apesanteur désigne l’état d’un corps qui n’est pas soumis à la gravité, c’est-à-dire l’absence de poids. Comme les filins compensent l’action du poids, l’actrice semble flotter en l’air comme si elle n’était plus soumise à son poids. Cela simule donc l’état d’apesanteur.

24  Réparer une balle de ping-pong

Tâche complexe

Question posée : Pourquoi suffit-il de plonger une balle de ping-pong écrasée dans l’eau chaude pour la réparer ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. La balle de ping-pong est-elle cassée ? 2. De quoi est constituée une balle de ping-pong ? 3. Que se passe-t-il quand on la plonge dans l’eau chaude ? 4. Pourquoi cette réparation est-elle effectuée avec de l’eau chaude et pas avec de l’eau froide ?

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2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La balle de ping-pong est simplement écrasée mais sa paroi n’est pas fendue (photographie et texte du doc. 1) 2. La constitution d’une balle de ping-pong n’est pas décrite dans les documents. L’élève doit la déduire de la lecture des divers documents. 3. Plongée dans l’eau chaude, la balle reprend sa forme sphérique (doc. 1). 4. Plonger la balle dans l’eau chaude permet d’augmenter la température de l’ensemble et notamment de l’air à l’intérieur (doc. 3). Les chocs des molécules d’air sur les parois sont alors plus nombreux (doc. 3). La force pressante exercée par l’air contenu dans la balle sur la paroi est alors plus intense (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Pourquoi augmenter la température d’une balle de ping-pong lui rend-elle sa forme sphérique ?

4e étape : Construire la réponse • Détailler la constitution d’une balle de ping-pong. • Expliquer l’action de l’eau chaude, macroscopiquement puis microscopiquement. • Décrire les forces s’exerçant sur la balle. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une balle de ping-pong est fragile. Il peut arriver qu’elle s’écrase. Une technique pour réparer la balle et de la plonger dans de l’eau chaude. Elle reprend rapidement sa forme sphérique initiale. Mais pourquoi augmenter la température d’une basse de ping-pong lui rend-elle sa forme sphérique ? • Mettre en forme la réponse. Une balle de ping-pong est remplie d’air. Lorsque la balle est plongée dans l’eau chaude, la température du gaz augmente. Les particules de ce gaz sont plus agitées, le nombre de chocs des particules de gaz enfermées dans la balle contre la paroi de la balle augmentent. La valeur de la force pressante de l’air emprisonné dans la balle, contre la paroi de la balle augmente. La paroi interne de la balle est repoussée vers l’extérieur par la force pressante de l’air emprisonné dans la balle : la balle reprend sa forme sphérique. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Plonger la balle de ping-pong écrasée dans de l’eau bouillante permet donc de lui redonner sa forme sphérique initiale. Néanmoins, il ne faut pas que la balle de ping-pong soit trouée. Sinon, l’air interne chauffé s’échappe et la balle n’est pas réparée. Grille d’évaluation en fin de module.

25  La découverte de la planète Neptune 1. Le doc. 1 explique la succession d’événements qui ont conduit à la découverte de Neptune. Il y eut tout d’abord le constat de la difficulté de prévoir la position d’Uranus avec les modèles connus, puis l’hypothèse de l’existence d’une planète perturbatrice, la prédiction de la position de cette planète inconnue et enfin son observation à l’endroit prédit. Cette découverte montre que les évolutions en sciences se font progressivement et par enrichissement de théories scientifiques. 2. a.

Uranus Soleil

Neptune

Module 5

103

EX ER CI CE S

3. Cette force évolue au cours du déplacement des planètes sur leur orbite, car la distance qui les sépare change. 4. Les perturbations du mouvement d’Uranus proviennent de la variation de la force d’attraction qu’exerce Neptune sur Uranus au cours de sa rotation autour du Soleil.

26  One-arm handstand Traduction : Équilibre sur un bras Tout le monde sait que Luke Skywalker voyage vers Dagobah pour être initié aux secrets de la Force (comme son père avant lui). Il s’entraîne avec le maître Jedi Yoda. Peut-être vous souvenez-vous de la scène où Luke réalise un équilibre sur un bras alors qu’il maintient Yoda sur un pied. Bien sûr, pour une personne réelle, cela est plutôt impossible.

© Lucas Film / Walt Disney / Collection ChristopheL

Luke est soumis à trois forces : – son poids (en rouge ci-dessous) ; – la force exercée par Yoda sur son pied (en jaune ci-dessous), égale au poids de Yoda ; – la force exercée par sol sur sa main (en bleu ci-dessous).

Ces trois forces sont toutes verticales mais leurs points d’applications ne sont pas alignés ; les points d’application des deux forces dirigées vers le bas sont du même côté de la verticale passant par la main. Cela a pour conséquence de faire pivoter Luke.

27  Poumon-ballast Une vidéo en accès libre pour les élèves montre le principe de la technique de plongée appelée poumon-ballast. 104

Thème 2

1. Les forces qui s’appliquent au plongeur immobile sont : – P : le poids du plongeur ; – A : la Poussée d’Archimède. A

P

2. Pour qu’un système soumis à deux forces soit en équilibre, il faut que les deux forces se compensent (même direction, sens opposés, même valeur). 3. Quand les poumons du plongeur se remplissent d’air, le volume du plongeur augmente, le volume d’eau déplacé augmente, donc le poids de liquide déplacé augmente aussi. Ce qui implique que la valeur de la poussée d’Archimède augmente. 4. Quand les poumons du plongeur se vident, le volume du plongeur diminue. Donc le volume et le poids de l’eau déplacée diminuent aussi. Ce qui implique que la valeur de la poussée d’Archimède diminue. 5. En gonflant ou dégonflant ses poumons, le plongeur modifie la poussée d’Archimède qui s’exerce sur lui. Si ses poumons se vident, alors la poussée d’Archimède diminue ; elle devient inférieure à son poids. Le plongeur descend. Au contraire, en gonflant ses poumons, il augmente la poussée d’Archimède. Celle-ci devient supérieure à son poids, il monte.

28  En escalade L’expression de la force d’attraction gravitationnelle exercée par un objet sur un autre montre que si la distance entre les deux objets en interaction augmente, alors la valeur de la force d’attraction diminue. La réflexion de l’alpiniste est pertinente puisqu’en s’élevant, l’alpiniste s’éloigne de la Terre avec laquelle il est en interaction. Mais, la variation de distance à prendre en compte quand un alpiniste escalade une montagne modifie-telle significativement la valeur de la force d’attraction de la Terre ? Raisonnement : L’escalade consiste à se déplacer le long d’une paroi haute de quelques mètres à quelques centaines de mètres, par exemple 100 m, soit 0,1 km. Le rayon de la Terre est d’environ 6 400 km. Une augmentation de 0,1 km de l’altitude de l’escaladeur correspond, en pourcentage, à une augmentation de 0,1 × 100 = 0,0015 %. Cette augmentation est très 6 400 faible. La diminution de l’influence de la gravitation

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mNeptune × mUranus  . R2 R = Distance Neptune-Uranus = (Distance Soleil-Neptune) – (Distance Soleil-Uranus) R = 4,498 – 2,877 = 1,621 milliards de kilomètres soit R = 1,621 × 1012 m. 1,024 × 1026 × 8,681 × 1025 F = 6,67 × 10–11 × (1,621 × 1012)2 17 F = 2,26 × 10  N. b. F = 6,67 × 10–11 ×

EX ER CI CE S sera donc très faible aussi : en pratique elle sera sans effet. Second raisonnement possible : Il est possible de comparer, par exemple, la force d’attraction exercée sur un alpiniste de 70 kg au niveau de la mer et cela à 100 mètres au-dessus d’elle. Pour cela, il faut donner l’expression de la force aux élèves. On obtient : Au niveau de la mer : 5,97 × 1024 × 70 • F0 = 6,67 × 10–11 × = 686,94 N. (6 370 000)2 À 100 m d’altitude : 5,97 × 1024 × 70 • F0 = 6,67 × 10–11 × = 686,91 N. (6 370 000 + 100)2 L’effet de la variation de la force de gravitation au cours d’une escalade de 100 m est de l’ordre du centième de newton. Ce n’est pas significatif.

29  Les corps révolvants selon Newton 1. En parlant de « la force de leur gravité », Newton fait référence à la force d’attraction gravitationnelle. 2. Avec l’exemple de la Terre et de la Lune, « toute attraction est mutuelle » signifie que la Terre attire la Lune et réciproquement la Lune attire la Terre. 3. Dans les extraits ➁ et ➂, « graviter » signifie « être attiré ». Le sens de ce verbe a évolué, signifiant maintenant « tourner autour de ». 4. Les planètes troublent le mouvement des autres car toutes les planètes sont en interaction avec les autres et donc s’attirent mutuellement, ce qui perturbe leur mouvement autour du Soleil. 5. Lorsque Newton écrit que le Soleil et la Lune troublent les mouvements de la mer, il fait référence au phénomène des marées.

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Tâche complexe 30  Mission Apollo Question posée : Si Armstrong avait pesé les échantillons de sol lunaire sur la Lune, avec la même balance que celle utilisée sur la Terre, aurait-il obtenu la même valeur ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qui était Armstrong ? 2. Comment fonctionne la balance qui a pesé les échantillons lunaires ? 3. Quelle est la masse des échantillons sur la Terre ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Armstrong était un astronaute qui a aluni en 1969 avec la mission Apollo 11 (énoncé). 2. Les échantillons de sol lunaire ont été pesés avec une balance à compensation électrique (doc. 1).

Se perfectionner

• Une masse posée sur le plateau le fait descendre

avec son capteur de position (doc. 2). • Une force opposée au poids de la masse est créée dans la balance et relève le plateau de la balance et son capteur de position (doc. 2). • La mesure de l’intensité permet de déduire la force électrique créée et d’en déduire la masse dont la valeur s’affiche (doc. 2). 3. La masse d’échantillons de sol lunaire mesurée sur Terre est de 21,7 kg (doc. 1). 3e étape : Dégager la problématique Le résultat d’une mesure effectuée par une balance à compensation électrique dépend-elle de l’intensité de la pesanteur ? 4e étape : Construire la réponse • Décrire le fonctionnement de la balance qui a servi à peser les échantillons. • Détailler, en termes de forces, l’équilibre de l’échantillon pesé sur la balance. • Conclure en comparant l’indication affichée par la balance sur le Terre et sur la Lune. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Lors de la mission Apollo 11, des échantillons de sol lunaire ont été rapportés sur Terre. Pesés sur Terre avec une balance à compensation électrique, la masse de ces échantillons est de 21,7 kg. • Mettre en forme la réponse. La balance à compensation électrique utilise un courant électrique qui génère une force compensant le poids de l’échantillon posé sur son plateau. L’échantillon est alors en équilibre sur le plateau de la balance. La masse affichée par la balance est déduite de la valeur de l’intensité du courant nécessaire pour obtenir l’équilibre. Or le poids dépend de l’intensité de la pesanteur du lieu où se fait la mesure. L’intensité de la pesanteur de la Lune est plus faible que celle de la Terre, donc le poids de l’échantillon sur la Lune est plus faible que celui sur la Terre. Il en résulte alors que la force électrique compensant ce poids sur la Lune est plus faible que celle compensant ce poids sur la Terre. L’affichage de la balance indique donc une valeur plus petite sur la Lune que sur la Terre. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Si Armstrong avait pesé les échantillons de sol lunaire sur la Lune, avec la même balance que celle utilisée sur la Terre, il n’aurait donc pas obtenu la même valeur Grille d’évaluation en fin de module.

Module 5

105

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet

b. En 2017, la sonde était à environ 15 millions de kilomètres du Soleil. En 2017, cette distance était d’environ 21 millions de kilomètres (doc. 1). La valeur des forces d’interaction gravitationnelle entre le Soleil et Voyager I a diminué car le Soleil est de plus en plus éloigné de la sonde. m ×m c. F = 6,67 × 10–11 × Soleil 2 sonde  . R Distance Soleil-sonde en 2017 : R = 21 millions de kilomètres, soit 21 × 106 km = 21 × 109 m. 1,99 × 1030 × 825 F = 6,67 × 10–11 × = 248 N. (21 × 109)2

Fusée

Sol

Terre

L’interaction avec le sol est une interaction de contact. L’interaction avec la Terre est une interaction à distance. 2. La masse de la fusée est de 633 tonnes, soit 633 000 kg, et l’intensité de la pesanteur est égale à 9,8 N/kg. Le poids P d’un objet de masse m sur Terre s’exprime par la relation : P = m × gT. Le poids de la fusée Titan lors de son décollage est donc : P = 633 000 × 9,8 = 6 203 400 N, soit 6,2 × 106 N. 3. a. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force :

Poussée

6 cm

Eau

3,1 cm Poids Sol

1 cm

2 × 106 N

Poids P

Lp

P = 6,2 × 106 N

Poussée F

LF

F = 12 × 106 N

Donc la flèche représentative du poids a pour longueur : 6,2 × 106 × 1 Lp = = 3,1 cm. 2 × 106 La flèche représentative de la poussée a pour longueur : 12 × 106 × 1 LF = = 6 cm. 2 × 106 b. La fusée décolle car la valeur de la poussée est plus grande que la valeur du poids. 4. a.

106

Thème 2

Terre

b. La masse du bateau est de 18 460 kg et l’intensité de la pesanteur est égale à 9,8 N/kg. Le poids P sur Terre d’un objet de masse m s’exprime par la relation P = m × gT.

Échelle

FV/S

32  Le triangle des Bermudes 1. a. Bateau

FS/V

On obtient P = 18 460 × 9,8 = 180 908 N. c. Le bateau est en équilibre, cela veut dire que le poids du bateau et la poussée d’Archimède qui s’exerce sur lui se compensent, d’où A = 180 908 N. d. P

PA

2. S’il y a un dégagement de méthane gazeux au moment du passage du bateau, la masse volumique du fluide dans lequel se trouve le bateau diminue, ainsi la poussée d’Archimède diminue aussi car elle est proportionnelle à la masse volumique du fluide. Si dans un fluide de masse volumique 1,02 kg/L, la poussée d’Archimède vaut 180 908 N alors dans un fluide de masse volumique 0,000 656 kg/L, elle vaut : 180 908 × 0,000 656 = 116 N, 1,02 ce qui ne permet plus de compenser le poids du bateau qui reste inchangé : le bateau coule.

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31  Voyage spatial 1.

p. 99 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 33  À chacun son rythme Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Peut-on suspendre sans risque le bloc de béton au crochet ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quel est le risque ? 2. Quelle est la masse du bloc de béton ? 3. Quelle masse le crochet peut-il supporter ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La réponse n’est pas dans les documents mais on peut imaginer que le crochet casse. 2. L’information n’est pas dans les documents. On sait que le volume du bloc de béton est de 1 400 L et que sa masse volumique est de 2,3 kg/L (énoncé). 3. L’information n’est pas dans les documents. On sait que le crochet de levage peut supporter une force maximale de 25 kN (énoncé). 3e étape : Dégager la problématique Le bloc de béton exerce-t-il sur le crochet une force supérieure à 25 kN ?

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4e étape : Construire la réponse • Déterminer les forces qui s’exercent sur le bloc de béton. • Préciser les conditions d’équilibre du bloc. • Déterminer la masse du bloc de béton. • Calculer le poids du bloc de béton. • À partir de la notion d’interaction, indiquer la relation qui existe entre la force exercée par le crochet sur le bloc et celle exercée par le bloc sur le crochet. • Comparer le poids du bloc de béton à la force maximale que le crochet peut supporter. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Que ce soit pour la construction ou la manutention de containers, les grues sont munies de crochets de levages. La force limite qui peut s’exercer sur ces crochets est précisée. Peut-on suspendre un bloc de béton de volume 1 400 L  à un crochet de levage qui porte l’indication « max 25 kN » ? • Mettre en forme la réponse. • Le bloc de béton est en équilibre : les deux forces qui s’exercent sur lui se compensent, donc le poids du bloc de béton et la force qu’exerce le crochet sur le bloc de béton sont opposées mais ont la même valeur. • La masse du bloc de béton se calcule à partir de la masse volumique du béton et du volume du bloc : m = ρ × V. Donc m = 1 400 × 2,3 = 3 220 kg.

p. 100 du manuel

On en déduit ainsi le poids du bloc avec la relation : P = m × gT. On obtient P = 3 220 × 9,8 = 31 556 N. • La force qu’exerce le bloc de béton sur le crochet de levage est opposée à la force exercée par le crochet sur le bloc de béton (car il s’agit d’une interaction). Ainsi on en déduit que la valeur de la force que le bloc de béton exerce sur le crochet de levage est égale à la valeur de son poids : F = 31 556 N  25 000 N. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ce crochet qui porte l’indication « max 25 kN » ne peut donc pas supporter ce bloc de béton de 1 400 L. On peut se demander si le danger est réel ou si le constructeur a mis une tolérance qui permet d’avoir une marge de sécurité permettant de diminuer le risque. Remarque : L’étude est faite en statique, mais en dynamique, dans les phases d’accélération verticale, le même bloc peut exercer une force supérieure sur le crochet. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La masse du bloc de béton s’exprime par la relation : m = ρ × V. Donc m = 1 400 × 2,3 = 3 220 kg. 2. Le poids P d’un objet de masse m sur Terre s’exprime par la relation : P = m × gT. On obtient P = 3 220 × 9,8 = 31 556 N. 3. Le bloc de béton est en équilibre : les deux forces qui s’exercent sur lui se compensent, donc le poids du bloc de béton et la force qu’exerce le crochet sur le bloc de béton se compensent, elles sont opposées. La force qu’exerce le bloc de béton sur le crochet de levage est opposée à la force exercée par le crochet sur le bloc de béton (car il s’agit d’une interaction). Ainsi on en déduit que la force que le bloc de béton suspendu en équilibre exerce sur le crochet de levage est égale à son poids. Donc F = 31 556 N. 4. Ce crochet de levage supporte un maximum de 25 kN, soit 25 000 N. Or F = 31 556 N  25 000 N. Donc le crochet ne peut pas supporter ce bloc de béton.

34  Comprendre le vocabulaire 1. L’apesanteur est un concept théorique car l’interaction gravitationnelle est présente partout, même si son action est faible à cause d’une grande distance ou de faibles masses. 2. Exemples de situations dans lesquelles un corps peut se trouver en impesanteur : Module 5

107

EX ER CI CE S

35  Pour aller plus loin 1. Évolution de la vitesse du parachutiste au cours du temps. Phase ➀ : la vitesse augmente ; Phase ➁ : la vitesse diminue ; Phase ➂ : la vitesse est constante. 2. a. Dans chacune des trois phases : – la flèche orange représente le poids P du parachutiste ; – la flèche jaune représente les forces de frottements f dues à la résistance de l’air. b. La phase ➀ du graphique correspond à la modélisation A car P  f (le parachutiste tombe de plus en plus vite). La phase ➁ du graphique correspond à la modélisation C car P  f . (La force de frottement de l’air est prépondérante. Elle est de sens contraire au déplacement. Elle a pour effet de ralentir le mouvement.) La phase ➂ du graphique correspond à la modélisation B car P = f . (Les deux forces se compensent, la vitesse du parachutiste n’est pas modifiée.) 36  À chacun son rythme Une vidéo en accès libre pour les élèves montre des astronautes poussant avec les pieds des roches lunaires. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Expliquer, par des calculs, pourquoi les astronautes ont pu déplacer facilement les blocs rocheux.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Sur quel astre se trouvent les astronautes ? 2. Quelle était la masse des blocs rocheux déplacés par les astronautes ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Les astronautes sont sur la Lune (énoncé). 2. L’information n’est pas dans les documents. Par contre il est indiqué que les roches lunaires ont une masse volumique de 3 300 kg/m3 (énoncé) et un volume comparable à celui d’un ballon de football. 3e étape : Dégager la problématique Comparer le poids d’un bloc de roche lunaire (de volume égal à celui d’un ballon de football) sur Terre et sur la Lune. 4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume d’un ballon de football. 108

Thème 2

• Calculer la masse d’une roche lunaire de même taille qu’un ballon de football. • Comparer le poids d’un bloc de roche lunaire, de volume égal à celui d’un ballon de football, sur Terre et sur la Lune.

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Sur certains films rapportés des expéditions lunaires entre 1969 et 1972, on peut voir les astronautes se lancer des blocs rocheux de la taille d’un ballon de football. Mais une roche lunaire de la taille d’un ballon de football a une masse sûrement bien plus importante que celle d’un véritable ballon de football. En revanche, leur poids sur la Lune explique sans doute qu’ils ont pu déplacer facilement les blocs rocheux. On demande de comparer le poids d’un bloc de roche lunaire sur Terre et sur la Lune. • Mettre en forme la réponse. • Calculons le volume d’un ballon de football : Le volume d’une sphère de rayon R se calcule par : 4 V = × π × R3. 3 Le rayon du ballon considéré sphérique est : R = 11 cm = 0,11 m. Donc le volume du ballon est égal à : 4 V = × π × 0,113 = 0,005 58 m3. 3 • Calculons maintenant la masse d’une roche lunaire : La masse m se calcule à partir de la masse volumique du volume : m = ρ × V. Donc m = 3 300 × 0,005 58 = 18,4 kg. • Calculons ensuite le poids d’une roche lunaire sur Terre : Le poids PT sur Terre se calcule à partir de la relation P = m × gT. Donc PT = 18,4 × 9,8 = 180,3 N. • Calculons la force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur une roche lunaire : La force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire se calcule avec la relation suivante : m ×m FLune/roche = 6,67 × 10–11 × Lune 2 Roche  . rL 7,35 × 1022 × 18,4 Donc FLune/roche = 6,67 × 10–11 × (1 737 000)2



= 29,9 N.

• Comparons enfin le poids d’un bloc de roche Lunaire (de volume égal à celui d’un ballon de football) sur Terre et sur la Lune. Le poids d’une roche lunaire sur la Lune est égal à la force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire. PTerre PTerre 180,3 ≈ 6. = = 29,9 FLune FLune/roche

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– Astronaute dans la Station spatiale ISS ; – Passager lors de la phase de vol parabolique d’un « avion zéro g ». – Personne dans un ascenceur qui chute.

EX ER CI CE S • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Le poids des roches lunaires sur la Lune est six fois moins élevé que sur la Terre. Les astronautes ont ainsi pu déplacer facilement les blocs rocheux, puisqu’ils leur semblaient six fois moins lourds que sur Terre. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 4 1. Le volume d’une sphère de rayon V = × π × R3 se 3 calcule par la relation et le rayon du ballon considéré sphérique est R = 11 cm = 0,11 m. Donc le volume V du ballon est égal à : 4 V = × π × 0,113 = 0,005 58 m3 3 2. La masse m d’une roche lunaire de même volume que le ballon se calcule à partir de la masse volumique de la roche lunaire et du volume du ballon : m = ρ × V. Donc m = 3 300 × 0,005 58 = 18,4 kg. 3. La relation entre le poids P, la masse m et l’intensité de la pesanteur gT est : P = m × gT. 4. Le poids P T de la roche lunaire sur Terre est PT = m × gT. Donc PT = 18,4 × 9,8 = 180,3 N. 5. La force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire se calcule avec la relation suivante : m ×m FLune/roche = 6,67 × 10–11 × Lune 2 Roche  . rL 7,35 × 1022 × 18,4 Donc FLune/roche = 6,67 × 10–11 × (1 737 000)2

37  Analyser sa production 1. Comme le poids P sur Terre d’un objet de masse m s’exprime par la relation : P = m × gT, avec P en N si m est en kg et g en N/kg, donc : P = 80 × 9,8 = 784 N. 2. La longueur la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle

1 cm

200 N

Poids

Lp

P = 784 N

Traction

LT

T = 200 N

Frottements

Lf

f = 100 N

• La valeur du poids P et de la force que l’eau exerce

sur le skieur Feau/skieur sont égales : P = Feau/skieur = 784 N. Donc les flèches représentatives de P et de FEau/skieur  ont pour longueur : 784 × 1 = 3,9 cm. LP = 200 • La valeur de la force de traction T est de 200 N. Donc la flèche représentative de T a pour longueur : 200 × 1 = 1 cm. LT = 200 • La valeur de la force de frottement exercée par l’eau f est de 100 N. Donc la flèche représentative de f a pour longueur : 100 × 1 = 0,5 cm. Lf = 200

3,9 cm

= 29,9 N.

6. Le rapport du poids de la roche lunaire sur Terre et de la force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire est égal à : 180,3 ≈ 6. 29,9 7. Le poids des roches lunaires sur la Lune est six fois moins élevé que sur la Terre. Les astronautes ont ainsi pu déplacer facilement les blocs rocheux, puisqu’ils leurs semblaient six fois moins lourds que sur Terre. © Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Accompagnement personnalisé

1 cm

0,5 cm

3,9 cm

Module 5

109

C OM P L É M E N T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 24 Réparer une balle de ping-pong Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 2

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Photographie du doc. : La balle de ping-pong est simplement écrasée mais sa paroi n’est pas fendue Doc. 1 : Plongée dans l’eau chaude, la balle reprend sa forme sphérique. Doc. 3 : L’eau chaude permet d’augmenter la température de l’ensemble et notamment de l’air à l’intérieur. Doc. 3 : L’augmentation de la température augmente le nombre de chocs des molécules d’air sur la paroi de la balle. Doc. 3 : L’augmentation du nombre de chocs augmente la force pressante exercée par l’air sur la paroi.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Pourquoi augmenter la température d’une de nature scientifique. balle de ping-pong lui rend-elle sa forme sphérique ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Détailler la constitution d’une balle de ping-pong. • Expliquer l’action de l’eau chaude macroscopiquement puis microscopiquement. • Décrire les forces s’exerçant sur la balle. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont correctement interprétées. • Compréhension du lien entre l’augmentation de la température et l’augmentation de la force pressante.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

110

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM »

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Domaines du socle

C OM P L É M E N T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 Mission Apollo Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Lors de la mission Apollo 11, l’astronaute Neil Armstrong et ses compagnons ont récolté 21,7 kg d’échantillons de sol lunaire. Doc. 1 : Les échantillons de sol lunaire ont été pesés avec des balances à compensation électrique. Doc. 2 : Une masse posée sur le plateau le fait descendre avec son capteur de position. Doc. 2 : Une force opposée au poids de la masse est créée par un courant électrique dans la balance et relève le plateau de la balance et son capteur de position. Doc. 2 : La mesure de l’intensité du courant permet de déduire la masse dont la valeur s’affiche.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Le résultat d’une mesure effectuée par de nature scientifique. une balance dépend-elle de l’intensité de la pesanteur ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Décrire le fonctionnement de la balance qui a servi à peser les échantillons. • Détailler, en termes de forces, l’équilibre de l’échantillon pesé sur la balance. • Comparer l’indication affichée par la balance sur le Terre et sur la Lune. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations du document sont converties en informations scientifiques. • Compréhension du principe de fonctionnement de la balance. • Compréhension de l’égalité de la force électrique et du poids.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 5

111

C OM P L É M E N T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 33 À chacun son rythme - Suspension d’un bloc de béton Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Énoncé : Le volume du bloc de béton est de 1 400 L. Énoncé : La masse volumique du béton est de 2,3 kg/ L. Énoncé : Le crochet de levage peut supporter jusqu’à 25 kN.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer les forces qui s’exercent sur le bloc. • Préciser les conditions d’équilibre du bloc. • Déterminer la masse du bloc de béton. • Calculer le poids du bloc de béton. • Faire le lien entre le poids du bloc et la force exercée par le bloc sur le crochet. • Comparer le poids du bloc de béton et la force maximale que le crochet peut supporter. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation m = ρ × V. • Utilisation de la relation P = m × gT : comparaison du poids et de la force exercée sur le crochet.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

112

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Le problème est formulé en termes scientiIdentifier des questions fiques. Par exemple : de nature scientifique. Le bloc de béton exerce-t-il sur le crochet une force supérieure à 25 kN ?

