Physique-Chimie cycle 4 / 4e - Livre du professeur - éd. 2017 2017025380, 9782017025382

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Mise en pages et schémas : Soft Office Couverture : Nicolas Piroux Édition : Valérie Dumur

1,100 kg éq. CO2

www.hachette-education.com © Hachette Livre 2017, 58 rue Jean Bleuzen, 92178 Vanves Cedex ISBN 978-2-01-702538-2

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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 4e – 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

MODULE

5 Les interactions

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 80 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 83 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 91 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 99

Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 18 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 23

MODULE

2 Les transformations chimiques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 28 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 31 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 38 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 44

MODULE

 ’organisation de la matière 3 L dans l’Univers

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 46 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 48 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 53 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 60

THÈME 2

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MODULE

Mouvement et interactions

4 Les mouvements

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 64 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 Exercices����������������������������������������������������������������������������������������������������� 71 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 77

THÈME 3

MODULE

L’énergie et ses conversions

6 L’énergie

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 102 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 104 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 109 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 116 MODULE

7 Les circuits électriques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 118 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 121 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 129 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 136

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��������������������������������������������������� 140 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 143 Exercices�������������������������������������������������������������������������������������������������� 148 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 153

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.

Connaissances et compétences associées

Exemples de situations, d’activités et de ressources 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.

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.

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.

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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

Compléments pédagogiques Dans les manuels de niveaux, nous avons fait le choix d’aborder les notions de masse volumique et de solubilité à partir de la 4e. Les calculs de masse ou de volume à partir de la masse volumique ou de la solubilité sont abordés en 3e. La relation de proportionnalité entre la masse et le volume d’une matière est en revanche abordée dès la classe de 5e. La composition de l’air est abordée en 4e. La description microscopique des états de la matière est abordée dès la 5e, puis réinvestie au cours des autres années du cycle. Les termes « molécule » et « atome » sont en revanche utilisés en 4e, lors de l’étude des réactions chimiques. Nous nous limitons en 5e au terme de « particule ».

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.

3, 8

Les états de la matière à l’échelle microscopique. Les changements d’état, la masse et le volume.

4, 5, 6 6

Les changements d’état et la température.

7, 8

La masse et le volume.

9, 10

Les corps purs et les mélanges.

1, 2, 5, 6

La composition de l’air.

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.

Vu en 5e QCM Flash

p. 10 du manuel 

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

Module 1

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AC TIV ITÉ

1 Comment une pollution peut-elle faire

disparaître la faune et la flore d’un lac ?

p. 13 du manuel

Matériel • De l’eau déminéralisée. • Une cartouche de dioxyde de carbone pour aquarium. • De l’eau de chaux. • Du papier indicateur de pH ou un pH-mètre. • Un bécher. • Une pipette Pasteur • Des tubes à essais. • Un tuyau souple adaptable sur la cartouche de CO2. Vidéos et animations en lien avec l’activité Deux vidéos, en accès libre, présentent l’expérience aux élèves : dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau, puis influence de cette dissolution sur le pH de la solution. 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. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de réinvestir les notions de corps pur et de mélange, ainsi que la notion d’acidité. Elle permet une première approche de la solubilité d’un gaz dans un liquide. 1 Le dioxyde de carbone est massivement rejeté par les usines. 2 Expérience proposée :



• On introduit de l’eau dans un tube à essais et on teste la présence de dioxyde de carbone en ajoutant quelques gouttes d’eau de chaux. • On plonge un tuyau relié à la cartouche de dioxyde de carbone dans un autre tube à essais rempli d’eau. On fait buller le gaz dans l’eau. • On ajoute de l’eau de chaux dans le tube à essais. Observation : • Avant l’introduction de dioxyde de carbone, l’eau de chaux ne se trouble pas. • Après l’introduction de dioxyde de carbone, l’eau de chaux se trouble. Or, l’eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone. Conclusion : Le dioxyde de carbone peut être dissous dans l’eau.



3 Expérience proposée :

On mesure le pH de l’eau avant et après avoir dissous du dioxyde de carbone dans l’eau. Exemples de mesures : pHavant dissolution = 7,8 ; pHaprès dissolution = 6,1. Lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau, le pH diminue. 4 Le dioxyde de carbone rejeté par les usines peut se dissoudre dans l’eau. Lorsqu’il se dissout, le pH de l’eau

diminue, donc l’eau s’acidifie. Or si le pH devient inférieur à 4,3, le lac « meurt » (doc. 2). Donc une pollution au dioxyde de carbone peut faire disparaître la faune et la flore d’un lac.

Un pas vers le bilan Les gaz présents dans l’atmosphère sont solubles dans l’eau, ils se retrouvent donc dans les cours d’eau.

10

Thème 1

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AC TIV ITÉ

2 L’air que nous respirons est-il pur ?

p. 14 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Un lien Internet, en accès libre, pointe vers une vidéo retraçant l’expérience de Lavoisier. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet de réinvestir les notions de corps pur et de mélange, et d’aborder la composition de l’air par le biais de l’Histoire des sciences. 1 L’apparition puis la disparition d’un composé rouge dans la cornue, ainsi que la diminution du volume de gaz

dans la cloche indiquent qu’il y a eu une transformation chimique. 2 Lavoisier place du mercure dans une cornue reliée à une cloche contenant de l’air. Il le met à chauffer. Il observe



que le volume de gaz diminue sous la cloche, qu’un oxyde de mercure, de couleur rouge, s’est formé et que le gaz restant sous la cloche éteint une bougie. Lavoisier met ensuite l’oxyde de mercure dans une cornue reliée à une cloche contenant de l’eau. Il fait chauffer l’oxyde de mercure. Il observe qu’un gaz apparaît dans la cloche et que ce gaz ravive la flamme d’une bougie. Donc il conclut de ces deux expériences que l’air est un mélange de gaz, l’un ne permettant pas la combustion d’une bougie ou la vie, l’autre ravivant la flamme d’une bougie. 3 L’expérience de Lavoisier montre que l’air est composé d’au moins deux gaz : l’air que nous respirons n’est pas

pur.

Un pas vers le bilan Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique. L’air que nous respirons contient au moins deux espèces chimiques : il ne constitue donc pas un corps pur, c’est un mélange.

Prolongement 1 5 de gaz respirable sous la cloche, c’est qu’il y a de gaz qui n’est pas respirable. 6 6 1 5 En pourcentage : Vgaz respirable = × 100 = 16,67 % ; Vgaz non respirable = × 100 = 83,33 %. 6 6 1. S’il y a

2. Page 21, la proportion annoncée est 21 % de dioxygène et 78 % de diazote.

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La différence observée vient peut-être du fait que tout le dioxygène n’a pas réagi dans l’expérience de Lavoisier.

Module 1

11

AC TIV ITÉ

3 Comment retrouver expérimentalement la composition de l’air ?

p. 15 du manuel

Matériel • De l’eau. • De la paille de fer. • Deux tubes à essais ou deux éprouvettes graduées. • Un cristallisoir. • Deux potences et des pinces. Vidéos et animations en lien avec l’activité Mise en œuvre d’un protocole expérimental (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, illustre la mise en œuvre du protocole expérimental permettant de retrouver la composition de l’air. 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. Dans cette vidéo, l’eau a été colorée pour augmenter la visibilité du phénomène. Le colorant n’a pas d’influence sur la transformation observée. L’expérience a été filmée pendant 30 h. Cette durée peut varier en fonction des conditions de l’expérience (ajout de sel ou non, paille de fer plus ou moins compactée). La transformation chimique n’évoluant plus une fois le dioxygène consommé, nous avons noté « après une semaine », sous le schéma de fin d’expérience, ce qui peut correspondre à l’intervalle entre deux séances. Compléments La transformation chimique entre le fer et le dioxygène étant lente, il convient de faire cette expérience sur deux séances, la 1re permettant la mise en place du protocole expérimental. On peut améliorer la cinétique de la réaction chimique en remplaçant l’eau par de l’eau salée. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de retrouver expérimentalement la composition de l’air en pourcentage. Elle permet en outre de réinvestir la notion de transformation chimique. 1 Le dioxygène de l’air est consommé lors de la formation de la rouille (doc. 1). 2 Le fer et le dioxygène réagissent pour former de la rouille. Au cours de cette transformation chimique, le dioxy-

gène est consommé. La variation de volume dans le tube à essais gradué correspond au volume de dioxygène initialement présent. Le volume restant correspond au volume de diazote (en négligeant les autres gaz). Paille de fer

Paille de fer 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tube témoin

Support

Début de l’expérience

Tube témoin

Support

Après une semaine

4 On trouve approximativement 20 % de dioxygène et 80 % de diazote. On retrouve ainsi expérimentalement la

composition de l’air. 12

Thème 1

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3

Un pas vers le bilan Composition de l’air en pourcentage : Dioxygène

Diazote 20 %

80 %

Prolongement 1. La diminution du volume de gaz dans l’éprouvette graduée et la formation de rouille sur le fer sont des signes d’une transformation chimique. 2. Les réactifs sont le dioxygène et le fer. Le produit de la réaction est la rouille (oxyde de fer).

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3. dioxygène + fer → rouille.

Module 1

13

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi préfère-t-on les panneaux

en peuplier pour les décors de théâtre ?

p. 16 du manuel

Matériel • Des échantillons en pin et en peuplier en forme de pavés droits. • Une balance. Si la mesure de volume par déplacement d’eau est utilisée : • De l’eau. • Une éprouvette graduée. • Un agitateur en verre. Compléments Si les échantillons ne sont pas en forme de pavé droit, on peut mesurer les volumes par déplacement d’eau dans une éprouvette graduée. Nous conseillons de prendre des échantillons de volumes différents, afin de pouvoir vérifier entre les groupes que la masse volumique est invariable et caractéristique d’une matière. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la notion de masse volumique : sa mesure et le fait que cette grandeur est caractéristique d’une matière. 1 Hypothèses possibles dans le contexte de l’activité, avec un document qui évoque la manutention des panneaux :



• des panneaux en peuplier sont moins lourds que des panneaux en pin ; • Pour un même volume, les panneaux en peuplier sont moins lourds. 2 Expérience pouvant être proposée :



Pour chaque échantillon, il faut mesurer le volume, la masse et calculer la masse volumique, puis comparer les masses volumiques.



Mesure de masse Peser les échantillons. Exemples de mesures : • Échantillon en pin : volume : 445 cm3 ; masse : 241 g ; masse volumique : ρ = 241 = 0,54 g/cm3. 445 • Échantillon en peuplier : 49 3 volume : 120 cm ; masse : 49 g ; masse volumique : ρ = = 0,41 g/cm3. 120 3 Les panneaux en peuplier ont une masse volumique plus faible que les panneaux en pin. Pour un même volume, ils sont donc plus légers, donc plus faciles à transporter. On les préfère pour cette raison.

Un pas vers le bilan Pour mesurer la masse volumique d’une matière, il faut : • mesurer le volume d’un échantillon de cette matière ; • mesurer sa masse ; • faire le rapport entre la masse de l’échantillon et son volume. Le résultat constitue la masse volumique de la matière.

14

Thème 1

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Mesure de volume 1re méthode : mesurer le volume de divers échantillons en bois. Si les échantillons sont en forme de pavé droit, V = L × ¯ × h. 2de méthode : par déplacement d’eau. Plonger l’échantillon dans une éprouvette graduée contenant un volume V d’eau. La différence de volume correspond au volume de l’échantillon. Si un échantillon est moins dense que l’eau, on peut utiliser un agitateur en verre pour le plonger entièrement dans l’eau.

AC TIV ITÉ

5 Comment réaliser 100 mL d’une solution de glucose à 30 % ?

p. 17 du manuel

Matériel • Du glucose. • De l’eau. • Une balance électronique. • Une fiole jaugée de 100 mL. • Un bécher. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la dissolution d’un solide dans un liquide. Elle peut être réalisée avant d’aborder la solubilité : l’élève réinvestit la dissolution, déjà abordée au cycle 3, ainsi que dans l’activité 1 Comment une pollution peut-elle faire disparaître la faune et la flore d’un lac ? du même module, mais en effectuant des mesures de masse et de volume. 1 Il faut mesurer le volume de la solution et la masse de glucose. 2 On pèse 30 g de glucose à l’aide de la balance électronique. On verse la masse de glucose dans une fiole jaugée.



On remplit alors la fiole jaugée d’eau jusqu’au 2 et on dissout la totalité du glucose. 3 On complète la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge pour obtenir un volume de 100 mL.

Un pas vers le bilan

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Une espèce soluble est une espèce qui peut être dissoute dans un liquide.

Module 1

15

AC TIV ITÉ

6 Comment dissoudre un sachet-dose dans un verre d’eau ?

p. 18 du manuel

Matériel • Un sachet de sulfate de magnésium. • De l’eau. • Une balance. • Une éprouvette graduée. • Un agitateur. Compléments Le sulfate de magnésium peut s’acheter en pharmacie. La solubilité du sulfate de magnésium heptahydraté est d’environ 700 g/L à 20 °C. Le volume de la solution augmente lors de la dissolution. Le calcul de la solubilité doit se faire avec la mesure du volume de la solution et non du volume initial. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la notion de solubilité. Deux démarches expérimentales sont proposées. La démarche expérimentale A est une démarche d’investigation. Dans celle-ci, on ne demandera pas à l’élève d’estimer la solubilité du sulfate de magnésium dans l’eau, mais de vérifier si on peut dissoudre n’importe quelle masse dans un même volume d’eau. L’élève devra tout d’abord dégager une problématique à partir de la question posée, puis proposer et mettre en œuvre un protocole pour répondre à cette problématique. Dans la démarche expérimentale B, l’élève devra proposer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour estimer la solubilité du sulfate de magnésium dans l’eau. Ces deux démarches sont indépendantes l’une de l’autre. Elles peuvent être menées en parallèle par des groupes différents.

Démarche expérimentale A 1 Reformulation de la question sous forme d’une problématique scientifique : Peut-on dissoudre toute la masse

de sulfate de magnésium contenu dans le sachet dans n’importe quel volume d’eau ? Expérience proposée : • Remplir un petit verre avec de l’eau. • Verser un sachet de sulfate de magnésium dans l’eau. Mélanger et vérifier si tout le sulfate de magnésium est dissous. • Renouveler l’opération jusqu’à ce que le sulfate de magnésium ne se dissolve plus.



Observation : Lorsqu’on verse le sulfate de magnésium dans une faible quantité d’eau, on observe que le sulfate de magnésium ne se dissout pas.



Conclusion : On ne peut pas dissoudre tout le sulfate de magnésium si le volume d’eau est trop faible, donc la taille du verre a son importance pour le curiste.

Un pas vers le bilan Lorsqu’on ajoute de plus en plus d’une substance soluble dans l’eau, on observe qu’à partir d’une certaine masse, la substance ne se dissout plus : on ne peut dissoudre n’importe quelle quantité d’une espèce chimique dans un volume donné d’eau.

16

Thème 1

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Démarche expérimentale B a Exemple de protocole expérimental pouvant être proposé :



• Verser dans un bécher 10 mL d’eau. • Verser dans l’eau 2 g de sulfate de magnésium. Mélanger jusqu’à ce qu’il soit dissous. • Recommencer l’opération jusqu’à la saturation de la solution. • Mesurer alors le volume de la solution à l’aide d’une éprouvette graduée. • Calculer alors la solubilité du sulfate de magnésium.



Exemple de résultats expérimentaux : Le volume de la solution est V = 15 mL = 0,015 L. La masse maximale de sulfate de magnésium dissout est m = 10 g. On peut donc calculer la solubilité du sulfate de magnésium : s = m = 10 = 666 g/L V 0,015



La solubilité du sulfate de magnésium est de 666 g/L.

Un pas vers le bilan

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On dissout dans environ 10 mL d’eau des masses croissantes d’une substance jusqu’à ce qu’elle ne se dissolve plus. On note la masse totalement dissoute. On mesure le volume à l’aide d’une éprouvette graduée. On calcule la solubilité en divisant la masse trouvée par le volume de la solution.

Module 1

17

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La composition de l’air QCM 1  a. et b.

2  a.

3  a.

4  a.

5  Connaître la composition de l’air L’air contient 20 % de dioxygène. Le nitrox étant enrichi en dioxygène, les bouteilles 2 et 3 contiennent du nitrox. 6  Connaître la composition de l’air L’air qu’on inspire contient environ 20 % de dioxygène, alors que celui qu’on expire en contient 16 %. L’air qu’on expire contient donc moins de dioxygène que l’air qu’on inspire.

La masse volumique

p. 22 et 23 du manuel

14  Calculer une solubilité On applique la relation s = m , où m est la masse de sel V et V le volume d’eau salée. Le volume d’eau salée est de 100 mL, soit 0,1 L. s = m = 36 = 360 g/L V 0,1 La solubilité du sel dans l’eau est de 360 g/L. 15  Interpréter une observation Sur la résistance chauffante de la bouilloire, après utilisation, on peut observer un dépôt blanc de calcaire. Ce calcaire (carbonate de calcium) était dissous dans l’eau de consommation. En chauffant cette eau, une partie du carbonate de calcium n’est plus dissoute dans l’eau et se retrouve sous forme solide sur la résistance chauffante. La solubilité du carbonate de calcium diminue avec la température. 16  Exploiter la solubilité Une vidéo, en accès libre, présente la récolte de sel dans les marais salants.

QCM 7  a.

Lorsque l’eau salée est saturée en sel, le chlorure de sodium qui était dissous réapparaît sous forme solide. On peut alors le récolter.

9  Calculer une masse volumique Le volume du glaçon se calcule à l’aide de la relation : V = a × a × a = 2 × 2 × 2 = 8 cm3. Connaissant le volume, on peut calculer la masse volumique de la glace : ρ = m = 7,3 = 0,91 g/cm3 V 8 La masse volumique d’un glaçon est de 0,91 g/cm3 10  Identifier une matière Le volume est de 500 mL, soit 0,5 L. On peut alors calculer la masse volumique : ρ = m = 395 = 790 g/L V 0,5 La masse volumique de l’alcool est de 790 g/L. Cet échantillon est donc de l’alcool.

La solubilité

17  Identifier une espèce chimique Le volume de la solution saturée est de 250 mL, soit 0,25 L. Calculons de la solubilité de l’espèce chimique : s = m = 74 = 296 g/L V 0,25 La solubilité est de 296 g/L. D’après le tableau, on en déduit qu’il s’agit du sulfate de fer (II). 18  Élaborer un protocole On dissout une masse m de sucre (exemple : 10 g) dans un volume d’eau (exemple : 50 mL). On recommence l’opération jusqu’à ce que le sucre ne se dissolve plus. On mesure le volume d’eau sucrée obtenu à l’aide d’une éprouvette graduée. On calcule la solubilité en divisant la masse de sucre dissous, exprimée en gramme, par le volume de la solution, exprimé en litre.

QCM 11  a. et b. 12  a. 13  Définir la solubilité Une solubilité de 1,7 g/L signifie que l’on peut dissoudre au maximum 1,7 gramme de dioxyde de carbone dans l’eau pour obtenir un litre de mélange. 18

Thème 1

19  Exploiter la solubilité 1. D’après le tableau, la solubilité du chlorure de sodium augmente avec la température. 2. a. À 80 °C, la solubilité du chlorure de sodium est de 384 g/L, donc à 90 °C le chlorure de sodium est totalement dissous. b. À 20 °C la solution est saturée. Une partie du chlorure de sodium n’est plus dissoute.

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8  c.

EX ER CI CE S

Se perfectionner 20  Les pétroliers immergés Un lien Internet, en accès libre, porte sur les conséquences désastreuses des marées noires. Le pétrole et l’eau salée ne sont pas miscibles : ils ne vont donc pas se mélanger lorsqu’on va faire rentrer l’eau de mer dans la cuve. Le pétrole restera au-dessus de l’eau salée car sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau salée. Il remontera ainsi jusqu’aux cuves d’un autre bateau.

21  Détermination expérimentale de la masse volumique d’un échantillon 1. On verse 134 mL d’eau dans une éprouvette graduée. On plonge le caillou dans l’éprouvette graduée. Le volume d’eau augmente et est mesuré. La différence de volume permet d’en déduire le volume du caillou. On mesure la masse du caillou. 2. Le volume du caillou vaut V = 215 – 134 = 81 mL, soit 0,081 L. La masse mesurée est m = 202,5 g. Calculons la masse volumique du caillou : ρ = m = 202,5 = 2 500 g/L V 0,081 La masse volumique du caillou est de 2 500 g/L.

p. 24 et 25 du manuel

Volume (en L)

Masse dissoute (en g)

1

4 900

0,25

m

La masse de sucre pouvant être dissoute vaut : m = 0,25 × 4 900 = 1 225 g 1 À 100 °C, il faut dissoudre 1 225 g de sucre pour obtenir 250 mL d’eau sucrée saturée. 4. Lorsque la solution refroidit, la solubilité du sucre est plus faible : les cristaux de sucre se forment.

24  Dégraisser une soupe Un site Internet, en accès libre, présente une vidéo illustrant l’exercice. La graisse et l’eau ne sont pas miscibles. La masse volumique de la graisse étant inférieure à celle de l’eau, la graisse surnage. De plus, à 4 °C, l’eau est liquide alors que la graisse est solide. On peut alors récupérer cette plaque solide graisseuse à l’aide d’une cuillère.

25  L’eau à l’état solide Une vidéo, en accès libre, illustre cet exercice en montrant l’augmentation de volume lors de la solidification de l’eau.

22  Utiliser une langue étrangère Traduction : Un pot contient une solution d’eau sucrée. Un couvercle ferme le pot qui est laissé dans un endroit chaud pendant une nuit. Le pot est ouvert le lendemain. L’intérieur du couvercle est humide. 1. L’eau liquide s’est vaporisée lorsque le pot a été placé dans un endroit chaud. La vapeur d’eau s’est liquéfiée sur le couvercle lorsque la température a diminué. Le couvercle est donc humide. 2. Le sucre dissous dans l’eau ne se vaporise pas en même temps que l’eau.

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23  De beaux cristaux de sucre Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en montrant la formation des cristaux de sucre. 1. Dissoudre jusqu’à saturation signifie qu’il faut ajouter du sucre jusqu’à ce qu’on ne puisse plus en dissoudre. 2. La solubilité du sucre augmente avec la température. 3. À 100 °C, la solubilité du sucre est de 4 900 g/L. On peut dissoudre 4 900 g dans un litre de solution. Le volume de la solution est de 250 mL, soit 0,25 L. On peut réaliser un tableau de proportionnalité pour trouver combien on peut dissoudre de sucre pour obtenir 250 mL de solution.

Tâche complexe Question posée : Pourquoi des glaçons flottent-ils sur l’eau liquide ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Qu’est-ce qui change lorsque l’eau liquide devient de la glace ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Lorsque l’eau liquide devient de la glace, le volume augmente (photo). 3e étape : Dégager la problématique Montrer que la masse volumique des glaçons est inférieure à la masse volumique de l’eau liquide. 4e étape : Construire la réponse • Comparer les volumes de l’eau liquide et de la même eau après solidification. • En déduire la variation de la masse volumique lors de la solidification de l’eau. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On se demande pourquoi les glaçons flottent sur l’eau. Il faut pour cela comparer la masse volumique des glaçons à celle de l’eau liquide. Module 1

19

EX ER CI CE S

Grille d’évaluation en fin de module.

26  L’expérience de Marie Curie Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en reproduisant l’expérience de Marie Curie. L’eau et l’alcool sont miscibles, mais n’ont pas la même masse volumique. En les mélangeant, on modifie la masse volumique du mélange, qui pourra être la même que celle de l’huile. L’huile ne flotte ni ne coule. Tâche complexe 27  Des dieux et des planètes Question posée : Jupiter étant une planète gazeuse, déterminer la nature de la planète Osiris.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les caractéristiques d’une planète gazeuse ? 2. Quelles sont les caractéristiques de la planète Osiris ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une planète gazeuse est une planète composée majoritairement de gaz légers. Sa masse volumique est plus faible que celle d’une planète tellurique qui est entre 4 000 kg/m3 et 5 500 kg/m3 (doc. 2). 2. Osiris a une masse estimée à 0,69 fois celle de Jupiter. Son rayon est égal à 1,32 fois celui de Jupiter (doc. 1). 3e étape : Dégager la problématique La masse volumique de la planète Osiris est-elle plus élevée ou plus faible que celle de Jupiter ? 4e étape : Construire la réponse • Comparer les masses des deux planètes. • Comparer les volumes des deux planètes. • Comparer les masses volumiques des deux planètes.

20

Thème 1

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Osiris est une planète située à 154 années-lumière du Soleil. On veut savoir si la planète Osiris est une planète gazeuse comme Jupiter. Pour cela il faut savoir si la masse volumique de la planète Osiris est plus élevée ou plus faible que celle de Jupiter qui est une planète gazeuse. • Mettre en forme la réponse. D’après le doc. 1, Osiris a une masse égale à 0,69 fois la masse de Jupiter. Osiris a donc une masse plus faible que Jupiter. D’après le doc. 1, Osiris a un rayon plus grand que celui de Jupiter. Le volume d’une boule s’exprime par la relation V = 4 × π × r3 (données), où r est le rayon. Le rayon 3 d’Osiris étant plus grand que celui de Jupiter, le volume d’Osiris est donc aussi plus grand. La masse volumique s’exprime par la relation ρ = m , V où m est la masse et V le volume. Si la masse diminue et que le volume augmente, la masse volumique diminue. La masse volumique d’Osiris est donc inférieure à la masse volumique de Jupiter qui est une planète gazeuse. Or, une planète gazeuse a une masse volumique beaucoup plus faible qu’une planète tellurique. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Jupiter étant une planète gazeuse, une planète de masse volumique plus faible est gazeuse, donc Osiris est une planète gazeuse. Grille d’évaluation en fin de module.

28  Gaz inspirés et expirés 1. Dans l’air, il y a 21 % de dioxygène, 78 % de diazote et 1 % d’autres gaz. 2. L’air n’est pas un corps pur car il est constitué d’un mélange de gaz. 3. On inspire un air contenant 21 % de dioxygène. On rejette un air contenant environ 16 % de dioxygène : ce gaz est utilisé lors de la respiration. 4. Le dioxyde de carbone est rejeté par notre corps car son pourcentage est plus élevé que dans l’air. 5. Le diazote ne participe pas à la respiration.

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• Mettre en forme la réponse. Lors de la solidification de l’eau, la masse ne varie pas car il n’a pas été rajouté ni enlevé d’eau dans la bouteille. Lors de la solidification de l’eau, le volume augmente puisqu’on constate sur la photographie que la bouteille éclate. La masse volumique est donnée par la relation ρ = m . V Pour une même masse, si le volume augmente, alors la masse volumique diminue. La masse volumique de l’eau solide est donc inférieure à la masse volumique de l’eau liquide. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les glaçons flottent sur l’eau liquide car la masse volumique de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide.

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 29  Analyser sa production 1. La solubilité du sel est la masse maximale de sel qu’on peut dissoudre dans l’eau liquide de façon à obtenir 1 litre d’eau salée saturée. 2. On cherche à savoir pourquoi on a pu dissoudre 4,5 kg de sel dans 15 L d’eau. En ne tenant pas compte, dans un premier temps, de l’augmentation de volume lors de la dissolution, évaluons quelle masse de sel peut contenir au maximum 15 L d’eau salée : 358,5 × 15 = 5 377,5 g, soit environ 5,3 kg. On constate que 15 L d’eau salée peuvent contenir au maximum 5,3 kg de sel. Si l’on tient compte de l’augmentation de volume lors de l’ajout du sel, on a donc pu dissoudre 5,3 kg dans un volume d’eau inférieur à 15 L. Il est donc d’autant plus envisageable de dissoudre 4,5 kg dans 15 L d’eau. 3. On prélève un volume de 15 litres d’eau. On pèse 4,5 kg de sel. On verse le sel dans l’eau. On mélange afin de le dissoudre. On vérifie que le sel est entièrement dissous. Remarque : Pour réaliser des économies, il est aussi possible de travailler sur un volume plus petit, par exemple 100 fois plus petit, soit 0,15 litre. Il faut alors vérifier que l’on peut dissoudre une masse 100 fois plus petite, soit 45 grammes.

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30  Pour aller plus loin • Corrigé des questions préliminaires 1. Les sels minéraux dissous dans une eau minérale proviennent des roches à travers lesquelles l’eau s’est infiltrée. Les sels minéraux se sont dissous dans l’eau lors de son passage. 2. a. Les gaz sont solubles dans l’eau. b. Dans une eau naturellement gazeuse, le dioxyde de carbone vient directement de la source, il n’a pas été ajouté. c. Cela dépend de la quantité de dioxyde de carbone dissous dans l’eau. Plus il y a de dioxyde de carbone, plus l’eau est pétillante. Tâche complexe • Corrigé de la tâche complexe Question posée : Classer les eaux du doc. 2 selon leur dureté.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que la dureté d’une eau ? 2. De quelles eaux est-il question ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La dureté d’une eau est un indicateur de sa minéralisation. Une dureté de 1 degré français correspond à 4 mg de calcium ou à 2,4 mg de magnésium par litre d’eau (doc. 1).

p. 26 et 27 du manuel

2. Quatre eaux minérales sont présentées dans le doc. 2. Elles contiennent différents sels minéraux en quantités différentes, et notamment du calcium et du magnésium nécessaires au calcul de la dureté d’une eau. 3e étape : Dégager la problématique Calculer la dureté des eaux minérales connaissant la masse de calcium et de magnésium pour un litre d’eau, puis classer ces eaux. 4e étape : Construire la réponse • Calculer, pour chacune des eaux, le degré français correspondant au calcium puis celui correspondant au magnésium. • Calculer le titre hydrotimétrique de chacune des eaux. • Classer les eaux en fonction du tableau du doc. 1. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On veut classer les eaux minérales du doc. 2 selon leur dureté. La dureté d’une eau est un indicateur de sa minéralisation. Calculons la dureté des eaux minérales connaissant la masse de calcium et de magnésium pour un litre d’eau, puis classons ces eaux. • Mettre en forme la réponse. Calcul de la dureté : Une dureté d’un degré français correspond à 4 mg de calcium et 2,4 mg de magnésium par litre d’eau (doc. 1). Pour calculer la dureté, il faut donc diviser la masse de calcium contenue dans un litre d’eau, exprimée en milligramme, par 4 et la masse de magnésium, exprimée en milligramme également, par 2,4 puis additionner les deux valeurs trouvées pour obtenir le titre hydrotimétrique. • Pour l’eau d’Évian : TH = 80 + 25 = 30 °f 4 2,4 • Pour l’eau de Contrex : TH = 468 + 74,5 = 148 °f 4 2,4 • Pour l’eau de Vittel : TH = 203,8 + 43,1 = 69 °f 4 2,4 • Pour l’eau de Vichy Célestin : TH = 103 + 10 = 30 °f 4 2,4 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. L’eau d’Évian et celle de Vichy Célestin sont des eaux plutôt dures. Vittel et Contrex sont des eaux très dures. De l’eau la plus dure à l’eau la plus douce, on a : Contrex, Vittel, Vichy Célestin et Évian. Grille d’évaluation en fin de module. Module 1

21

EX ER CI CE S

32  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé  1. Calcul de la masse volumique du sorbet industriel : La masse volumique se calcule à partir de la relation ρ = m , où m est la masse du sorbet et V son volume. V La masse et le volume sont indiqués sur la photographie du doc. 2. ρ(sachet individuel) = m = 650 = 650 g/L V 1 Le sorbet industriel a une masse volumique de 650 g/L. 2. L’eau a une masse volumique de 1 000 g/L, donc 1 L d’eau a une masse de 1 000 g. 3. La masse totale des ingrédients du sorbet artisanal est : m = 1 000 + 1 000 + 750 = 2 750 g Le sorbet artisanal pèse 2 750 g. 4. Le volume du sorbet artisanal est de 2,3 L (doc. 1). Calculons sa masse volumique : ρ(sachet artisanal) = m = 2 750 = 1 195 g/L V 2,3 Le sorbet artisanal a une masse volumique de 1 195  g/L. 5. La masse volumique du sorbet industriel du doc. 2 est plus faible que la masse volumique du sorbet artisanal du doc. 1. 6. Le sorbet industriel est foisonné. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : En quoi les indications de l’étiquette du sorbet du doc. 2 montrent-elles qu’il est foisonné ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que le foisonnement ? 2. Quelles sont les indications sur l’étiquette ?

22

Thème 1

2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le foisonnement consiste à inclure de l’air dans la préparation (doc. 3). 2. L’étiquette indique la masse et le volume de sorbet (doc. 2) : la masse est de 650 g, le volume est de 1 000 mL, soit 1 litre. 3e étape : Dégager la problématique Montrer que la masse volumique du sorbet industriel du doc. 2 est plus faible que la masse volumique du sorbet artisanal du doc. 1. 4e étape : Construire la réponse • Calculer la masse volumique du sorbet industriel. • Calculer la masse volumique du sorbet artisanal. • Comparer les masses volumiques. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le foisonnement consiste à inclure de l’air dans la préparation telle qu’un sorbet. Cela en augmente le volume. Lors du foisonnement, la masse volumique de la préparation diminue donc. On veut prouver que le sorbet industriel du doc. 2 est foisonné. Il faut pour cela montrer que la masse volumique du sorbet industriel du doc. 2 est plus faible que la masse volumique du sorbet artisanal du doc. 1. • Mettre en forme la réponse. La masse volumique se calcule à partir de la relation ρ = m , où m est la masse du sorbet et V son volume. V Calculons la masse volumique du sorbet industriel (doc. 2) : ρ(sachet industriel) = m = 650 = 650 g/L V 1 Concernant le sorbet artisanal, la masse totale des ingrédients (doc. 1) est égale à celle du sorbet. Sachant qu’1 L d’eau a une masse de 1 000 g, alors : m = 1 000  +  1 000  + 750 = 2 750 g La masse de 2,3 L de sorbet artisanal est de 2 750 g. Calculons la masse volumique du sorbet artisanal: ρ(sachet artisanal) = m = 2 750 = 1 195 g/L V 2,3 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La masse volumique du sorbet industriel du doc. 2 est plus faible que la masse volumique du sorbet artisanal du doc. 1, donc le sorbet industriel est foisonné. Grille d’évaluation en fin de module.