C OM P L É M E N T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 35 Pour aller plus loin - Astronautes footballeurs Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Énoncé : Les astronautes sont sur la Lune. Énoncé : les roches lunaires ont une masse volumique de 3 300 km/m3.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions • Comparer le poids d’un bloc de roche de nature scientifique. Lunaire (de volume égal à celui d’un ballon de football) sur Terre et sur la Lune.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. • Calculer le volume d’un ballon de football. • Calculer la masse d’une roche lunaire de même volume qu’un ballon de football. • Calculer le poids sur Terre de cette roche lunaire. • Calculer la force d’attraction gravitationnelle exercée par le Lune sur cette roche. • Comparer ces valeurs. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations du document sont converties en informations scientifiques. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation : 4 V = × π × R3. 3 • Utilisation de la relation m = ρ × V. • Utilisation de la relation P = m × gT. • Utilisation de la relation : mA × mB FA/B = 6,67 × 10–11 × d2

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 5

113

MO DU LE

6

L’énergie

Programme du cycle 4 L’énergie et ses conversions Attendus de fin de cycle • Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie. • Utiliser la conservation de l’énergie.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie Utiliser la conservation de l’énergie Les supports d’enseignement gagnent à relever de systèmes Identifier les différentes formes d’énergie. 2 1 • Cinétique (relation Ec = mv ), potentielle (dépendant de la ou de situations de la vie courante. 2 position), thermique, électrique, chimique, nucléaire, lumineuse. Les activités proposées permettent de souligner que toutes les formes d’énergie ne sont pas équivalentes ni également utilisables. Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie. Ce thème permet d’aborder un vocabulaire scientifique visant Établir un bilan énergétique pour un système simple. à clarifier les termes souvent rencontrés dans la vie courante : • Sources. chaleur, production, pertes, consommation, gaspillage, économie • Transferts. d’énergie, énergies renouvelables. • Conversion d’un type d’énergie en un autre. • Conservation de l’énergie. • Unités d’énergie. Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée. • Notion de puissance.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Identifier différentes sources et connaître quelques conversions d’énergie

Identifier des sources et des formes d’énergie. L’énergie associée à un objet en mouvement apparait comme • L’énergie existe sous différentes formes (énergie associée une forme d’énergie facile à percevoir par l’élève, et comme à un objet en mouvement, énergie thermique, électrique…). pouvant se convertir en énergie thermique. Le professeur peut privilégier la mise en œuvre de dispositifs Prendre conscience que l’être humain a besoin d’énergie pour expérimentaux analysés sous leurs aspects énergétiques : vivre, se chauffer, se déplacer, s’éclairer… éolienne, circuit électrique simple, dispositif de freinage, moulin Reconnaitre les situations où l’énergie est stockée, transformée, à eau, objet technique… utilisée. • La fabrication et le fonctionnement d’un objet technique néces- On prend appui sur des exemples simples (vélo qui freine, objets sitent de l’énergie. du quotidien, l’être humain lui-même) en introduisant les formes d’énergie mobilisées et les différentes consommations (par • Exemples de sources d’énergie utilisées par   les êtres exemple : énergie thermique, énergie associée au mouvement humains : charbon, pétrole, bois, uranium, aliments, vent, Soleil, d’un objet, énergie électrique, énergie associée à une réaction chimique, énergie lumineuse…). eau et barrage, pile… • Notion d’énergie renouvelable. Identifier quelques éléments d’une chaine d’énergie domes- Exemples de consommation domestique (chauffage, lumière, tique simple. ordinateur, transports). • Quelques dispositifs visant à économiser la consommation d’énergie.

114

Thème 3

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Connaissances et compétences associées

Progression curriculaire retenue dans les manuels Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie Utiliser la conservation de l’énergie

Identifier les différentes formes d’énergie. Cinétique, potentielle (dépendant de la position), thermique, électrique, chimique, nucléaire, lumineuse.

Identifier les différentes formes d’énergie. Identifier les différentes formes d’énergie. Cinétique, potentielle (dépendant de la Cinétique (relation Ec = 1 mv2), potentielle 2 position), thermique, électrique, chimique, (dépendant de la position), thermique, nucléaire, lumineuse. électrique, chimique, nucléaire, lumineuse.

Identifier les sources, les transferts et les Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie. conversions d’énergie. Établir un bilan énergétique pour un système simple.

Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie. Établir un bilan énergétique pour un système simple.

Sources. Sources. Transferts. Transferts. Conversion d’un type d’énergie en un Conversion d’un type d’énergie en un autre. autre. Conservation de l’énergie. Unités d’énergie.

Sources. Transferts. Conversion d’un type d’énergie en un autre. Conservation de l’énergie. Unités d’énergie. Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.

Notion de puissance.

Notion de puissance.

Notion de puissance.

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendus de fin de cycle : • Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie. • Utiliser la conservation de l’énergie.

MI : maîtrise insuffisante MF : maîtrise fragile MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI

MF

MS

Identifier les différentes formes d’énergie. Identifier les sources d’énergie. Identifier les transferts et les conversions d’énergie. Connaître la notion de puissance. Identifier les différentes formes d’énergie.

Activités TBM 1, 2, 3 2, 4 1, 2, 3 4 1, 2, 3, 4

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

1, 2, 3, 4, 5

Établir un bilan énergétique pour un système simple.

4, 5

Connaître et savoir utiliser la relation Ec = 1 mv2. 2

1, 2

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

1, 2

Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.

5

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Compléments pédagogiques Nous avons choisi dans les activités 3 et 4 du manuel de 3e d’illustrer les pertes et les économies d’énergie au travers du développement durable et du coût énergétique d’Internet bien que cela n’apparaisse pas explicitement dans les attendus de fin de cycle.

Vu en 4e QCM Flash

p. 102 du manuel

1  a., b. et c.    2   a.    3   b. et c.    4   b.    5   b.    6   a. Module 6

115

AC TIV ITÉ

1 Un choc à 50 km/h est-il équivalent à une chute du 4e étage ?

p. 105 du manuel

Matériel Un logiciel de pointage vidéo. Vidéos et animations en lien avec l’activité Trois vidéos présentent des chutes de billes de masses différentes pour effectuer le pointage. Compléments Le logiciel AviStep calcule automatiquement les vitesses aux dates des pointages sans nécessité d’entrer une formule mathématique. Une version est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html Nous avons utilisé la version 2.1.1 pour effectuer le pointage suivant. 1 On met en œuvre le protocole du doc. 2.

116

Thème 3

a. Pointage vidéo de la chute d’une balle de tennis de 57 g La fiche 10 du livret présente le principe du pointage vidéo. • Ouvrir le fichier à télécharger sur le manuel numérique à la page 105. L’échelle à utiliser est la règle noire de 1,50 m de longueur. • Effectuer le pointage avant de placer l’origine du repère. • Placer l’origine du repère sur la dernière position pointée de la balle. • Dans la barre de menu, choisir Résultats puis Tableau de valeurs. • Affichage du tableau de valeurs. • Dans la barre de menu, choisir Affichage puis sélectionner Vitesse. • Ensuite, choisir Edition et sélectionner Copier dans le presse-papier. • Ouvrir un logiciel-tableur. Nous utiliserons Open Office. • Coller le contenu du presse-papier dans le tableur (ne pas modifier les options d’Import de texte).

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1 m × v2 avec m = 0,057 kg 2 • Dans la cellule H7, écrire la formule suivante : = 0,5 * 0,057*F7*F7. En réalité, on n’écrit pas F7 mais on clique dans la cellule F7. La valeur de l’énergie cinétique est calculée dans la cellule H7. • Pour calculer les autres valeurs, sélectionner la cellule H7. Cliquer sur le carré situé en bas à droite de la cellule et copier-glisser vers le bas. • Dans la cellule H4, écrire Ec et dans la cellule H5, écrire l’unité J.



c. Calcul de l’énergie potentielle de position Ep = m × g × h



Remarque : dans le tableau, h correspond à y1. • Dans la cellule I7, écrire la formule suivante : = 0,057*9,8*D7. En réalité, on n’écrit pas D7 mais on clique dans la cellule D7. La valeur de l’énergie potentielle de position est calculée dans la cellule I7. • Pour calculer les autres valeurs, sélectionner de nouveau la cellule I7. Cliquer sur le carré situé en bas à droite de la cellule et copier-glisser vers le bas. • Dans la cellule I4, écrire Ep et dans la cellule I5, écrire l’unité J. Les valeurs obtenues peuvent être légèrement différentes en fonction de la précision du pointage.



d. Affichage des courbes donnant l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de position en fonction du temps



La fiche 7 du livret présente la réalisation d’un graphique à partir du tableur LibreOffice Calc. • À l’aide de la souris et de la touche Ctrl du clavier, sélectionner les colonnes Date, Ec et Ep. • Dans la barre de menu, cliquer sur l’icône Diagramme puis XY (Dispersion). • Relier les points en cliquant sur l’icône Points et lignes. On obtient la représentation graphique suivante.



Le même travail est effectué pour les deux autres boules.



Nous proposons en téléchargement également les fichiers vidéos : – de la chute d’une boule de pétanque ; – de la chute d’une balle en plastique.



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b. Calcul de l’énergie cinétique Ec =

Module 6

117

e. Réponse à la question Les représentations graphiques montrent que l’énergie potentielle de position et l’énergie cinétique de chaque boule évoluent en sens opposés au cours des chutes : l’énergie potentielle de position diminue tandis que l’énergie cinétique augmente.



2 Lorsqu’un objet est en chute libre, toute son énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique.

On peut donc écrire que l’énergie cinétique finale de chaque boule est égale à son énergie potentielle de position initiale : 1 1 m × v2 = m × g × h, soit v2 = g × h . 2 2



3 On suppose que d’un point de vue énergétique, un choc est semblable à une chute et que la vitesse de l’impact

1 lors du choc correspond à la vitesse finale lors d’une chute. Il faut donc vérifier que v2 est égal à g × h avec 2 v = 50 km/h et h = 10 m. Il faut exprimer la vitesse v en m/s : 5 000 50 km/h = = 13,9 m/s. 3 600 1 1 • v2 = × 13,92 = 97 m2/s2. 2 2 • g × h = 9,8 × 10 = 98 N/kg × m.

Les deux valeurs numériques obtenues sont très proches, donc un choc à 50 km/h est équivalent à une chute de 10 mètres, soit à une chute du 4e étage d’un immeuble.

Remarque D’autres méthodes de résolution sont également possibles : • le calcul de la vitesse v par la relation v =  2 × g × h pour vérifier que sa valeur est proche de 13,9 m/s 1 2 • le calcul de la hauteur h par la relation h = v pour vérifier que sa valeur est proche de 10 m. 2g • le calcul des deux énergies en proposant, a priori, une masse pour la voiture. Par exemple, si l’on considère une voiture de 1 000 kg, le calcul des énergies donne : 1 1 Ec = m × v2, soit Ec = × 1 000 × 13,92 = 96 605 J. 2 2 Ep = m × g × h , soit Ep = 1 000 × 9,8 × 10 = 98 000 J. Les deux valeurs obtenues sont suffisamment proches (moins de 2 % de différence) pour pouvoir conclure qu’un choc à 50 km/h est équivalent à une chute de 10 mètres, soit à une chute du 4e étage d’un immeuble.

Un pas vers le bilan

118

Thème 3

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Au cours de la chute d’un objet, de l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique.

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi le filet est-il tendu si haut lors du saut de Luke Aikins ?

p. 106 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre présente le saut de Luke Aikins. 1 a. L’énergie potentielle de position initiale Ep de Luke Aikins  vaut :

Ep = m × g × h = 80 × 9,8 × 7600 = 5,96 × 106 J. b. Pour calculer l’énergie cinétique, il faut exprimer la vitesse en m/s. 200 000 200 km/h = = 55,6 m/s. 3 600 L’énergie cinétique Ec de Luke Aikins lorsqu’il touche le filet  vaut : 1 1 Ec =  × m × v2 = × 80 × (55,6)2 = 1,24 × 105 J. 2 2

2 Luke Aikins n’est pas en chute libre car toute son énergie potentielle de position initiale n’est pas convertie en

énergie cinétique.

3 a. Le diagramme objet-interaction de Luke Aikins au cours de sa chute permet de modéliser les interactions

dans lesquelles il est engagé. Luke Aikins

Terre

Air

b. L’action exercée par l’air sur Luke Aikins limite sa vitesse.

4 Au niveau du filet, il se produit une conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle élastique.

5 Compte-tenu de la vitesse à laquelle Luke Aikins arrive dans le filet son énergie importante se traduit par une

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déformation importante du filet. C’est pourquoi il est placé si haut pour lui éviter de toucher le sol lors de sa réception.

Un pas vers le bilan L’énergie de position et l’énergie élastique peuvent être qualifiées d’énergies potentielles car elles constituent des ressources énergétiques dont on peut disposer ultérieurement. En effet, l’énergie potentielle de position est une réserve d’énergie qui peut être convertie en énergie cinétique. De même l’énergie potentielle élastique peut être restituée sous une autre forme.

Module 6

119

AC TIV ITÉ

3 Quelles décisions durables prendre pour préserver l’avenir ?

p. 107 du manuel

Matériel En salle informatique : ordinateurs ou tablettes. Vidéos et animations en lien avec l’activité Lien vers : http://www.2020energy.eu/game Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Le jeu sérieux est une stratégie d’apprentissage ludique qui permet de modéliser des activités qui peuvent faire appel à des situations complexes. Un jeu sérieux bien conçu est un moyen d’apprendre rapidement et efficacement. 1 Les solutions durables doivent concilier :

– l’aspect écologique (prise en compte de l’environnement) ; – l’aspect social (prise en compte de la dimension humaine) ; – l’aspect économique (prise en compte des contraintes financières). Des solutions durables pour les situations proposées : Choix individuels • Aider Benjamin à organiser ses vacances : voyager à travers l’Europe en bus et une fois sur place, se balader à pied ou à vélo. • Aider Lisa à trouver une tenue pour son concert : apporter ses anciens vêtements chez une amie qui se lance dans une activité de styliste. • Aider Sarah à choisir une source d’énergie appropriée  : choisir avec soin un fournisseur d’énergie renouvelable.

Choix planétaires • Aider Éva à réduire les dépenses énergétiques liées à l’alimentation : soutenir les producteurs locaux et diversifier les modes de distribution de leurs produits. • Aider Julia à promouvoir l’efficacité énergétique : taxer les produits entrants en Europe qui ne répondent pas à des normes internationales élevées au niveau social, environnemental et en termes d’efficacité énergétique. • Aider Carl à définir les énergies du futur : développer des énergies renouvelables en fonction du contexte local.

Un pas vers le bilan Décisions à envisager au niveau énergétique dans le cadre du développement durable : • Réduire le besoin énergétique en améliorant l’efficacité énergétique des bâtiments et des dispositifs qui en consomment. • Privilégier les solutions les moins énergivores. • Développer des énergies renouvelables diversifiées en fonction du contexte local. 120

Thème 3

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Choix territoriaux • Aider Sam à réduire les embouteillages : réorganiser la ville et mettre dans tous les quartiers des commerces, des services publics et des habitats. • Aider Olivier à reconstruire le village : rénover les bâtiments en intégrant de nouvelles normes écologiques qui profiteront au village et à ses environs. • Aider Sofia à choisir une source d’énergie durable : améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments et combiner plusieurs énergies propres (éoliennes, solaire…)

AC TIV ITÉ

4 L’envoi de courrier électronique peut-il être écologique ?

p. 108 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’envoi d’un mail, comme l’utilisation d’Internet, est un geste quotidien que l’on peut penser non consommateur d’énergie. Nous avons choisi l’exemple du mail pour montrer que tout au long de la chaîne de transmission de nombreux dispositifs cosomment de l’énergie.

1 Dans chaque étape de la communication par courriel, les postes de dépenses énergétiques sont l’alimentation

électrique des ordinateurs de l’expéditeur et du destinataire, l’alimentation électrique des dispositifs de transmission/réception, l’alimentation électrique des serveurs du fournisseur d’accès à Internet (FAI) de l’émetteur et du récepteur.

2 Plus il y a de destinataires et plus il y a d’ordinateurs et de serveurs concernés par le message. Ces équipements

représentent un coût énergétique pour leur fabrication et leur alimentation. Les pièces jointes les plus volumineuses en octets ont des durées de transmission plus longues, les dispositifs de transmission consomment donc davantage d’énergie. Ces documents occupent aussi davantage de place sur les serveurs. Leur stockage nécessite de multiplier le nombre de serveurs qu’il faut produire et alimenter.

3 L’envoi de courriels nécessite de l’énergie. La production d’énergie pour la fabrication et l’alimentation des

équipements informatiques n’est pas toujours écologique.

Un pas vers le bilan Le bilan énergétique d’un dispositif doit prendre en compte l’énergie de toutes les étapes : depuis la fabrication jusqu’au recyclage en passant par l’usage et l’entretien.

Prolongement

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Certains fournisseurs de messageries suggèrent aux usagers de supprimer régulièrement leurs courriels des serveurs. En limitant le volume de stockage nécessaire à chaque usager, cette action permet d’envisager la réduction du nombre de serveurs de stockage donc leur besoin en énergie. Cela contribue à réduire l’impact énergétique de la communication par courriel.

Module 6

121

AC TIV ITÉ

5 Comment vérifier la puissance d’un sèche-cheveux ?

p. 109 du manuel

Matériel • Un sèche-cheveux. • Un compteur d’énergie. • Un logiciel tableur. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo présente le matériel aux élèves. La vidéo complète de l’activité expérimentale est disponible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Dans cette activité, la proportionnalité entre l’énergie consommée par le sèche-cheveux et sa durée d’utilisation est mise en évidence par le calcul du rapport des valeurs collectée dans un tableau. D’autres stratégies d’étude peuvent être utilisées, comme la représentation graphique à la main ou à l’aide d’un tableur, selon la progression choisie de façon coordonnée en mathématiques et en physique-chimie pour la mise en évidence de cette propriété. Bien que la valeur ne soit pas répertoriée dans le tableau, il est important de faire remarquer que si t = 0 min, E = 0 kWh.

1 et 2

3

6

9

12

t (en h)

0,05

0,10

0,15

0,20

E (en kWh)

0,066

0,133

0,200

0,266

E t (en kWh)

1,32

1,33

1,33

1,33

t (en min)

3 La puissance du sèche-cheveux utilisé est de 1300 W, soit 1,3 kW.

4 On constate que la puissance du sèche-cheveux et le rapport de l’énergie consommée par la durée d’utilisation

sont sensiblement égaux.

E de ces deux valeurs. Pour une meilleure précision de l’estimation, on peut t réaliser une série de mesures pour différentes durées d’utilisation et faire une moyenne des rapports obtenus. donnée et en faisant le rapport

Un pas vers le bilan On calcule l’énergie E consommée (ou produite) par un appareil électrique en multipliant sa puissance 3 par sa durée de fonctionnement t : E = 3 × t. Si la puissance 3 est exprimée en kilowatt (kW) et la durée t est exprimée en heure (h), alors l’énergie E est exprimée en kilowattheure (kWh).

122

Thème 3

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5 On peut vérifier la puissance d’un sèche-cheveux en mesurant l’énergie consommée E pendant une durée t

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les formes d’énergie QCM 1  a. et b.

2  c.

3  b.

4  a.

5  b. 6  Calculer une énergie cinétique 1. 1 mm/s = 0,001 m/s. 1 2. Ec = m × v 2 avec Ec en J si m est en kg et v en m/s. 2 11 0,025 ×0,00122 = 1,25 × 10–8 J. Donc Ec = ××0,025 ×0,001 22   7  Calculer une énergie cinétique 1 1 Ec = m × v 2 , donc Ec = × 80 ×152 = 9 000 J. 2 2 8  Calculer une énergie cinétique 1 1 Ec = m × v 2 , donc Ec = × 60 ×102  = 3 000 J. 2 2 9  Convertir une énergie Une vidéo disponible pour les élèves montre la déformation d’une balle de tennis lors d’un rebond. 1. Avant le contact avec le sol, la balle possède de l’énergie cinétique. 1 1 2. Ec = m × v 2, donc Ec = × 57 ×10−3 × 82 = 1,8 J. 2 2

La puissance QCM 10  a. et b. 11  a.

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12  b. et c. 13  Calculer une énergie à partir d’une puissance 1. E = 3 × t, donc E = 1 200 × 0,3 = 360 Wh = 0,36 kWh. 2. 360 Wh = 0,36 kWh. Le coût C est donné par la relation : C = 0,36 × 0,15 = 0,054 €, soit 5,4 centimes d’euros. 14  Calculer une durée de fonctionnement E E = 3 × t, donc t = 3 avec t en h si E est en kWh et 3 en kW. 10000 = 1 250 heures. Donc t =  8

Le vendeur prévoit au minimum 1 250 heures de vent par an.

p. 113 du manuel

15  Calculer une économie d’énergie 1. Le lecteur DVD fonctionne 4 heures par semaine donc en une année, il aura fonctionné : 4 × 52 = 208 heures. E = 3 × t, donc E = 10 x 208 = 2 080 wattheures. 2. a. Le lecteur DVD est en veille 24 × 7 – 4 = 164 heures par semaine donc en une année, il aura été en veille : 164 × 52 = 8 528 heures. E = 3 × t, donc E = 0,5 × 8 528 = 4 264 Wh. b. 4 264 Wh = 4,264 kWh. Le coût C est donné par la relation : C = 4,264 × 0,15 = 0,064 €, soit 6,4 centimes d’euros. Remarque : Ce montant peut paraître faible, il est cependant important de remarquer que dans ces conditions d’utilisation le lecteur consomme plus d’énergie lorsqu’il est en veille que lorsqu’il fonctionne.

16  Calculer une consommation d’énergie 1. E = 3 × t, donc E = 3,8 × 1,5 = 5,7 Wh. La batterie stocke 5,7 wattheures au cours de la charge. 2. Les moteurs utilisent 5,7 Wh pour fonctionner 1 heure. 6 Leur puissance 3 est donnée par la relation : 5,7 E 3= = = 5,7 × 6 = 34,2 W. 1 t 6 17  Calculer une puissance La puissance 3 de la bouilloire est donnée par la relation : 0,2 E 3= = = 2 kW. 0,1 t

Le développement durable QCM 18  c. 19  a. et b. 20  Tirer des informations d’un diagramme 1. Quand on concilie les aspects environnemental et économique, on favorise un développement viable. 2. Le développement durable essaie de concilier les aspects environnemental, économique et social. Module 6

123

EX ER CI CE S

Se perfectionner

22  Les météorites 1. La vitesse de la météorite diminue fortement à une vingtaine de kilomètres d’altitude donc son énergie cinétique diminue également. 2. L’énergie potentielle de position diminue lorsque la météorite se rapproche du sol car l’altitude diminue. 3. La météorite s’échauffe au cours de la descente, donc l’énergie perdue est dissipée sous forme d’énergie thermique. 23  Cyclisme sur piste d La vitesse v est donnée par la relation v = , soit : t 200 = 18,4 m/s. v= 10,865 1 1 2 m × v 2 , donc Ec = × 58 ×18,4 = 9 818 J. 2 2 La vitesse du rugbyman se déduit de la relation : Ec =

Ec =

2EC 1 . m × v 2 , soit v = 2 m

On obtient v =

2× 9818 = 14 m/s. 100

24  Chasse de « haut vol » 1. Lorsque le faucon plonge vers la proie, son altitude diminue et donc son énergie potentielle de position diminue également. 2. Lors du piqué, l’énergie potentielle de position du faucon est convertie en énergie cinétique. 3. Du fait de l’altitude, le faucon pèlerin possède de l’énergie potentielle de position qui sera convertie en énergie cinétique lors qu’il plongera sur sa proie. Cela lui permettra d’augmenter sa vitesse pour atteindre rapidement sa proie et la surprendre. 124

Thème 3

25  Chute de météorite 1. L’énergie cinétique de la météorite est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 Masse de la météorite : 10 000 tonnes, soit 1 × 107 kg. Vitesse de la météorite : 54 000 km/h, soit : 54 000 = 1,5 × 104 m/s. 3,6 2 1 On obtient donc Ec = × 1 × 107 × 1,5 ×104 , 2 soit Ec = 1,13 × 1015 J. 2. L’énergie potentielle de position de la météorite est donnée par la relation : Ep = m × g × h = 1 × 107 × 9,8 × 30 000 = 2,94 × 1012 J. 3. Pour calculer le nombre de tonnes de TNT, il faut 2,94 ×1012 effectuer le rapport  = 700 tonnes de TNT. 4,2×109

(

)

26  Le kilomètre vertical 1. Il faut tout d’abord écrire la durée en seconde : 36 minutes et 48 secondes = 36 × 60 + 48 = 2 208 s. La vitesse v de la coureuse est donnée par la relation : 1960 d = 0,89 m/s. v = , soit v = 2208 t 2. L’énergie cinétique de la coureuse est donnée par la 1 relation : Ec = m × v 2. 2 1 On obtient Ec = × 46 × 0,892 = 18 J. 2 3. Au cours de cette ascension, les muscles convertissent de l’énergie chimique en énergie potentielle de position et en énergie cinétique. 27  Energy transition Traduction : Le Royaume-Uni est le troisième producteur européen d’énergie éolienne, après l’Allemagne et l’Espagne. C’est le premier pays au monde pour les éoliennes offshore. En 2015, la capacité totale des éoliennes installées au Royaume-Uni était de 13 855 MW, dont 5 105 MW au large. En décembre 2016, la production éolienne a atteint un sommet de 10 104 MW, soit 23% de la demande. Les promoteurs de l’énergie éolienne soulignent que cela pourrait être très utile pour relever les défis posés par le modèle énergétique actuel et ainsi répondre au changement climatique et à la disparition des combustibles fossiles. 1. L’éolien occupe une place importante au Royaume-Uni car c’est le troisième producteur d’énergie éolienne en Europe.