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31  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé  1. 8,0 – 2,9 = 5,1 kg La masse du lait dans le bidon est de 5,1 kg. 2. La masse volumique se calcule à partir de la relation ρ = m , avec m la masse et V le volume. V ρ = m = 5,1 = 1,02 kg/L V 5 Le lait testé a une masse volumique de 1,02 kg/L. 3. La masse volumique du lait servant de référence est de 1 030 g/L, soit 1,03 kg/L. 4. La masse volumique du lait dans le bidon est inférieure à la masse volumique du lait entier. 5. La masse volumique de l’eau étant de 1 kg/L et celle du lait entier de 1,03 kg/L, le lait dans le bidon a été coupé avec de l’eau.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 25 L’eau à l’état solide 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 : Photo : Lorsque l’eau liquide devient de la glace, le volume augmente.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Montrer que la masse volumique de nature scientifique. des glaçons est inférieure à la masse volumique de l’eau liquide. 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 : • Comparer les volumes de l’eau liquide et de la même eau après solidification. • En déduire la variation de la masse volumique lors de la solidification de l’eau. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique Les expressions littérales sont données. m à une autre. • 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.

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

23

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 27 Des dieux et des planètes 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 1

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 : Une planète gazeuse est une planète composée majoritairement de gaz légers. Sa masse volumique est plus faible que celle d’une planète tellurique (qui est entre 4 000 kg/m3 et 5 500 kg/m3). Doc. 1 : Osiris a une masse estimée à 0,69 fois celle de Jupiter. Son rayon est égal à 1,32 fois celui de Jupiter.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions La masse volumique de la planète Osiris de nature scientifique. est-elle plus élevée ou plus faible que celle de Jupiter ? 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 : • Comparer les masses des deux planètes. • Comparer les volumes des deux planètes. • Comparer les masses volumiques. • 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 4 • Utilisation de la relation : V = × π × r3 à une autre. 3 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

24

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

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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Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 Pour aller plus loin - La dureté des eaux 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 dureté d’une eau est un indicateur de sa minéralisation. Une dureté de 1 degré français correspond à 4 mg de calcium ou à 2,4 mg de magnésium par litre d’eau. Doc. 2 : Quatre eaux minérales sont présentées avec leur minéralisation respective.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer la dureté des eaux minérales de nature scientifique. connaissant la masse de calcium et de magnésium pour un litre d’eau, puis classer ces eaux. 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 revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer, pour chacune des eaux, le nombre de degré français correspondant au calcium puis celui correspondant au magnésium. • Calculer le titre hydrotimétrique de chacune des eaux. • Classer les eaux en fonction du tableau du doc. 1. • 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 et les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Interprétation des indications du doc. 1 pour le calcul de la dureté. • Lecture des étiquettes du doc. 2.

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 32 À chacun son rythme - Sorbet artisanal et sorbet industriel 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 1

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 : Le foisonnement consiste à inclure de l’air dans la préparation. Doc. 2 : L’étiquette indique la masse et le volume de sorbet.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Montrer que la masse volumique du de nature scientifique. sorbet industriel du doc. 2 est plus faible que la masse volumique du sorbet artisanal du doc. 1. 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 la masse volumique du sorbet industriel. • Calculer la masse volumique du sorbet artisanal. • Comparer les masses volumiques. • 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 et les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. m • Utilisation de la relation : ρ =   à une autre. V • Exploitation de la masse volumique de l’eau. • Exploitation de la recette du sorbet.

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

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

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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Domaines du socle

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 différents 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. 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.

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.

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Exemples de situations, d’activités et de ressources 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.

28

Thème 1

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.

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Connaissances et compétences associées

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.

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 une 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 une 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–.

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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.

2 avec les formules des espèces chimiques.

Vu en 5e QCM Flash

p. 10 du manuel 

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

Module 2

29

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 Définir une transformation chimique et physique.

MF

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

4, 5, 6 1, 3, 4, 6 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. Conservation de la masse lors d’une transformation chimique.

2, 3, 5, 6, 7 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 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

MESURES DE SÉCURITÉ Dans ce module, de nombreuses expériences utilisant du dioxygène sont réalisées. Il peut être utile de rappeler que des précautions d’usage sont à observer. Elles sont rassemblées dans le guide INRS (Institut national de recherche et de sécurité) téléchargeable à l’adresse suivante : http://www.inrs.fr/media.html?refINRS=ED%201506 On peut rappeler l’évaluation des risques, pour chaque manipulation qui doit être menée conformément à la règlementation en vigueur : • les équipements de protection individuelle (EPI) doivent • les bouteilles sous pression doivent être maintenues être disponibles ; attachées, sur un chariot prévu à cet effet ; • les cartouches à gaz sont interdites dans les salles • l’étiquetage de danger est obligatoire ; • l’emploi de faibles quantités de matière est recommandé ; d’enseignement ; • avant de mélanger un combustible et un comburant, • les bouteilles de dioxygène doivent être maintenues loin de toute source de chaleur ; en particulier, il est interdit une vérification des conditions de stabilité du mélange de favoriser une combustion en soufflant directement est indispensable (activité 7 par exemple) ; du dioxygène sur le combustible incandescent (activité • une ventilation des locaux doit être prévue ; • une connaissance parfaite des températures d’auto3 par exemple). inflammation, des limites inférieures et supérieures d’explosivité, sont nécessaires ; 30

Thème 1

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

AC TIV ITÉ

1 Comment une lampe à lave artisanale fonctionne-t-elle ?

Matériel • Une bouteille plastique transparente de 1 L environ. • Un bécher (50 mL minimum). • Un verre en carton. • Un entonnoir. • Des tubes à essais. • Des bouchons à un trou pour les tubes à essais. • Un tube à dégagement coudé.

p. 29 du manuel

• Un circuit avec trois DEL (tension directe 1,9 V montées en série) raccordées à un générateur 6 V. • Du bicarbonate de sodium. • De l’huile végétale (huile alimentaire). • Du vinaigre blanc. • Du colorant alimentaire. • De |'eau de chaux.

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Lampe à lave du commerce (texte d’introduction) Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre une lampe à lave du commerce en fonctionnement. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité : elle l’illustre. • Lampe à lave artisanale (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, montre la mise en œuvre du protocole proposé dans le doc. 1. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle permet de poursuivre l’activité si la lampe n’est pas réalisée en classe. 1 Protocole expérimental :



• Dans une bouteille transparente de 1 L environ, on introduit deux spatules de bicarbonate de sodium et on verse délicatement 0,9 L d’huile végétale. • Dans un bécher, on mélange 30 mL de vinaigre blanc et quelques gouttes de colorant alimentaire. • On raccorde chacune des DEL en série. On raccorde ensuite les deux extrémités de ce circuit au générateur réglé sur 6 volts. • On découpe ensuite le haut d’un gobelet en carton et on place à l’intérieur les trois DEL allumées. • On pose ensuite la bouteille sur le socle réalisé. • Pour finir, on verse le contenu du bécher dans la bouteille. 2 L’huile et le vinaigre sont des liquides non miscibles. 3 L’effervescence observée montre qu’un gaz se forme. 4 On observe que l’eau de chaux se trouble. Ceci atteste que le gaz formé est du dioxyde de carbone. 5 La lampe à lave artisanale est constituée de deux liquides non miscibles (l’huile et le vinaigre). Lorsqu’on ajoute

du vinaigre, celui-ci coule au fond du récipient car ces deux liquides ne sont pas miscibles et la masse volumique du vinaigre est supérieure à celle de l’huile. Le vinaigre réagit avec le bicarbonate de sodium. Un gaz est formé, ce gaz trouble l’eau de chaux : c’est du dioxyde de carbone. Les bulles de gaz s’accolent aux gouttelettes de vinaigre. Le vinaigre est coloré. Les gouttelettes colorées remontent progressivement jusqu’à la surface. Une fois à la surface, le gaz s’échappe et les gouttelettes coulent au fond du récipient.

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Remarque : Suivant la progression adoptée, on pourra utiliser la notion de masse volumique (cycle 4) ou celle de densité (cycle 3) pour justifier la position des phases.

Un pas vers le bilan Certains indices peuvent être le signe d’une transformation chimique comme la formation d’un gaz par exemple.

Prolongement Une lampe à lave du commerce contient un liquide et de la cire. La masse volumique (ou la densité) de la cire froide est supérieure à celle du liquide. La cire froide est donc en bas de la lampe. L’énergie thermique produite par le système d’éclairage situé à la base du récipient est transférée à la cire. Sa masse volumique (ou sa densité) diminue : des boules de cire montent alors et s’éloignent de la source de chaleur. Leur température baisse et leur masse volumique (ou leur densité) augmente : elles redescendent alors au fond du récipient. Ce mouvement de va-et-vient continue tant que la lampe reste allumée. Module 2

31

AC TIV ITÉ

2 Les centrales à charbon contribuent-elles au réchauffement climatique ?

Matériel Démarche expérimentale  • Un flacon et son bouchon. • Deux bouteilles de gaz : dioxygène et diazote. • Un morceau de fusain. • Des allumettes ou briquet. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Centrale thermique (doc. 1) Une vidéo, en accès libre pour les élèves, présente le fonctionnement d’une centrale électrique thermique. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité.

p. 30 et 31 manuel

Démarche de modélisation • Des modèles moléculaires (C, H, O).

• L’effet de serre (doc. 2) Une vidéo, en accès libre pour les élèves, présente le principe de l’effet de serre sur Terre. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant choisira, pour sa classe, une des démarches proposées. 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 de modélisation

1 Titre reformulé : Les centrales à charbon

a Le modèle moléculaire du dioxyde de carbone est

produisent-elle du dioxyde de carbone ?

constitué d’une boule noire modélisant un atome de carbone et de deux boules rouges modélisant deux atomes d’oxygène.

2 Protocole expérimental :



• Remplir un flacon de diazote et y introduire un morceau de fusain dont une extrémité est incandescente. Observer. • Remplir un flacon de dioxygène et y introduire un morceau de fusain dont une extrémité est incandescente. Observer. • Une fois la combustion terminée, retirer le reste de fusain et introduire de l’eau de chaux dans le flacon. • Agiter légèrement le flacon et observer. • Conclure. Observations : • Avec le diazote dans le flacon, la combustion s’arrête. • Avec le dioxygène dans le flacon, la combustion est plus vive. On observe ensuite que l’eau de chaux se trouble. Interprétation : • Le diazote empêche la combustion. • Le dioxygène entretient la combustion. • Le trouble de l’eau de chaux montre la formation de dioxyde de carbone.



3 Les centrales à charbon contribuent au réchauf-

fement climatique car elles produisent du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.

Un pas vers le bilan Pour mettre en évidence la formation de produits lors d’une transformation chimique, il est nécessaire de faire des tests de reconnaissance des produits formés. Une banque de tests est présente dans le livret de l’élève, fiche 12. 32

Thème 1

b Exemple d’hypothèse :



Il faut aussi du dioxygène (O2) pour réaliser la combustion du carbone. c Réaction de la combustion du carbone :

carbone + dioxygène → dioxyde de carbone

+ C

+

→ O2

→

CO2

d Les centrales à charbon contribuent au réchauf-

fement climatique car elles produisent du dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.

Un pas vers le bilan Lors d’une transformation chimique, les atomes présents dans les produits sont les mêmes que ceux présents dans les réactifs. Ils se lient différemment entre eux.

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Démarche expérimentale

AC TIV ITÉ

3 Comment faire un feu d’artifice avec de la paille de fer ?

Matériel Démarche expérimentale Question 1 • De la paille de fer. • Deux soucoupes. • Un allume-gaz.

p. 32 du manuel

Question 3 • Une balance de précision (dixième de gramme). • De la paille de fer. • Une soucoupe. • Un allume-gaz.

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Bolas feu d’artifice (texte d’introduction) Une vidéo, en accès libre, montre un artiste réalisant d’impressionnants feux d’artifice avec de la paille de fer enflammée. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité : elle l’illustre. • Combustion de la paille de fer (doc. 1) Une vidéo présente le matériel de l’expérience ainsi que la combustion de la paille de fer. Une vidéo complète de l’expérience est disponible dans le manuel numérique du professeur ; elle permet de répondre aux questions de l’activité si l’expérience n’est pas réalisée en classe. 1 Protocole expérimental :



• Déposer de la paille de fer dans une soucoupe. • À l’aide de l’allume-gaz, enflammer la paille de fer. Observer. • Laisser refroidir la paille de fer. • Recommencer l’expérience en agitant un carton devant la soucoupe ou en soufflant de l’air grâce à un sèche-cheveux en position froide. • Comparer les deux observations. • Conclure sur l’intérêt du renouvellement de l’air pour favoriser la combustion.

Mesures de sécurité à prendre pour les combustions : • Éloigner tout objet inflammable (cahiers, livres, vêtements…). • Attacher les cheveux longs. • Ne pas manipuler la paille juste après la combustion à cause des risques de brûlures. • Ne pas jeter la paille de fer juste après la combustion dans la poubelle de classe à cause du risque d’incendie.

2 Exemple d’hypothèse : Le dioxygène de l’air est le réactif nécessaire à la combustion de la paille de fer. Comme

il est contenu dans l’air, le non-renouvellement de l’air et donc du dioxygène limite la combustion. 3 Exemple de masse initiale de la paille de fer avant combustion : m(avant combustion) = 4,5 g .

Exemple d’hypothèse : m(après combustion) , 4,5 g car la paille de fer a été consommée. b. Exemple de mesure après combustion : m(après combustion) = 5,2 g . La masse de produit formé est plus grande que la masse de fer ayant réagi car les atomes de fer ont pu s’associer aux atomes d’oxygène.

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4 a. 3 Fe + 2 O2 → Fe3O4



Type d’atomes

Nombre d’atomes avant transformation

Nombre d’atomes après transformation

Fer (Fe)

3

3

Oxygène (O)

2×2=4

4

b. Le fer a réagi avec le dioxygène de l’air. Le produit formé est constitué à la fois de fer et d’oxygène, d’où l’augmentation de masse de la paille de fer.

Un pas vers le bilan Lors d’une transformation chimique, la masse des produits formés est égale à la masse des réactifs ayant réagi ; dans l’équation de la réaction, le nombre total des atomes présents dans les réactifs est égal au nombre total des atomes présents dans les produits.

Module 2

33

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi la levure chimique fait-elle gonfler un gâteau ?

Matériel Démarche expérimentale A Question 2 • De l’eau. • Du bicarbonate de sodium. • De l’acide tartrique. • Du papier indicateur de pH. • Deux coupelles.

p. 33 du manuel

Démarche expérimentale B Question a • Une balance. • Une bouteille plastique avec son bouchon. • Un tube en plastique (qui doit pouvoir passer par le goulot de la bouteille). • De la levure chimique. • De l'eau.

Vidéos et animations en lien avec l’activité Action de la levure chimique (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, montre l’expérience du doc. 2 qui est réalisée dans la démarche expérimentale B. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, elle permet de poursuivre l’activité.

Démarche expérimentale A 1 La formation d’un gaz est le signe d’une transformation chimique. 2 Protocole expérimental :



• Dans un bécher, verser quelques millilitres d’eau. • Introduire du bicarbonate de sodium. Mélanger. • Évaluer le pH de la solution à l’aide d’un papier indicateur de pH. • Dans un bécher, verser quelques millilitres d’eau. • Introduire de l’acide tartrique. Mélanger. • Évaluer le pH de la solution à l’aide d’un papier indicateur de pH. 3 En solution, le bicarbonate de sodium réagit avec l’acide tartrique libérant du dioxyde de carbone. De même,

dans la pâte du gâteau, le bicarbonate de sodium et l’acide tartrique vont réagir et former du dioxyde de carbone à l’état gazeux qui fera gonfler le gâteau.

Un pas vers le bilan Le mélange d’une solution acide et d’une solution basique conduit à une transformation chimique.

Démarche expérimentale B a Observations :

• La masse avant la transformation chimique est égale à la masse après la transformation chimique. • La bouteille initialement froissée s’est défroissée pendant la transformation. b Le dioxyde de carbone formé se trouve à l’état gazeux dans la pâte. c Dans la pâte du gâteau, le dioxyde de carbone produit à l’état gazeux fait gonfler le gâteau.