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21  L’énergie cinétique d’un bobsleigh 1 1. Ec1 = m × v 2 avec Ec en J si m est en kg et v en m/s. 2 1 Donc Ec = × 300 ×102 = 15 000 J. 2 1 2. Ec2 = m × v 2 , 2 1 donc Ec = × 390 ×102 = 19 500 J. 2 19 500 3. Rapport des énergies : = 1,3. 15 000 Le fait d’augmenter la masse du bobsleigh augmente son énergie cinétique. 4. Monter à deux dans un bobsleigh permet d’augmenter l’énergie du bobsleigh et donc de réaliser une course plus rapide.

p. 115 du manuel

EX ER CI CE S 2. La production s’élevait à 13 855 MW. Le nombre de réacteurs nucléaires est donné par : 13 855 ×106 = 13,855. 109 Cette production correspond donc à environ 14 réacteurs nucléaires. 3. L’éolien n’a pas d’impact sur le réchauffement climatique et permet de compenser la disparition des combustibles fossiles.

28  Lance-pierre 1. Le stockage d’énergie est possible grâce à l’élastique qui en se tendant stocke de l’énergie élastique. 2. Cette énergie est transférée au projectile sous forme d’énergie cinétique.

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29  Internet : un gouffre énergétique 1. Les data centers doivent être refroidis car ils dissipent de l’énergie thermique lors de leur fonctionnement. 2. Pour déterminer le nombre de centrales, il faut effectuer le rapport : Énergie consommée par les data centers 80 =  8 Énergie produite par une centrale = 10, il faudrait 10 centrales nucléaires. 3. Pour déterminer le nombre de familles, il faut effectuer le rapport : Énergie consommée par les data centers . Énergie consommée par une famille 80 millions de mégawattheures = 80  ×  106  ×  103 = 8 × 1010 kilowattheures Énergie consommée par les data centers 8 ×1010 = 104 Énergie consommée par une famille = 8 × 106, soit huit millions de familles. 30  Fusion de la glace 1. On introduit des glaçons à 0°C dans de l’eau à 25°C. Les glaçons fondent et la température finale est à 17°C. Si l’on ouvre le calorimètre, la température de l’eau remonte à 20°C. 2. Étapes 2 et 3 : L’eau à 25°C transfère de l’énergie aux glaçons qui fondent. Étapes 3 et 4 : Lorsqu’on ouvre le calorimètre, l’air ambiant à 20°C transfère de l’énergie à l’eau initialement à 17°C. Cette énergie est la cause du réchauffement de l’eau jusqu’à 20°C. 3. Si on met seulement de la glace dans le calorimètre, il ne lui sera pas possible d’échanger de l’énergie et de ce fait l’eau restera à l’état solide. Remarque : un calorimètre n’étant jamais totalement isolé, la glace finira par fondre, mais elle mettra beaucoup plus de temps qu’en présence d’eau. 31  Thor, le dieu du Tonnerre 1. L’énergie potentielle de position du marteau est donnée par la relation Ep = m × g × h .

Se perfectionner

Ep = m × g × h Ep = 4,5 × 1015 × 0,45 × 9,8 × 1,97 = 3,9 × 1026 J. 2. Au cours de la chute du marteau, son énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique. 3. Lorsqu’il touche le sol, son énergie cinétique est égale à 3,9 × 1016 J. 4. a. L’énergie cinétique de la météorite est donnée par 1 la relation : Ec = m × v 2 . 2 Masse de la météorite : 150 000 tonnes, soit 1,5 × 108 kg. Vitesse de la météorite : 12,8 km/s = 12 800 m/s. 1 On obtient Ec = × 1,5 × 108 × 12 8002 = 1,2 × 1016 J. 2 b. L’énergie cinétique du marteau de Thor et l’énergie cinétique de la météorite sont très proches. c. Si le marteau de Thor avait la même énergie que la météorite, lorsqu’il tombe au sol, les dégâts devraient être très importants.

32  Un moulin énergétique Une vidéo en accès libre pour les élèves illustre le fonctionnement d’un moulin à eau qui produit de l’énergie électrique. 1. Le moulin utilise de l’énergie hydraulique pour produire de l’énergie électrique. 2. L’aspect environnemental est valorisé dans l’utilisation du moulin. 3. Pour déterminer le nombre de familles, il faut effecÉnergie produite par le moulin tuer le rapport : . Énergie consommée par une famille L’énergie produite par le moulin est donnée par la relation : E = 3 × t. On considère que le moulin produit sans discontinuer toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t = 41 × 8 760 = 359 160 kWh. 359160 Énergie produite par le moulin = = 35,9. Énergie consommée par une famille 10 000 Il est possible d’alimenter environ 36 familles. Remarque : ce calcul est fait sur une moyenne, il ne tient pas compte des pics de consommation. En cas de forte demande énergétique le nombre de familles alimentées serait plus faible.

33  Formule 1 1. L’énergie cinétique de la formule 1 est donnée par 1 la relation : Ec = m × v 2.avec Ec en J si m est en kg et 2 v en m/s. 2. Il faut convertir la vitesse en m/s : 360 km/h = Ec =

360 000 = 100 m/s. 3 600

1 × 760 ×1002 = 3,8 × 106 J. 2 Module 6

125

EX ER CI CE S

2× 3,8 ×106 = 74 m/s, soit 266 km/h. 1400 Cette vitesse est bien sûr excessive. Aucun monospace ne peut rouler à cette vitesse. On obtient v =

34  Orage de grêle Erratum : on considère un grêlon de 5 cm de diamètre et d’une masse de 60 g possédant une vitesse de 31 m/s lorsqu’il touche le sol. 1. L’énergie cinétique d’un grêlon est donnée par la 1 relation : Ec = m × v 2.avec Ec en J si m est en kg et v 2 en m/s.

126

Thème 3

Masse du grêlon en kilogramme : 60 g = 0,06 kg. 1 Ec = × 0,06  × 312 = 28,8 J. 2 2. a. L’énergie potentielle de position d’une boule de pétanque est donnée par la relation : Ep = m × g × h . Ep = 0,75 × 9,8 × 2,5 = 18 J. b. Au cours de la chute de la boule, son énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique. c. Lorsqu’elle touche le sol, son énergie cinétique est égale à 18 J. 3. Les résultats des questions 1. et 2. c. montrent que l’énergie cinétique d’un grêlon arrivant au sol est supérieure à l’énergie cinétique d’une boule de pétanque qui tombe d’une hauteur de 2,5 mètres, lorsqu’elle touche le sol. Les dégâts d’un orage de grêle peuvent donc être très importants.

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3. La vitesse du monospace se déduit de la relation 2Ec 1 Ec = m × v 2 , soit v = . m 2

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 35  En route vers l’ISS 1. L’énergie potentielle de position de la fusée est donnée par la relation Ep = m × g × h . a. Au niveau du sol, h = 0 m, donc Ep = 0 J. b. Après 30 secondes de vol, h = 2 000 m, donc : Ep = 627 000 × 9,8 × 2 000 = 1,23 × 1010 J. 2. L’énergie cinétique de la fusée est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 a. Au niveau du sol avant le décollage v = 0, donc Ec = 0 J. b. Après 30 secondes de vol, v = 190 m/s, donc : 1 Ec = × 627000 ×1902 =1,13 × 1010 J. 2 3. Pendant le vol, une partie de l’énergie se dissipe en énergie thermique. 4. La forme d’énergie contenue dans le carburant de la fusée est de l’énergie chimique. 5. Le carburant étant en partie issue du pétrole, la source d’énergie ne sera pas totalement renou­velable. Énergie utile 6. Énergie cinétique

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie potentielle

de position Moteur de la fusée Énergie dissipée

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Énergie thermique

p. 119 du manuel

36  L’énergie des vagues 1. a. L’énergie produite par le Pelamis est donnée par la relation : E = 3 × t. On considère que le Pelamis produit sans discontinuer toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t = 750 × 8 760 = 6,57 × 106 kWh. b. Il faut déterminer le nombre de familles pouvant être alimentées par le Pelamis. 6,57×106 Énergie produite par le Pelamis . = Énergie consommée par une famille 10 000 Il est possible d’alimenter 657 familles. Ce résultat est en accord avec la phrase en gras du doc. 1. Nous avons considéré une production maximale possible et trouvé 657 familles. La production dépend de la hauteur des vagues et est en réalité moins importante. Donc 500 familles est cohérent. 2. Énergie électrique Énergie cinétique des vagues

Pelamis Énergie thermique

3. Lors de son fonctionnement, le Pelamis utilise le mouvement des vagues qui est une source renouvelable. L’aspect environnemental est donc privilégié. Le Pelamis contribue donc au développement durable.

Module 6

127

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé • Corrigé de l’énoncé compact

Tâche complexe

Question posée : À quelle vitesse le plongeur pénètre-t-il dans l’eau ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment calculer la vitesse ? 2. Quelles formes d’énergie possède un sportif durant son plongeon ? 3. Quelle conversion d’énergie a lieu lors d’une chute ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La vitesse peut être calculée à partir de l’énergie cinétique. 2. Un plongeur possède de l’énergie potentielle de position qui dépend de sa hauteur (doc.1). Le plongeur est initialement à 28 mètres de hauteur. (Introduction) Lors de sa chute, il a de l’énergie cinétique. 3. Lors d’une chute libre, l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique (doc.2). 3e étape : Dégager la problématique On demande d’utiliser la conversion d’énergie potentielle de position en énergie cinétique pour calculer la vitesse du plongeur après 28 mètres de chute.

L’énergie cinétique du plongeur est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2 . 2 2Ec La vitesse est donc égale à : v = m 2× 21000 soit v = = 23,7 m/s. 75 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part

d’esprit critique. La vitesse v, lorsque le plongeur entre dans l’eau, est égale à 23,7 m/s. Cela correspond à une vitesse de 85 km/h. En réalité, la vitesse est inférieure car une partie de l’énergie potentielle de position est dissipée en énergie thermique car il y a des frottements entre le plongeur et l’air. Ce type de plongeon ne peut être exécuté que par des sportifs entrainés car une mauvaise position lors de l’entrée dans l’eau peut causer des blessures. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L’énergie potentielle de position du plongeur à une altitude de 28 mètres est déterminée graphiquement. 25 000

4e étape : Construire la réponse • Repérer la valeur de l’énergie potentielle de position initiale. • Écrire la relation entre la valeur de l’énergie potentielle de position initiale et la valeur de l’énergie cinétique finale. • Rappeler l’expression de l’énergie cinétique. • En déduire l’expression de la vitesse. • En déduire la valeur de la vitesse. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Lors d’un plongeon, l’énergie potentielle de position du plongeur est convertie en énergie cinétique. Comment utiliser cette conversion d’énergie pour calculer la vitesse du plongeur lorsqu’il entre dans l’eau ? • Mettre en forme la réponse. Le graphique du document 1 permet de déterminer l’énergie potentielle initiale du plongeur lorsqu’il est à 28 mètres de hauteur. On lit Ep initiale = 21 000 J. Le plongeur étant en chute libre, son énergie potentielle de position initiale est totalement convertie en énergie cinétique (doc.2). Donc son énergie cinétique finale vaut Ec finale = 21 000 J. 128

Thème 3

Énergie potentielle (en J)

21 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0

5

10

15

20

25 2830

35

Hauteur (en m)

On lit Ep = 21 000 J. 2. Lors du plongeon, il y a conversion totale de l’énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique, donc Ec plongeur = 21 000 J. 3. L’énergie cinétique du plongeur est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 4. La vitesse du plongeur se déduit de la relation : 2Ec 1 . m × v 2 , soit v = m 2 On obtient : 2Ec 2× 21000 , soit v = = 23,7 m/s. v= 75 m En convertissant en km/h, on trouve 85 km/h.

Ec =

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37  À chacun son rythme

p. 120 du manuel

EX ER CI CE S

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38  Analyser sa production 1. a. L’énergie cinétique du skieur est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 L’énergie cinétique est en joule, la masse en kilogramme et la vitesse en mètre par seconde. 1 b. Ec finale = m × v 2 , 2 1 soit Ec finale = × 87× 702 = 213 150 J. 2 2. L’énergie potentielle de position du skieur est donnée par la relation Ep = m × g × h . a. Ep initiale = 75 × 9,8 × 2 720 = 1 999 200 J. b. Ep finale = 75 × 9,8 × 2 285 = 1 679 475 J. c. La variation d’énergie potentielle vaut : Ep initiale – Ep finale = 1 999 200 – 1 679 475 = 319 725 J. 3. La variation d’énergie potentielle du skieur est plus importante que son énergie cinétique finale. 4. Toute l’énergie potentielle n’est pas convertie en énergie cinétique car les frottements du skieur avec l’air et avec la piste dissipent de l’énergie sous forme thermique. 39  Pour aller plus loin 1. L’hydrolienne utilise l’énergie cinétique des courants marins. C’est une source d’énergie renouvelable. 2. Les hydroliennes convertissent l’énergie cinétique des courants marins en énergie électrique. 3. Il faut comparer le potentiel hydrolien (entre 2 000 MW et 3 000 MW) avec la puissance de l’ensemble des réacteurs nucléaires français (58 × 1 = 58 GW). 58 GW = 58 × 109 W = 58 000 MW. Le potentiel hydrolien ne permettra pas de remplacer l’ensemble des réacteurs nucléaires. 4. La puissance des hydroliennes est 500 kW. On considère que les hydroliennes produisent en continu toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t avec E en kWh si 3 est en kW et t en h. Donc E = 500 × 8 760 = 4,38 × 106 kWh. Énergie produite par les hydroliennes 4,38 ×106 = Énergie consommée par une famille 10 000 = 438 familles. Plus de 400 familles pourraient être alimentées par les hydroliennes. Remarque : Ce calcul est fait sur une moyenne, il ne tient pas compte des pics de consommation. En cas de forte demande énergétique le nombre de familles alimentées serait plus faible.

40  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : La cloche va-t-elle tinter ?

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quand est-ce que la cloche tinte ? 2. Pourquoi l’ascenseur va-t-il monter ? 3. Quelle conversion d’énergie a lieu dans ce jeu ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La cloche tinte lorsque l’ascenseur la touche (Introduction). La cloche va tinter si l’ascenseur atteint ou dépasse 1,5 m de hauteur (Données). 2. L’ascenseur va monter car le choc du maillet lui communique de l’énergie (Introduction). 3. Il y a conversion d’énergie cinétique du maillet en énergie potentielle de position de l’ascenseur. 3e étape : Dégager la problématique On demande d’utiliser la conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle de position pour calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur. 4e étape : Construire la réponse • Rappeler l’expression de l’énergie cinétique. • Calculer la valeur de l’énergie cinétique du maillet lorsqu’il frappe le clou. • En déduire l’énergie cinétique initiale de l’ascenseur en admettant que l’énergie cinétique du maillet est entièrement transférée à l’ascenseur. • En déduire l’énergie potentielle de position maximale de l’ascenseur en admettant que son énergie cinétique est entièrement convertie en énergie potentielle de pesanteur. • Calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur en utilisant l’expression de l’énergie potentielle de position donnée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le but du jeu de la mailloche est de faire tinter une cloche située à 1,5 mètre de haut. Il faut donc déterminer la hauteur atteinte par l’ascenseur lorsque le clou qui lui communique son énergie cinétique est frappé à une vitesse donnée. • Mettre en forme la réponse.

Lors du choc sur le clou, l’énergie cinétique du maillet est transférée à l’ascenseur. L’énergie cinétique du maillet est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2. 2 1 Avec les données, on calcule : Ec = × 2× 42. 2 On obtient Ec = 16 J. Module 6

129

EX ER CI CE S L’énergie cinétique initiale de l’ascenseur vaut donc 16 J. Lors de la montée de l’ascenseur le long de la colonne, toute son énergie cinétique est convertie en énergie potentielle de position. La hauteur maximum est atteinte lorsque Ep = 16 J. La relation Ep = m × g × h (données) permet de calculer la hauteur h . Ep On obtient h = . m× g 16 Avec les données, on calcule : h = = 1,6 m. 1× 9,8 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La hauteur atteinte par l’ascenseur (1,6 m) est supérieure à la hauteur de la cloche (1,5 m). La cloche va donc tinter. En réalité, la hauteur atteinte par l’ascenseur est inférieure à la hauteur calculée (1,6 m) car il y a des frottements de l’ascenseur le long de la colonne. Une partie de l’énergie cinétique initiale va être dissipée en énergie thermique.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L’énergie cinétique du maillet est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2 . 2 1 On obtient : Ec = × 2× 42 = 16 J. 2 2. L’énergie cinétique de l’ascenseur est 16 J car le transfert est total. 3. Lorsque l’ascenceur monte le long de la colonne, son énergie cinétique est convertie en énergie potentielle de position. 4. Lorsque toute l’énergie cinétique de l’ascenseur aura été convertie en énergie potentielle de position, l’altitude maximum sera atteinte. On calcule donc l’altitude h pour Ep = 16 J. 16 = 1,63 m. h= 1× 9,8 5. La cloche est située à 1,5 mètre. Comme l’ascenseur peut monter jusqu’à 1,63 mètre, soit plus haut, il fera donc tinter la cloche.

130

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Grille d’évaluation en fin de module.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 37 À chacun son rythme – Plongeon de haut vol Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Introduction : Le sportif plonge depuis une hauteur de 28 m. Doc. 1 : L’énergie potentielle de position initiale vaut 21 000 J. Doc. 2 : Toute l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Préciser comment la conversion d’énergie de nature scientifique. potentielle de position en énergie cinétique permet de calculer la vitesse à l’entrée dans l’eau. Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Repérer la valeur de l’énergie potentielle de position initiale. • Écrire la relation entre la valeur de l’énergie potentielle de position initiale et la valeur de l’énergie cinétique finale. • En déduire la valeur de la vitesse. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Lecture du graphique. 1 • Utilisation de la relation Ec =   m × v2. 2 • Calcul de la racine carrée. La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 6

131

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 40 À chacun son rythme – La mailloche Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Introduction : • La cloche tinte lorsque l’ascenseur la touche. • L’ascenseur va monter car le choc du maillet lui communique de l’énergie. Données : • La cloche est à une hauteur de 1,5 m. • Le maillet de 2 kg frappe le clou à la vitesse de 4 m/s. • L’ascenseur de 1 kg se déplace vers le haut de la colonne.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la valeur de l’énergie cinétique du maillet lorsqu’il frappe le clou. • En déduire l’énergie cinétique initiale de l’ascenseur. • En déduire l’énergie potentielle de position maximale de l’ascenseur. • Calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations de l’introduction et du document sont converties en informations scientifiques. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. 1 • Utilisation de la relation Ec =   m × v2. 2 • Utilisation de la relation Ep = m × g × h.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

132

Thème 3

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

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Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Préciser comment la conversion d’énergie de nature scientifique. cinétique en énergie potentielle de position permet de calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur.

MO DU LE

7

Les circuits électriques

Programme du cycle 4 L’énergie et ses conversions Attendu de fin de cycle • Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple Les exemples de circuits électriques privilégient les dispositifs visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des rencontrés dans la vie courante : charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité. automobile, appareils portatifs, installations et appareils domestiques. Exploiter les lois de l’électricité. Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves • Dipôles en série, dipôles en dérivation. aux économies d’énergie pour développer des comportements • L’intensité du courant électrique est la même en tout point responsables et citoyens. d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série. • Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille). • Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles). • Relation tension-courant : loi d’Ohm. • Loi d’unicité des tensions. Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine. Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante. • Puissance électrique P = U . I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

Rappel du programme du cycle 3

134

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Le thème de l’électricité, abordé au cycle 2, ne fait pas l’objet d’un apprentissage spécifique au cycle 3. Certains aspects auront pu être abordés par les élèves au travers de l’étude d’une chaîne d’énergie simple ou du fonctionnement d’un objet technique. Des notions, telles que la conductivité des matériaux peuvent avoir été abordées dans le cadre de l’étude des propriétés de la matière.

Progression curriculaire retenue dans les manuels Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité

Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple

• Dipôles en série, dipôles en dérivation.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité.

Exploiter les lois de l’électricité. • Dipôles en série, dipôles en dérivation. • L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série. • Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille). • Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles).

Exploiter les lois de l’électricité. • Dipôles en série, dipôles en dérivation. • L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série. • Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille). • Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles). • Relation tension-courant : loi d’Ohm. • Loi d’unicité des tensions.

• Loi d’unicité des tensions.

Mettre en relation les lois de l’électricité Mettre en relation les lois de l’électricité Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine. et les règles de sécurité dans ce domaine. et les règles de sécurité dans ce domaine.

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Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante. • Puissance électrique P = U . I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

Module 7

135

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : MI : maîtrise insuffisante • Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de MF : maîtrise fragile l’électricité. MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI

MF

MS

Activités TBM

Réaliser un circuit électrique simple et comprendre son fonctionnement.

1, 2, 3, 4, 5, 8

Différencier un circuit en série d’un circuit avec dérivations.

6

Comprendre la notion de puissance

4

Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine.

7, 8

Réaliser un circuit simple et effectuer des mesures pour exploiter les lois de l’électricité.

1, 2, 3, 4, 5, 6

Exploiter les lois de l’électricité : lois de l’intensité du courant dans un circuit électrique.

1, 2, 3

Exploiter les lois de l’électricité : lois de la tension électrique dans un circuit électrique.

4, 5, 6

Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine.

2, 4

Réaliser un circuit simple et effectuer des mesures pour exploiter les lois de l’électricité.

1, 4, 5, 6, 7

Comprendre la notion de puissance électrique.

1

Exploiter la relation entre la puissance électrique et l’énergie électrique.

2, 3, 4

Comprendre l’influence d’un conducteur ohmique dans un circuit électrique.

5

Exploiter la loi d’Ohm. Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine.

6, 7 4

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Complément pédagogique Dans les manuels de niveaux, nous avons choisi d'aborder la notion de puissance dès la 5e, mais sans calcul. La relation P = U × I est abordée en 3e. De la même manière, si le concept d’énergie électrique est abordé dès la 5e, la relation E = P × t est vérifiée en 3e.

Vu en 4e

1  a. et c. 2  b. 3  a.

136

Thème 3

p. 102 du manuel © Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

QCM Flash  

AC TIV ITÉ

1 Que signifie l’indication de puissance sur un appareil électrique ?

p. 123 du manuel

Matériel • Un générateur. • Deux lampes de même tension nominale, mais de puissances différentes. • Un voltmètre, un ampèremètre. • Des fils de connexion. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la notion de puissance électrique et de puissance nominale d’un dipôle récepteur. Elle permet de réinvestir les mesures de tension électrique et d’intensité du courant. Le prolongement de l’activité permet, à l’aide des mesures réalisées, de réinvestir les lois des tensions et de l’intensité dans un circuit comportant des dipôles associés en série. 1 On réalise un circuit électrique comprenant une lampe, un générateur et un ampère-

mètre. Pour que la lampe fonctionne correctement, la tension fournie par le générateur doit être égale à la tension nominale de la lampe. On mesure l’intensité du courant qui circule dans la lampe. Connaissant la tension aux bornes de la lampe et l’intensité du courant qui circule, on calcule alors la puissance reçue par la lampe. Pour une lampe 12 V ; 5 W on obtient les résultats suivants : U = 12 V ; I = 0,4 A. Ainsi 3 = U × I = 12 × 0,4 = 4,8 W. La puissance reçue par la lampe est proche de la puissance inscrite sur le culot.

G A

2 On constate que la lampe dont la puissance inscrite sur le culot est la plus faible brille davantage que l’autre. 3 • On reprend le circuit du doc. 3. Pour chaque lampe, on mesure la tension



à ses bornes à l’aide d’un voltmètre et l’intensité du courant qui circule à l’aide d’un ampèremètre. • Exemples de résultats obtenus avec une lampe de puissance nominale 5 W et une seconde de puissance nominale 10 W. La tension délivrée par le générateur est de 12 V. Lampe

L1

L2

Puissance inscrite

5W

10 W

Normal

Inexistant

10,7 V

1,5 V

373 mA

373 mA

4W

0,56 W

Aspect de l’éclairage Tension aux bornes de la lampe (V) Intensité du courant circulant (A) Puissance reçue (W)

G A

V1

V2

4 La puissance électrique reçue par la lampe la moins puissante est plus proche de la puissance inscrite sur le

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

culot de celle-ci. La puissance électrique reçue par la lampe la plus puissante est très éloignée de la puissance inscrite sur le culot de celle-ci. 5 La puissance inscrite sur un appareil électrique est la puissance reçue lorsque cet appareil est soumis à sa

tension nominale.

Un pas vers le bilan Pour calculer la puissance électrique reçue par un appareil, on multiplie la tension aux bornes de l’appareil par l’intensité du courant électrique qui le traverse.

Prolongement L’intensité qui circule dans un circuit est la même en tout point du circuit. On le retrouve expérimentalement en plaçant l'ampèremètre en différents points du circuit. La tension aux bornes du générateur est égale à la tension aux bornes des dipôles placés en série. On a bien UG = UL1 + UL2 = 10,7 + 1,5 = 12,2  V.

Module 7

137

AC TIV ITÉ

2 De quoi dépend l’autonomie d’un véhicule électrique ?

p. 124 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder les notions de puissance et d’énergie par le biais d’une activité documentaire sur les véhicules électriques. Elle permet de réinvestir de manière spiralaire les notions de conversions énergétiques abordées dans le module 6. 1 Dans le doc. 2, il est dit que la Renault ZOE n’émet pas de dioxyde de carbone. Dans le doc. 1, on constate qu’un

véhicule électrique émet tout de même du dioxyde de carbone. Ceci est dû aux émissions indirectes liées à la fabrication du véhicule, à son transport depuis l’usine jusqu’au magasin de vente, à la production de l’énergie électrique nécessaire à son fonctionnement ou à la fabrication des pièces de rechange (pneus…). 2 On dresse un tableau pour les avantages et les inconvénients :

Avantages

Inconvénients

Moins d’émission de gaz à effet de serre

Plus faible autonomie

Pas de nuisances sonores Coût d’utilisation réduit 3 La chaîne énergétique traduisant les conversions d’énergie réalisées par le moteur est la suivante :

Énergie électrique

Énergie cinétique Moteur Énergie thermique

4 On utilise la relation donnant l’énergie en fonction de la puissance et de la durée d’utilisation :

E = 3 × t, donc t = E = 27 = 0,45 h, soit 27 min. 3 65 Ce résultat est différent de l’autonomie annoncée dans le doc. 2 (environ 2 h 30). La puissance utilisée par le véhicule n’est pas toujours maximale.