Un pas vers le bilan .

34

Lors d’une transformation chimique, il y a conservation de la masse : la masse de tous les réactifs consommés est égale à la masse de tous les produits formés.

Thème 1

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AC TIV ITÉ

5 Comment ne pas faire de bulles lors d’une plongée ?

p. 34 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Plonger au recycleur d’air (doc. 3) Une vidéo, en accès libre, montre des plongeurs effectuant une exploration avec des bouteilles munies d’un recycleur d’air. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité. 1 a. L’air est composé approximativement de 80 % de diazote et de 20 % de dioxygène. Rigoureusement, il contient

aussi d’autres gaz comme le dioxyde de carbone (0,03 %).

b. Le gaz expiré comporte nettement plus de dioxyde de carbone que le gaz inspiré et moins de dioxygène.



c. Une partie du dioxygène a été consommé par le plongeur et remplacé par du dioxyde de carbone dans le gaz expiré. Lorsque le dioxyde de carbone expiré est piégé, il est nécessaire de remplacer le dioxygène consommé par un apport de dioxygène extérieur.



d. Sans recycleur, tous les gaz expirés sont perdus, y compris le dioxygène non utilisé. Avec un recycleur, la plongée est plus longue car le dioxygène inspiré qui n’a pas été consommé est encore présent dans le dispositif. Il est alors disponible pour le plongeur. 2 CO2 + CaH2O2 → H2O + CaCO3



Type d’atomes

Nombre d’atomes avant transformation

Nombre d’atomes après transformation

Carbone (C)

1

1

Oxygène (O)

2+2=4

1+3=4

Hydrogène (H)

2

2

Calcium (Ca)

1

1

3 Le dioxyde de carbone réagit avec l’hydroxyde de sodium du recycleur. C’est ainsi qu’il est « capté ». 4 En utilisant un recycleur, les plongeurs ne font pas de bulles car aucun gaz n’est rejeté à l’extérieur du



dispositif : • le dioxygène est disponible dans le dispositif et n’est plus en partie rejeté dans les bulles ; • le dioxyde de carbone réagit avec l’hydroxyde de calcium pour former de l’eau et du carbonate de calcium.

Un pas vers le bilan

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Les atomes se réorganisent dans une transformation chimique : les atomes formant les molécules des réactifs se séparent puis se lient tous différemment en formant de nouvelles molécules.

Module 2

35

AC TIV ITÉ

6 À quoi servent

les modèles moléculaires ?

p. 35 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Animation : Réorganisation des atomes lors d’une transformation chimique (doc. 2) Une animation, disponible dans le manuel numérique, montre, pour les deux réactions chimiques de l’activité, une modélisation des réactions à l’aide de modèles moléculaires. 1 Les atomes sont modélisés par des boules colorées :



• modèle de l’atome de carbone : (boule noire) ; • modèle de l’atome d’hydrogène : (boule blanche) ; • modèle de l’atome d’oxygène : (boule rouge). 2 Les combustions décrites sont des transformations chimiques car les molécules des réactifs sont transformées

en de nouvelles molécules : les produits. 3 Seul le dioxygène de l’air participe à la combustion. 4 Scénario pour la combustion du carbone :



• Prévoir des élèves figurant des atomes de carbone avec une étiquette « noire » pour les reconnaître. • Prévoir des élèves figurant des atomes d’oxygène se tenant par la main avec une étiquette « rouge » pour les reconnaître. • Scénariser la combustion en demandant aux élèves de se réarranger en trinômes composés d’un élève figurant des atomes de carbone et de deux élèves figurant des atomes d’oxygène ; l’élève figurant un atome de carbone devant se situer au centre des deux autres en leur tenant la main. Scénario pour la combustion du méthane : • Prévoir des élèves figurant des atomes de carbone avec une étiquette « noire » pour les reconnaître. • Prévoir des élèves figurant des atomes d’hydrogène avec une étiquette « blanche » pour les reconnaître. • Prévoir des élèves figurant des atomes d’oxygène avec une étiquette « rouge » pour les reconnaître. • Avant la combustion, un élève figurant des atomes de carbone et quatre élèves figurant des atomes d’hydrogène se tiennent, l’élève figurant un atome de carbone devant se situer au centre des autres. D’autre part, les élèves figurant les atomes d’oxygène se tiennent la main deux par deux. • Scénariser la combustion en demandant aux élèves de se réarranger : – soit en trinômes composés d’un élève figurant des atomes de carbone et de deux élèves figurant des atomes d’oxygène ; l’élève figurant un atome de carbone devant se situer au centre des deux autres en leur tenant la main ; – soit en trinômes composés d’un élève figurant des atomes d’oxygène et de deux élèves figurant des atomes d’hydrogène ; l’élève figurant un atome d’oxygène devant se situer au centre des deux autres en leur tenant la main.



5 Les modèles moléculaires permettent de modéliser des molécules et certaines transformations chimiques

associées.

Les nombres notés devant les formules des espèces chimiques sont indispensables lors de l’écriture de l’équation d’une réaction chimique afin de rendre compte de la conservation du nombre des atomes lors de la réorganisation des atomes d’une transformation chimique.

36

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

7 Pourquoi une fuite de gaz peut-elle provoquer une explosion ?

p. 36 du manuel

Matériel • Des modèles moléculaires. 1 Avec un seul modèle de chaque molécule de réactif, il est impossible de reconstituer les produits de la trans-

formation du doc. 1 en redistribuant les atomes.

Remarque  : Il est peu rigoureux de comparer ce qui se passe aux niveaux microscopique et macroscopique. En effet, si microscopiquement, une molécule de méthane ne réagit pas avec une molécule de dioxygène, macroscopiquement, un volume de méthane réagit avec un volume de dioxygène puisque le mélange (50 %–50 %) est situé dans le domaine d’explosivité. Il faut alors prendre des précautions orales avec les élèves. 2 Avec un modèle de molécule de méthane et deux modèles de molécule de dioxygène, il est possible de recons-

tituer les produits de la transformation chimique : on obtient un modèle de molécule de dioxyde de carbone et deux modèles de molécule d’eau. 3

+ CH4

+

→ 2 O2

+

→

+

CO2

2 H 2O

4 Une fuite de gaz peut provoquer une explosion quand la proportion de méthane et de dioxygène dans le mélange

est celle indiquée au doc. 2 : entre 26 % et 88 % de méthane.

Remarque 1 : En dehors de ces proportions, la combustion ne peut pas avoir lieu. Que le mélange soit trop riche en méthane ou trop riche en dioxygène, il ne s’enflamme pas. Domaine d’explosivité

Domaine d’inexplosivité 0



Domaine d’inexplosivité Limite supérieure d’explosivité

Limite inférieure d’explosivité

100

Remarque 2 : Usuellement, les concentrations sont données en pourcentage du volume dans l’air et pas dans le dioxygène. Nous avons préféré « traduire » ce pourcentage par rapport au dioxygène pour éviter les confusions que pourraient faire les élèves. Pour le méthane, la LIE = 5 % et la LSE = 15 %.

Un pas vers le bilan Une équation de réaction doit respecter la conservation du nombre d’atomes : il doit y avoir le même nombre d’atome de chaque espèce avant et après la transformation chimique.

Prolongement

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

a. En reconstituant la situation, on constate qu’après la combustion, il reste une molécule de dioxygène en excès.

+

→

+

+

Remarque : Avec ces proportions, la réaction peut ne pas se produire macroscopiquement puisqu’en volume (25 %–75 %) le mélange se situe en limite de LIE. b. Le mélange conduisant à une détonation comporte exactement les proportions de l’équation de la question 3. Remarque : Les régimes de détonation (en milieu confiné) et de déflagration (en milieu non confiné) sont décrits dans la brochure publiée par l’INRS à l’adresse suivante : www.inrs.fr/dms/inrs/CataloguePapier/ED/TI-ED-944/ed944.pdf Nous n’avons volontairement mentionné qu’un seul régime pour éviter la surabondance de vocabulaire qui n’était pas nécessaire à la compréhension de l’activité. Le professeur pourra s’y référer pour plus d’explications sur le régime d’explosion. Module 2

37

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les tranformations chimiques

p. 40 et 41 du manuel

Les équations de réaction QCM

QCM 1  a.

12  b.

2  a.

3  Choisir un état final La masse des réactifs consommés est égale à la masse des produits formés : m(réactifs) = m(vinaigre) + m(craie) = 124 + 4 = 128 g  Donc m(produits) = 128 g  La bonne réponse est la réponse C . 4  Calculer des masses 1. Conservation de la masse : m(réactifs) = m(produits) m(réactifs) = m(carbone) + m(dioxygène) = 12 + 32 = 44 g m(produits) = m(dioxyde de carbone) Donc m(dioxyde de carbone) = 44 g 2. m(réactifs) = m(produits) m(carbone) + m(dioxygène) = m(dioxyde de carbone) Donc : m(dioxygène) = m(dioxyde de carbone) – m(carbone) m(dioxygène) = 66 – 18 = 48 g

14  Établir une équation de réaction 1. Les réactifs sont le méthane (CH4) et le dioxygène (O2). Les produits sont le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O). 2. CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 15  Modéliser une réaction L’équation chimique B est celle modélisant la réaction. 16  Comprendre une équation de réaction Deux molécules d’éthane réagissent avec sept molécules de dioxygène pour former quatre molécules de dioxyde de carbone et six molécules d’eau. 17  Écrire une équation de réaction 1. a. P4 + 5 O2 → P4O10 b. P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4 2. a.

Les espèces chimiques QCM 5  b.

6  b.

7  a. et c.

8  Écrire la formule d’une molécule Nom de l’atome Symbole de l’atome Nombre d’atomes Carbone

C

6

Hydrogène

H

12

Oxygène

O

6

13  b. et c.

Atomes (symbole)

Avant la transformation

Après la transformation

Phosphore (P)

4

4

Oxygène (O)

5 × 2 = 10

10

Atomes (symbole)

Avant la transformation

Après la transformation

Phosphore (P)

4

4 × 1 = 4

Oxygène (O)

10 + 6 × 1 = 16

4 × 4 = 16

Hydrogène (H)

6 × 2 = 12

4 × 3 = 12

b.

D’où l’écriture : C6H12O6

9  Lire la formule chimique d’une molécule

Les propriétés acidobasiques

C

Carbone

3

QCM

H

Hydrogène

6

18  a., b. et c.

O

Oxygène

3

10  Établir la formule d’une molécule H2O2

19  a. et c.

20  Interpréter le résultat d’une expérience Le bécher qui contient l’eau de Javel diluée est la moins basique des deux, donc c’est le bécher A avec un pH égal à 8.

11  Représenter le modèle d’une molécule 21  Prévoir le résultat d’une expérience Le pH du mélange des deux solutions va être compris entre 3 et 9. 38

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Symbole de l’atome Nom de l’atome Nombre d’atomes

EX ER CI CE S

Se perfectionner C

22  La combustion du soufre

Avant Après la transformation la transformation

Une vidéo, en accès libre, montre la combustion du soufre.

Atomes (symbole) Azote (N)

4 × 1 = 4

4 × 1 = 4

Lors d’une transformation chimique, la masse des réactifs utilisés et égale à la masse des produits formés. Le dioxygène de l’air est l’autre réactif de la transformation. Les atomes de soufre et ceux d’oxygène se sont liés entre eux, d’où l’augmentation de masse. De même, une partie du dioxygène de l’air ayant été consommé, la masse d’air a diminué. Remarque : L’histoire ne dit pas comment Antoine Lavoisier a mesuré la masse de l’air sans le gaz soufré.

Oxygène (O)

5 × 2 = 10

4 × 1 + 6 × 1 = 10

Hydrogène (H)

4 × 3 = 12

6 × 2 = 12

23  La combustion du fer Une vidéo, en accès libre, montre la combustion du fer. Conservation de la masse : m(réactifs) = m(produits) m(réactifs) = m(fer) + m(dioxygène) m(produits) = m(oxyde de fer)

D’où : Donc :

m(fer) + m(dioxygène) = m(oxyde de fer) m(dioxygène) = m(oxyde de fer) – m(fer) m(dioxygène) = 4,4 – 3,2 = 1,2 g

24  Antoine Lavoisier 1. Une transformation chimique est un réarrangement des atomes entre eux. 2. L’usage systématique de la balance lui a permis d’établir ses conclusions. 25  Fabrication de l’acide nitrique 1. 1 ⇔ C    2 ⇔ A    3 ⇔ B 2. A © Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

p. 42 à 45 du manuel

Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N)

2 × 1 = 2

2 × 1 = 2

Oxygène (O)

2 × 1 + 2 = 4

2 × 2 = 4

B Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N)

3 × 1 = 3

2 × 1 + 1 = 3

Oxygène (O)

3 × 2 + 1 = 7

2 × 3 + 1 = 7

Hydrogène (H)

2

2 × 1 = 2

3. Dans cette modélisation, trois molécules de réactifs sont modélisées. Seule l’équation A correspond à cette modélisation. Remarque : On peut aussi justifier à partir du nombre de molécules de produits (deux), ou à partir du nombre d’atome de chaque molécule.

26  Des noms de molécules 1 ⇔ B     2 ⇔ D     3 ⇔ C 27  L’éthanol La formule chimique de l’éthanol est C2H6O. 28  Vitamine C 1. La vitamine C est une molécule car elle est constituée d’atomes. 2. La vitamine C est composée de : • 6 atomes de carbone ; • 8 atomes d’hydrogène ; • 6 atomes d’oxygène. 3. La vitamine C présente dans les oranges est la même que celle contenue dans les ananas : sa formule chimique ne change pas. 29  Cuisson des aliments Le brunissement est caractéristique d’une transformation chimique. Les réactifs étant différents des produits, les molécules ne peuvent pas être toutes identiques. 30  Déterminer les réactifs et les produits 1. La vaporisation du dichlore dans le réacteur (passage de l’état liquide à l’état gazeux) est une transformation physique (c’est un changement d’état). 2. Les réactifs sont le dichlore et le phosphore. Le produit est le trichlorure de phosphore. 3. Atomes (symbole)

Avant la transformation

Après la transformation

Phosphore (P)

4

4 × 1 = 4

Chlore (Cl)

6 × 2 = 12

4 × 3 = 12

31  L’incendie du Zeppelin Une vidéo, en accès libre, montre l’incendie du Zeppelin (document historique). Module 2

39

EX ER CI CE S

32  Cavendish et les gaz 1. Le dioxygène est appelée « air vital » car, sans lui, la vie n’est pas possible. 2. Le dihydrogène est appelée « air inflammable » car il s’enflamme au contact d’une source de chaleur. 3. Expérience

Équation

Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer formant « l’air inflammable »

C

Réaction entre le dihydrogène et le dioxygène formant de l’eau

A

Réaction entre le diazote et le dioxygène formant des oxydes d’azote

B

33  Il est frais mon poisson ! 1. La dernière phrase : « Des espèces inodores se forment alors. » permet d’affirmer qu’une transformation chimique a eu lieu. 2. Les réactifs sont la triméthylamine et le vinaigre. 3. Le vinaigre étant acide et la triméthylamine basique, la grandeur modifiée par la transformation chimique est le pH. 34  Une intoxication bovine 1. L’intoxication est appelée acidose car la valeur du pH diminue et le sang devient trop acide. 2. L’effet recherché est de rehausser la valeur du pH. 3. L’alcalose est caractérisée par un pH du sang trop élevé. 35  Fabriquer son savon 1. La solution de potasse est basique car son pH est égal à 13. 2. K est le symbole de l’atome de potassium, d’où le terme potasse. 3. Il est précisé dans le doc. 1 que « le mélange n’est plus gras » : le savon liquide ne contient donc plus de graisse. 4. Le doc. 1 indique que l’huile essentielle joue le rôle d’un parfum : elle subit une transformation physique du fait de sa forte volatilité. 36  A Great Chemist Traduction : Antoine-Laurent de Lavoisier (1743– 1794) était un des principaux chimistes du XVIIIe siècle. Il est considéré comme « le père de la chimie moderne ». Une phrase célèbre lui est attribuée : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » 40

Thème 1

1. Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Remarque : Cette phrase est une libre adaptation du texte original. La phrase originelle est proposée dans l’exercice 24. 2. Dans une équation de réaction, on doit avoir le même nombre d’atomes de chaque sorte du côté des réactifs et du côté des produits.