5 L’autonomie d’un véhicule électrique dépend de l’énergie que contiennent ses batteries et de la puissance

électrique utilisée par le moteur.

Un pas vers le bilan

138

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

L’énergie dépend de la puissance utilisée (ou fournie) et de la durée d’utilisation.

AC TIV ITÉ

3 Est-il plus économique de faire bouillir de l’eau avec une bouilloire ou avec une plaque chauffante ?

p. 125 du manuel

Matériel • Une plaque chauffante. • Un bec électrique. • Des béchers. • Un chronomètre. • Une éprouvette graduée. Compléments Lors de la manipulation, il faut veiller à ce que le bec électrique fonctionne à pleine puissance. Si ce n’est pas le cas, le thermostat va couper le chauffage par intermittence et fausser les résultats. Par ailleurs, le bec électrique doit être chaud avant de commencer l’expérience (la bouilloire atteint sa température maximale dès le début de l’expérience). Les puissances pourront être mesurées au préalable à l’aide d’un compteur d’énergie ou lues sur les appareils (ou leurs notices). Les résultats pourront être exprimés en joule, mais les élèves accepteront davantage qu’il y a très peu de différence entre les deux énergies mesurées si elles sont exprimées en wattheure. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de revenir sur la différence entre puissance et énergie. Elle permet d’interroger les élèves sur ces notions par le biais d’une démarche d’investigation. Elle montre que bien que l’énergie pour chauffer l’eau soit la même dans les deux cas, la puissance est la vitesse à laquelle est transmise ou convertie cette énergie. 1 C’est l’énergie qui est facturée au consommateur. Elle s’exprime en kilowattheure (kWh) sur la facture. 2 Par exemple, la bouilloire a une puissance nominale de 2 000 W et le bec électrique a une puissance nominale

de 450 W. 3 On attend des élèves des réponses variées :



« La bouilloire coûte plus cher car elle nécessite plus de puissance. » « La bouilloire est plus puissante, elle va chauffer plus vite et va coûter moins cher. » 4 On chauffe un même volume d’eau avec le bec électrique à pleine puissance. On mesure la durée nécessaire



pour que l’eau se mette à bouillir. Exemple de résultats (les puissances ont été mesurées avec un compteur d’énergie) : Matériel Puissance (W) Durée (s) Énergie électrique consommée (J) Énergie électrique consommée (Wh)

Bouilloire électrique

Bec électrique

1 950

454

48

200

93 600

90 800

26

25,2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

5 Il n’est pas plus économique de faire chauffer l’eau par l’un des deux moyens. L’énergie nécessaire pour porter

l’eau à ébullition est la même.

Un pas vers le bilan L’énergie électrique reçue par un appareil dépend de sa puissance et de sa durée d’utilisation.

Module 7

139

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi les fils électriques d’une habitation sont-ils plus ou moins gros ?

p. 126 du manuel

Matériel • Un générateur. • Des fils de connexion. • Des lampes de puissances nominales différentes. • Un dispositif permettant de mesurer la température des fils de connexion. • Un ampèremètre. Vidéos et animations en lien avec l’activité Évolution de la température dans les fils de connexion (doc. 2) Deux vidéos montrent l’évolution de la température dans un fil de connexion : la première montre l’influence de la section, la deuxième l’influence de l’intensité du courant. Les vidéos complètes sont disponibles dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, ces vidéos permettent à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Le dispositif que nous avons utilisé, permettant d’évaluer la température du fil de connexion, est commercialisé par la société Equascience. Il comporte un thermomètre en bande souple placé sur un conducteur. Diverses sections de conducteurs sont disponibles. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’objectif de cette activité est d’aborder l’effet Joule par le biais de la sécurité électrique. Cette activité réinvestit de manière spiralaire les formes d’énergie (Module 6). 1 Il y a risque d’incendie si l’effet Joule est trop important dans un fil de connexion. 2 On met en œuvre l’expérience du doc. 2. La température est plus élevée dans le cas du fil de petite section.

L’effet Joule est donc plus important avec un fil de petite section pour une même intensité de courant. 3 Si on remplace la lampe par une lampe de plus grande puissance nominale, on constate que l’intensité du

courant est plus élevée. La température est également plus élevée. Ainsi, lorsque l’intensité du courant augmente, l’effet Joule augmente également. 4 En fonction de la puissance des appareils que l’on souhaite brancher, l’intensité du courant qui va circuler va

être plus ou moins grande. Il convient donc d’utiliser des fils de plus ou moins grande section pour limiter l’effet Joule. En effet, si celui-ci est trop important, il y a risque d’incendie.

Un pas vers le bilan

140

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Un dipôle possédant une résistance électrique dissipe de l’énergie thermique lorsqu’il est parcouru par un courant électrique : c’est l’effet Joule.

AC TIV ITÉ

5 Comment modifier le volume sonore d’un ampli ?

Matériel • Un générateur de tension. • Un buzzer. • Un ampèremètre.

p. 127 du manuel

• Des conducteurs ohmiques de résistances différentes. • Des fils de connexion.

Vidéos et animations en lien avec l’activité Un variateur de lumière (doc. 3) Une vidéo en accès libre montre qu’une mine de crayon se comporte comme un conducteur ohmique de résistance variable. Elle est accessible dans son intégralité aux élèves. Elle permet de réaliser le prolongement de l’activité. Compléments Le buzzer utilisé dans cette activité provient de la société Jeulin. Il est à noter que le buzzer a un sens de connexion dans le circuit. Il est possible d’utiliser une application, téléchargeable sur les téléphones portables, permettant de mesurer le niveau sonore pour réaliser la question 1. La définition du niveau sonore et son unité, le décibel, devront dans ce cas avoir été traitées au préalable. Si le niveau sonore n’a pas été vu au préalable, on peut se contenter d’une observation qualitative du niveau sonore. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder le rôle d’un conducteur ohmique dans un circuit. Elle sert ainsi à introduire l’activité qui suit sur la loi d’Ohm. 1 On place en série le buzzer, le générateur et le conducteur ohmique.





Le schéma du circuit électrique est le suivant : Exemple de résultats : Résistance (Ω)

10 Ω

100 Ω

1 000 Ω

Niveau sonore

Fort

Moyen

Faible

G

Lorsque la résistance du conducteur ohmique augmente, le niveau sonore du buzzer diminue. 2 Lorsque la résistance augmente, le son est plus faible, on peut donc émettre l’hypothèse que l’intensité du

courant est plus faible. 3 On place l’ampèremètre dans le circuit pour mesurer l’intensité du courant électrique



pour les différents conducteurs ohmiques. Le schéma du circuit est alors celui-ci : Exemple de résultats : Résistance (Ω)

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Intensité du courant (mA)

10 Ω

100 Ω

1 000 Ω

21 mA

12 mA

3 mA

G A

4 En tournant la molette de réglage du volume de l’ampli, on modifie la résistance du conducteur ohmique réglable.

Ainsi, lorsque cette résistance diminue, l’intensité du courant circulant dans le buzzer augmente : le niveau sonore augmente.

Un pas vers le bilan Un conducteur ohmique possède une résistance. Plus la valeur de cette résistance est grande et plus l’intensité du courant électrique qui le traverse est faible.

Prolongement 1. La mine de crayon possède une résistance électrique car l’intensité du courant varie en fonction de sa longueur. 2. Lorsque la longueur de la mine de crayon augmente, la lampe brille moins. Ainsi la résistance augmente car l’intensité du courant électrique diminue. Donc, plus la longueur de la mine de crayon est grande, plus la résistance est élevée. Module 7

141

AC TIV ITÉ

6 Peut-on brancher n’importe

quel appareil sur une multiprise ?

Matériel • Un générateur réglable. • Un conducteur ohmique.

p. 128 du manuel

• Un ampèremètre, un voltmètre. • Des fils de connexion.

Compléments Pour mesurer la résistance de la bouilloire électrique, il ne faut pas oublier de fermer l’interrupteur de celle-ci. On peut mesurer la résistance au niveau du connecteur de socle. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la loi d’Ohm. L’activité présentant le conducteur ohmique peut avoir été traitée au préalable. Les élèves sont amenés à réfléchir sur l’intensité du courant qui peut circuler dans une prise électrique. La proportionnalité entre tension et intensité peut être abordée par le calcul du quotient de la tension électrique U par l’intensité du courant I ou par une représentation graphique donnant U en fonction de I. La méthode est à choisir en fonction de l'avancée du programme de mathématiques à ce sujet. 1 La relation donnant la loi d’Ohm est : U = R × I. On en déduit la relation permettant de calculer la résistance du

conducteur ohmique :

R = U  . I La résistance R s’exprime en ohm (Ω), la tension électrique U s’exprime en volt (V) et l’intensité du courant s’exprime en ampère (A).



2 • On propose de modifier la tension aux bornes d’un conducteur ohmique à l’aide

d’un générateur de tension réglable. Pour chacune des valeurs, on mesure la tension aux bornes du conducteur ohmique (à l’aide d’un voltmètre placé en dérivation aux bornes de celui-ci) et l’intensité du courant qui circule dans le circuit (à l’aide d’un ampèremètre associé en série avec le conducteur ohmique). Le conducteur ohmique à notre disposition a une résistance de 470 Ω. • Exemple de résultats :





Tension (V)

3,39

4,76

6,37

7,77

9,37

12,48

Intensité (A) U I

0,0072

0,0101

0,0136

0,0166

0,0200

0,0267

470

471

468

468

468

467

G A

V

• Le quotient de la division de U par I a toujours sensiblement la même valeur. La loi d’Ohm est donc bien vérifiée pour le conducteur ohmique utilisé. 3 Exemple de résultat : la résistance mesurée est de 31 Ω.

qui circulera se calcule par application de la loi d’Ohm : I = U = 230 = 7,4 A. R 31 5 Si l’on branche la bouilloire sur la multiprise, l’intensité du courant qui circule est inférieure à 16 A. Il faut veiller

cependant à ne pas utiliser trop d’appareils en même temps pour ne pas dépasser cette intensité du courant.

Un pas vers le bilan La tension U aux bornes d’un conducteur ohmique est égale au produit de sa résistance R exprimée en ohm par l’intensité I du courant qui le traverse, exprimée en ampère.

142

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4 La tension aux bornes de la résistance de la bouilloire est de 230 V. Dans ces conditions, l’intensité du courant

AC TIV ITÉ

7 Une lampe est-elle un conducteur ohmique qui éclaire ?

Matériel • Un générateur de tension réglable. • Une lampe.

p. 129 du manuel

• Un ampèremètre, un voltmètre. • Des fils de connexion.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L'objectif de cette activité est de prouver que tous les dipôles ne sont pas des conducteurs ohmiques. Elle permet de montrer aux élèves que la proportionnalité entre U et I n'est pas applicable dans tous les cas. Les élèves sont amenés à faire le lien entre la relation de proportionnalité entre deux grandeurs et la représentation graphique associée. En lien avec le professeur de mathématiques, cette activité peut être le moyen d’aborder l’exploitation de représentations graphiques pour en tirer des conclusions sur la présence ou l’absence de proportionnalité. Cette activité permet également de réinvestir de manière spiralaire les conversions d’énergie abordées au module 6. 1 La chaine énergétique pour la lampe est la suivante :

Énergie lumineuse

Énergie électrique

Lampe Énergie thermique

G

2 • On branche une lampe aux bornes d’un générateur de tension réglable.





A

On fait varier la tension aux bornes de celui-ci. On mesure l’intensité du courant qui circule dans le circuit. Le circuit électrique ainsi réalisé est donné ci-contre. • Exemple de résultats : U (V)

0

1

2,2

2,9

4,2

5,1

6,2

7,1

8,4

I (mA)

0

11

16

19

24

26

30

32

35

V

10.2 12.3 13,2 40

45

• La courbe est ainsi la suivante : On constate que la tension et l’intensité ne sont pas proportionnelles car la courbe n’est pas une droite passant par l’origine : la lampe ne respecte pas la loi d’Ohm. 3 La lampe n’est pas un conducteur ohmique car elle ne suit pas la loi d’Ohm.

46 U (en V) 10 5

Elle n’est donc pas un conducteur ohmique qui éclaire. 0

10

20

30

40

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

I (en mA)

Un pas vers le bilan La loi d’Ohm s’applique aux conducteurs ohmiques. La tension U aux bornes du conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité du courant I qui le traverse selon la relation : U = R × I La tension U s’exprime en volt (V). L’intensité du courant I s’exprime en ampère (A). La résistance R s’exprime en ohm (Ω).

Module 7

143

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

QCM 1  b.

2  c.

3  b. et c.

4  b.

5  b. et c.

6  a.

7  c. 8  Calculer une puissance électrique On calcule la puissance maximale fournie par le chargeur : 3 = U × Imax = 5 × 0,7 = 3,5 W. La puissance maximale délivrée par le chargeur est de 3,5 W. 9  Calculer une tension électrique On applique la relation : 3 = U × I, donc U = 3 avec U en V si 3 est en W et I en A. I 1 500 = 230 V. Donc U = 6,5 La cafetière est bien alimentée par une tension de 230 V. 10  Calculer l’intensité du courant électrique L’intensité maximale du courant supportée par le conducteur ohmique se déduit de la puissance maximale qu’il peut supporter. 1 = 0,083 A, soit 83 mA. 3 = U × I, donc I = 3 = U 12 Pour cette tension, le conducteur ohmique ne pourra pas supporter une intensité du courant supérieure à 83 mA. 11  Calculer une énergie en joule 1. La relation liant l’énergie, la puissance et la durée est : E = 3 × t. 2. On applique la relation précédente pour le cas du sèche-cheveux : E = 2 200 × 100 = 220 000 J. L’énergie reçue par le sèche-cheveux est de 220 000 joules. 12  Calculer une énergie en kilowattheure La puissance électrique de l’éolienne vaut 4 kW, soit 4 000 W. Ainsi l’énergie maximale fournie durant deux heures vaut : E = 3 × t = 4 × 2 = 8 kWh. L’énergie maximale fournie durant deux heures vaut 8 kilowattheure. 13  Calculer une durée de fonctionnement On calcule la durée minimale pour monter l’ascenseur : E E = 3 × t, donc t = avec t en s si E est en J et 3 en W. 3 2,5 × 105 Donc  t = = 36 s. 7 000 La durée minimale pour monter en ascenseur vaut 36 secondes. 144

Thème 3

14  Calculer une puissance 1. On calcule la puissance : E 15 = 0,625 kW. E = 3 × t, soit 3 = = t 24 La puissance électrique fournie par les panneaux photovoltaïques sur 24 heures vaut 0,625 kW. 2. La différence vient du fait que les panneaux ne fonctionnent que s’il y a de la lumière. Sur une journée, la puissance électrique fournie varie, et la nuit, ils ne fonctionnent pas.

Le conducteur ohmique et la loi d’Ohm QCM 15  a. 16  a., b. et c. 17  c. 18  Connaître l’unité de mesure d’une résistance électrique La résistance électrique s’exprime en ohm, de symbole Ω. 19  Choisir un conducteur ohmique 1. Le schéma du circuit électrique associant une pile, une DEL et un conducteur ohmique associés en série est le suivant : + –

2. Plus la résistance est importante et plus l’intensité du courant qui circule dans la boucle est faible. On doit donc choisir le conducteur ohmique de plus grande résistance, soit R3 = 150 Ω.

20  Comparer deux conducteur ohmiques 1. Plus la résistance est importante et plus l’intensité du courant circulant dans la boucle est faible. L’intensité du courant sera plus faible dans le circuit 2 . 2. Plus l’intensité du courant électrique est importante et plus la lampe brille. La lampe brillera davantage dans le circuit 1 . 21  Utiliser la loi d’Ohm En utilisant la loi d’Ohm, la tension électrique aux bornes du grille-pain vaut : U = R × I avec U en V si R est en Ω et I en A. Donc U = 60 × 3,83 = 230 V. Le grille-pain est bien soumis à une tension de 230 V.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

La puissance et l’énergie électriques

p. 134 du manuel

EX ER CI CE S

Se perfectionner 22  L’énergie d’une centrale thermique Un lien Internet propose une explication du fonctionnement d’une centrale thermique à flamme. 1. La combustion est une transformation chimique car des espèces chimiques disparaissent (fioul, gaz ou charbon dans une centrale thermique) et d’autres apparaissent (dioxyde de carbone). 2. Si la centrale fonctionne à la moitié de sa puissance alors sa puissance est de 0,5 GW. On calcule alors l’énergie fournie par la centrale thermique : E = 3 × t avec E en GWh si t est en h et 3 en GW. Donc E = 0,5 × (365 × 24) = 4 380 GWh. L’énergie fournie par la centrale thermique fonctionnant pendant un an à moitié de sa puissance est de 4 380 GWh.

23  Le skate-board gyroscopique Un lien internet propose une démonstration du fonctionnement d’un skate-board gyroscopique. 1. Connaissant la vitesse du skate-board ainsi que son autonomie, il est possible d’en déduire la durée de fonctionnement : d d 20 = 1,1 h, soit 1 heure et 6 minutes. v =  ,donc t = = t v 18 2. La puissance du moteur est de 500 W, soit 0,5 kW. On en déduit : E = 3 × t = 0,5 × 1,1 = 0,55 kWh. L’énergie maximale consommée est de 0,55 kWh.

24  Une multiprise 1. On calcule l’intensité du courant à partir de la relation entre la puissance, l'intensité du courant et la tension électrique : 3 = U × I, donc I = 3  . U Les résultats sont proposés dans le tableau qui suit :

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Appareil électrique

Puissance (W)

Intensité du courant (A)

850

3,7

Grille-pain

1 100

4,8

Cafetière électrique

1 200

5,2

Théière

2. Les trois appareils fonctionnant indépendamment, ils sont associés en dérivation. On peut donc appliquer la loi d'additivité des intensités. L’intensité du courant circulant dans le câble est la somme des intensités calculées précédemment. I = 3,7 + 4,8 + 5,2 = 13,7 A. 3. La multiprise peut supporter cette intensité du courant car elle ne dépasse pas 16 A.

p. 136 du manuel

25  Le parasol chauffant 1. On parle de gaspillage car le parasol chauffant chauffe l’air extérieur. 2. Connaissant la puissance du parasol chauffant et la tension à ses bornes, on peut calculer l’intensité du courant qui le traverse : 1 200 3 = U × I, donc I = 3 = = 5,2 A. 230 U L’intensité du courant est de 5,2 A. 26  La batterie de téléphone portable 1. La chaîne énergétique de la batterie en charge est la suivante : Énergie électrique

Batterie en charge

Énergie chimique Énergie thermique

2. La charge de la batterie est de 2 600 mAh d’après la photographie. 3. L’énergie en joule pouvant être fournie par la batterie est donc : E = 2 600 × 13,7 = 35 620 J. 4. La tension électrique délivrée par la batterie est de 3,8 V d’après la photographie. 5. Connaissant la tension de fonctionnement de la pile, on calcule alors la puissance électrique pouvant être fournie par la pile : 3 = U × I avec 3 en W si U est en V et I en A. Donc 3 = 3,8 × 0,200 = 0,76 W. 6. Connaissant l’énergie pouvant être fournie par la pile et la puissance associée, on en déduit alors l’autonomie, c’est-à-dire la durée de fonctionnement de la batterie. E E = 3 × t, donc t = avec t en s si E est en J et 3 en W. 3 35 620 Donc t = = 46 868 s, soit 13 heures environ. 0,76 L’autonomie de cette batterie en fonctionnement est d’environ 13 heures pour la puissance de fonctionnement calculée.

27  Choix de la section d’un fil conducteur 1. Pour un radiateur de puissance 2 500 W, connaissant la tension à ses bornes, l’intensité du courant circulant est : 2 500 = 10,9 A. 3 = U × I, donc I = 3 = 230 U D’après le tableau, il est possible d’utiliser toutes les sections de fils de connexions présentés. 2. L’intensité du courant supportée par le disjoncteur est plus faible que celle supportée par le fil pour avoir une marge de sécurité supplémentaire. 3. Dans ces conditions, les sections de 2,5 mm2 et 6 mm2 sont utilisables. Module 7

145

EX ER CI CE S Tâche complexe Question posée : Quelle bouilloire choisir pour faire le plus d’économies ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Quelles sont les caractéristiques qui peuvent permettre de réaliser des économies ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Une bouilloire économique est une bouilloire qui consomme le moins d’énergie lorsqu’elle fonctionne. Sur le doc., il faut aussi prendre en compte le prix d’achat. 3e étape : Dégager la problématique Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? 4e étape : Construire la réponse • Comparer le prix d’achat des deux bouilloires. • Calculer l’énergie électrique consommée par chacune des bouilloires pour faire bouillir le même volume d’eau. • Comparer ces énergies consommées. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Deux bouilloires sont proposées, l’une, blanche à 40 € et l’autre, rouge à 55 €. Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? • Mettre en forme la réponse. La bouilloire la plus économique sera : – soit celle qui coûte le moins cher à l’achat ; – soit celle qui coûte le moins cher en utilisation. Pour le coût en utilisation, c’est l’énergie consommée qui est facturée au client. On calcule dans un premier temps l’énergie électrique consommée pour chauffer un litre d’eau. Pour la bouilloire de 1 500 W : E = 3 × t = 1 500 × (2 × 60) = 180 000 J. Pour la bouilloire de 2 000 W : E = 3 × t = 2 000 × (1,5 × 60) = 180 000 J. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les bouilloires consomment autant d’énergie en fonctionnement l’une que l’autre. La plus économique est donc celle qui est la moins chère. On devra donc choisir la bouilloire blanche. Grille d’évaluation en fin de module.

29  Résistance d’une plaque électrique 1. Connaissant la puissance de la plaque électrique et la tension à ses bornes, on peut calculer l’intensité du courant qui la traverse : 1 500 3 = U × I, ainsi I = 3 = = 6,5 A. 230 U 146

Thème 3

2. La loi d’ohm permet d’en déduire la résistance du conducteur ohmique de la plaque chauffante : U 230 = 35,3 Ω. U = R × I, ainsi R = = I 6,5

30  La sécurité électrique dans la salle de bain 1. D’après le doc. 1, lorsque l’humidité de la peau augmente, la résistance du corps humain diminue. 2. D’après le doc. 1, la résistance du corps humain mouillé soumis à une tension de 230 V est de 1,1 kΩ. 3. Pour une même durée de contact, l’électrisation dépend de l’intensité du courant traversant le corps humain. 4. Pour une tension de 230 V, en milieu humide, la résistance du corps est de 1,1  kΩ, soit 1 100  Ω. L’intensité du courant qui peut traverser le corps est alors d’après la loi d’Ohm : U 230 = 0,209 A, soit 209 mA. U = R × I, ainsi I = = R 1 100 D’après le doc. 2, pour cette intensité, il y a fibrillation cardiaque irréversible pouvant entraîner la mort. 5. Les précautions sont nécessaires car la peau mouillée possède une résistance plus faible qu’une peau sèche. L’intensité du courant pouvant circuler dans le corps en cas de contact avec une source d’énergie électrique est plus importante et le risque d’électrocution plus grand. 31  Les panneaux photovoltaïques Le site internet mis en lien propose une présentation du fonctionnement des panneaux solaires. Tâche complexe Question posée : Quelle somme une personne habitant la Corse et ayant installé des panneaux photovoltaïques en 2016 peutelle espérer gagner chaque année ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment fonctionne un panneau photovoltaïque ? 2. D’où provient la somme que reçoit le propriétaire des panneaux photovoltaïques ? 3. La zone géographique d’installation des panneaux photovoltaïques est-elle importante ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Les panneaux photovoltaïques convertissent de l’énergie lumineuse en énergie électrique (doc. 1). 2. L’énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques est facturée au distributeur (doc. 3). 3. La production dépend de l’emplacement des panneaux photovoltaïques (doc. 2). Plus La zone géographique a un ensoleillement annuel moyen élevé, plus la production d’énergie électrique est importante. 3e étape : Dégager la problématique Quelle énergie électrique peut être fournie par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme facturée correspondante ?

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28  Choisir la bouilloire la plus économique

EX ER CI CE S 4e étape : Construire la réponse • Trouver la durée d’ensoleillement annuelle en Corse. • Calculer l’énergie électrique pouvant être fournie par les panneaux photovoltaïques. • Déduire par un calcul la somme à facturer. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les panneaux photovoltaïques fournissent de l’énergie électrique à partir de l’énergie lumineuse provenant du Soleil (doc. 1). La production d’énergie électrique peut être facturée à E.D.F. par le propriétaire des panneaux photovoltaïques (doc. 3). Quelle énergie électrique peut être fournie par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme facturée correspondante ? • Mettre en forme la réponse. En Corse, la durée d’ensoleillement est estimée à au moins 2 750 heures par an (doc. 2). La puissance de l’installation est de 1,3 kW (doc. 1). L’énergie électrique que peut fournir l’installation vaut : E = 3 × t = 1,3 × 2 750 = 3 575 kWh. Pour la bouilloire de 2 000 W : La somme versée au propriétaire est donc : S = E × 0,25 = 893,8 €. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Un propriétaire qui installe des panneaux photovoltaïques en 2016 en Corse peut espérer recevoir près de 900 € par an. Grille d’évaluation en fin de module.

32  Ohm’s Law

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Traduction : Le courant dans un circuit comportant un conducteur ohmique est directement proportionnel à la tension. Parce que le courant électrique dans un circuit est modifié par la résistance, les conducteurs ohmiques sont souvent utilisés dans les circuits d’appareils électriques pour réduire le courant électrique. 1. La formule de la loi d’Ohm est U = R × I. 2. Le terme utilisé dans le texte pour parler de la tension est « voltage ». 3. Lorsqu’on double la tension, l’intensité du courant double également et lorsque la tension est multipliée par trois, l’intensité du courant triple. Donc la tension aux bornes d’un conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité du courant qui circule dans le conducteur ohmique.

33  Le scooter électrique 1. On exploite la relation entre la vitesse, la distance et d la durée : v =  . t d Cela conduit à t = avec t en h si d est en km et v en m/s. v

Se perfectionner

50 = 1,1 h, soit 1 h 06 min. 45 La durée de parcours du scooter électrique est d’une heure et six minutes. 2. La puissance maximale du scooter est de 2 000 W soit 2 kW. Sachant que la durée est de 1,1 heure, l’énergie consommée est de : E = 3 × t = 2 × 1,1 = 2,2 kWh. L’énergie consommée est de 2,2 kWh. 3. D’après le texte, l’énergie contenue dans la batterie de charge C est : E = U × C avec E en Wh si U est en V et # en Ah. Donc E = 72 × 20 = 1 440 Wh = 1,44 kWh. Cette énergie est moins importante que celle annoncée pour réaliser les 50 kilomètres. L’autonomie est calculée pour une puissance inférieure à la puissance maximale.