37  Faut-il interdire le DHMO ? 1. L’opinion publique peut sembler justifiée compte tenu de tous les risques invoqués dans le doc. 1. 2. a. La formule du monoxyde de dihydrogène pourrait être : H2O. b. Cette formule chimique fait penser à celle de l’eau. 3. a. Les informations semblent inquiétantes car le DHMO semble être partout ! • dans l’industrie ; • dans les rivières ; • dans la nourriture. b. Aucune de ces informations n’est mensongère : • « l’exposition prolongée à sa forme solide entraîne des dommages graves des tissus » : des brûlures (gelures) peuvent être provoquées lors d’un contact au contact prolongé avec la glace ; • « sous forme gazeuse, il peut causer des brûlures graves » : la vaporisation de l’eau se fait à 100°C ; • « l’inhalation de sa forme liquide peut être mortelle » : l’inhalation d’eau peut provoquer la noyade ; • « il contribue à l’érosion des sols » : le sol est modelé par l’érosion avec l’eau ; • « il contribue à l’effet de serre » : la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre ; • « il est un constituant majeur des pluies acides » : la pluie, même acide, est bien constituée majoritairement d’eau. 4. a. La présentation « alarmiste » cherche à faire peur. b. Le résultat du sondage montre que l’effet est réussi. 5. Il faut toujours avoir un regard critique sur des documents inconnus et croiser les informations.

38  La qualité d’une huile d’olive Tâche complexe Question posée : L’huile a-t-elle des qualités nutritionnelles ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quoi dépend la qualité d’une huile d’olive ? 2. Qu’est-ce que l’acide oléique ? 3. Quels types d’huiles ont des qualités nutritionnelles ? 4. La quantité d’acide oléique a-t-elle une influence sur les qualités nutritionnelles d’une huile ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La qualité d’une huile d’olive dépend de la variété des olives, de leur lieu de production, etc. (doc. 1). 2. L’acide oléique contribue à l’acidité de l’huile (doc. 1).

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

1. Les réactifs sont le dihydrogène et le dioxygène. 2. La formule du dihydrogène est H2 et celle du dioxygène est O2. 3. Le combustible est le dihydrogène. Le comburant est le dioxygène.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

3. Les huiles « vierge » et « vierge extra » ont des qualités nutritionnelles (doc. 2). 4. La quantité d’acide oléique est évaluée par le taux d’acidité ; pour qu’une huile d’olive ait des qualités nutritionnelles, son taux d’acidité doit être inférieur à 2 % (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Déterminer le taux d’acidité de l’huile d’olive testée par le technicien et le comparer aux normes. 4e étape : Construire la réponse • Calculer la masse de l’échantillon d’huile. • Calculer le taux d’acide oléique dans cet échantillon. • Comparer ce taux à celui des huiles « vierge » et « vierge extra ».

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La qualité nutritionnelle de l’huile d’olive dépend du taux d’acide oléique qu’elle contient. On considère que l’huile d’olive possède des qualités nutritionnelles si son taux d’acide oléique est inférieur à 2 %. On nous demande de calculer le taux d’acidité de l’huile d’olive testé par le technicien et de le comparer aux normes. • Mettre en forme la réponse. Le taux d’acidité s’exprime en gramme d’acide oléique pour cent grammes d’huile. Calculons la masse d’un volume V = 40 mL de l’huile d’olive testée (énoncé) : m = ρ × v = 0,92 × 40 = 36,8 g (doc. 3 et donnée) 36,8 g d’huile d’olive contiennent 0,9 g d’acide oléique (énoncé), donc 100 g d’huile d’olive contiennent : 100 m’ = 0,9 × = 2,4 g d’acide oléique. 36,8 On en déduit le taux d’acidité : t = 2,4 % • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Une huile d’olive possède des qualités nutritionnelles si son taux d’acide oléique est inférieur à 2 %. Comme l’huile testée a un taux d’acidité égal à 2,4 % supérieur à 2 %, elle ne possède pas de qualité nutritionnelle. Grille d’évaluation en fin de module.

Module 2

41

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

40  Analyser sa production 1. Les réactifs sont le dioxyde de soufre et le dioxygène. 2. À partir des formules citées dans le doc. 2, on peut écrire : SO3 + H2O → H2SO4 3. Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Soufre (S)

1

1

Oxygène (O)

3 + 1 = 4

4

Hydrogène (H)

2

2

4. Les activités humaines produisent une quantité énorme de dioxyde de carbone, contribuant au réchauffement climatique, mais aussi indirectement du trioxyde de soufre. Ce dernier « réduit le rayonnement solaire diminuant ainsi la température moyenne ». Le trioxyde de soufre a limité l’augmentation de la température.

41  Utiliser le vocabulaire 1. La masse totale des produits formés et égale à la masse totale des réactifs consommés. 2. Il y a autant d’atomes de chaque sorte dans les réactifs que dans les produits. 42  À chacun son rythme Une vidéo, en accès libre, montre des feux follets dans un marais. Tâche complexe Question posée : Rédiger un court texte expliquant pourquoi le feu follet n’est pas un phénomène surnaturel.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un feu follet ?

42

Thème 1

2. À quel(s) phénomène(s) surnaturel(s) est associé un feu follet ? 3. À quel phénomène naturel un feu follet peut-il être apparenté ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un feu follet est une lueur bleue ou verte qui apparaît la nuit autour des marais ou dans des cimetières, près du sol (doc. 1). 2. Beaucoup de croyances associent le feu follet à des fantômes ou des esprits (doc. 1). 3. Un feu follet peut être apparenté à la combustion du méthane (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Rédiger un court texte pour expliquer comment la méthanisation peut être à l’origine de la formation des feux follets. 4e étape : Construire la réponse • Dans les marais, il y a un processus de méthanisation et de formation de phosphine. • La phosphine s’auto-enflamme à température ambiante. • Elle permet la combustion du méthane. • Le méthane brûle avec une flamme de couleur bleue comme la couleur des feux follets, d’où la méprise avec des phénomènes surnaturels. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les feux follets apparaissent la nuit autour des marais. Le méthane produit par la putréfaction de matières organiques est à l’origine de la formation des feux follets. Comment expliquer ce phénomène ? • Mettre en forme la réponse. Les marais sont le siège de deux phénomènes : la méthanisation (décomposition de matières végétales et animales, doc. 2) et la production de phosphine (doc. 3). La phosphine à la propriété de s’auto-enflammer dans l’air, à température ambiante (doc. 3). L’énergie thermique produite par l’auto-inflammation de la phosphine permet au méthane de s’enflammer. Le méthane brûle avec une flamme de couleur bleue comme la couleur des feux follets (photo du doc. 2). • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ainsi, la flamme bleue du feu follet, qui apparaît dans des marais lorsque le méthane s’enflamme, a été longtemps prise pour un phénomène surnaturel. Toutefois, l’évolution des connaissances en chimie a permis d’élucider ce mystère. Grille d’évaluation en fin de module.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

39  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé  1. La masse de dioxygène nécessaire pour la combustion de 9 g de carbone est proportionnelle à celle nécessaire à la combustion de 3 g de carbone : 8 m(O ) = 9 × = 24 g 2 3 2. La masse se conserve lors d’une transformation chimique : la masse des réactifs est égale à la masse des produits. 3. La masse des réactifs est : m(réactifs) = 9 + 24 = 33 g . Donc la masse des produits est : m(produits) = 33 g . Il se forme 33 g de dioxyde de carbone.

p. 46 et 47 du manuel

EX ER CI CE S

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

• Corrigé de l’énoncé détaillé  1. Un feu follet est une lueur bleue ou verte qui apparaît la nuit autour des marais ou dans des cimetières, près du sol. 2. Beaucoup de croyances associent le feu follet à des fantômes ou des esprits. 3. a. La méthanisation est un processus de décomposition de matières pourrissables à l’origine de la formation du gaz méthane. b. Le méthane peut être « transformé en énergie thermique » lors de sa combustion. Remarque : il est nécessaire de faire relever, par les élèves, le manque de rigueur de cette formulation et d’expliquer pourquoi il y a des guillemets. c. La combustion du méthane est une transformation chimique. 4. a. À température ambiante, la phosphine est gazeuse (ébullition à –87,8 °C). b. La phosphine se trouve dans les marais par exemple. c. La phosphine s’enflamme à l’air, à une température inférieure à 38 °C en présence d’impuretés. 5. La flamme bleue du feu follet qui apparaît dans des marais lorsque le méthane s’enflamme, a été

Accompagnement personnalisé

longtemps prise pour un phénomène surnaturel. Toutefois, l’évolution des connaissances en chimie a permis d’élucider ce mystère. Cette flamme est due à la combustion du méthane produit par la décomposition de matières pourrissables. Le méthane est un gaz combustible. Sa combustion est déclenchée par l’auto-inflammation de la phosphine, produite en même temps que le méthane.

43  Pour aller plus loin Les formules des réactifs et des produits sont déduites du texte. En écrivant l’équation, il faut assurer la conservation des atomes : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Vérification de la conservation : Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

3

3 × 1 = 3

Oxygène (O)

5 × 2 = 10

3 × 2 + 4 × 1 = 10

Hydrogène (H)

8

4 × 2 = 8

Module 2

43

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 38 La qualité d’une huile d’olive 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 1

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 qualité d’une huile d’olive dépend de la variété des olives, de leur lieu de production, etc. Doc. 1 : L’acide oléique contribue à l’acidité de l’huile. Doc. 2 : Les huiles « vierge » et « vierge extra » ont des qualités nutritionnelles. Doc. 2 : La quantité d’acide oléique est évaluée par le taux d’acidité ; pour qu’une huile d’olive ait des qualités nutritionnelles, son taux d’acidité doit être inférieur à 2 %.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer le taux d’acidité de l’huile de nature scientifique. d’olive testée par le technicien et le comparer aux normes. 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 masse de l’échantillon d’huile. • Calculer son taux d’acide oléique. • Comparer ce taux à celui des huiles « vierge » et « vierge extra ». • 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 et les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation m = ρ × V. • Traduction du taux d’acidité expliqué dans le texte.

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.

44

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

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 4e – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 42 À chacun son rythme – Feu follet 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 4e – 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 : Un feu follet est une lueur bleue ou verte qui apparaît la nuit autour des marais ou dans des cimetières, près du sol. Doc. 1 : Beaucoup de croyances associent le feu follet à des fantômes ou des esprits. Doc. 2 : Un feu follet peut être apparenté à la combustion du méthane.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Le méthane produit par la putréfaction de nature scientifique. de matières organiques est à l’origine de la formation des feux follets. Comment expliquer ce phénomène ? 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 : • Identifier le gaz qui brûle lors d’un feu follet. • Identifier l’origine de ce gaz. • Identifier la façon dont ce gaz s’enflamme. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique. • Le texte du doc. 2 permet à l’élève de comprendre que le phénomène est dû à Passer d’une forme une transformation chimique. de langage scientifique • Les valeurs des températures citées à une autre. dans le doc. 3 ont permis d’évaluer correctement l’état physique de la phosphine à température ambiante ainsi que sa capacité à s’auto-enflammer à température ambiante.

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 2

45

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 Décrire la structure de l’Univers et du Système solaire. Ce thème fait prendre conscience à l’élève que l’Univers a été Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : différent dans le passé, qu’il évolue dans sa composition, ses du kilomètre à l’année-lumière. échelles et son organisation, que le Système solaire et la Terre 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. Connaître et comprendre l’origine de la matière. Pour la formation de l’élève, c’est l’occasion de travailler Comprendre que la matière observable est partout de même sur des ressources en ligne et sur l’identification de sources nature et obéit aux mêmes lois. d’informations fiables. • La matière constituant la Terre et les étoiles. Cette thématique peut être aussi l’occasion d’une ouverture vers • Les éléments sur Terre et dans l’Univers (hydrogène, hélium, la recherche, les observatoires et la nature des travaux menés éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium…). grâce aux satellites et aux sondes spatiales. • Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

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

46

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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

MF

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Décrire la structure du Système solaire.

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 5e QCM Flash

p. 10 du manuel

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

47

AC TIV ITÉ

1 Comment connaît-on l’âge du Système solaire ?

p. 49 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Comment connaît-on l’âge du Système solaire (texte d’introduction) ? Une vidéo, en accès libre, présente la météorite qui a traversé l’atmosphère terrestre le 15 février 2013 au-dessus de Tcheliabinsk (Russie). • La datation des roches (doc. 1) Une vidéo disponible dans le manuel numérique du professeur illustre la détermination de l’âge de la Terre. Cela se fait par mesure radiométrique, dans un premier temps de roches terrestres puis de roches venues de l’espace, les météorites. La datation de ces roches a permis de remonter aux âges de la Terre et du Système solaire. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La datation soulève beaucoup de questions auprès des élèves. Les documents proposés ainsi que la vidéo permettent d’expliquer simplement la détermination de l’âge de la Terre ainsi que celui du Système solaire. 1 Il est difficile de donner un âge à la Terre car il faut trouver des éléments de la Terre qui étaient présents au

moment de sa formation. La partie de la Terre accessible est sa croûte ; or cette dernière se renouvelle. 2 On connaît l’âge du Système solaire en datant les chondrites qui tombent sur Terre. Certaines se sont formées

en même temps que le Système solaire.

Un pas vers le bilan

48

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Le Système solaire a environ 4,6 milliards d’années.

AC TIV ITÉ

2 Comment peut-on repérer des exoplanètes ?

p. 50 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Les exoplanètes (texte d’introduction) Une vidéo, en accès libre, définit ce qu’est une exoplanète ainsi que la période à partir de laquelle l’Homme en a découvert. • Méthode du transit (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, présente le principe de détection d’une planète par la méthode du transit. Cette vidéo est complémentaire des doc. 1 et 2. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Comment repérer dans l’espace des planètes, des corps célestes qui diffusent peu de lumière comparée à celle émise par une étoile ? On répond à la curiosité de l’élève en lui présentant la méthode du transit, méthode accessible pour un collégien. Bien évidemment, cette méthode, outre la difficulté de repérer de faibles variations de lumière, n’est applicable uniquement que si l’exoplanète passe entre l’étoile, autour de laquelle elle est en révolution, et la Terre (si l’observation se fait depuis la Terre). D’autres méthodes de détection sont aussi utilisées en astrophysique mais elles ne sont pas accessibles en collège. 1 L’observation d’une exoplanète est difficile car une exoplanète est peu lumineuse par rapport à son étoile et

très proche d’elle. Lors d’un transit, la variation de la lumière émise par l’étoile est très faible, donc très difficile à détecter. 2 Intensité lumineuse A

E C

0

1

2

3

4

5

6

5

6

Temps (en heure)

3 Intensité lumineuse

Durée du transit 0



1

2

3

4

Temps (en heure)

La durée du transit est de 3 heures.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

4 Il est préférable de mesurer la durée séparant un grand

Intensité lumineuse

nombre de transits consécutifs pour calculer la durée entre deux transits. En environ 32 jours, on observe 10 transits, donc 9 fois la durée séparant deux transits consécutifs. Neuf fois la durée entre deux transits La durée séparant deux transits consécutifs est de 0 10 20 30 32 = 3,6 jours. Temps (en jour) 9 5 On peut repérer des exoplanètes lors d’un transit, c’est-à-dire si cette exoplanète passe entre son étoile et la Terre. On observe alors une diminution de l’intensité lumineuse de l’étoile liée à ce passage.

Un pas vers le bilan Une exoplanète est une planète qui n’appartient pas au Système solaire.

Module 3

49

AC TIV ITÉ

3 Quelle est la taille

du Système solaire ?

p. 51 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Quelle est la taille du système solaire (texte d’introduction) ? Une vidéo, en accès libre, est une présentation très détaillée des planètes du Système solaire. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire définit deux unités utilisées pour mesurer les distances dans l’Univers : l’unité astronomique et l’année-lumière. Cette activité sera l’occasion d’utiliser les puissances de 10 vues en mathématiques et de travailler sur des conversions entre ces différentes unités de distances. 1 La taille de l’être humain est de 1,5 m.



Le diamètre de la Terre est de 13 000 km. Le diamètre du Système solaire est de 15 000 000 000 km. Il est possible de présenter cette distance à l’aide des puissances de 10, soit 15 × 109 km. Le diamètre de la Voie lactée est de 1 000 000 000 000 000 000 km. Il est possible de présenter cette distance à l’aide des puissances de 10, soit 1 × 1018 km.



2 Le diamètre du Système solaire est de 15 000 000 000 000 m ou 15 × 1012 m.

Un pas vers le bilan Pour convertir en unité astronomique une distance exprimée en mètre, on peut utiliser un tableau de proportionnalité : Distance en m

Distance en ua

1,5 ×

1011

1

15 ×

1012

d1

1×

1021

d2

15 × 1012 × 1 = 100 ua 1,5 × 1011 Le diamètre du Système solaire est de 100 ua. 1 × 1021 × 1 d2 = = 6,7 × 109 ua 1,5 × 1011 Le diamètre de la Voie lactée est de 6,7 × 109 ua. Pour convertir en année-lumière une distance exprimée en mètre, on peut utiliser un tableau de proportionnalité. Distance en m

Distance en al

9,5 × 1015

1

15 ×

1012

d3

1×

1021

d4

15 × 1012 × 1 = 0,0016 al 9,5 × 1015 Le diamètre du Système solaire est de 0,001 6 al. 1 × 1021 × 1 d4 = = 1,1 × 105 al 9,5 × 1015 Le diamètre de la Voie lactée est de 1,1 × 105 al. d3 =

Prolongement Comme objets de l’Univers plus petit que l’Homme, on peut proposer l’atome, la molécule ; parmi les objets plus grands que la Voie lactée, on peut proposer l’Univers. 50

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

d1 =

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi les représentations du Système

solaire ne respectent-elles pas les échelles p. 52 du manuel de distance ?