Donc t =

34  Les téléviseurs à LED Tâche complexe Question posée : Quelle économie annuelle réalise-t-on sur sa facture d’électricité si on change son téléviseur plasma par un téléviseur à LED ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qui différencie un téléviseur à LED d’un téléviseur à plasma ? 2. Qu’est-ce qui est facturé sur la facture d’électricité ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le téléviseur plasma est une ancienne technologie plus énergivore que celle des téléviseurs LED d’après le doc. 1. 2. C’est l’énergie électrique, exprimée en kilowattheure qui est facturée au client (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Quelle économie d’énergie électrique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED ? En déduire l’économie financière correspondante. 4e étape : Construire la réponse • Déduire de la durée de fonctionnement journalière, la durée de fonctionnement du téléviseur sur un an. • Calculer l’énergie consommée par chaque téléviseur connaissant leur puissance de fonctionnement. • La différence entre ces deux énergies correspond à l’économie d’énergie réalisée sur un an. • Connaissant le prix d’un kilowattheure, on peut en déduire l’économie financière correspondante. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les téléviseurs à LED ont remplacé les téléviseurs plasma plus énergivores (doc. 1). En un an, quelle économie d’énergie électrique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED et quelle est la somme facturée correspondante ? Module 7

147

EX ER CI CE S

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. En optant pour un téléviseur LED, l’économie annuelle réalisée est de 72,3 €. L’économie est assez importante. Grille d’évaluation en fin de module.

35  L’éclairage public 1. Les lampes à DEL, pour un éclairage équivalent, sont quatre fois moins puissantes (doc. 2). Pour une même durée de fonctionnement, elles consomment donc quatre fois moins d’énergie électrique. 2. L’énergie consommée par une lampe au sodium fonctionnant pendant 9 heures sera : E = 3 × t = 250 × 9 = 2 250 Wh = 2,25 kWh. Pour une lampe à LED, la puissance est 4 fois moins importante en moyenne, ainsi : 250 × 9 = 563 Wh = 0,56 kWh. E=3×t= 4 3. L’énergie économisée correspond à la différence des deux énergies calculées précédemment, soit :

148

Thème 3

Ejournée = 2,25 – 0,56 = 1,69 kWh pour une journée, soit Eannée = E × 365 = 1,69 × 365 = 616,9 kWh.

36  Fer à lisser de voyage 1. La tension nominale du fer à lisser est de 230 V, or la tension du secteur est également de 230 V en France. Il fonctionne donc normalement en France. 2. L’intensité du courant qui circule dans le fer à lisser peut se déduire de la loi d’Ohm : U = R × I. U 110 Ainsi I = = = 0,06 A. R 1 763 L’intensité du courant qui circule dans le fer à lisser s’il est branché aux États-Unis est de 0,06 A. 3. La puissance électrique reçue par le fer à lisser, branché aux États-Unis, serait alors : 3=U×I 3 = 110 × 0,06 = 6,6 W. 4. Aux États-Unis, le fer à lisser ne pourrait pas fonctionner normalement car la puissance électrique qu’il recevrait serait plus faible que sa puissance normale de fonctionnement. 37  La lampe à lave La vidéo montre le fonctionnement d’une lampe à lave. 1. Dans la lampe à lave, il se produit une transformation physique car la cire passe de l’état solide à l’état liquide. 2. La solution incolore et la cire ne sont pas miscibles. Le mélange n’est pas homogène. 3. Pour que l’énergie soit exprimée en joule, il faut exprimer la durée en seconde. La durée est ici de 1  heure, soit 3 600  secondes. L’énergie électrique consommée par la lampe vaut donc : E=3×t E = 25 × 3 600 = 90 000 J. En une heure, la lampe à lave consomme 90 000 joules.

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• Mettre en forme la réponse. La puissance électrique de fonctionnement des téléviseurs plasma est supérieure à celle des téléviseurs LED (doc. 1). Il faut donc déterminer la différence de consommation énergétique entre les deux. La puissance économisée est : 3 = 360 – 30 = 330 W (doc. 1). La durée d’utilisation annuelle est de 4 heures par jour sur 365 jours, soit : t = 365 × 4 = 1 460 h (doc. 2). L’énergie économisée est donc : E = 3 × t = 330 × 1 460 = 4,82 × 105 Wh = 482 kWh. C’est l’énergie qui est facturée 0,15 € TTC au client (doc. 3). La somme S économisée est alors : S = 482 × 0,15 = 72,3 €.

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 38  Mesurer une température avec une thermistance 1. La résistance de la CTN dépend de la température. 2. La tension aux bornes de la résistance se déduit de la loi d’Ohm : U = R × I = 50 × 0,050 = 2,5 V. La tension vaut 2,5 volts. 3. Il s’agit d’un circuit en série donc on peut appliquer la loi d’additivité des tensions Uthermistance + UR = Ug. Donc Uthermistance = Ug – UR = 6 – 2,5 = 3,5 V. La tension aux bornes de la CTN est de 3,5 volts. 4. Les dipôles sont en série, on peut donc appliquer la loi d’unicité de l'intensité : l’intensité est la même en tout point du circuit en série. On applique la loi d’Ohm : Uthermistance = R × I. U 3,5 = 70 Ω. Donc R = thermistance = I 0,050 La résistance de la thermistance vaut 70 Ω. 5. D’après le graphique du doc. 2, on trouve une température T = 32 °C.

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39  Transfert de puissance électrique dans un circuit électrique 1. Les deux radiateurs peuvent fonctionner de manière indépendante l’un de l’autre. Ils sont donc associés en dérivation. 2. Le schéma du circuit élecG trique est représenté ci-contre. (On accepte les solutions plus complexes avec les interrupteurs sur chaque radiateur.)

p. 141 du manuel

3. Le circuit est en dérivation. La tension aux bornes de chacun des dipôles placés en dérivation est identique. La tension sera donc de 230 V. 4. Pour le radiateur de 1 000 W, l’intensité I1 du courant électrique vaut : 31 = U × I1. 3 Donc I1 = 1 U 1 000 = 4,3 A. I1 = 230 Pour le radiateur de 1 500 W fonctionnant à pleine puissance, l’intensité I2 du courant électrique vaut : 32 = U × I2. 3 Donc I2 = 2 U 1 500 = 6,5 A. I2 = 230 5. Les dipôles sont associés en dérivation, on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 I = 4,3 + 6,5 = 10,8 A. Le disjoncteur supporte une intensité de 16 A, il n’y a donc pas de surintensité. 6. Si le radiateur fonctionne à plein régime durant 3 heures, l’énergie consommée sera alors : E = 32 × t E = 1 500 × 3 = 4 500 Wh = 4,5 kWh. La somme S facturée sera alors : S = E × 0,15 = 4,5 × 0,15 = 0,68 €.

Module 7

149

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Quelle durée est nécessaire pour chauffer de 20 °C à 60 °C les 200 litres d’eau contenus dans le chauffe-eau ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment fonctionne un chauffe-eau électrique ? 2. Quelle est la puissance électrique de fonctionnement du chauffe-eau? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un chauffe-eau électrique convertit de l’énergie électrique en énergie thermique qui permet de chauffer de l’eau (énoncé). 2. La puissance de fonctionnement du chauffe-eau est donc de 2 400 W (énoncé). 3e étape : Dégager la problématique Quelle sera la durée t nécessaire pour augmenter la température de 40 °C des 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ? 4e étape : Construire la réponse • On détermine l’énergie nécessaire pour porter 200 L d’eau de 20 °C à 60 °C, soit augmenter la température de 40 °C. • On en déduit alors la durée de fonctionnement t à partir de la relation : E = 3 × t. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un chauffe-eau comporte une résistance chauffante qui convertit l’énergie électrique qu’elle reçoit en énergie thermique. Quelle sera la durée nécessaire pour chauffer les 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ? • Mettre en forme la réponse. Pour élever la température de 1 litre d’eau de 1 °C, il faut fournir 4 180 joules (donnée). Pour l’élever de 20 °C à 60 °C soit de 40 °C, il faudra : E = 4 180 × 40 = 167 200 J. Pour 200 L, il faudra fournir 200 fois plus d’énergie soit E = 167 200 × 200 = 33 440 000 J = 3,34 × 107 J. On utilise la relation entre la puissance et l’énergie pour déterminer la durée nécessaire (énoncé) : E = 3 × t. E 3,34 × 107 Donc t = = = 13 933 s = 3 h 52 min. 2 400 3 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Il faut 3 heures et 52 minutes pour élever la température des 200 litres d’eau contenue dans le chauffe-eau de 20 °C à 60 °C. Grille d’évaluation en fin de module. 150

Thème 3

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La résistance chauffante convertit l’énergie électrique qu’elle reçoit en énergie thermique nécessaire pour chauffer l’eau. 2. Pour élever la température de 1 litre d’eau de 1 °C, il faut fournir 4 180 joules. Pour l’élever de 20 °C à 60 °C soit de 40 °C, il faudra : E = 4 180 × 40 = 167 200 J. 3. Pour 200 L, il faudra fournir 200 fois plus d’énergie soit : E = 167 200 × 200 = 33 440 000 J = 3,34 × 107 J. 4. On utilise la relation entre la puissance et l’énergie : E = 3 × t. E 3,34 × 107 = Donc t = 2 400 3 t =13 933 s = 3 h 52 min. Il faudra 3 heures et 52 minutes pour élever la température de 200 litres d’eau de 20 °C à 40 °C.

41  Analyser sa production 1. On trace le graphique représentant la tension U en fonction de l’intensité du courant I. 7 6 5 4 3 2 1 0

U (en V)

0,02

0,04 0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

I (en A)

2. Ce graphique montre que les points sont alignés sur une droite passant par l’origine. La tension aux bornes du fil est donc proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse. Le fil se comporte donc comme un conducteur ohmique. 3. On utilise un point de la courbe pour déterminer la résistance : par exemple, pour une tension de 5 V, l’intensité du courant est de 0,1 A. On applique la loi d’Ohm : U = R × I. U Donc R = avec R en Ω si U est en V et I en A. I 5 = 50 Ω. Donc R = 0,10 La résistance est de 50 Ω.

42  Comprendre le vocabulaire La phrase n’est pas exacte car le journaliste confond le pic de puissance avec la consommation électrique qui est en fait de l’énergie.

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40  À chacun son rythme

p. 142 du manuel

EX ER CI CE S 43  À chacun son rythme Une vidéo en accès libre montre l’inauguration des illuminations des Champs-Élysées. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : L’affirmation en italique du doc. 2 est-elle exacte ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Que dit l’affirmation en italique ?

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2e étape : Lire et comprendre les documents Il est dit que la consommation électrique des illuminations de Noël de l’avenue des Champs-Élysées en 2016 a été équivalente à celle d’une famille de quatre personnes en un an (doc. 2).

Accompagnement personnalisé

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La puissance électrique utilisée pour illuminer les Champs-Élysées est de 25 kW. La durée est de 9 heures par jour durant 49 jours. L’énergie électrique consommée est donc de 11 025 kWh : E = 3 × t = 25 × (9 × 49) = 11 025 kWh. L’éclairage des Champs-Élysées consomme une énergie électrique de 11 025 kWh. 2. On calcule l’énergie consommée par une famille de quatre personnes : E = 30 × 365 = 10 950 kWh. Une famille de quatre personnes consomme 10 950 kWh sur un an. 3. Ces deux valeurs sont sensiblement les mêmes. L’affirmation est exacte.

3e étape : Dégager la problématique L’énergie électrique consommée par les illuminations des Champs-Élysées est-elle identique à la consommation électrique de quatre familles sur un an ?

44  Pour aller plus loin 1. La puissance électrique que génère la foudre est : 3 = U × I = 30 000 × 100 000 000 3 = 3 × 1012 W.

4e étape : Construire la réponse • On calcule l’énergie consommée par les illuminations de Noël des Champs-Élysées. • On calcule dans un second temps la consommation électrique d’une famille de quatre personnes durant un an. • On compare les valeurs trouvées.

2. On calcule l’énergie générée par un impact de foudre : E = 3 × t = 3 × 1012 × 0,0002 = 6 × 108 J. Sachant qu’il y a environ 400 000 impacts de foudre par an, cela constitue une énergie totale de : Etot = 6 × 108 × 400 000 = 2,4 × 1014 J. L’énergie générée par l’ensemble des impacts de foudre est de 2,4 × 1014 joules.

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. L’éclairage de Noël des Champs-Élysées consomme moins d’énergie électrique que les années précédentes (doc. 1). L’énergie électrique consommée par les illuminations des Champs-Élysées est-elle identique à la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an ? • Mettre en forme la réponse. La puissance électrique de fonctionnement de cet éclairage est de 25 kW (doc. 1). La durée est de 9 heures par jour durant 49 jours (doc. 1). L’énergie électrique consommée est donc : E = 3 × t = 25 × 9 × 49 = 11 025 kWh. Une famille de quatre personnes consomme 30 kWh par jour (doc. 3) soit : E = 30 × 365 = 10 950 kWh en un an. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ces deux valeurs sont sensiblement les mêmes. L’affirmation en italique est donc exacte.

3. Il est possible de convertir l’énergie précédente en kilowattheure : 14 Etot = 2,4 × 10 6 = 6,67 × 107 kWh. 3,6 × 10 Le nombre de foyers consommant 10 000 kWh que représente une telle énergie est : 7 N = 6,67 × 10 = 6 670. 10 000 Environ 6 700 foyers consomment une telle énergie. 4. Il n’est pas possible de prévoir où tombe la foudre. Il paraît donc impossible de récupérer une telle énergie qui représente la consommation électrique de seulement 6 700 foyers.

Grille d’évaluation en fin de module.

Module 7

151

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 28 Choisir la bouilloire la plus économique Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. : Une bouilloire économique est une bouilloire qui consomme le moins d’énergie lorsqu’elle fonctionne. Il faut aussi prendre en compte le prix d’achat.

Le problème est formulé en termes scientiIdentifier des questions fiques. Par exemple : de nature scientifique. Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Comparer le prix d’achat des deux bouilloires • Calculer l’énergie électrique consommée par chacune des bouilloires pour faire bouillir le même volume d’eau. • Comparer ces énergies consommées. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

152

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 31 Les panneaux photovoltaïques Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1  : Les panneaux photovoltaïques convertissent de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Doc. 3 : L’énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques est facturée au distributeur. Doc. 2 : La production dépend de l’emplacement des panneaux photovoltaïques. Plus La zone géographique a un ensoleillement annuel moyen élevé, plus la production d’énergie électrique est importante.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle énergie électrique peut être fournie de nature scientifique. par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme versée correspondante ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Trouver la durée d’ensoleillement annuelle en Corse. • Calculer l’énergie électrique pouvant être fournie par les panneaux photovoltaïques. • Déduire par un calcul la somme à verser. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Exploitation de la carte. • Utilisation de la relation : E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer le montant reçu.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 7

153

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 34 Les téléviseurs à LED Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1  : Le téléviseur plasma est une ancienne technologie plus énergivore que celle des téléviseurs LED. Doc. 3 : C’est l’énergie électrique, exprimée en kilowattheure qui est facturée au client.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déduire de la durée de fonctionnement journalière, la durée de fonctionnement du téléviseur sur un an. • Calculer l’énergie consommée par chaque téléviseur connaissant leur puissance de fonctionnement. • La différence entre ces deux énergies correspond à l’économie d’énergie réalisée sur un an. • Calculer le montant correspondant. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer le montant facturé.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

154

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions En un an, quelle économie d’énergie élecde nature scientifique. trique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED ? En déduire l’économie financière correspondante.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 40 À chacun son rythme – Chauffe-eau électrique Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Un chauffe-eau électrique convertit de l’énergie électrique en énergie thermique qui permet de chauffer de l’eau. Doc. 2 : La puissance de fonctionnement du chauffe-eau est donc de 2 400 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle sera la durée t nécessaire pour de nature scientifique. augmenter la température de 40 °C des 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer l’énergie nécessaire pour porter 200 L d’eau de 20 °C à 60 °C, soit augmenter la température de 40 °C. • En déduire la durée de fonctionnement t à partir de la relation E = 3 × t. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer l’énergie nécessaire. • Utilisation de la relation E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 7

155

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 43 À chacun son rythme – Illumination des Champs-Élysées Classe : �������������������������� Nom de l’élève : �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 3

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Il est dit que la consommation électrique des illuminations de Noël de l’avenue des Champs-Élysées a été équivalente à celle d’une famille de quatre personnes en un an.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : L’énergie électrique consommée par les Identifier des questions illuminations des Champs-Élysées en 2016 de nature scientifique. est-elle identique à la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an ? Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’énergie consommée par les illuminations de Noël des Champs-Élysées. • Calculer dans un second temps la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer l’énergie consommée en un an.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

156

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM »

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Domaines du socle

MO DU LE

8

Les signaux lumineux et les signaux sonores

Programme du cycle 4 Des signaux pour observer et communiquer Attendus de fin de cycle • Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…). • Utiliser les propriétés de ces signaux.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…) Utiliser les propriétés de ces signaux Signaux lumineux L’exploitation de la propagation rectiligne de la lumière dans le Distinguer une source primaire (objet lumineux) d’un objet vide et le modèle du rayon lumineux peut conduire à travailler sur les ombres, la réflexion et des mesures de distance. diffusant. Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves aux lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux. risques d’emploi des sources lumineuses (laser par exemple). Utiliser l’unité « année-lumière » comme unité de distance.

Les élèves découvrent différents types de rayonnements (lumière visible, ondes radio, rayons X…).

• Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation, année lumière. • Modèle du rayon lumineux. Signaux sonores Décrire les conditions de propagation d’un son.

Les exemples abordés privilégient les phénomènes naturels et les dispositifs concrets : tonnerre, sonar...

Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.

Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves aux risques auditifs.

• Vitesse de propagation. • Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons. Signal et information Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Identifier un signal et une information

Identifier différentes formes de signaux (sonores, lumineux, radio…). • Nature d’un signal, nature d’une information, dans une application simple de la vie courante.

158

Thème 4

Introduire de façon simple la notion de signal et d’information en utilisant des situations de la vie courante : feux de circulation, voyant de charge d’un appareil, alarme sonore, téléphone… Élément minimum d’information (oui/non) et représentation par 0, 1.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Connaissances et compétences associées

Progression curriculaire retenue dans les manuels Caractériser différents types de signaux Utiliser les propriétés de ces signaux

Signaux lumineux Signaux lumineux Signaux lumineux Distinguer une source primaire (objet Distinguer une source primaire (objet Distinguer une source primaire (objet lumineux) d’un objet diffusant. lumineux) d’un objet diffusant. lumineux) d’un objet diffusant. Exploiter expérimentalement la propaga- Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide tion rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux. et le modèle du rayon lumineux. Utiliser l’unité « année lumière » comme unité de distance.

Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux. Utiliser l’unité « année lumière » comme unité de distance.

• Lumière : sources, propagation, vitesse • Lumière : sources, propagation, vitesse • Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation. de propagation, année-lumière. de propagation, année-lumière. • Modèle du rayon lumineux.

• Modèle du rayon lumineux.

• Modèle du rayon lumineux.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Signaux sonores Signaux sonores Signaux sonores Décrire les conditions de propagation Décrire les conditions de propagation Décrire les conditions de propagation d’un son. d’un son. d’un son. Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation. • Vitesse de propagation.

• Vitesse de propagation. • Notion de fréquence : sons audibles.

• Vitesse de propagation. • Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.

Signal et information • Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.

Signal et information • Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.

Signal et information • Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.

Module 8

159

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendus de fin de cycle : MI : maîtrise insuffisante • Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…). MF : maîtrise fragile • Utiliser les propriétés de ces signaux. MS : maîtrise satisfaisante TBM : très bonne maîtrise

MI Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux.

MF

MS

Activités TBM 1, 2

Distinguer une source primaire d’un objet diffusant.

2

Déterminer la vitesse de propagation d’un son.

3

Décrire les conditions de propagation d’un son.

3

Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.

4

Définir et utiliser l’année-lumière

1

Savoir que certains rayonnements lumineux sont invisibles par l’Homme.

2

Identifier les avantages de la lumière pour transmettre une information.

3, 5

Caractériser un son audible par sa fréquence.

4

Utiliser la vitesse de propagation d’un son ou d’un rayonnement lumineux pour calculer une distance.

1, 4

Nommer quelques rayonnements invisibles par l’Homme.

2

Caractériser un son audible et un son inaudible (ultrasons, infrasons).

3

Savoir que des rayonnements invisibles, de même nature que la lumière, permettent de transmettre une information.

5

Fichier modifiable et disponible dans le manuel numérique.

Vu en 4e QCM Flash

p. 144 du manuel

160

Thème 4

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

b.    2  a.    3  b. et c.    4  c.    5  b.    6  b.    7  c.    8  a. et c. 1 

AC TIV ITÉ

1 La mesure de la distance Terre-Lune a-t-elle toujours été précise ?

p. 147 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la mesure de distance en utilisant la lumière. Elle montre comment la connaissance de la vitesse de la lumière (ainsi que la pose de réflecteur sur la Lune) a permis d’améliorer la précision de la distance Terre-Lune. L’hypothèse d’Aristarque fait l’objet de coups de pouce qui pourront être utilisés par les élèves. 1 La distance Terre-Lune d a été parcourue deux fois par le faisceau laser durant la durée t = 2,56 s, ainsi :

v = 2d  , donc d = v × t = 300 000 × 2,56 = 384 000 km. t 2 2 2 D’après le doc. 2, la Lune met une heure pour disparaître complètement, passage de la position 1 à la position 2 sur le schéma ci-dessous. Lune Sens de déplacement de la Lune



Terre

1 2

Sens de déplacement de la Lune

3

Terre

Soleil

La Lune restant durant deux heures dans l’ombre de la Terre avant de réapparaître, elle met encore une heure pour passer de la position 3 à la 4 . Lune Sens de déplacement de la Lune



Soleil

Elle met donc une heure pour parcourir une distance égale à son diamètre. Elle passe donc de la position 2 à la position 3 en une heure. Lune



1 2

1 2 3

Terre

Soleil

4

Elle a donc parcouru une distance égale à trois fois son diamètre dans l’ombre de la Terre. 3 D’après le schéma et la réponse à la question précédente, le diamètre de la Terre dT est trois fois plus grand

que le diamètre de la Lune dL. dT = 3 × dL. © Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4 Le doc. 2 nous fournit la valeur suivante :

d dT – L = 29 × dL = 29 × T  . 3 5 On peut calculer la distance à partir de l’évaluation d’Aristarque : d 12 740 dT – L = 29 × dL = 29 × T = 29 × = 123 153 km. 3 3 La distance Terre-Lune connue aujourd’hui est de 384 000 kilomètres. La mesure faite par Aristarque n’est pas précise, mais elle a été faite avec de simples observations astronomiques. Un pas vers le bilan La distance d parcourue par la lumière durant une durée t connaissant sa vitesse de propagation s’exprime par : d = v × t. Module 8

161

AC TIV ITÉ

2 La radiographie est-elle un acte médical sans danger ?

p. 148 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité La radiographie (doc. 2) Une vidéo en accès libre présente la découverte par Röntgen des propriétés des rayons X. Elle revient sur la première radiographie, celle de la main de Madame Röntgen et présente le caractère amusant, plutôt que médical, qu’avait la radiographie à ses débuts. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de revenir sur les rayonnements invisibles pour l’œil humain. En classe de quatrième, seuls les rayonnements ultraviolets et infrarouges ont été traités. Nous abordons donc les rayonnements de même nature que la lumière, mais invisibles à l’œil nu, tout en présentant les risques que certains peuvent présenter. Volontairement, nous n’avons pas abordé la notion de fréquence des ondes lumineuses, hors-programme en cycle 4. 1 Les rayonnements ionisants cités dans le doc. 1 sont les rayonnements ultraviolets, les rayons X et les rayons

gamma (γ ). 2 Les rayons X traversent les tissus mous mais ne traversent pas les os. Cette propriété est utilisée lors d’un

examen radiologique car les os et les tissus mous n’auront pas le même aspect sur la radio. 3 Les rayonnements ionisants sont dangereux pour la santé et peuvent provoquer des maladies. Les rayons X

utilisés en radiographie sont des rayonnements ionisants. Le manipulateur radio doit donc se protéger. 4 La radiographie n’est pas un acte sans danger car elle utilise des rayons X qui sont ionisants. Il convient de

limiter l’exposition aux rayons X en évitant de pratiquer un examen inutile.

Un pas vers le bilan

162

Thème 4

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Les ondes radio, les micro-ondes, les rayonnements ultraviolets, les rayonnements infrarouges, les rayons X, les rayons gamma sont des rayonnements invisibles pour l’Homme.

AC TIV ITÉ

3 L’être humain entend-il comme les animaux ?

p. 149 du manuel

Matériel • Un G.B.F. (générateur de basses fréquences). • Un haut-parleur. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Matériel (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente le matériel nécessaire pour réaliser l’expérience. La totalité de la vidéo présentant l’expérience est accessible sur le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Il faut veiller à avoir un haut-parleur présentant une large gamme de réponse en fréquence. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Dans cette activité, nous revenons sur la notion de fréquence d’un son, déjà abordée en classe de quatrième. Nous introduisons les termes d’ultrasons et d’infrasons pour la première fois. L’élève doit comprendre qu’un son n’est audible par l’Homme que si fréquence est comprise dans une certaine plage de fréquences et que cette plage est différente de celle de nombreux animaux. Le prolongement permet de comprendre que la gamme des sons audibles par l’Homme varie également avec l’âge. 1 Les fréquences des sons audibles par l’Homme vont de 20 Hz à 20 kHz, soit 20 000 Hz. 2 Il faut brancher le haut-parleur au générateur de basses fréquences. En faisant varier la fréquence du son

produit, on constate que l’on n’entend plus de son pour des fréquences inférieures à 20 Hz et supérieures à 20 000 Hz environ. 3 Les animaux comme les éléphants, les chats, les chiens, les dauphins entendent des sons inaudibles par

l’Homme. Nous n’entendons donc pas comme les animaux.

Un pas vers le bilan Infrasons

Sons graves

Sons inaudibles

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

0

Sons audibles

20

Sons aigus

Ultrasons Sons inaudibles

20 000

Fréquence (en Hz)

Prolongement Sur le schéma donné, on constate que ce sont les sons aigus, sons audibles de plus grande fréquence, qui deviennent inaudibles pour l’être humain lorsqu’il vieillit.