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une représentation du système solaire (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, est réalisée à partir du logiciel libre Celestia. On part d’un plan montrant la trajectoire de la Terre autour du Soleil puis on s’éloigne petit à petit afin de découvrir l’ensemble des orbites des planètes du Système solaire. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet d’apprécier les distances au Soleil très différentes des planètes du Système solaire. La vidéo permet de mieux anticiper sur la schématisation demandée à la question 2. Dans cette activité, on travaille également la conversion de distances de kilomètre en unité astronomique (ua). On utilise également les puissances de 10 vues en mathématiques. 1 On utilise un tableau de proportionnalité pour convertir des kilomètres en unité astronomique ; on réalise cette

conversion pour la planète Mercure. Distance en km



d1 =

Distance en ua

1,5 ×

108

1

5,8 ×

107

d1

5,8 × 107 × 1

= 0,39 ua 1,5 × 108 Mercure est à 0,39 ua du Soleil. On fait de même pour les autres planètes du Système solaire. Les résultats sont consignés dans le tableau ci-dessous. Planète

Mercure

Vénus

Terre

Mars

Jupiter

Saturne

Uranus

Neptune

d en ua

0,39

0,72

1

1,5

5,2

9,5

19

30

2 Sur une feuille A4, la distance maximale que l’on peut représenter est d’environ 36 cm (diagonale de la feuille).



La planète la plus éloignée du Soleil est Neptune située à 30 ua. On place le Soleil et Neptune à 30 cm l’un de l’autre. 30 ua → 30 cm donc 1 ua → 1 cm Sur la feuille A4, d est la distance exprimée en centimètre de la planète au Soleil. Planète

Mercure

Vénus

Terre

Mars

Jupiter

Saturne

Uranus

Neptune

d en cm

0,39

0,72

1

1,5

5,2

9,5

19

30

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

3 Les représentations du Système solaire ne respectent pas les échelles de distance car sur une feuille A4,

Neptune serait à 30 cm du Soleil alors que Mercure serait à 4 mm. Les distances sont trop éloignées les unes des autres pour pouvoir être représentées correctement.

Un pas vers le bilan Les distances du Système solaire sont de quelques unités astronomiques alors qu’elles s’expriment en milliards de kilomètres pour les planètes les plus éloignées. L’unité astronomique est donc une unité adaptée aux distances du Système solaire.

Module 3

51

AC TIV ITÉ

5 Les étoiles d’une constellation sont-elles à la même distance de la Terre ?

p. 53 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet d’exclure l’idée que les étoiles d’une constellation sont placées à la même distance de la Terre. À l’aide d’un document analogue au doc. 2, l’élève est amené à représenter une constellation en perspective. Complément Le document disponible dans le manuel numérique du professeur permet de répondre plus facilement à la question 3. 1 Les unités de distance utilisées dans le doc. 3 sont le kilomètre et l’année-lumière. 2 La distance Terre - Ruchbah est de 944 000 000 000 000 km = 944 × 1012 km, soit 99 al. 3

Cinq étoiles de Cassiopée vues dans le ciel

1 2

Étoile Schedir vue en perspective

3 5 4

0

54

99

229

442

613

Distance en années-lumière

4 Les étoiles ne sont pas à la même distance puisque la plus proche, Caph, est à 54 années-lumière de la

Terre alors que la plus éloignée, Tsih, est à 613 années-lumière de la Terre.

Un pas vers le bilan

52

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Les distances dans l’Univers sont très grandes. Elles s’expriment plus simplement en année-lumière. L’année-lumière est une unité adaptée aux distances astronomiques dans l’Univers.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La structure de l’Univers et du Système solaire

p. 56 du manuel

Les unités de distance en astronomie

QCM

QCM

1  c.

7  a.

2  b.

8  a.

3  a.

9  a.

4  c.

10  b. 11  c.

5  Classer des corps célestes 1.

12  a. 13  Savoir convertir des km en ua Pour convertir en année-lumière une distance exprimée en kilomètre, on peut utiliser un tableau de proportionnalité :



La Voie lactée

La Terre

Le Système solaire La Lune 2. Par taille croissante, on trouve : la Lune, la Terre, le Système solaire et la Voie lactée.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

6  Reconnaître la définition de corps célestes Étoile

Astre produisant sa propre lumière

Galaxie

Regroupement d’un grand nombre d’étoiles

Planète

Corps gravitant autour d’une étoile

Distance en km

Distance en ua

108 200 000

d

1,5 × 108

1

km

d = 108 200 000 × 1 = 0,72 ua 1,5 × 108 Vénus est à 0,72 ua du Soleil. Cette distance est très inférieure à 50 ua qui correspond à la distance limite du Système solaire. Vénus est dans le Système solaire.

14  Savoir convertir des km en al Pour convertir en année-lumière une distance exprimée en kilomètre, on peut utiliser un tableau de proportionnalité : Distance en km

Distance en al

2,4 × 1019

d

9,5 × 1012 km

1

19 d = 2,4 × 10 × 1 = 2,5 × 106 al 9,5 × 1012 2,5 × 106 al = 2 500 000 al Cette distance est supérieure à 100 000 al, diamètre de la Voie lactée. La galaxie d’Andromède n’est pas située dans la Voie lactée.

Module 3

53

EX ER CI CE S

Se perfectionner

Distance en km

Distance en ua

1,5 × 108

1

d

40

8 d = 1,5 × 10 × 40 = 6 × 109 km, soit 6 milliards de 1 kilomètres. Cette distance est supérieure à 4,5 milliards de kilomètres, distance entre Neptune et le Soleil. Pluton est plus éloignée du Soleil que Neptune.

Tâche complexe 16  L’opposition de Mars Question posée : Quelle est la plus petite distance entre la Terre et Mars ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Comment se déplace Mars par rapport à la Terre et au Soleil ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Lors de l’opposition de Mars, la Terre est entre Mars et le Soleil (doc.). Lors de la conjonction de Mars, le Soleil est entre Mars et la Terre (doc.) La Terre est à 1 ua astronomique du Soleil, Mars à 1,5 ua du Soleil (doc.) 3e étape : Dégager la problématique Dans quelle situation Mars est-elle la plus proche de la Terre ? Quelle est alors la distance qui sépare les deux planètes ? 4e étape : Construire la réponse • Repérer les positions relatives de la Terre, de Mars et du Soleil lors de l’opposition et de la conjonction de Mars. • Repérer la situation dans laquelle la Terre et Mars sont les plus proches. • Calculer alors la distance entre la Terre et Mars. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Mars et la Terre tournent autour du Soleil. Dans quelle situation Mars est-elle la plus proche de la Terre ? Quelle est alors la distance qui sépare les planètes ? 54

Thème 1

• Mettre en forme la réponse. On a schématisé ci-dessous les positions relatives du Soleil, de la Terre et de Mars lors d’une opposition et d’une conjonction de Mars.

T

S

M

M

S

Opposition

Conjonction

On constate que c’est lors d’une opposition que Mars est la plus proche de la Terre. 1,5 ua 1 ua S

T

M

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La distance entre la Terre et Mars est alors de 1,5 – 1 = 0,5 ua, soit 0,5 × 1,5 × 108 = 7,5 × 107 km. Remarque : Puisque l’orbite de la Terre est à l’intérieur de celle de Mars, la plus petite distance entre la Terre et Mars doit être inférieure à la distance entre le Soleil et Mars. Le résultat trouvé est acceptable. Grille d’évaluation en fin de module.

17  Le Système solaire En s’éloignant du Soleil, on trouve Mercure, la Terre, Jupiter et Uranus. Pour comparer les distances proposées dans le tableau, il faut les convertir dans la même unité. On propose ici de tout convertir en unité astronomique, unité bien adaptée aux distances dans le Système solaire. 6 • 779 × 106 km = 779 × 10 = 5,2 ua 1,5 × 108 On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance en km

Distance en ua

1,5 × 108

1

779 × 106

d

6 d = 779 × 10 × 1 = 5,2 ua 1,5 × 108 • 0,0003 al On convertit dans un premier temps cette distance en kilomètre : 0,0003 al = 0,0003 × 9,5 × 1012 = 2,85 × 109 km

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

15  Pluton, si loin Exprimée en kilomètre, la distance séparant Pluton du Soleil vaut : 40 ua = 40 × 1,5 × 108 = 6 × 109 km, soit 6 milliards de kilomètres. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion :

p. 57 à 59 du manuel

EX ER CI CE S

Se perfectionner

On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

d

0,000 3

12 d = 9,5 × 10 × 0,000 3 = 2,85 × 109 km 1 Dans un second temps, on convertit cette distance en unité astronomique : 9 2,85 × 109 km = 2,85 × 10 = 19 ua 8 1,5 × 10 Le tableau ci-dessous associe à chaque planète sa distance au Soleil.

Planète

Distance au Soleil

Jupiter

5,2 ua

Mercure

0,4 ua

Terre

1 ua

Uranus

19 ua

18  Calculer… à la vitesse de la lumière ! 1. Pour parvenir jusqu’à nos yeux, la lumière s’est propagée dans le vide, dans l’atmosphère de la Terre, dans le verre du télescope. 2. Pour représenter la propagation de la lumière dans l’espace, on utilise le modèle du rayon lumineux. Véga 3.

Terre

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

4. En année-lumière, la distance séparant Véga et la Terre vaut : 2,37 × 1014 = 25 al 9,5 × 1012 On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

2,37 × 1014

d

14 d = 2,37 × 10 × 1 = 25 al 9,5 × 1012 La distance entre la Terre et Véga est de 25 al. 5. La lumière de Véga que l’on reçoit aujourd’hui a été émise il y a 25 ans, soit en : 2017 – 25 = 1992 La lumière que l’on observe de Véga a été émise en 1992.

19  La comète Tchouri Une vidéo, en accès libre, présente de façon complète la mission Rosetta et son atterrisseur Philae. Il est à noter qu’un passage de la vidéo peut être utilisé pour l’exercice 23  Water ice cycle at the comet.

L’étude de la comète Tchouri fournit des informations sur l’origine de la vie sur Terre. La découverte de la glycine sur Tchouri, molécule d’acide aminé, permet de renforcer une hypothèse comme quoi la vie serait arrivée sur Terre par le biais de molécules extraterrestres. On a également découvert du dioxygène sur la comète, preuve qu'il existait avant la formation de la comète et de ce fait avant même la formation du Système solaire.

20  La Planète X 1. L’existence d’une neuvième planète n’est pas une certitude lorsque l’article est publié car on ne l’a jamais observée. 2. L’hypothèse d’une neuvième planète vient de l’alignement étrange des orbites de certains corps célestes de la ceinture de Kuiper qui laisse à penser de l’existence d’un corps céleste massif. 3. Cette planète n’a pas pu être observée car elle est peu lumineuse du fait de son éloignement du Soleil. Pour l’observer, il faut orienter « son regard » dans une direction du Système solaire. Première difficulté, dans quelle direction observer cette planète ? De plus, sa période de révolution est estimée entre 10 000 ans et 20 000 ans. Il va peut-être falloir observer une grande partie du Système solaire pendant une durée très longue. 4. Le doc. 2 indique que l’excentricité de son orbite pourrait être proche de 0,6. D’après le graphique, sa trajectoire serait curviligne, plus précisément ovale (les scientifiques disent qu’elle serait elliptique). 21  L’étoile du Berger Une vidéo, en accès libre, a été réalisée à l’aide du logiciel libre Stellarium. Cette vidéo montre le mouvement de Vénus vu depuis la surface de la Terre. 1. Une étoile est une source primaire de lumière alors que Vénus diffuse la lumière qu’elle reçoit du Soleil. Le terme d’ « étoile » du Berger attribué à Vénus n’est pas approprié. 2. Une planète se déplace par rapport à son étoile le long d’une orbite, d’où la notion d’errance dans l‘espace.

22  Un triangle dans le ciel 1. L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année. C’est donc une distance et non une durée. De plus, dans le tableau de l’exercice, deux distances sont exprimées en années-lumière. 2. Pour comparer les distances à la Terre de ces trois étoiles, il faut exprimer ces distances dans la même unité. Deux distances sont exprimées en années-lumière ; on convertit la 3e dans la même unité. De ce fait, il n’y a qu’une conversion à faire. 14 2,36 × 1014 km = 2,36 × 10 = 25 al 12 9,5 × 10 Module 3

55

EX ER CI CE S

Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

2,36 × 1014

d

14 d = 2,36 × 10 × 1 = 25 al 9,5 × 1012 Véga, située à 25 années-lumière de la Terre, n’est pas l’étoile la plus éloignée de cet astérisme ; c’est Deneb. 3. Véga est à 25 années-lumière de la Terre soit 2,36 × 1014 km ou 236 mille milliards de kilomètres. L’année-lumière est une unité adaptée aux grandes distances que l’on trouve dans l’espace.

23  Water ice cycle at the comet Traduction :

Jour local

Chauffée par la lumière solaire, l’eau glacée à la surface et quelques centimètres en-dessous sublime, se transforme en gaz et s’échappe.

Nuit locale

La surface refroidit rapidement tandis que les sous-couches restent chaudes. Aube locale

Le jour suivant sur la comète, la sublimation commence à nouveau.

1. Le titre de l’exercice peut se traduire par : Cycle de l’eau glacée sur la comète. 2. On trouve l’eau à l’état solide et à l’état de vapeur sur Tchouri. 3. L’eau se sublime et se condense sur Tchouri. 4. La durée de 12 h représente un jour sur Tchouri, c’est-à-dire sa durée de rotation.

24  La rareté des éclipses 1. On observe une éclipse de Soleil lorsque le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés dans cet ordre. 2. On observe une éclipse de Lune lorsque le Soleil, la Terre et la Lune sont alignés dans cet ordre. 3. Si les deux orbites n’étaient pas inclinées l’une par rapport à l’autre, on observerait deux éclipses durant la période de révolution de la Lune autour de la Terre : une éclipse de Soleil et une éclipse de Lune. 4. L 3 et L 7 correspondent à des éclipses lunaires ; L 4 et L 8 à des éclipses solaires. 5. Comme l’orbite de la Terre autour du Soleil et celle de la Lune autour de la Terre sont inclinées l’une par rapport à l’autre, les alignements Terre – Lune – Soleil ou Lune – Terre – Soleil sont peu nombreux, d’où la rareté des éclipses.

56

Thème 1

25  La fin de vie du Soleil Tâche complexe Question posée : Le Soleil engloutira-t-il des planètes lorsqu’il deviendra une géante rouge ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une géante rouge ? 2. Comment traduire le verbe « engloutir » ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une géante rouge est l’évolution d’une étoile en fin de vie (doc. 1). 2. Pour « engloutir » une planète, le rayon du Soleil, lorsqu’il deviendra une géante rouge, devra être plus grand que la distance entre le Soleil et la planète (doc. 1 et 2). À la fin de sa vie, le Soleil va se dilater : son diamètre sera 100 fois plus grand. On indique le diamètre du Soleil en km et les distances au Soleil des planètes du Système solaire en ua. Pour les comparer, il va falloir exprimer toutes ces distances dans la même unité. 3e étape : Dégager la problématique Lorsqu’à la fin de sa vie le Soleil va se dilater, son rayon sera-t-il supérieur à la distance au Soleil de certaines planètes ? 4e étape : Construire la réponse • Repérer le diamètre du Soleil et calculer son rayon. • Calculer le rayon du Soleil à la fin de sa vie. • Convertir ce rayon en unité astronomique. • Comparer ce rayon aux distances entre les planètes du Système solaire et le Soleil. • Les planètes dont la distance au Soleil est inférieure au rayon dilaté du Soleil seront englouties. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une étoile en fin de vie voit sa température diminuer et son volume augmenter. Elle devient une géante rouge (doc. 1). Lors de sa dilatation, le rayon du Soleil sera-t-il supérieur à la distance au Soleil de certaines planètes (doc. 2) ? • Mettre en forme la réponse. Le rayon du Soleil vaut la moitié de son diamètre : 6 r = 1,4 × 10 = 0,70 × 106 km 2 Lorsque le Soleil va se transformer en géante rouge, son rayon sera 100 fois plus grand, c’est-à-dire égal à 0,70  ×  10 8 km. Convertissons ce rayon en unité astronomique : 8 0,70 × 108 km = 0,70 × 10 = 0,47 ua 1,5 × 108

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion :

EX ER CI CE S

Se perfectionner

On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance en km

Distance en ua

1,5 × 108

1

0,70 × 108

d

8 d = 0,70 × 10 × 1 = 0,47 ua 1,5 × 108 Lorsqu’il se transformera en géante rouge, le rayon du Soleil sera de 0,47 ua. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Mercure située à 0,4 ua sera engloutie par le Soleil. On peut penser que des planètes comme Vénus, la Terre et Mars vont voir leur température énormément augmenter car leur proximité avec le Soleil va augmenter.

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Grille d’évaluation en fin de module.

Module 3

57

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

p. 60 et 61 du manuel

26  À chacun son rythme 1. La lumière émise par cette supernova a mis 3,8 milliards d’années pour nous parvenir. 2. 4,6 milliards d’années est l’âge du Soleil. 3. Cette supernova s’est produite un peu après la formation du Système solaire, soit : 4,6 – 3,8 = 0,8 milliard d’années après. La lumière émise alors vient juste de nous parvenir.

30  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Sirius est-elle dans notre galaxie ?

27  Comprendre le vocabulaire Une météorite est un fragment solide qui atteint la surface de la Terre après avoir traversé l’atmosphère, d’où cette idée de minéral provenant des airs.

2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le doc. 1 présente l’image de la Voie lactée, la dimension de son diamètre et la position du Soleil dans la galaxie. 2. Le doc. 2 indique la durée que met la lumière émise par Sirius pour nous parvenir ; c’est une information indirecte sur la distance qui nous sépare de cette étoile.

29  Analyser sa production 1. Plus une étoile est massive, plus sa température en son centre est élevée et plus les réactions qui s’y produisent sont rapides. Comme la fin de vie d’une étoile s’annonce quand elle manque d’hydrogène, plus la masse d’une étoile est importante, plus le manque d’hydrogène arrive vite et donc plus sa durée de vie est courte. 16 2. 6,5 × 10 = 6,8 × 103 al 9,5 × 1012 On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

6,5 × 1016

d

16 d = 6,5 × 10 × 1 = 6,8 × 103 al 9,5 × 1012 L’étoile centrale de la nébuleuse de la Fourmi se situe à 6,8 × 103 années-lumière de la Terre. 3. L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année. 4. La lumière provenant de cette étoile met 6,8 × 103 années pour nous parvenir. 5. L’information de la mort de cette étoile nous parviendra 6,8 × 103 années plus tard.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les dimensions de notre galaxie ? 2. À quelle distance Sirius se trouve-t-elle de la Terre ?

3e étape : Dégager la problématique Sirius est-elle à une distance inférieure de celle qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée. • Calculer la distance qui nous sépare de Sirius. • Comparer ces deux distances. • En déduire si Sirius appartient ou pas à la Voie lactée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La galaxie à laquelle appartient le Système solaire est la Voie lactée. Sirius est-elle à une distance inférieure de celle qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée ? • Mettre en forme la réponse. Le diamètre de la Voie lactée a une dimension de 100 000 al. Sur l’image présentée dans le livre, notre galaxie mesure 50 mm. La distance entre le Soleil et la limite la plus proche de la Voie lactée est de 7 mm. On peut utiliser un tableau de proportionnalité pour calculer la distance qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée. Distance en mm sur l'image

Distance en al

50

100 000

7

d

d = 100 000 × 7 = 1,4 × 104 al 50 La distance qui sépare le Système solaire des limites les plus proches de la Voie lactée est de 1,4 × 104 al.

58

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

28  Comprendre le vocabulaire Les chondrites contiennent des chondres qui sont des corps rocheux de petites dimensions formant de petits grains dans la roche.

Tâche complexe

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

La lumière provenant de Sirius met 8,6 années pour nous parvenir. Sirius est donc à une distance de 8,6 années-lumière. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Sirius est à une distance nettement inférieure à celle qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée. Sirius est donc une étoile de notre galaxie. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. a. Le diamètre de la Voie lactée mesure 50 mm sur l’image du livre et la distance entre le Système solaire et la limite la plus proche de la Voie lactée mesure 7 mm. b. On peut utiliser un tableau de proportionnalité : Distance en mm sur l'image

Distance en al

50

100 000

7

d

d = 100 000 × 7 = 1,4 × 104 al 50 La distance qui sépare le Système solaire de la limite la plus proche de la Voie lactée est de 1,4 × 104 al. 2. a. La lumière provenant de Sirius met 8,6 années pour nous parvenir. Sirius est donc à une distance de 8,6 années-lumière. b. Cette distance est nettement inférieure à celle qui nous sépare de la limite la plus proche de la Voie lactée. Sirius est donc une étoile de notre galaxie.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

31  Pour aller plus loin Pour montrer que les valeurs numériques données dans le texte sont en accord l’une avec l’autre, il faut qu’elles soient dans la même unité. La lumière parcourt en 1 seconde une distance de 300 000 km. En seconde, la durée nécessaire à la lumière pour parvenir du Soleil à Mars est : 12 min 40 s = 12 × 60 + 40 = 760 s On calcule la distance parcourue par la lumière en 12 min 40 s, c’est-à-dire en 760 s.

Distance en s

Distance en km

1

300 000

760

d

d = 300 000 × 760 = 2,28 × 108 km 1 En 12 minutes 40 secondes, la lumière parcourt une distance de 2,28 × 108 km. Mars est donc à 2,28 × 108 km du Soleil. On peut utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir cette distance en unité astronomique. Distance en km

Distance en ua

1,5 × 108

1

2,28 × 108

d1

2,28 × 108 × 1 = 1,5 ua 1,5 × 108 Mars est à 1,5 ua du Soleil. Les deux valeurs numériques sont en accord car la lumière met 12 minutes et 40 secondes pour atteindre Mars, située à 1,5 ua.

d=

32  À chacun son rythme Une vidéo, en accès libre, présente la mission du satellite Gaia. 1. Hipparcos peut distinguer un cheveu situé à 10 km alors que Gaia peut le distinguer à 1 000 km. Gaia a donc une précision 100 fois plus grande qu’Hipparcos. 2. Il est difficile d’analyser la lumière d’une étoile sans connaître la distance qui nous sépare d’elle ainsi que ses dimensions. 3. Gaia a une précision 100 fois supérieure à celle d’Hipparcos. Gaia va analyser 1 milliard d’étoiles contre 120 000 pour Hipparcos, soit 1 000 000 000 = 8 333 fois plus. 120 000 De plus, Gaia va les analyser à 70 reprises, ce qui va permettre de mieux connaître leurs positions ainsi que leurs vitesses.

Module 3

59

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 16 L’opposition de Mars 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 : Les définitions des conjonction et opposition de Mars. Doc. : Lors de l’opposition de Mars, la Terre est entre Mars et le Soleil. Doc. : Lors de la conjonction de Mars, le Soleil est entre Mars et la Terre.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Dans quelle situation Mars est-elle la plus de nature scientifique. proche de la Terre ? Quelle est alors la distance qui sépare les deux planètes ?

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 pour Passer d’une forme de langage scientifique répondre à la problématique. 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.

60

Thème 1

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 4e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Comprendre et interpréter la définition de l’opposition de Mars à l’aide d’un schéma. • Comprendre et interpréter la définition de la conjonction de Mars à l’aide d’un schéma. • Repérer la situation dans laquelle la Terre et Mars sont les plus proches. • Calculer cette distance. • Conclure en revenant sur la problématique.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 25 La fin de vie du Soleil 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 géante rouge est l’évolution d’une étoile en fin de vie. Doc. 2 : Pour « engloutir » une planète, le rayon du Soleil devra être plus grand que la distance entre le Soleil et la planète.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Lorsqu’à la fin de sa vie le Soleil va se de nature scientifique. dilater, son rayon sera-t-il supérieur à la distance au Soleil de certaines planètes ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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 revenir sur la problématique. Par exemple : • Repérer le diamètre du Soleil et calculer son rayon. • Calculer le rayon du Soleil à la fin de sa vie et le convertir en ua. • Comparer ce rayon aux distances entre les planètes du Système solaire et le Soleil. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique. Passer d’une forme de langage scientifique Les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. à une autre. • Calcul du rayon du Soleil. • Utilisation de la proportionnalité.

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 3

61

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 À chacun son rythme - Sirius 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 : Comparaison de la distance entre le Soleil et Sirius aux dimensions de la Voie lactée. Doc. 2 : Durée mise par la lumière de Sirius pour nous parvenir.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Sirius est-elle à une distance inférieure de nature scientifique. de celle qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée ? 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.

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 : • Calculer la distance qui nous sépare des limites les plus proches de la Voie lactée. • Calculer la distance qui nous sépare de Sirius. • Comparer ces deux distances. • Conclure en revenant sur la problématique.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique • Exploitation de l'image. • Utilisation de la proportionnalité. 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.

62

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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

Connaissances et compétences associées

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.

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 données fournies par des logiÉlaborer et mettre en œuvre un protocole pour appréhender la ciels de simulation). notion de mouvement et de mesure de la valeur de la vitesse d’un objet.

64

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

• Mouvements dont la valeur de la vitesse (module) est constante ou variable (accélération, décélération) dans un mouvement rectiligne.

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 et durée dans le cas d’un mouvement et durée dans le cas d’un mouvement uniforme.1 uniforme.1 • Mouvements uniformes et mouvements dont la vitesse varie au cours du temps en direction ou en valeur. 1 pour

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

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.

MF

MS

Activités TBM 1, 4

Décrire une trajectoire.

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 notion de 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.

Vu en 5e

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

QCM Flash

p. 62 du manuel

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

Module 4

65

AC TIV ITÉ

1 Quelles informations apporte une carte des vents ?

p. 65 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet d’aborder la notion de direction, de sens et de valeur pour la vitesse d’un objet. Une carte des vents, souvent présente dans un bulletin météorologique, se prête parfaitement à cette approche. Compléments Des cartes à compléter sont disponibles dans le manuel numérique. 1 Les nombres sur la carte du doc. 1 indiquent la valeur de la vitesse du vent. La flèche associée à chacun de ces

nombres indique la direction et le sens de la vitesse du vent. 2 N E

O S

15

Paris

15 Limoges

10

Bordeaux Marseille 20

3 La valeur de la vitesse est la même, 15 km/h. Par contre, la direction et le sens sont différents. 4 Une carte des vents indique la valeur de la vitesse, la direction et le sens du vent en un lieu donné.

Un pas vers le bilan

66

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

La valeur de la vitesse d’un objet n’indique ni sa direction ni son sens du déplacement.

AC TIV ITÉ

2 Quel est l’effet de l’ouverture d’un parachute sur le mouvement du parachutiste ?

p. 66 du manuel

Matériel • Un logiciel de pointage vidéo. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Une vidéo, nécessaire à la démarche expérimentale, montre la chute d’un parachute jouet. Elle est disponible dans le manuel numérique du professeur. • Le document du pointage vidéo déjà réalisé est disponible dans le manuel numérique si le pointage n’est pas effectué par les élèves. Compléments Le logiciel AviStep permet d’effectuer le pointage. • Une version est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html Nous avons utilisé la version 2.1.1. La fiche 8 du livret présente le principe du pointage vidéo. • Si la vidéo est réalisée en classe, il faut veiller à avoir un éclairage correct pour éviter les traînées. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité expérimentale permet d’aborder les notions de mouvements accéléré, uniforme et ralenti. Nous avons fait le choix d’un mouvement dont la trajectoire est rectiligne afin de se focaliser sur les variations de la valeur de la vitesse du système étudié. Le pointage vidéo, s’il est possible en fonction du matériel informatique à disposition, permet de partir d’une situation réelle. Le coup de pouce à la question 4 apporte des précisions pour éviter le raccourci que peut faire un élève : « Si la distance entre deux pointages consécutifs augmente, alors la vitesse du parachutiste augmente ». En effet, la notion de vitesse fait appel à deux paramètres : la distance parcourue mais aussi la durée mise pour la parcourir. 1 On peut supposer que l’ouverture du parachute va diminuer la vitesse du parachutiste.

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2 Exemple de pointage obtenu :

Module 4

67

3 La distance entre deux positions consécutives du parachute :

a. augmente lorsque le parachute est fermé ; b. diminue lorsque le parachute s’ouvre. c. reste constante quelques instants après l’ouverture du parachute.



4 La vitesse du parachute est égale à la distance qu’il parcourt pendant la durée de ce parcours. Or il s’écoule la

même durée entre deux images consécutives, donc plus la distance parcourue entre deux pointages consécutifs est grande, plus la vitesse du parachute est grande. La vitesse augmente lors de la phase 1, diminue lors de la phase 2 et reste constante lors de la phase 3.



5 Lors de la phase 1, le mouvement du parachute est rectiligne accéléré.



Lors de la phase 2, le mouvement du parachute est rectiligne décéléré. Lors de la phase 3, le mouvement du parachute est rectiligne uniforme. 6 L’ouverture d’un parachute provoque, dans un premier temps, une décélération du mouvement du parachutiste.

Un pas vers le bilan

68

Thème 2

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Sur une vidéo, la durée entre deux images consécutives est la même. Lors d’un pointage vidéo du mouvement d’un objet, on peut conclure que son mouvement est : • accéléré lorsque l’écart entre deux points consécutifs augmente au cours du mouvement ; • uniforme lorsque l’écart entre deux points consécutifs reste le même au cours du mouvement ; • décéléré ou ralenti lorsque l’écart entre deux points consécutifs diminue au cours du mouvement.

AC TIV ITÉ

3 Quand observer la planète Mars dans les meilleures conditions ?

p. 67 du manuel

Matériel • Un logiciel de pointage vidéo. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Une vidéo, en accès libre, montre le mouvement de Mars par rapport à la Terre. Elle a été réalisée grâce au logiciel de simulation Celestia. Elle peut être utilisée pour le pointage : elle est donc téléchargeable également dans le manuel numérique du professeur. • Le document du pointage vidéo déjà réalisé est disponible dans le manuel numérique si le pointage n’est pas effectué par les élèves. Compléments Le logiciel AviStep permet d’effectuer le pointage. • Une version est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html Nous avons utilisé la version 2.1.1. • La fiche 8 du livret présente le principe du pointage vidéo. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité expérimentale permet d’aborder les notions de mouvements accéléré, uniforme et ralenti. Le logiciel Celestia permet de visionner les mouvements de la Terre et de Mars dans différents référentiels. Le pointage vidéo, s’il est possible en fonction du matériel informatique à disposition, permet de visualiser le mouvement de Mars dans le référentiel géocentrique. Même si le pointage n’est pas réalisé, il est important de montrer à l’aide de Celestia le mouvement de Mars dans ce référentiel. L’activité permet de spiraliser sur la notion de relativité du mouvement sans qu’il y ait un questionnement spécifique. Cela peut-être un prolongement de cette activité. 1 On dit que Mars est en opposition lorsque le Soleil, la Terre et Mars sont alignés dans cet ordre. La Terre et

Mars étant en orbite quasiment circulaire autour du Soleil, Mars est en opposition lorsqu’elle est la plus proche de la Terre. 2 Exemples de dates d’opposition de Mars :



• 26 juillet 2018 ; • 13 octobre 2020 ; • 10 décembre 2022 ; • 15 janvier 2025.

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3 La durée qui sépare deux oppositions consécutives de Mars est d’environ 2 ans 1 mois et quelques jours.

Module 4

69

4 Pointage obtenu :

5 La distance entre deux positions consécutives de Mars diminue lorsque la planète s’approche de la Terre et

augmente lorsqu’elle s’en éloigne. 6 La vitesse de Mars par rapport à la Terre est égale à la distance qu’elle parcourt pendant la durée de ce parcours.

Or il s’écoule la même durée entre deux images consécutives, donc plus la distance parcourue entre deux pointages consécutifs est grande plus la vitesse de Mars est grande. La vitesse de Mars diminue lorsqu’elle se rapproche de la Terre et augmente lorsqu’elle s’en éloigne.



7 On observe Mars dans les meilleures conditions quand elle est la plus proche de la Terre, c’est-à-dire lors d’une

opposition de Mars.

Un pas vers le bilan

70

Thème 2

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Sur une vidéo, la durée entre deux images consécutives est la même. Lors d’un pointage vidéo du mouvement d’un objet, on peut conclure que son mouvement est : • accéléré lorsque l’écart entre deux points consécutifs augmente au cours du mouvement ; • uniforme lorsque l’écart entre deux points consécutifs reste le même au cours du mouvement ; • décéléré ou ralenti lorsque l’écart entre deux points consécutifs diminue au cours du mouvement.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ La vitesse

Les mouvements

QCM

QCM

1  b.

5  a. et c.

2  b.

6  c.

3  Indiquer les caractéristiques de la vitesse 1. Lorsque la nacelle est en A ou en B, elle a la même vitesse car la grande roue tourne à vitesse constante. 2. La direction de la vitesse de la nacelle au point A est verticale. La direction de la vitesse de la nacelle au point B est horizontale. Ces deux directions sont différentes. 4  Utiliser les caractéristiques de la vitesse Comme la vitesse de l’enfant est verticale et de bas en haut, l’enfant a le même sens de déplacement que celui de sa vitesse. Sur la photographie, l’enfant monte.

p. 70 du manuel

7  Décrire un mouvement 1. Il faut préciser le référentiel avant d’étudier le mouvement d’une personne dans ce grand huit. 2. Pour décrire le mouvement de cette personne, il faut préciser sa trajectoire ainsi que l’évolution de sa vitesse. 8  Représenter des positions Les positions sont relevées à intervalles de temps égaux. Comme la grande roue tourne à vitesse constante, une personne située dans une de ses nacelles aura une vitesse constante. La distance entre deux points consécutifs est la même au cours du mouvement.