Module 8

163

AC TIV ITÉ

4 Comment une chauve-souris repère-t-elle ses proies ?

p. 150 du manuel

Matériel • Un télémètre à ultrasons. Vidéos et animations en lien avec l’activité Le télémètre à ultrasons (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente une mesure de distance à l’aide d’un télémètre à ultrasons. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Les télémètres à ultrasons se trouvent facilement dans le commerce à des prix abordables. Le fonctionnement des télémètres laser n’est pas basé sur le même principe. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Nous abordons dans cette activité la mesure de distance à l’aide d’un signal sonore ou ultrasonore par le biais d’une analogie entre la chauve-souris et le télémètre à ultrasons. Les élèves sont ainsi amenés à utiliser la relation entre la vitesse de propagation d’un son v, la distance d qu’il parcourt et sa durée de propagation t. La difficulté réside ici dans le fait que le son parcourt un aller-retour entre le télémètre et l’obstacle. 1 Exemple d’hypothèse : la chauve-souris pousse un cri sous forme d’ultrasons et attend l’écho. En fonction de

la durée de l’aller-retour, elle en déduit la distance la séparant de sa proie. 2 Par exemple, les dimensions de la pièce avec le télémètre sont de 10,20 m de long, 6,50 m de large et 2,50 m

de haut. 3 Le télémètre mesure la durée t entre l’émission d’ultrasons et leur réception. La distance d entre le télémètre

et l’obstacle a été parcourue deux fois, soit une distance 2 d par courue par les ultrasons. Connaissant la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air, il est possible de calculer la distance d. v = 2d  , donc d = v × t  . t 2 4 À l’instar d’un télémètre, la chauve-souris émet des ultrasons. À partir de la durée mise pour réceptionner l’écho, elle déduit la distance qui la sépare de sa proie.

Un pas vers le bilan

164

Thème 4

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

La distance d parcourue par un son se propageant à la vitesse v durant une durée t vaut : d = v × t.

AC TIV ITÉ

5 Comment une information est-elle transmise depuis l’espace ?

p. 151 du manuel

Matériel • Un dispositif permettant de transmettre une information sonore par le biais d’un signal lumineux. Vidéos et animations en lien avec l’activité Texte d’introduction Une vidéo en accès libre présente les premiers pas de l’Homme sur la Lune. Transmission d’une information sonore (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente le dispositif permettant de transmettre un signal lumineux à l’aide d’un faisceau laser. La totalité de la vidéo est accessible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Le son est produit par le téléphone relié à l’émetteur laser. Le seul son entendu est celui émis par le haut-parleur relié au récepteur qui reçoit le faisceau lumineux. Lorsque l’on coupe le faisceau lumineux il n’y a plus de son transmis. Rosetta et Philae (doc. 2) Un lien en accès libre par les élèves pointe vers la page internet du CNES, qui permet de prolonger l’étude du voyage de la sonde Rosetta jusqu’à la comète Tchourioumov-Guérassimenko. Compléments Le dispositif présenté dans le manuel est commercialisé par la société Sciencéthic. Il est possible de réaliser soit même un dispositif équivalent pour une somme modique. Pour réaliser le dispositif d’émission, on utilise un générateur de mélodie, une alimentation à pile et une DEL haute luminescence. Le dispositif de réception est quant à lui composé d’un phototransistor, d’une alimentation et d’un haut-parleur. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la transmission d’une information de nature sonore ou lumineuse à travers l’espace, donc à travers le vide. L’élève sait déjà, au travers des diverses activités réalisées, que l’information sonore ne peut pas être transmise dans le vide ni sur un grande distance. Nous n’abordons pas ici les contraintes techniques, qui ne sont pas de niveau Cycle 4. Cette activité permet à l’élève de vérifier que l’information transmise depuis l’espace est de même nature que la lumière car elle en a la même vitesse. 1 Lorsqu’on interpose un obstacle sur le faisceau laser, le son n’est plus transmis. Le son produit par le téléphone

est donc transmis par la lumière du laser. 2 Les informations de Rosetta sont reçues sur Terre à condition que l’on réceptionne le signal de même nature

que la lumière. Il ne faut donc pas d’obstacle entre Rosetta et la Terre.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

3 D’après le doc. 2, la distance parcourue par les ondes radio est de 500 millions de kilomètres, soit 500 × 106 km.

La durée de parcours est de 28 minutes, soit : t = 28 × 60 = 1 680 s. Ainsi, la vitesse de propagation des ondes vaut : 6 v = d = 500 × 10 = 2,98 × 105 km/s, soit environ 300 000 km/s. t 1 680 Les ondes radio voyagent à la vitesse de la lumière, ce qui confirme qu’elles sont de même nature que la lumière. 4 Depuis l’espace, une information est transmise depuis l’émetteur à l’aide d’un signal de même nature que la

lumière. Parvenu sur Terre, il est réceptionné pour être traité.

Un pas vers le bilan La communication, donc la transmission d’informations, est réalisée depuis l’espace à l’aide d’ondes radio, de même nature que la lumière.

Module 8

165

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ QCM 1  a.

4  b.

2  c.

5  c.

3  a.

6  a.

7  Calculer une distance 1. La relation permettant de calculer la distance est : d = v × t. 2. On utilise la relation précédente pour calculer la distance entre la Terre et le Soleil : d = v × t avec d en km si t est en s et v en km/s. Donc d = 3 × 105 × 500 = 150 × 106 km. Le Soleil est situé à 150 millions de kilomètres de la Terre. 8  Comparer des distances L’étoile la plus éloignée est Mirzam car sa lumière met 500 ans pour parvenir sur Terre. Elle est donc située à 500 années-lumière. Sirius est quant à elle située à 8,6 années-lumière. 9  Calculer une durée On calcule la durée t de parcours : 14 v = d ; donc t = d = 1,08 × 105 = 3,6 × 108 s. t v 3 × 10 La lumière met 3,6 × 108 secondes pour parvenir de Procyon sur Terre. 10  Maîtriser l’année-lumière 1. L’année-lumière représente la distance parcourue par la lumière en un an. 2. Alphae Minoris est située à 431 années-lumière de la Terre. Ainsi, la lumière émise par Alphae Minoris met 431 ans pour parvenir sur Terre.

Les signaux sonores QCM 11  a.

13  c.

12  c.

14  a.

15  Comparer les fréquences 1. L’éléphant est capable d’entendre des sons de plus basses fréquences que les sons audibles par l’Homme. Il est capable d’entendre des infrasons.

166

Thème 4

2. Les chiens et chats sont capables d’entendre des sons de plus hautes fréquences que ceux audibles par l’Homme. Ce sont des ultrasons.

16  Calculer une distance à l’aide d’un son 1. La distance parcourue par les ultrasons vaut : d = v × t = 340 × 0,06 = 20,4 m. Les ultrasons parcourent une distance de 20,4 mètres en 0,06 seconde. 2. La distance parcourue correspond à un aller-retour. La pièce a donc une longueur ¯ égale à : ¯ = d = 20,4 = 10,2 m. 2 2 17  Calculer une durée On calcule la durée nécessaire pour entendre le son après l’illumination : v = d ; donc t = d = 400 = 1,2 s. t v 340 La personne perçoit le son 1,2 s après l’illumination.

La transmission d’informations QCM 18  a., b., c.

19  b.

20  Identifier un mode de transmission 1. Les ondes radio sont de même nature que la lumière. La vitesse de propagation de la lumière est nettement plus grande que celle du son. L’information est donc transmise plus rapidement. Les ondes radio permettent aussi une transmission sur une grande distance. 2. Les ondes radio transmettent ici des informations de nature sonore et lumineuse (télévision). 3. L’antenne située sur le toit d’une maison représente le récepteur dans la chaîne de transmission d’informations. 21  Repérer la transmission d’informations a. L’envoi d’un sms se fait par le biais de rayonnements invisibles de même nature que la lumière. b. L’appui sur la touche de la télécommande permet d’envoyer une information par rayonnement invisible de même nature que la lumière au poste de télévision. c. La prise d’un selfie ne constitue pas une transmission d’informations. d. Les ultrasons ne sont pas des rayonnements lumineux.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Les signaux lumineux

p. 154 et 155 du manuel

EX ER CI CE S

Se  perfectionner 22  Le sonar pour pêcher 1. Les sons émis par le sonar ont des fréquences allant de plusieurs dizaines de kilohertz à plusieurs centaines de kilohertz. L’Homme n’entend pas les sons dont la fréquence est supérieure à 20 kilohertz. Les sons émis par le sonar ne sont donc pas audibles par l’Homme. 2. Ces sons sont inaudibles et de grandes fréquences : on les nomme des ultrasons. 3. La distance d entre le bateau et le banc de poissons a été parcourue deux fois par les ultrasons. Ainsi : 2d = v × t ; –3 donc d = v × t = 1 500 × 43 × 10 = 32 m. 2 2 Le banc de poisson se trouve à 32 mètres du bateau.

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23  Rayons X et toiles de maîtres 1. Les rayons X sont des rayonnements de même nature que la lumière, mais ils ne sont pas visibles par l’Homme. 2. Par exemple, le scanner ou la radiographie sont des techniques médicales utilisant des rayons X. 3. La nature morte est composée d’une peinture colorée ne comportant pas de plomb, contrairement à la peinture représentant les deux lutteurs. Les rayons X traversent la peinture, sauf celle contenant du plomb, ils révèlent ainsi le tableau original. 24  Mesure de la vitesse de la lumière par Galilée 1. Dans l’expérience décrite par Galilée, chaque expérimentateur doit dévoiler la lumière de sa lanterne lorsqu’il détecte la lumière émise par la lanterne de l’autre expérimentateur. Plus ils s’éloigneront l’un de l’autre, plus la durée entre l’émission et la réception de la lumière devrait augmenter. 2. a. Lorsque les expérimentateurs sont éloignés de 0,50 mille, la lumière parcourt 1 mille pour effectuer un aller-retour. d = 1 609 m = 1,609 km. La durée vaut ainsi : t = d = 1,6095 = 5,4 × 10–6 s v 3 × 10 = 5,4 μs. b. Lorsque les expérimentateurs sont éloignés de 10 milles, la lumière parcourt 20 milles pour effectuer un aller-retour. d = 1 609 × 20 = 32 180 m = 32,18 km. La durée vaut ainsi : t = d = 32,185 = 1,07 × 10–4 s v 3 × 10 = 0,107 ms. 3. Ces deux durées sont petites et non mesurables à l’époque de Galilée. L’expérience n’a pas été concluante pour cette raison.

p. 156 et 157 du manuel

25  Danger des sons 1. Pour évaluer le danger d’un son, il est nécessaire de prendre en compte la durée d’exposition, la distance à la source sonore et le niveau sonore. 2. Si la distance à la source sonore augmente, le danger diminue. Si la durée d’exposition augmente, le danger augmente. Si le niveau sonore augmente, le risque augmente également. 3. À chaque fois que la distance double, on perd 6 dB (doc. 3). De plus, pour être en sécurité, il faut être soumis à un niveau sonore inférieur à 80 dB. Dans le cas étudié, le niveau sonore est de 98 dB à 2 mètres. Il est donc de 92 dB à 4 mètres, puis de 86 dB à 8 mètres, et enfin de 80 dB à 16 mètres. La distance minimale doit être supérieure à 16 mètres. 26  Vitesse du son et contrôle de qualité Tâche complexe

Question posée : L’huile d’argan dont le test est décrit dans le doc. 2 est-elle pure ou mélangée ? 1re étape : Bien comprendre la question posée Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une huile mélangée ? 2. De quel test est-il question ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une huile mélangée est une huile qui n’est pas à 100 % constituée d’huile d’olive ou d’huile d’argan, qui sont des huiles onéreuses. Une huile mélangée contient de l’huile de table, ce qui permet d’augmenter les profits et trompe le client (doc. 1). 2. La vitesse de propagation du son dans l’huile dépend du pourcentage en huile d’argan (doc. 1). Un dispositif permet de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile. Pour l’huile considérée, les ultrasons sont réfléchis à une distance de 4,12 mm de l’émetteur, pour une durée de parcours de 5,2 μs (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique La vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan testée est-elle la même que la vitesse de propagation des ultrasons dans une huile d’argan pure ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’huile testée en utilisant les données du doc. 2. • Repérer sur le graphique du doc. 3, le pourcentage d’huile d’argan. • Conclure quant à la pureté de l’huile. Module 8

167

EX ER CI CE S

1 595

Vitesse de propagation du son (en m/s)

1 590 1 585 1 580 1 575 1 570

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Pureté de l’huile (en %)

L’huile est pure à 50 % environ. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. L’huile d’argan ne possède pas un degré de pureté de 100 %, elle est donc mélangée. Grille d’évaluation en fin de module.

168

Thème 4

27  Satellite phone Traduction : Dans ce schéma, plusieurs satellites gravitent autour de la Terre à plusieurs milliers de miles par heure. Dans cet exemple, un téléphone communique avec un téléphone satellite. L’appel téléphonique est acheminé vers le satellite. Le satellite retransmet le signal sur Terre. Le téléphone satellite reçoit le signal radio et le convertit en signal audio d’origine. 1. Le satellite tourne autour de la Terre à 11 000 mph, soit : v = 11 000 × 1,609 = 17 699 km/h. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion en se basant sur une durée d’une heure. Distance (en mile)

Distance (en km)

1

1,609

11 000

d

d = 10 000 × 1,609 = 17 699. 1 Le satellite parcourt 17 699 kilomètres en une heure ; il se déplace donc à une vitesse de 17 699 km/h. 2. Le signal est un signal radio, de même nature que la lumière. 3. La distance minimale parcourue par le signal de transmission est deux fois la distance entre la Terre et le satellite, soit deux fois 6 000 miles. La durée de transmission est minimale quand le satellite se trouve à la verticale dans le ciel, soit : t = d = 6 000 × 2 × 1,609 = 0,064 s. v 3,0 × 105 Le texte indique une durée d’environ 0,1 seconde. L’ordre de grandeur est le même. 4. L’information transmise est de nature sonore.

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5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contxte et introduire la problématique. L’huile d’olive ou l’huile d’argan sont onéreuses. Pour tromper le client, il arrive parfois que l’une ou l’autre soit mélangée à de l’huile de table moins chère (doc. 1). Pour évaluer la pureté d’une huile, on peut utiliser un dispositif qui mesure la vitesse de propagation d’ultrasons dans cette huile. La vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan testée est-elle la même que celle mesurée dans une huile d’argan pure ? • Mettre en forme la réponse Le doc. 2 permet de recueillir les données suivantes : • La distance émetteur – surface de l’huile de 4,12 mm est parcourue deux fois par les ondes ultrasonores. • La durée de l’aller-retour vaut 5,2 μs. La vitesse de propagation des sons dans l’huile vaut : –3 v = 2d = 2 × 4,12 × 10 = 1 585 m/s. t 5,2 × 10–6 En utilisant le graphique du doc. 3, on détermine le pourcentage de pureté de l’huile d’argan.

EX ER CI CE S

SePrendre préparerunpour bon le départ brevet 28  Échographie 1. Les fréquences des sons émis par la sonde de l’échographe vont de 1,5 MHz à 7 MHz. Ces fréquences sont supérieures à celle des fréquences les plus hautes, audibles par l’Homme, soit 20 000 kHz. On peut donc parler d’ultrasons pour qualifier ces sons. 2. Lors d’une échographie : a. La sonde est l’émetteur d’ultrasons. b. Les ultrasons se propagent dans le corps humain. c. Le récepteur est également la sonde. 3. Les ultrasons ont parcouru deux fois la distance d qui sépare la sonde de la partie réfléchissante du corps humain. On a donc 2 d = v × t ; –5 soit : d = v × t = 1 500 × 2,4 × 10 = 0,018 m = 1,8 cm. 2 2 Les ultrasons se sont réfléchis à 1,8 cm de la sonde.

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29  La mission Rosetta 1. Rosetta transmet des informations grâce à des ondes radio, de même nature que la lumière. 2. Les informations transmises se déplacent dans le vide.

p. 159 du manuel

3. Les ondes radio étant de même nature que la lumière, elles se déplacent à la vitesse de la lumière, soit 3 × 105 km/h. On calcule alors la durée t pour parcourir la distance de 510 millions de kilomètres : 6 t = d = 510 × 10 = 1,7 × 103 s, soit 28 min et 20 s. 5 v 3 × 10 La durée mise par les ondes radio pour parcourir 510  millions de kilomètres est de 28  minutes et 20 secondes. 4. La durée de parcours des ondes radio entre Rosetta et la Terre confirme le délai de communication qui est de 28 minutes et 20 secondes. 5. On calcule la force d’attraction gravitationnelle avec la formule donnée : F = 6,67 × 10–11 × mP ×2mT d  100 × 1,0 × 1013 = 1,67 × 10–4 N. –11 = 6,67 × 10 × (20 000)2 Lorsqu’il est largué de Rosetta, Philae est soumis à une force d’attraction gravitationnelle exercée par Tchouri de 1,67 × 10–4 N. 6. Rosetta a parcouru 20 kilomètres en 7 heures. Sa vitesse de déplacement est donc : v = d = 20 = 2,86 km/h. t 7

Module 8

169

EX ER CI CE S

Accompagnement  personnalisé

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Peut-il y avoir un phénomène d’écho lors de la représentation d’un chanteur sur cette scène ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que le phénomène d’écho ? 2. Quand se manifeste-t-il ? 3. De quelle scène est-il question ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions (doc. 1). 2. On perçoit un écho lorsque le décalage de temps entre le son émis directement et le son réfléchi est supérieur à 100 millisecondes (doc. 1). 3. Le doc. 2 indique les dimensions de la scène ainsi que la distance qui sépare l’artiste du spectateur. 3e étape : Dégager la problématique Comparer le décalage temporel entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 millisecondes. 4e étape : Construire la réponse • Déterminer les distances parcourues par le son pour atteindre le spectateur, directement d’une part, et après réflexion sur l’arrière de la scène d’autre part (doc. 2). • Pour chaque distance, déterminer la durée nécessaire au son pour parvenir au spectateur depuis l’artiste. • Calculer le décalage temporel et le comparer à la durée de 100 millisecondes. • Conclure. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions. On perçoit un écho lorsque le décalage de temps est supérieur à 100 millisecondes (doc. 1). Comparons le décalage temporel entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 millisecondes. • Mettre en forme la réponse. Le son émis par l’artiste sur scène peut parvenir de deux manières au spectateur : soit directement, soit indirectement après une réflexion sur l’arrière de la scène.

170

Thème 4

La distance d2 entre l’artiste et le spectateur vaut 15 mètres (doc. 2). La durée mise par ce son pour parvenir directement au spectateur vaut : d t1 = 2 = 15 = 0,044 s. v 340 Un son qui est réfléchi par l’arrière de la scène parcourt deux fois la distance d1 et une fois la distance d2 pour parvenir indirectement au spectateur (doc. 2) d = d1 × 2 + d2 = 2 × 10 + 15 = 35 m. La durée mise par ce son pour parvenir indirectement au spectateur vaut : t2 = d = 35 = 0,103 s. v 340 Le décalage temporel t entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène vaut : t = t2 – t1 = 0,103 – 0,044 = 0,059 s, soit 59 ms. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Cette durée est inférieure à 100 millisecondes. Il n’y a donc pas de phénomène d’écho perceptible par le spectateur. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Sur le schéma, la distance parcourue par un son émis par l’artiste pour atteindre directement le spectateur est d2 qui vaut 15 mètres. 2. Un son qui est réfléchi par l’arrière de la scène parcourt deux fois la distance d1 et une fois la distance d2. d = d1 × 2 + d2 = 2 × 10 + 15 = 35 m. 3. La distance supplémentaire vaut : d ' = 35 – 15 = 20 m. 4. La durée correspondante est de : t = d ' = 20 = 0,059 s = 59 ms. v 340 5. La durée t est inférieure à 100 ms, il n’y a donc pas de phénomène d’écho lors de la représentation du chanteur.

31  Pour aller plus loin 1. Le signal ultrasonore parcourt deux fois la distance D, ainsi d = 2 × D. 2. Sur le schéma, on constate qu’il y a deux carreaux d’écart entre le signal émis et le signal reçu. La durée correspondante est donc deux fois celle correspondant à un carreau, soit : tD = 2 × 1 = 2 μs. 3. On peut déterminer la distance séparant l’émetteur et le défaut : d = v × t avec d en m si t est en s et v en m/s. Donc d = 5 000 × 2,0 × 10–6 = 0,01 m.

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30  À chacun son rythme

p. 160 et 161 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

La distance D vaut donc : D = d = 0,01 = 0,005 m = 5 mm. 2 2 Le défaut se trouve à 5 mm de la surface du support.

32  À chacun son rythme Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Calculer la durée nécessaire pour communiquer avec Curiosity lorsque la Terre et Mars sont les plus éloignées l’une de l’autre.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que Curiosity ? 2. Comment Curiosity communique-t-il avec la Terre ? 3. Quelles sont les trajectoires de la Terre et de Mars par rapport au Soleil ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Curiosity est un robot autonome placé par la NASA sur la planète Mars en 2012 (doc. 1). 2. Curiosity communique avec la Terre grâce aux ondes radio, de même nature que la lumière. Les ondes radio voyagent donc à 3 × 105 km/s (doc. 2). 3. Le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil est de 1,5  × 108 km. Celui de l’orbite de Mars autour du Soleil est de 2,28 × 108 km (données). 3e étape : Dégager la problématique Quelle distance sépare les planètes Terre et Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire alors la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre.

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4e étape : Construire la réponse • Déterminer cette distance d séparant Mars à la Terre à l’aide d’un schéma. • Calculer alors la durée de propagation des ondes radio. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes Présenter le contexte et introduire la problématique. Curiosity est un robot placé sur Mars par la NASA en 2012. Il communique des informations précieuses qu’il envoie à l’aide d’ondes radio, de même nature que la lumière (doc. 1). Quelle distance sépare les planètes Terre et Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre. • Mettre en forme la réponse. Lorsque Mars et la Terre sont le plus éloignées l’une de l’autre, elles sont de part et d’autre du Soleil sur leurs orbites respectives, comme le montre le schéma ci-après.

Mars

RM

RT

Terre

Cette distance d est donc égale à : d = RT + RM = 1,50 × 108 + 2,28 × 108 = 3,78 × 108 km. Ainsi, on peut en déduire la durée de transmission de l’information par Curiosity connaissant la vitesse de propagation des ondes radio (doc. 2) : 8 t = d = 3,78 × 10 = 1 260 s, soit 21 min. 5 v 3 × 10 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Un message informatif envoyé par le robot Curiosity sur Terre met 21 minutes à parvenir jusqu’à la Terre lorsque la Terre et Mars sont le plus éloignées l’une de l’autre. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. et 2. On représente la trajectoire, ainsi que les deux planètes lorsqu’elles sont les plus éloignées l’une de l’autre. Elles sont alors de part et d’autre du Soleil sur leurs orbites respectives.

Mars

RM

RT

Terre

3. Ce sont des ondes radio, de même nature que la lumière, qui sont transmises par Curiosity. 4. La distance la plus éloignée entre la Terre et Mars est la somme des deux rayons des orbites : d = RT + RM = 1,50 × 108 + 2,28 × 108 = 3,78 × 108 km. Ainsi, on peut en déduire la durée de transmission de l’information par Curiosity : 8 t = d = 3,78 × 10 = 1 260 s, soit 21 min. 5 v 3 × 10 Un message informatif envoyé par le robot Curiosity sur Terre met 21 minutes à parvenir jusqu’à la Terre lorsque la Terre et Mars sont le plus éloignées l’une de l’autre. Module 8

171

EX ER CI CE S

172

Thème 4

34  Comprendre le vocabulaire D’après le doc. 1, Écho est condamnée à répéter ce que les autres ont dit avant elle. Son nom est à l’origine du mot « écho » qui désigne un phénomène sonore durant lequel le son se répète après réflexion sur un obstacle (voir l’exercice 30). De même, lors d’une échographie, les ultrasons émis par la sonde sont reçus en écho après réflexion sur certaines parties du corps humain. On obtient donc une image qui dépend des parties constituant la zone inspectée.

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33  Analyser sa production 1. La durée en seconde correspondant à une année est : t = 60 × 60 × 24 × 365 = 31 536 000 s. 2. La distance d est exprimée en fonction de la durée t et de la vitesse de propagation v par la relation : d = v × t. La distance d est exprimée en kilomètres (km), la vitesse de propagation v est exprimée en kilomètres par seconde (km/s) et la durée t est exprimée en seconde (s). 3. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an, soit : d = 3,0 × 105 × 31 536 000 = 9,5 × 1012 km. Une année-lumière vaut 9,5 × 1012 km.

CO M PL ÉM EN T Grille d‘évaluation par compétence d’une tâche complexe 26 Vitesse du son et contrôle de qualité Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Une huile mélangée est une huile qui n’est pas à 100% constituée d’huile d’olive ou d’huile d’argan. Elle contient de l’huile de table, ce qui permet de duper le client. Doc. 2 : Un dispositif permet de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile. Pour l’huile considérée, les ultrasons sont réfléchis à une distance de 4,12 mm de l’émetteur, pour une durée de parcours de 5,2 μs. Doc. 1 : La vitesse de propagation du son dans l’huile dépend du pourcentage en huile d’argan.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions La vitesse de propagation des ultrasons de nature scientifique. dans l’huile d’argan testée est-elle la même que la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan pure ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan. • Repérer sur le doc. 3, le pourcentage d’huile d’argan. • Conclure ne revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation : v = d . t • Lecture graphique.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 8

173

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 À chacun son rythme – L’écho sur une scène de théâtre Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions. Doc.1 : On perçoit un écho lorsque le décalage de temps entre le son émis directement et le son réfléchi est supérieur à 100 ms. 3. Le doc. 2 indique les dimensions de la scène ainsi que la distance qui sépare l’artiste du spectateur.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la distance parcourue par le son jusqu’au spectateur, directement d’une part et après réflexion sur l’arrière de la scène d’autre part (doc. 2). • Pour chaque distance, déterminer la durée nécessaire au son pour parvenir au spectateur depuis l’artiste. • Comparer les durées et conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Lecture du schéma. d • Utilisation de la relation : t = . v

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

174

Thème 4

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Comparer le décalage temporel entre le de nature scientifique. son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 ms.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 32 À chacun son rythme – Curiosity sur Mars Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Curiosity est un robot autonome placé par la NASA sur la planète Mars en 2012. Doc. 2 : Curiosity communique avec la Terre grâce aux ondes radio, de même nature que la lumière. Les ondes radio voyagent donc à 300 000 km/s. Données : Le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil est de 1,5 × 108 km. Celui de l’orbite de Mars autour du Soleil est de 2,28 × 108 km.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle distance sépare les planètes Terre et de nature scientifique. Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire alors la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la distance d séparant Mars à la Terre à l’aide d’un schéma. • Calculer la durée de propagation des ondes radio. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. d • Utilisation de la ralation t = . v

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 8

175

SU JET

Réviser pour le brevet

1 L‘acidification des océans

p. 171 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires les aident à construire ce paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1 Pour la première équation :

Élément

Avant la transformation

Après la transformation

Carbone (C)

1×1=1

1×1=1

Oxygène (O)

1×2+1×1=3

1×3=3

Hydrogène (H)

1×2=2

1×2=2

Élément

Avant la transformation

Après la transformation

Calcium (Ca)

1×1=1

1×1=1

Oxygène (O)

1×3+1×3=6

2×3=6

Hydrogène (H)

1×2=2

2×1=2

Carbone (C)

1×1+1×1=2

2×1=2

Charge électrique

Avant la transformation

Après la transformation

+

0

1×2=2

–

0

2×1=2

Bilan

0

0

Pour la seconde équation de réaction :

Conservation de la charge électrique :

Il y a donc conservation des éléments et de la charge électrique. 2 La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau forme de l’acide carbonique. Le pH va donc diminuer. 3 D’après le doc. 2, lorsque le pH est plus faible, la dissolution de carbonate de calcium est plus importante.

L’équation de réaction 2 indique que le carbonate de calcium réagit avec l’acide carbonique, présent dans une eau acidifiée par dissolution du dioxyde de carbone.



Tâche complexe

Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre (doc. 1). Plus il y a de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, plus l’eau s’acidifie en formant de l’acide carbonique (doc. 1 et 3). Or le carbonate de calcium constituant les coquilles des mollusques et des Grille d’évaluation page suivante.

176

Réviser pour le brevet

coraux réagit avec l’acide carbonique (doc. 2 et 3). Les coquilles sont alors plus fragiles (doc. 1). L’accroissement des rejets de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone est donc néfaste pour les animaux à coquille marins. © Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

1 L‘acidification des océans

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Plus il y a de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, plus l’eau s’acidifie. Cela fragilise les coquilles des mollusques marins. Doc. 2 : Lorsque le pH est plus faible, la dissolution de carbonate de calcium est plus importante. Doc. 3 : La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau forme de l’acide carbonique. L’acide carbonique réagit avec le carbonate de calcium.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment les modifications de de nature scientifique. pH de l’océan détruisent le carbonate de calcium des coquillages ou des coraux. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Relier l’accroissement des émissions de dioxyde de carbone et l’acidification des océans. • Expliquer la conséquence de l’acidification des océans sur les organismes marins à coquille en argumentant à l’aide des équations de réaction. • Conclure en revenant sur la problématique.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique Compréhension d’une équation de réaction. à une autre. Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

177

SU JET

Réviser pour le brevet

2 Le barrage de Serre-Ponçon

p. 172 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 3. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 4.

Questions préliminaires 1 La ressource hydraulique, source d’énergie utilisée par la centrale est une source renouvelable car elle est

exploitable sans limite de durée à l’échelle humaine. 2 L’eau dans le barrage possède de l’énergie potentielle de position. 3

Énergie potentielle de position

Énergie cinétique

Énergie électrique

Tâche complexe

• Corrigé succinct L’énergie est liée à la puissance et à la durée par la relation E = 3 × t avec E en kWh lorsque 3 est en kW et t en h. La durée de fonctionnement de la centrale est donc : E 700 × 106 t= =  = 1 842 h. 3 380 × 103 Cette durée correspond à un fonctionnement de : 1 842 = 77 jours. 24 La centrale ne fonctionne pas en continu tout au long de l’année. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une centrale hydroélectrique ? 2. De quelle centrale hydroélectrique est-il question ? 3. Quelles sont ses caractéristiques ? 4. Que signifie : « fonctionner en continu » ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une centrale hydroélectrique produit de l’électricité à partir d’une chute d’eau (doc. 2). 2. La centrale hydroélectrique dont il est question est celle de Serre-Ponçon, située dans les Hautes-Alpes (doc. 1). 3. Avec une production d’environ 700 millions de kWh par an, soit 700 × 106 kWh, et une puissance de 380 MW, soit 380 × 103 kW, c'est la centrale hydraulique la plus puissante de la région Provence-­AlpesCôte d'Azur (doc. 2). 4. Fonctionner en « continu » signifie fonctionner toute la journée et tous les jours de l’année, soit environ 365 jours. Cette information n’est pas présente dans les documents. Grille d’évaluation page suivante. 178

Alternateur

Réviser pour le brevet

3e étape : Dégager la problématique Calculer la durée de fonctionnement de la centrale. 4e étape : Construire la réponse • Calculer, en heure, la durée de fonctionnement de la centrale. • La convertir en jour. • Comparer cette durée à la durée d’une année. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une centrale hydroélectrique produit de l’électricité à partir d’une chute d’eau (doc. 2). La centrale hydroélectrique de Serre-Ponçon est située dans les Hautes-Alpes. Avec une production d’environ 700 millions de kWh par an et une puissance de 380 MW, c'est la centrale hydraulique la plus puissante de la région Provence-Alpes-Côte d'Azur (doc. 1). On nous demande de calculer la durée de fonctionnement de la centrale. • Mettre en forme la réponse. Calculons la durée de fonctionnement de la centrale. On sait que E = 3 × t avec E en kWh lorsque 3 est en kW et t en h (doc. 3). La durée de fonctionnement de la centrale est donc : E 700 × 106 t= = = 1 842 h. 3 380 × 103 Cette durée correspond à un fonctionnement de : 1 842 =77 jours. 24 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Une année comporte environ 365 jours. La centrale ne fonctionne donc pas en continu tout au long de l’année.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4

Conduite forcée

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

2 Le barrage de Serre-Ponçon

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Production d’environ 700 millions de kWh par an et une puissance de 380 MW. Doc. 3 : E = 3 × t.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. Calculer la durée de fonctionnement de la centrale. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer, en heure, la durée de fonctionnement de la centrale. • La convertir en jour. • Comparer cette durée à la durée, en jour, d’une année. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme Les expressions littérales sont données, de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont à une autre. cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

179

SU JET

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3 Sécurité routière

p. 173 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 3. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 4. Questions préliminaires 1 D’après le doc. 2, c’est l’action mécanique des plaquettes de freins sur les disques qui permet à la voiture de s’arrêter. 2

Énergie cinétique

Plaquettes de frein

Énergie thermique

a. L’expression de l’énergie cinétique d’un objet en fonction de sa vitesse et de sa masse est : 3  1 × m × v 2. 2 b. Plus la vitesse est importante et plus l’énergie cinétique à convertir en énergie thermique par les plaquettes de frein est importante. Cela prend plus de temps. La distance de freinage est donc plus grande. E=

Tâche complexe

• Corrigé succinct L’automobiliste roule à une vitesse de 90 km/h. Cette vitesse, exprimée en m/s vaut : 90 v= = 25 m/s. 3,6 Son temps de réaction est de 1 seconde. La distance parcourue pendant cette durée est : d = v × t = 25 × 1 = 25 m. À partir de cet instant, le véhicule freine. La distance de freinage se déduit de la courbe du doc. 3. En utilisant la courbe rouge (route mouillée) et une vitesse de 25 m/s, on lit une distance de freinage de 85 m sur le graphique. La distance d’arrêt vaut donc : d = 25 + 85 = 110 m. Le conducteur n’a pas le temps d’arrêter son véhicule sur sol mouillé. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Sur quelle route l’automobiliste circule-t-il ? 2. La pluie a-t-elle une conséquence sur la distance de freinage ? 3. Que doit faire l’automobiliste lorsque le feu passe à l’orange ? 4. Qu’est-ce que le temps de réaction ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Cette information n’est pas présente dans les documents mais n’est pas nécessaire pour répondre. L’idée est de montrer aux élèves que toutes leurs questions sont acceptées et le rôle du professeur est de discuter avec les élèves de la pertinence de leurs questions. 2. La pluie augmente la distance de freinage d’un véhicule (doc. 3). 3. Lorsque le feu passe à l’orange le conducteur doit freiner (doc. 1). 4. C’est la durée qui s’écoule entre l’instant où l’automobiliste voit le risque et l’instant où il décide d’agir (doc. 1). Grille d’évaluation page suivante. 180

Réviser pour le brevet

3e étape : Dégager la problématique La distance d’arrêt est-elle suffisamment petite pour stopper le véhicule avant d’arriver au feu de signalisation ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance de réaction. • Déterminer graphiquement la distance de freinage. • En déduire la distance d’arrêt. • Comparer cette distance à la distance séparant le véhicule du feu de signalisation. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un automobiliste route à 90 km/h sur une route. Un feu passe à l’orange et il doit freiner. On nous demande si la distance d’arrêt est suffisante pour stopper le véhicule à temps. • Mettre en forme la réponse. L’automobiliste roule à une vitesse de 90 km/h. Cette vitesse, exprimée en m/s vaut : 90 v= = 25 m/s. 3,6 Son temps de réaction est de 1 seconde. La distance parcourue pendant cette durée est : d = v × t = 25 × 1 = 25 m. À partir de cet instant le conducteur appuie sur la pédale du frein. La distance de freinage se déduit de la courbe du doc. 3 : d’ = 85 m. La distance d’arrêt est donc égale à : D = d + d’ = 25 + 85 = 110 m. On constate que cette distance est plus grande que la distance séparant le feu du véhicule à l’instant où le feu est passé à l’orange : D . 100 m. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le conducteur n’a pas le temps d’arrêter son véhicule. Il n’aurait jamais dû rouler en excès de vitesse.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

4

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

3 Sécurité routière

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 3 : La pluie augmente la distance de freinage d’un véhicule. Doc. 1 : L’automobiliste doit freiner en urgence. Doc. 1 : Le temps de réaction est la durée qui s’écoule entre l’instant où l’automobiliste voit le risque et l’instant où il décide d’agir.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions La distance d’arrêt est-elle suffisante de nature scientifique. pour stopper le véhicule avant d’arriver au feu orange ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la distance de réaction. • Déterminer graphiquement la distance de freinage. • En déduire la distance d’arrêt. • Comparer cette distance à la distance séparant le véhicule du feu de signalisation. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme les calculs sont justes, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation d = v × t. • Lecture du graphique pour trouver la distance de freinage.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

181

SU JET

Réviser pour le brevet

4 La formule 1 et la formule E

p. 174 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. Les questions préliminaires les aident à construire la réponse à cette tâche complexe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1

Énergie utile

Énergie cinétique

Énergie exploitée

Énergie électrique

Moteur

Énergie dissipée

Énergie thermique 2 Le moteur de la formule E a une puissance de 170 kW. S’il fonctionne à pleine puissance, l’énergie consommée

par le moteur de la formule E vaut : E = 3 × t = 170 × 1 = 170 kWh. Soit E = 170 × 103 × 3 600 = 6,12 × 108 J. 3 Il y a disparition de certaines espèces chimiques et apparition d’autres espèces (CO2, H2O). C’est donc une

transformation chimique.

4 Le réservoir contient 100 kg d’essence.

m La masse volumique est donnée par la relation ρ =  . V m 100 Donc V = = = 133 L. ρ 0,75 Tâche complexe

• Corrigé succinct Les 133 L d’essence contenus dans le réservoir sont consommés en une heure pour la formule 1 (doc. 3). 1 L d’essence fournit 36 000 kJ = 3,6 × 107 J. L’énergie consommée en une heure vaut donc : E = 133 × 36 000 × 103 = 4,8 × 109 J, soit 48 × 108 J. La formule 1 nécessite plus d’énergie pour fonctionner en une heure. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la différence entre une formule 1 et une formule E ? 2. Quel type d’énergie une formule 1 ou une formule E utilisent-elles ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La formule E est un véhicule de course électrique alors que la formule 1 est à essence (doc. 1). 2. Le moteur de la formule E convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique et en énergie thermique (doc. 1). La formule 1 fournit de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique grâce à la combustion de l’essence (doc. 3). 182

Réviser pour le brevet

3e étape : Dégager la problématique Calculer l’énergie consommée lorsqu’un plein d’essence est consommé par la formule 1 et la comparer à l’énergie électrique consommée par la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure. 4e étape : Construire la réponse • Calculer l’énergie électrique consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance pendant une heure. • Déterminer le volume du réservoir de la formule 1. • Calculer l’énergie consommée en une heure par la formule 1. • Comparer les deux valeurs. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Des courses de voiture sont organisées avec des formules E, véhicule électrique, ou des formules 1, véhicules à essence. On cherche à calculer l’énergie consommée lorsqu’un plein d’essence est consommé par la formule 1 pour la comparer à l’énergie consommée par le moteur électrique de la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

5



• Mettre en forme la réponse. Calculons l’énergie consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance (doc. 2 et données) : E = 3 × t = 170 × 1 = 170 kWh. Soit E = 170 × 103 × 3 600 = 6,12 × 108 J. Déterminons le volume d’essence contenue dans un réservoir de formule 1 (doc. 2 et données) : m m 100 ρ =   donc V = = = 133 L. V ρ 0,75

Pour la formule 1, le plein est consommé en une heure (doc. 3), donc l’énergie consommée en une heure vaut : E’ = 133 × 36 000 × 103 = 4,8 × 109 J ; soit 48 × 108 J. On constate que E’ . E. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La formule 1 nécessite donc plus d’énergie pour fonctionner en une heure que la formule E.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Grille d’évaluation page suivante.

Réviser pour le brevet

183

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

4 La formule 1 et la formule E

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 et 3 : La formule E est un véhicule de course électrique alors que la formule 1 est à essence. Doc. 1 : Le moteur de la formule E convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique et en énergie thermique. Doc. 3 : La formule 1 fournit de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique grâce à la combustion de l’essence.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Calculer l’énergie consommée lorsqu’un Identifier des questions plein d’essence est consommé et la de nature scientifique. comparer à l’énergie consommée par la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Utilisation de la relation : E = 3 × t. à une autre. • Utilisation de la relation : ρ = m  . V • Calcul de l’énergie consommée en une heure par la formule 1.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique. 184

Réviser pour le brevet

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’énergie consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance pendant une heure. • Déterminer le volume du réservoir de la formule 1. • Calculer l’énergie consommée en une heure par la formule 1. • Comparer les deux valeurs. • Conclure en revenant sur la problématique.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

SU JET

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5 Vénus, une planète sèche

p. 175 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires les aident à construire le paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1 Il y a 4,5 milliards d’année, l’eau pouvait se trouver sous forme liquide sur Vénus. 2 Le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau. 3 Il est possible d’en déduire que la majorité du dioxyde de carbone était stocké par l’eau se trouvant sur Vénus. 4 La température a augmenté et l’eau n’a plus été présente sous forme liquide. L’eau s’est vaporisée : elle est

passée à l’état gazeux en formant de la vapeur d’eau. 5 L’eau s’est retrouvée dans l’atmosphère de la planète sous forme gazeuse. 6 Le dioxyde de carbone ne pouvant plus être dissous dans l’eau liquide s’est également accumulé dans l’atmos-

phère de la planète. 7



Tâche complexe

Vénus est une planète située à proximité du Soleil. Elle contenait de l’eau à l’état liquide il y a 4,5milliards d’années. Cette eau permettait de stocker le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère de la planète. Peu à peu, le Soleil fournissant davantage d’énergie, la température a augmenté sur la surface de Vénus. L’eau s’est alors vaporisée libérant du dioxyde de

carbone dans l’atmosphère. L’eau et le dioxyde de carbone étant des gaz à effet de serre, une partie de l’énergie thermique a été retenue dans l’atmosphère de la planète. La température a alors encore augmenté, accélérant l’assèchement de la planète et la libération de gaz à effet de serre.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Grille d’évaluation page suivante.

Réviser pour le brevet

185

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

5 Vénus, une planète sèche

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Il y a 4,5 milliards d’années, l’eau pouvait se trouver sous forme liquide sur Vénus. Doc. 1 : Le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau. Doc. 1 : L’énergie thermique produite par le Soleil s’est accrue. Doc. 1 : L’eau s’est vaporisée. Doc. 2 : L’eau et le dioxyde de carbone sont des gaz à effet de serre.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment l’évolution de de nature scientifique. l’énergie thermique produite par le Soleil a été à l’origine de l’assèchement de la planète Vénus.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique à une autre. Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

186

Réviser pour le brevet

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Expliquer que l’énergie thermique produite par le Soleil a évolué au cours du temps. • Décrire l’évolution des états physiques de l’eau et du dioxyde de carbone. • Expliquer le mécanisme de l’effet de serre. • Conclure en revenant sur la problématique.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

SU JET

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6 Mission vers Mars

p. 176 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. La question préliminaire 4 les aide à construire la résolution. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir cette question préliminaire en aide partielle. La tâche est complexe car l’élève doit mobiliser ses connaissances et les mettre en lien avec la situation proposée afin de construire le raisonnement. Le doc. 2 ne suffit pas pour répondre.

Questions préliminaires 1 a. Sur Mars, l’eau se trouve à l’état solide, liquide ou gazeux.

b. Le dioxyde de carbone se trouve à l’état solide ou gazeux 2 Il se produit une sublimation dans la calotte Sud. 3

Élément



Avant la transformation

Après la transformation

Azote (N)

4×1=4

2×2=4

Hydrogène (H)

4 × 4 = 16

6 × 2 + 4 × 1 = 16

Chlore (Cl)

4×1=4

4×1=4

Oxygène (O)

4 × 4 = 16

6 × 1 + 5 × 2 = 16

L’équation de la réaction vérifie la conservation des éléments. 4 Lorsque la fusée quitte le sol, la poussée des moteurs, dirigée vers le haut, est supérieure au poids, dirigé vers

le bas :

Poussée

Poids

5

Tâche complexe

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

• Corrigé succinct Poids de la fusée : P = m × g = 500 × 1 000 × 9,8 = 4,9 × 106 N. Une fusée décolle si la force de poussée est supérieure au poids de la fusée. La force de poussée doit donc être supérieure à 4,9 × 106 N. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment une fusée décolle-t-elle ? 2. Qu’est-ce que la force de poussée d’une fusée ? 3. La force de poussée est-elle la seule force exercée sur la fusée ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une partie de cette information n’est pas présente dans les documents. Elle demande à l’élève de mobiliser ses connaissances.

La fusée utilise le principe des actions réciproques éjectant derrière elle de la matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur(s). Les gaz sont produits par une succession de réactions chimiques (doc. 2). La force exercée par la fusée sur les gaz éjectés est égale à la force exercée par les gaz sur la fusée. 2. La force de poussée est la force exercée par les gaz sur la fusée. 3. La fusée est également soumise au poids de la fusée. Cette information est donnée indirectement par les données  ; elle peut également être issue des connaissances des élèves. L’aide partielle issue de la question 4. peut être fournie. 3e étape : Dégager la problématique Comparer la valeur du poids de la fusée à la force de poussée.

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187

4e étape : Construire la réponse • Établir un bilan des forces exercées sur la fusée. • Schématiser la situation. • Calculer le poids de la fusée. • Comparer sa valeur à celle de la force de poussée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une fusée, pour décoller, produit des gaz par une succession de réactions chimiques (doc. 2). Éjectés par le moteur, ils agissent réciproquement sur la fusée pour la faire décoller. On nous demande de calculer le poids de la fusée et de comparer sa valeur à celle de la force de poussée.

Calculons le poids de la fusée : P = m × g = 500 × 103 × 9,8 = 4,9 × 106 N. Une fusée décolle si la force de poussée est supérieure au poids de la fusée. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Afin que la fusée décolle, la force de poussée doit donc être supérieure à 4,9 × 106 N.

• Mettre en forme la réponse. La fusée est soumise à deux forces :

Poussée

Poids



188

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Grille d’évaluation page suivante.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

6 Mission vers Mars

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Connaissances et données : La fusée utilise le principe des actions réciproques, éjectant derrière elle de la matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur(s). La force exercée par la fusée sur les gaz éjectés est égale à la force exercée par les gaz sur la fusée. Doc. 2 : Les gaz sont produits par une succession de réactions chimiques. Connaissances et données : La fusée est soumise à son poids et à la poussée des moteurs.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer le poids de la fusée et de de nature scientifique. comparer sa valeur à celle de la force de poussée. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Établir un bilan des forces exercées sur la fusée. • Schématiser la situation. • Calculer le poids de la fusée. • Comparer sa valeur à celle de la force de poussée. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme Les expressions littérales sont données, de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont à une autre. cohérentes. Utilisation de la relation : P = m × g.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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189

SU JET

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7 Production et distribution

p. 177 du manuel

de l’énergie électrique

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 3. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 4.

Questions préliminaires 1 Du charbon, du gaz naturel ou du fioul sont brûlés dans la centrale thermique (doc. 1) : la source d’énergie est

non renouvelable. 2 La combustion est une transformation chimique. Lorsque l’eau entre en ébullition, elle subit une transformation

physique. 3 La durée est de 15 minutes, soit

est donc :

15 = 0,25 h. L’énergie électrique consommée par la friteuse pendant 15 minutes 60

E = 3 × t = 2 000 × 0,25 = 500 Wh. Tâche complexe

• Corrigé succinct 3 2 000 + 2 300 3 = U × I donc I = = = 18,7 A. U 230 On constate que I . 16 A : le disjoncteur se déclenche (doc. 2) • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un disjoncteur ? 2. Pourquoi un disjoncteur se déclenche-t-il ? 3. Quelle est la puissance d’une friteuse ? d’un four ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un disjoncteur est placé en début de l’installation électrique. Il peut être assimilé à un interrupteur (doc. 2). 2. Un disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité qui circule dans le circuit est supérieure à une certaine valeur. Cette valeur est de 16 A dans l’installation décrite (doc. 2). 3. La friteuse a une puissance de 2 000 W. Le four a une puissance de 2 300 W (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse et un four en même temps, l’intensité qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ?



4e étape : Construire la réponse • Déterminer la puissance totale des deux appareils électriques. Grille d’évaluation page suivante.

190

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• Calculer l’intensité traversant le circuit électrique. • Comparer cette valeur à l’intensité maximale supportée par le disjoncteur. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Dans une installation domestique, un disjoncteur coupe le circuit lorsque l’intensité atteint une valeur de 16 A. Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse et un four en même temps, l’intensité qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ? • Mettre en forme la réponse. Déterminons la puissance des deux appareils lorsqu’ils fonctionnent en même temps (doc. 2) : 3 = 2 000 + 2 300 = 4 300 W. Calculons l’intensité circulant dans le circuit (doc. 2 et connaissances) : 3 4 300 3 = U × I donc I = = = 18,7 A. U 230 Le disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité atteint 16 A (doc. 2). On constate que I . 16 A. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le disjoncteur va donc se déclencher. Il faudrait sans doute revoir l’installation électrique car il n’est pas envisageable, au quotidien, qu’un disjoncteur coupe l’alimentation avec si peu d’appareils électriques en fonctionnement.

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4

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

7 Production et distribution de l’énergie électrique

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Un disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité du courant qui circule dans le circuit est supérieur à 16 A. Doc. 2 : La friteuse a une puissance de 2 000 W. Le four a une puissance de 2 300 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse de nature scientifique. et un four en même temps, l’intensité du courant qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la puissance totale des deux appareils électriques. • Calculer l’intensité du courant traversant le circuit électrique. • Comparer cette valeur à l’intensité du courant maximale supportée par le disjoncteur. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. à une autre. • Calcul de la puissance totale. • Utilisation de la relation 3 = U × I.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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191

SU JET

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8 Le drone

p. 178 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 4. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 5.

Questions préliminaires 1 Le poids vaut : P = m × gT = 1,280 × 9,8 = 12,5 N (donnée et doc. 4).

Direction : verticale. Sens : vers le bas.

2 D’après le doc. 3, un objet soumis à deux forces est en équilibre si les deux forces sont égales en valeur, de

même direction et de sens opposés. La portance est donc opposée au poids. Direction : verticale. Sens : vers le haut. Valeur : F = P = 12,5 N. 3 D’après le doc. 2, le mouvement du drone est rectiligne et accéléré lors de sa phase d’envol. 5 Il y a 4 moteurs de 40 W chacun, donc 3 = 4 × 40 = 160 W (doc. 4).

3 = U × I donc I = Tâche complexe

• Corrigé succinct Puissance totale des quatre moteurs (doc. 4) : 3 = 40 × 4 = 160 W. Calculons la durée de fonctionnement (doc. 4 et connaissances) : E 68 E = 3 × t donc t = = = 0,425 h. 3 160 • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un drone ? 2. Comment fonctionne-t-il ? 3. Quelle est la puissance des quatre moteurs du drone ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un drone est un engin capable de voler comme un hélicoptère (doc. 1). 2. Il fonctionne grâce à quatre moteurs alimentés par une batterie. Chaque moteur entraîne une hélice qui tourne (doc. 1 et 4). 3. Chaque moteur a une puissance de 40 W (doc. 4).



3e étape : Dégager la problématique Calculer la durée maximale de vol lorsque les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. Grille d’évaluation page suivante.

192

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4e étape : Construire la réponse • Déterminer la puissance totale des quatre moteurs. • Calculer la durée maximale de fonctionnement. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un drone est un engin volant à quatre hélices entraînées par quatre moteurs de 40 W chacun, alimentés par une batterie de 15,2 V. On nous demande de calculer la durée maximale de vol lorsque les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. • Mettre en forme la réponse. Déterminons la puissance totale des quatre moteurs (doc. 4) : 3 = 40 × 4 = 160 W. Calculons la durée de fonctionnement (doc. 4 et connaissances) : E 68 E = 3 × t donc t = = = 0,425 h. 3 160 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le drone pourra fonctionner au maximum 0,425 h, soit 25 minutes et 30 secondes.

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6

P 160 = = 10,5 A. U 15,2

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

8 Le drone

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Un drone fonctionne grâce à quatre moteurs alimentés par une batterie. Doc. 4 : La batterie a une tension de 15,2 V. Doc. 4 : Chaque moteur a une puissance de 40 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer la durée maximale de vol lorsque de nature scientifique. les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la puissance totale des quatre moteurs. • Calculer la durée maximale de fonctionnement. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. à une autre. • Calcul de la puissance totale. • Utilisation de la relation : E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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193

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SU JET

9 Rosetta, une mission assistée

p. 179 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires peuvent les aider à s’approprier les documents mais elles ne sont pas nécessaires à la rédaction du paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe de la question 4.

Questions préliminaires 1 D’après le schéma du doc. 1, les trajectoires de Vénus, la Terre et Mars sont circulaires. 2 Les ondes radio mettent 28 minutes pour effectuer le trajet entre Rosetta et la Terre, et elles se déplacent à la

vitesse de la lumière (doc. 3). d v = ;  donc d = v × t = 3 × 105 × (28 × 60) = 5 × 108 km. t 3 a.

Rosetta

b. FTerre sur Rosetta = 6,67 × 10–11 ×

Terre

mT × mR

d2 24 3 FTerre sur Rosetta = 6,67 × 10–11 × 6 × 10 × 3 × 10 (5 × 108 × 103)2 FTerre sur Rosetta = 4,8 × 10–6 N.



Tâche complexe

La sonde Rosetta a été envoyée dans l’espace depuis la Terre pour étudier la comète Tchouri. Pour se libérer de l’attraction gravitationnelle exercée par la planète sur la sonde, il faut dépenser beaucoup d’énergie. Comme il n’existe pas de lanceur suffisamment puissant, la technique de l’assistance gravitationnelle a été utilisée (doc. 1). Cette méthode consiste à faire s’approcher la sonde d’une planète, comme la Terre (doc. 1 et 2) ou Mars. La planète attire la sonde qui voit sa vitesse augmenter (doc. 1 et 2). Grille d’évaluation page suivante.

194

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Cependant, sa trajectoire a été définie de telle sorte qu’elle ne s’écrase pas sur la planète. La vitesse atteinte est suffisante pour qu’elle s’arrache à l’influence de la planète et permette à la sonde de poursuivre sa route vers sa destination, avec une vitesse plus grande que lors de son approche. En passant de planète en planète, la sonde a ainsi pu accélérer pour atteindre des vitesses suffisantes. © Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

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CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

9 Rosetta, une mission assistée

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Rosetta est une sonde envoyée pour étudier la comète Tchouri. Doc. 1 : Il n’existe pas de lanceur suffisamment puissant. Doc. 1 : La sonde est passée près des planètes Terre et Mars. Doc.1 et 2 : La vitesse de la sonde augmente et sa trajectoire est modifiée.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment l‘attraction de nature scientifique. gravitationnelle d’une planète sur la sonde peut permettre d’économiser de l’énergie. Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Expliquer le problème que rencontrent les ingénieurs pour lancer une sonde. • Relier la modification de la vitesse de la sonde à l’attraction gravitationnelle. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. Passer d’une forme de langage scientifique • Lecture du schéma pour mettre en évidence l’augmentation de la vitesse. à une autre. • Utilisation de l’expression de la force d’attraction gravitationnelle.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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195

SU JET

Réviser pour le brevet

10 Tri des déchets

p. 180 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 4. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 5.

Questions préliminaires 1 Transformation physique : l’eau se vaporise.

Transformation chimique : le combustible est brûlé (combustion). 2

a b

 : État gazeux : molécules espacées et désordonnées.  : État liquide : molécules proches les unes des autres.

3

Énergie thermique

Chaudière

Énergie cinétique

Alternateur

Énergie électrique

4 On devrait remplacer « poids » par « masse » car les valeurs sont exprimées en tonne et 1 tonne = 1 000 kg. Tâche complexe

• Corrigé succinct Masse maximale du chargement : m = PTAC – PV = 32,000 – 14,200 = 17,800 t = 17 800 kg. Le volume maximal de fer que le camion peut transporter est : m m 17 800 ρ =  donc V = = = 2,25 m3. V ρ 7 900 • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quel camion s’agit-il ? 2. Quelle particularité présente le fer ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Il s’agit d’un camion destiné à recevoir des métaux recyclés. On dispose d’indications sur la masse maximale qu’il peut transporter (doc. 2). 2. On sait que le fer a une masse volumique de 7 900 kg/m3 (données). 3e étape : Dégager la problématique Calculer le volume de fer que le camion peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. 4e étape : Construire la réponse • Déterminer la masse du chargement. • En déduire le volume de fer. Grille d’évaluation page suivante.

196

Réviser pour le brevet

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un camion peut transporter un « poids » maximal de marchandises. On nous demande de calculer le volume de fer que le camion peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. • Mettre en forme la réponse Déterminons la masse maximale du chargement (doc. 2) : m = PTAC – PV = 32,000 – 14,200 = 17,800 t = 17 800 kg. Calculons le volume maximal de fer correspondant (données) : m m 17 800 ρ = donc V = = = 2,25 m3. V ρ 7 900 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le volume de fer maximal que le camion peut transporter est égal à 2,25 m3. Il faudrait néanmoins vérifier que ce chargement peut être contenu dans le camion en calculant le volume du camion. On dispose de la surface du total camion : S = 21,5 m2. La surface utile pour le chargement est plus petite, on peut prendre par exemple 15 m2. La hauteur de la benne du camion devrait alors être 2,25 supérieure à = 0,15 m = 15 cm ; ce qui doit être 15 vraisemblablement le cas.

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5

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

10 Tri des déchets

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Le camion dispose d’indications sur la masse maximale qu’il peut transporter. Données : Le fer a une masse volumique de 7 900 kg/m3.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer le volume de fer que le camion de nature scientifique. peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la masse du chargement. • En déduire le volume de fer. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme les calculs sont justes, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Calcul de la masse maximale du chargement. m • Utilisation de la relation : ρ =  . V

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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197

SU JET

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11 Voyager, une mission sans limite

p. 181 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. La question préliminaire 2 les aide à construire la résolution. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir cette question préliminaire en aide partielle.

Questions préliminaires 1 Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager, ce qui n’est pas le cas de la lumière. Or, entre la sonde et la Terre il n’y a pas de milieu matériel : la sonde est « dans le vide ». Le son ne peut donc pas se propager de la sonde à la Terre. 2 L’unité astronomique correspond à la distance entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 millions de

kilomètres. 3 Le doc. 2 donne la durée de l’aller-retour entre la sonde Voyager 1 et la Terre. La durée pour atteindre la Terre

est donc deux fois plus petite : 38 h 14 min 44 s t= = 19 h 07 min 22 s. 2 d 20 638 312 409 = = 3 × 105 km/s. 4 v= t 19 × 3 600 + 7 × 60 + 22 On retrouve approximativement la vitesse de la lumière qui est de 3 × 105 km/s. Tâche complexe

• Corrigé succinct Au début de l’année 2017, la distance entre la sonde Voyager 1 et le Soleil était de 20 527 020 241 km (doc. 2). Convertissons cette distance en unité astronomique (données) : 20 527 020 241 d= = 137 ua. 1,5 × 108 Cela est supérieur au rayon du Système solaire qui est de 50 ua, puisque son diamètre est de 100 ua (données). La sonde est donc sortie du Système solaire. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’est Voyager 1 ? 2. Où est Voyager 1 ? 3. Quelle est la taille du Système solaire ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Voyager 1 est une sonde envoyée par la NASA pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire (doc. 1). 2. Début 2017 la sonde Voyager était à une distance de 20 527 020 241 km du Soleil (doc. 2). 3. Le Système solaire a un diamètre de 100 ua (données) soit un rayon de 50 ua. 3e étape : Dégager la problématique Déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique.



4e étape : Construire la réponse • Convertir la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. • Comparer cette distance au rayon du Système solaire. Grille d’évaluation page suivante.

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5 e étape  : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La sonde Voyager 1 a été envoyée dans l’espace pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire (doc. 1). On nous demande de déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique et de la comparer cette distance à la taille du Système solaire. • Mettre en forme la réponse. Début 2017, la sonde Voyager 1 était à 20 527 020 241 km du Soleil (doc. 2). Convertissons cette distance en unité astronomique (données) : 20 527 020 241 d= = 137 ua. 1,5 × 108 Pour savoir si la sonde est dans le Système solaire, il faut comparer cette distance au rayon du Système solaire. Ce rayon est de 50 ua puisque le diamètre est de 100 ua (données). La distance entre la sonde est le Soleil était donc supérieure au rayon du Système solaire. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Début 2017 la sonde était à une distance du Soleil supérieure au rayon du Système solaire ; elle était donc sortie du Système solaire. Comme elle a été expédiée depuis la Terre, qui se trouve dans le Système solaire, et qu’elle en est sortie en éloignant du Soleil, il est probable qu’elle s’en éloigne encore et soit donc toujours en dehors du Système solaire.

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5

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

11 Voyager, une mission sans limite

Classe : ���������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Voyager 1 est une sonde envoyée par la NASA pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire. Doc. 2 : Début 2017, la sonde Voyager 1 était à une distance de 20 527 020 241 km du Soleil. Données : 1 ua = 1,5 × 108 km. Données : Le Système solaire a un diamètre de 100 ua.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. Déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Convertir la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. • Comparer cette distance au rayon du Système solaire. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Comprendre le tableau donnant les à une autre. distances. • Convertir la distance de km en ua. • Calculer le rayon du Système solaire.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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199

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

1 Collision d’une comète Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

Une représentation du Système solaire

éroïdes Ceinture d’ast

Doc. 2 La comète Shoemaker-Levy 9

Doc. 3 La bombe d’Hiroshima

• Shoemaker-Levy 9 est une comète qui a été découverte en mars 1993, alors qu’elle était en orbite autour de Jupiter. Elle a été très probablement «  capturée  » par la planète dans les années 1970. Jupiter est une planète 2,5 fois plus massive que toutes les autres planètes du Système solaire réunies. • En juillet 1994, lors de la traversée de l’atmosphère, la comète a ralenti et s’est échauffée au contact des gaz de l’atmosphère. Elle s’est ensuite fragmentée. © Everett Historical-shutterstock

Le bombardement sur la ville d’Hiroshima a eu lieu le 6 août 1945. Ce fut la première fois qu’une bombe nucléaire était employée à des fins militaires. L’énergie libérée fut égale à 6,3 × 1013 joules.

Questions préliminaires 1. Proposer une hypothèse permettant d’expliquer pourquoi la température de surface de Jupiter est si différente de celle de la Terre (doc. 1) 2. Quelle force a provoqué la « capture » de la météorite ShoemakerLevy 9 par Jupiter et sa chute vers Jupiter (doc. 2) ?

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 3, 5 et 6. Compétences évaluées

3. Qu’est-ce qui a provoqué le ralentissement et l’échauffement de la comète lorsqu’elle a traversé l’atmosphère (doc. 2) ?

1. Domaine 4 : Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique

4. Rappeler l’expression de l’énergie cinétique d’un objet en fonction de sa masse m et de sa vitesse v.

2. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

5. À combien de bombes de même type que celle d’Hiroshima correspond l’énergie cinétique du fragment au moment de l’impact  ? Commenter le résultat. 200

Notions abordées

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4. Restituer ses connaissances 5. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique

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• Un fragment, dont la masse a été évaluée à 1,3  × 1013 kg est alors entré en collision avec Jupiter à une vitesse de 60 km/s. Il s’est alors produit une boule de feu atteignant un pic de température d’environ 24 000 °C alors que la température moyenne de surface de Jupiter est de –160 °C environ.

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2 Deux comètes proches de la Terre Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

Les comètes P/2016 BA14 et 252P/Linear

En mars 2016, les comètes P/2016 BA14 et 252P/ Linear sont passées à quelques millions de kilomètres de la Terre. Les astronomes ont étudié leur composition afin de poursuivre l’étude de notre Système solaire. En effet, les comètes ont retenu sous une forme quasi intacte la matière présente dans le nuage de gaz à partir duquel le Système solaire s’est formé. Doc. 3 Aux origines de la vie

Des chercheurs ont réalisé en laboratoire, dans des conditions proches de celles régnant sur les comètes, la synthèse d’un sucre : le ribose. Ce sucre est fabriqué à partir d’eau, de méthanol et d’ammoniac, présents sur les comètes. Ce sucre est à la base de l’ARN, molécule présente chez pratiquement tous les êtres vivants.

Doc. 2 La trajectoire des comètes

Les comètes sont constituées essentiellement de glaces et de roches. Elles se déplacent sur des orbites très excentriques* qui les emmènent à de très grandes distances du Soleil. Lorsqu’une comète se rapproche du Soleil, ses glaces passent à l’état gazeux. Le nuage de gaz formé contient majoritairement de l’eau mais aussi du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2), de l’ammoniac (NH3), etc. La production de vapeur d’eau est d’autant plus importante que la comète est proche du Soleil. Comète Périhélie

Aphélie Soleil Orbite

*Le long d’une orbite excentrique, la comète n’est pas toujours à la même distance du Soleil. L’aphélie est le point le plus éloigné.

Structure de la molécule de ribose.

Notions abordées

© Hachette Livre, Physique-Chimie 3e – Livre du professeur

Questions préliminaires 1. D’où proviennent les molécules présentes dans les comètes (doc. 1) ? 2. a. Pourquoi une comète tourne-t-elle autour du Soleil (doc. 2) ? b. Quelle conséquence la forme de son orbite a-t-elle sur la transformation que subissent les glaces (doc. 2) ?

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1, 2, 3 et 5. Compétences évaluées

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques 2. Domaine 4 : Proposer une ou des hypothèses

3. Pourquoi peut-on dire que la synthèse du ribose est une transformation chimique (doc. 3) ?

3. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

4. Domaine 4 : Interpréter des résultats expérimentaux

4. En s’aidant des réponses aux questions 1. à 4., rédiger un texte expliquant comment l’étude des comètes permet d’imaginer une étape de l’apparition de la vie sur Terre.

5. Domaine 1 : Utiliser la langue française pour rendre compte des observations Réviser pour le brevet

201

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3 L’équipement des plongeurs Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

La « stab » et la ceinture de plomb

• Un gilet de stabilisation (« stab ») est indispensable au plongeur qui l’utilise pour ajuster sa profondeur : il le gonfle pour remonter et il le dégonfle pour descendre. • Une ceinture lestée de plomb permet d’augmenter la masse du plongeur afin qu’il puisse descendre.

© Eyüp Alp ERMIS/shutterstock

Doc. 2 Un plongeur en interaction

• Un plongeur reçoit, de la part de l’eau, une force ­v erticale dirigée de bas en haut, appelée poussée ­d’Archimède FA :

Poussée d’Archimède

FA = ρeau × Vplong. × g

avec FA en N, ρeau en kg/L et Vplong en L. • Un plongeur est toujours soumis à son poids P : P = m × g avec P en N, m en kg et g en N/kg.

Poids

• Le poids a tendance à faire descendre le plongeur et la poussée d’Archimède a tendance à le faire remonter. Si la poussée d’Archimède est inférieure au poids alors le plongeur descend ; si elle est supérieure au poids il remonte. Données • g = 9,8 N/kg. • Volume du plongeur : Vplong. = 104 L. • Masse volumique de l’eau salée : ρsalée = 1,03 kg/L.

2.a. Lorsque le plongeur reste à la même profondeur, comparer son poids et la poussée d’Archimède à laquelle il est soumis. b. Dans cette situation, en déduire que la masse volumique ρplong. du plongeur est égale à la masse volumique ρeau de l’eau. 3. Comparer les masses volumiques ρplong. et ρeau dans le cas où le plongeur descend. Tâche complexe 4. Quelle doit être la masse minimale du plongeur et de son équipement pour que celui-ci ne remonte pas à la surface lorsqu’il plonge dans de l’eau salée? 202

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Notions abordées

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1 et 5. Compétences évaluées

1. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique. 2. Domaine 4 : Développer des modèles simples pour expliquer des faits d’observations 3. Domaine 4 : Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences. 4. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique.

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Questions préliminaires 1. Exprimer la masse m du plongeur en fonction de sa masse volumique ρplong. et de son volume Vplong.

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4 Un saut record Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

Un record du monde de plongeon

Le 4 août 2015, Laso Schaller a établi un nouveau record du monde de plongeon de haut vol dans la région de Tessin en Suisse italienne. Le sportif suisse, né au Brésil, s’est élancé d’une plate-forme à 58,80 mètres de hauteur au-dessus d’une cascade, la Cascata del Salto, pour plonger dans le petit bassin de celle-ci […]. Un exploit qui l’a vu entrer dans l’eau à la vitesse de 122 km/h après presque 4 secondes de chute. Un saut d’une hauteur équivalente à celle d’un immeuble de 19 étages.

Doc. 2 Pointage vidéo du saut

Le pointage est effectué à intervalles de temps égaux.

France soir, édition du 20 août 2015.

Doc. 3 Énergie potentielle (de position)

L’énergie potentielle de position Ep d’un objet dépend de sa masse m et de son altitude par rapport à la surface de l’eau h : kilogramme (kg) joule ( J )

Ep = m × g × h

mètre (m)

© Lukas Pilz

newton par kilogramme (N/kg)

Données • Le sauteur a une masse de 75 kg. • 1 m/s = 3,6 km/h. • g = 9,8 N/kg.

Notions abordées

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Ce sujet permet de réviser des notions des modules 4, 5 et 6.

Questions préliminaires 1. Décrire le mouvement du sauteur lors de son saut (doc. 2). 2. a. Calculer la vitesse du plongeur sur l’ensemble du parcours (doc. 1). b. Comparer cette vitesse à la vitesse lors de son entrée dans l’eau, puis expliquer la différence observée.

Compétences évaluées

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques.

3. Identifier la force à laquelle est soumis le sauteur lors du saut et calculer sa valeur.

2. a. Domaine 4 : Mesurer des grandeurs physiques de manière directe ou indirecte. b. Domaine 4 : Interpréter des résultats expérimentaux

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Identifier des questions de nature scientifique.

4. La conversion d’énergie potentielle de position en énergie cinétique est-elle totale ? Argumenter la réponse.

4. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques. Réviser pour le brevet

203

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5 La formation de la vie sur Terre Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

La soupe primitive

Doc. 3 Les transformations chimiques

Au xxe siècle, le biochimiste soviétique Alexandre Ivanovitch Oparin (1894-1980) et le biochimiste anglais John Haldane (1892-1964), développent l’idée que sous l’action des rayons ultraviolets du Soleil ou d’éclairs, des composés chimiques de l’atmosphère primitive de la Terre (méthane, dioxyde de carbone, ammoniac, eau, etc..) auraient formé des molécules plus grosses qui ont rejoint ensuite les océans. Cette « soupe primitive » de molécules organiques serait à l’origine des premières cellules vivantes. Radiation UV

CO2 NH3

eau

méthanal glycine (acide aminé)

NH3 CO2

CH4 H20

Plusieurs transformations chimiques peuvent être envisagées pour produire des acides aminés à partir des constituants de l’atmosphère primitive :

méthane

CH4

Pluie Soupe primitive

acide cyanhydrique adénine (acide aminé) ammoniac

Données Atome

En 1953, Stanley Miller, jeune chercheur américain, met au point un dispositif amenant une vapeur d’eau enrichie en méthane, ammoniac et dihydrogène jusqu’à des électrodes, dans le but de reproduire l’action des éclairs sur l’atmosphère primitive. Il obtient alors cinq acides aminés, c’est-à-dire cinq espèces chimiques du même type que celles que l’on retrouve dans les protéines des êtres vivants.

C

N

O

Modèle

Doc. 4 Équations de réactions

Synthèse du méthanal : H2O + CH4 → CH2O + 2 H2 Synthèse de l’acide cyanhydrique : CH4 + NH3 → HCN + 3 H2

Doc. 5 Le ribose

Le ribose est une espèce chimique très présente qui joue un rôle important pour les êtres vivants, ­notamment dans la transcription de l’information génétique dans les cellules. Il peut être obtenu par réaction chimique entre plusieurs molécules de méthanal. 204

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Doc. 2 Une expérience historique

H

Questions préliminaires 1. Quelle indication dans le doc. 1 permet d’affirmer que les molécules citées sont solubles dans l’eau ? 2. Quels phénomènes ont permis de déclencher la transformation chimique dans l’atmosphère primitive (doc. 1) ? dans l’expérience de Miller (doc. 2) ?

Compétences évaluées

3. Vérifier que les atomes sont bien redistribués dans les deux réactions du doc. 4.

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

4. Combien de molécules d’acide cyanhydrique sont nécessaires pour synthétiser une molécule d’adénine (doc. 3) ? Justifier.

2. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Passer d’une forme de langage scientifique à une autre

5. En s’aidant des documents, rédiger un court texte expliquant comment des espèces chimiques comme les acides aminés ou le ribose, présentes dans les organismes vivants, ont pu apparaitre sur Terre.

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Notions abordées

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1 et 2.

4. Domaine 1 : Passer d’une forme de langage scientifique à une autre 5. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique.

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205

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

Corrigés des sujets supplémentaires

1 Collision d’une comète

1 Jupiter est sur une orbite beaucoup plus éloignée du Soleil que celle de la Terre (doc. 2). Cela peut expliquer sa

température moyenne plus basse que celle de la Terre. 2 C’est la force d’attraction gravitationnelle qui a provoqué la « capture » de la météorite Shoemaker-Levy 9 par

Jupiter. 3 Les frottements lors du contact du fragment avec les gaz de l’atmosphère ont provoqué le ralentissement et

l’échauffement de la comète lorsqu’elle a traversé l’atmosphère (doc. 1). 4 L’expression de l’énergie cinétique est : Ec = 5

1 × m × v2. 2

Tâche complexe

La vitesse de la comète est de 60 km/s soit 60 000 m/s. L’énergie cinétique du fragment de météorite vaut : 1 1 Ec = × m × v2 = × 1,3 × 1013 × (60 000)2 2 2



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Soit Ec = 2,34 × 1022 J. Cela correspond à : 2,34 × 1022 3,71 × 108 bombes. 6,3 × 1013

2 Deux comètes proches de la Terre

1 Les molécules présentes dans les comètes proviennent du nuage de gaz à partir duquel le Système solaire

s'est formé (doc. 1). 2 a. Une comète tourne autour du Soleil à cause de l’attraction gravitationnelle qu’exerce sur elle le Soleil.

b. Les glaces passent à l’état gazeux lorsque la comète est suffisamment proche du Soleil (doc. 2). 3 La synthèse du ribose est une transformation chimique car cette molécule est produite à partir de méthanol,

d’eau et d’ammoniac (doc. 3).



Tâche complexe

Les comètes contiennent des molécules présentes depuis la formation du Système solaire (doc. 1). Lorsque les comètes s’approchent du Soleil, les glaces contenant ces molécules se subliment (doc. 2). Les molécules présentes permettent de former du

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ribose, sucre à la base de l’ARN et molécule présente chez pratiquement tous les êtres vivants (doc. 3). L’étude de la composition des comètes permet donc d’imaginer une des étapes de l’apparition de la vie sur Terre.

3 L’équipement des plongeurs

1 La masse du plongeur s’exprime par la relation : mplong = ρplong × Vplong. 2 a. Lorsque le plongeur reste à la même profondeur, il est en équilibre. Les forces qui s’exercent sur lui se

compensent (doc. 2). Le poids est égal en intensité à la poussée d’Archimède à laquelle il est soumis. P = FA. b. Le poids P du plongeur s’exprime par : P = mplong × g = ρplong × Vplong × g. Or, le plongeur est en équilibre, donc P = FA. Ainsi, on peut écrire que : ρplong × Vplong × g = ρeau × Veau × g. Sachant que Vplong = Veau, on en déduit que : ρplong = ρeau. Lorsque le plongueur est en équilibre, sa masse volumique avec son équipement est égale à celle de l’eau. 206

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4

3 Comparer les masses volumiques ρplong et ρeau dans le cas où :

a. Si le plongeur descend, le poids est supérieur à la poussée d’Archimède, donc : P . FA ; ρplong . ρeau. b. Si le plongeur remonte, le poids est inférieur à la poussée d’Archimède donc : P , FA ; ρplong , ρeau.

4

Tâche complexe

Pour que le plongeur ne remonte pas à la surface, il faut que son poids soit supérieur ou égal à la poussée d’Archimède, soit P > FA. On déduit des questions précédentes que : m ρplong > ρeau. Or, ρplong = plong . Vplong

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

mplong  > ρeau, alors mplong > ρeau × Vplong ; Vplong mplong > 1,03 × 104 ; soit mplong > 107,1 kg.

Donc

Avec son équipement, le plongueur doit avoir une masse supérieure à 107,1 kg pour ne pas remonter à la surface.

4 Un saut record

1 Le mouvement du sauteur est rectiligne accéléré (doc. 2). 2 a. Lors de son saut, le sauteur parcourt 58,8 mètres en 4 secondes (doc. 1).

d 58,8 = = 14,7 m/s, soit 14,7 × 3,6 = 52,9 km/h. t 4 b. La vitesse est plus faible sur l’ensemble du parcours car elle évolue : c’est un mouvement accéléré.

Sa vitesse est : v =

3 Le sauteur est soumis à son poids qui vaut :

P = m × g = 75 × 9,8 = 735 N.

4

Tâche complexe

Lors de son saut, le sauteur convertit de l’énergie potentielle de position en énergie cinétique. En haut de la falaise, son énergie potentielle de position vaut (doc. 1 et 3) : E = m × g × h = 75 × 9,8 × 58,8 = 43 218p.

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Arrivé au niveau du niveau de l’eau, la vitesse du 122 sauteur est de 122 km/h, soit = 33,9 m/s. 3,6

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Il n’a alors que l’énergie cinétique (doc.1). 1 1 Ec = × m × v2 = × 75 × 33.92 + 43 067 1. 2 2 Lors de son saut, le sauteur ne convertit pas intégralement l’énergie potentielle de position en énergie cinétique. Une partie de l’énergie est dissipée par les frottements avec l’air.

5 La formation de la vie sur Terre

1 Dans le doc. 1, le passage qui permet d’affirmer que les molécules citées sont solubles dans l’eau est le solvant :

« les molécules formées ont rejoint ensuite les océans ». 2 Dans l’atmosphère primitive, c’est l’action des rayons ultraviolets du Soleil ou d’éclairs qui permettent de

déclencher la transformation chimique. Dans l’expérience de Miller, ce sont des électrodes.

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207

Corrigés des sujets supplémentaires

3 Pour l’équation de réaction de synthèse du méthanal :

Élément

Avant la transformation

C

1 × 1 = 1

Après la transformation 1 × 1 = 1

H

1 × 2 + 1 × 4 = 6

1 × 2 + 1 × 4 = 6

O

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

Pour l’équation de réaction de synthèse de l’acide cyanhydrique : Élément

Avant la transformation

Après la transformation

C

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

H

1 × 4 + 1 × 3 = 7

1 × 1 + 3 × 2 = 7

N

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

Dans les deux équations, les atomes sont bien redistribués. 4 L’adénine contient 5 atomes d’azote, 5 atomes d’hydrogène et 5 atomes de carbone. Il est donc formé par

5 molécules d’acide cyanhydrique. 5

Tâche complexe

Sous l’action de rayons UV ou d’éclairs, des molécules présentes sur Terre comme l’eau, l’ammoniac et le méthane ont réagi pour former du méthanal et de l’acide cyanhydrique (doc. 1 et 3). Ces molécules

ont formé par la suite des acides aminés et du ribose (doc. 2 et 5). Ces espèces chimiques sont présentes dans les organismes vivants.