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La vitesse d’une personne située dans le Space fall augmente car le mouvement est accéléré. La distance entre deux points consécutifs augmente également au cours du mouvement de descente.

Module 4

71

EX ER CI CE S

Se perfectionner 9  Un satellite de la Terre Une vidéo, en accès libre, présente le mouvement de la Lune autour de la Terre. Elle a été réalisée avec le logiciel Celestia. 1. Le mouvement de la Lune est étudié dans un référentiel lié à la Terre. 2. La distance entre deux points consécutifs est toujours la même. La durée entre deux points consécutifs est la même. La vitesse de la Lune est donc constante. La trajectoire de la Lune est un cercle. Le mouvement de la Lune est donc circulaire uniforme. 3. La valeur de la vitesse de la Lune est toujours la même ; par contre, la direction de la vitesse change constamment. On a représenté ci-dessous, par des segments rouges, la direction de la vitesse en trois points de la trajectoire de la Lune.

p. 71 à 73 du manuel

12  Usain Bolt, « la foudre » Une vidéo, en accès libre, présente la finale du 100 m des JO de Rio. 1. L’alignement des points indique que la trajectoire est une portion de droite. La durée entre deux points consécutifs est la même. La distance entre deux points consécutifs augmente au cours du mouvement. On en déduit que la vitesse augmente. Le mouvement d’Usain Bolt sur cette partie de la course est rectiligne accéléré. 2. Ce pointage se situe au début de la course dans sa phase d’accélération. d 100 3. v = = = 10,2 m/s t 9,81 La vitesse d’Usain Bolt sur ce 100 m est de 10,2 m/s. 4. Pour convertir des m/s en km/h, il faut multiplier la vitesse exprimée en m/s par 3,6. 10,2 × 3,6 = 36,7 km/h Usain Bolt dépasserait donc un cycliste roulant à 30 km/h. Tâche complexe 13  La Terre comme une fusée Question posée : La Terre se déplace-t-elle plus vite par rapport au Soleil qu’une navette spatiale par rapport à la Terre ?

11  Le service au tennis 1. La vitesse de la balle a une direction verticale. 2. Le sens de sa vitesse est orienté vers le haut puisque la balle s’élève. 3. Lorsque la balle redescend, la direction de sa vitesse est verticale et son sens vers le bas. 72

Thème 2

2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La réponse directe à cette question n’est pas dans les documents. On la trouve à partir de la longueur de l’orbite de la Terre autour du Soleil et de sa période de révolution. 2. La vitesse d’une navette spatiale peut atteindre 8 km/s (texte de l’exercice). 3e étape : Dégager la problématique La vitesse de la Terre par rapport au Soleil est-elle supérieure à 8 km/s ? 4e étape : Construire la réponse • Indiquer le rayon de la trajectoire circulaire de la Terre autour du Soleil. • Calculer la longueur de la trajectoire de la Terre autour du Soleil. • Calculer la vitesse de la Terre par rapport au Soleil. • La comparer à celle d’une navette spatiale.

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10  La formule 1 1. Il s’écoule la même durée entre deux points consécutifs, donc plus la distance entre deux points consécutifs est grande, plus la vitesse de la voiture est importante. 1  : le mouvement de la voiture est rectiligne uniforme. 2   : le mouvement de la voiture est rectiligne accéléré. 3   : le mouvement de la voiture est rectiligne décéléré. 2. À l’entrée de la ligne droite, la formule 1 accélère, donc on associe A à 2 . Sur la ligne droite, la voiture a une vitesse constante, donc on associe B à 1 . En fin de la ligne droite, la voiture décélère, donc on associe C à 3 .

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la vitesse de la Terre par rapport au Soleil ? 2. Quelle est la vitesse d’une navette spatiale par rapport à la Terre ?

EX ER CI CE S 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La Terre a une trajectoire circulaire autour du Soleil et se déplace à vitesse constante. La vitesse de la Terre par rapport au Soleil est-elle supérieure à 8 km/s ? • Mettre en forme la réponse. La Terre décrit une révolution autour du Soleil en un an. La durée t d’une révolution de la Terre autour du Soleil a pour valeur, en seconde : t = 365 × 24 × 3 600 = 31 536 000 s Lors de cette révolution, elle parcourt une distance d égale au périmètre de son orbite : d = 2 × π × r Le rayon r de la trajectoire circulaire de la Terre autour du Soleil correspond à la distance Soleil-Terre, donc r = 1,5 × 108 km. d = 2 × π × 1,5 × 108 = 9,4 × 108 km d 9,4 × 108 v= = = 30 km/s t 31 536 000 La Terre a une vitesse de 30 km/s par rapport au Soleil. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. La vitesse de la Terre par rapport au Soleil est de 30 km/s. Elle est supérieure à 8 km/s qui est la vitesse maximale d’une navette par rapport à la Terre. La Terre se déplace plus vite par rapport au Soleil qu’une navette spatiale par rapport à la Terre.

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Grille d’évaluation en fin de module.

14  Le coup droit au tennis 1. La balle de tennis a une trajectoire curviligne. 2. La durée entre deux positions consécutives de la balle est la même. Plus la distance qui sépare deux positions consécutives de la balle est grande, plus la vitesse de la balle est élevée. Après le rebond, lorsque la balle prend de l’altitude, sa vitesse diminue. Elle augmente lors de la descente. 3. Le mouvement de la balle lors de sa montée est curviligne décéléré. Dans la descente, son mouvement est curviligne accéléré. 4. Il est plus facile de frapper la balle lorsque sa vitesse est faible. C’est donc au sommet de sa trajectoire qu’il vaut mieux frapper la balle. 5. Pour frapper la balle au meilleur moment, il faut concilier une frappe à hauteur de hanche et le plus proche du sommet de la trajectoire de la balle. 15  Tremblement de terre 1. a. Sur le graphique, on lit que les 1 000 premiers kilomètres sont parcourus en 4 minutes par une onde S.

Se perfectionner Temps de propagation (en min) 14

Ondes S

12 10 8

Ondes P

6 4 2 0

1000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

Distance de l’épicentre (en km)

d La vitesse est donnée par v =  , v est en km/s quand t d est en km et t en s. d 1 000 Donc v = = = 4,2 km/s t 4 × 60 Les ondes S ont une vitesse de 4,2 km/s sur les 1 000 premiers kilomètres. Remarque : En laissant t en minute, on obtient : d v = = 1 000 = 250 km/min t 4 b. Sur le graphique, on lit que les 4 000 premiers kilomètres sont parcourus en 12 minutes par une onde S. d 4 000 On a donc de même v = = = 5,6 km/s. t 12 × 60 Les ondes S ont une vitesse de 5,6 km/s sur les 4 000 premiers kilomètres. Remarque : En laissant t en minute, on obtient : d v = = 4 000 = 333 km/min t 12 2. Des ondes se propagent de manière uniforme si elles ont une vitesse constante. Or les ondes S n’ont pas la même vitesse sur les 1 000 premiers kilomètres que sur les 4 000 premiers. Les ondes S ne se propagent pas de manière uniforme sur les 4 000 premiers kilomètres depuis l’épicentre. 3. La courbe bleue relative aux ondes P est en-dessous de celle des ondes S. Les ondes P mettent moins de temps que les ondes S pour parcourir une même distance. Par exemple, pour parcourir 3 000 km depuis l’épicentre, les ondes P mettent 6 minutes alors que les ondes S en mettent 10. Les ondes P sont donc plus rapides. C’est pourquoi un sismographe les détecte en premier. Temps de propagation (en min) 14

Ondes S

12 10 8

Ondes P

6 4 2 0

1000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

Distance de l’épicentre (en km)

Module 4

73

EX ER CI CE S

1re étape : Bien comprendre la question posée Comment peut-on calculer la profondeur de l’océan Pacifique ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Lors d’un tsunami, il se forme une série de vagues (doc. 1). En 2006, une vague a parcouru 5 000 km en 6 heures (doc. 1). Le tableau du doc. 2 indique la vitesse d’un tsunami exprimée en km/h en fonction de la profondeur de l’océan Pacifique exprimée en m. 3e étape : Dégager la problématique Calculer la vitesse d’une vague dans l’océan Pacifique et en déduire la profondeur de cet océan. 4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse du tsunami entre l’Archipel des Kouriles et les îles Hawaii. • En déduire la profondeur de l’océan Pacifique. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Suite à un séisme dans l’Archipel des Kouriles en novembre 2006, un tsunami s’est propagé dans l’océan Pacifique entre le Japon et les îles Hawaii. Calculer la vitesse de la vague formée lors de ce tsunami afin de déterminer la profondeur de l’océan Pacifique. • Mettre en forme la réponse. Les vitesses indiquées dans le doc. 2 s’expriment en km/h. Nous allons donc calculer en km/h la vitesse du tsunami du 15 novembre 2006. Pour cela, la distance doit être en km et la durée en h . Ce tsunami a parcouru 5 000 kilomètres en 6 heures. d 5 000 D’où v = = = 833 km/h t 6 La vague, entre l’Archipel des Kouriles et les îles Hawaii, s’est déplacée à une vitesse de 833 km/h. D’après le doc. 2, cette vitesse se situe entre 713 km/h et 943 km/h ; la profondeur est donc comprise entre 4 000 m et 7 000 m. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique La profondeur moyenne de l’océan Pacifique entre l’Archipel des Kouriles et les îles Hawaii est comprise entre 4 000 m et 7 000 m. C’est une profondeur moyenne entre ces deux points et non une profondeur moyenne de l’océan Pacifique. Grille d’évaluation en fin de module.

74

Thème 2

17  The London Eye Traduction : La roue d’observation (ou « La grande roue ») tourne assez lentement et a toujours la même vitesse pour permettre aux personnes d’embarquer alors qu’elle est en mouvement. Un tour complet dure trente minutes. La roue a un diamètre de 400 pieds, environ deux cents fois la taille d’une roue de bicyclette. 1. Le rayon r de la trajectoire circulaire d’une nacelle est de 200 pieds, soit 200 × 0,3048 mètres. La nacelle parcourt la distance L = 2 × π × r pendant une durée t de 30 minutes. Sa vitesse est donc : L 2 × π × r 2 × π × 200 × 0,3048 v= = = = 0,21 m/s t t 30 × 60 La vitesse d’une nacelle de London Eye est de 0,21 m/s. 2. Une nacelle de la roue a un mouvement circulaire uniforme.

18  Rosetta en chiffres 1. Rosetta a parcouru une distance d de 6,5 milliards de kilomètres en une durée t de 10 ans et 8 mois. On convertit cette durée en seconde : t = 10 × 365 × 24 × 3 600 + 8 × 30 × 24 × 3 600 t = 3,36 × 108 s d La vitesse de Rosetta est donnée par v = , v est en t km/s quand d est en km et t en s. Donc : d 6,5 × 109 v= = = 19 km/s t 3,36 × 108 La vitesse de Rosetta sur l’ensemble de son parcours est de 19 km/s. On retrouve bien une valeur proche de celle annoncée dans le doc. 1 qui est de 18 km/s. 2. a. La distance parcourue lors de la chute jusqu’à la surface de Rosetta est de 20 km et la durée est de 7 h. d La vitesse de Philae est donnée par v = , v est en km/h t quand d est en km et t en h. Donc : d 20 v = = = 2,9 km/h t 7 Philae devrait avoir une vitesse de 2,9 km/h lors de sa chute libre sur Tchouri. b. La vitesse de descente indiquée dans le doc. 1 est de 3,5 km/h. Celle calculée est donc inférieure à la vitesse annoncée dans l’article. Lors de sa chute libre sur Tchouri, Philae n’a peut-être pas une trajectoire rectiligne, ce qui allonge la distance parcourue pendant la durée de chute et augmente donc sa vitesse. 19  Carte des vents 1. Les flèches sur la carte indiquent la direction et le sens du vent en un lieu donné. 2. Les nombres près des flèches indiquent la valeur de la vitesse du vent. 3. Ce vendredi 29 juillet 2016, le vent sur la région parisienne souffle du sud-ouest vers le nord-est. La valeur de sa vitesse est comprise entre 15 km/h et 40 km/h.

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Tâche complexe 16  Les tsunamis Question posée : Quelle est la profondeur moyenne de l’océan Pacifique ?

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 20  À chacun son rythme 1. La personne assise au milieu de la nacelle a une trajectoire circulaire. 2. Lorsque la nacelle atteint une altitude maximale, elle s’immobilise. Sa vitesse, et donc celle de la personne assise, est nulle. 3. La nacelle a une vitesse maximale lorsqu’elle passe par sa position la plus basse. 4. En partant de la position la plus élevée, la personne a un mouvement circulaire accéléré jusqu’à ce que la nacelle passe par sa position la plus basse. Ensuite, cette personne a un mouvement circulaire décéléré. 21  Comprendre le vocabulaire Cette voiture prend la direction du centre-ville. Dans cette phrase, on assimile à tort la direction au sens. 22  À chacun son rythme 1. On étudie le mouvement de ce drone par rapport au sol. 2. Pour décrire le mouvement du drone, il faut indiquer sa trajectoire et l’évolution de sa vitesse. 3. Les points sont alignés, donc la trajectoire du drone est rectiligne. 4. La durée entre deux points consécutifs est la même. Plus la distance entre deux points consécutifs est grande au cours du mouvement, plus la vitesse du drone est élevée. Des points 1 à 5, la vitesse du drone augmente ; des points 5 à 10, elle diminue. 5. Le mouvement du drone des points 1 à 5 est rectiligne accéléré, et des points 5 à 10 il est rectiligne décéléré.

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23  Comprendre le vocabulaire En associant le sens de chacune des parties du mot décéléré, on pourrait parler d’un mouvement de moins en moins rapide, donc ralenti. 24  Analyser sa production d 1. v = , avec v la vitesse de l’objet en mètre par t seconde (m/s), d la distance parcourue en mètre (m) pendant la durée t en seconde (s). 2. La lumière parcourt un aller-retour entre le mont Valérien et Montmartre, soit une distance de : 2 × 8 633 = 17 266 m en 0,055 s 3. La durée d’un aller-retour est t = 0,055 ms, soit 0,000 055 s. La vitesse est donc : 17 266 v= = 3,1 × 108 m/s 0,000 055 Hippolyte Fizeau a déterminé une vitesse de la lumière de 3,1 × 108 m/s. Cette valeur est proche de la valeur exacte qui est à 3,0 × 108 m/s.

p. 74 et 75 du manuel

25  Pour aller plus loin La distance parcourue par une personne lorsque la chenille fait un tour a pour expression d = 2 × π × r. r est la distance entre le centre de la chenille et la personne. La personne assise à l’extérieur se trouve à une distance r plus grande. Elle parcourt donc une distance d plus grande. Les deux personnes effectuent un tour pendant la même durée. La personne sur le siège extérieur a donc une vitesse plus grande que la personne assise sur le siège intérieur. 26  À chacun son rythme Remarque : Sur le schéma du manuel, les coureuses sont représentées dans des couloirs différents pour que leurs positions soient visibles sans que les points ne se chevauchent. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Comment doivent se placer les deux relayeuses afin que le passage de témoin soit réglementaire et le plus efficace possible ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les règles d’un passage de témoin lors d’un relais ? 2. Qu’est-ce qu’un passage de témoin efficace ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le passage de témoin doit se faire dans une zone délimitée représentée en vert sur le schéma (texte et schéma). 2. La réponse à cette question n’est pas directement dans les documents. Pour que le passage de témoin soit efficace, les deux coureuses doivent, le temps du passage, être proche l’une de l’autre et donc courir à la même vitesse. 3e étape : Dégager la problématique Dans quelle zone les relayeuses doivent-elles se passer le témoin ? Quelles sont alors leurs vitesses ? 4e étape : Construire la réponse • Repérer la zone de passage de témoin. • Décrire le mouvement de la 3e relayeuse. • Décrire le mouvement de la 4e relayeuse. • Comparer les mouvements des 3e et 4e relayeuses dans la zone de passage de témoin. Module 4

75

EX ER CI CE S 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Lors d’un relais en athlétisme, chaque relayeuse poursuit sa course après le passage de témoin de sa coéquipière. Dans quelle zone les relayeuses doivent-elles se passer le témoin ? Quelles sont alors leurs vitesses ? • Mettre en forme la réponse. Dans un référentiel lié à la piste d’athlétisme, les deux relayeuses doivent se passer le témoin dans une zone délimitée représentée en vert sur le schéma. Le pointage a été effectué à intervalles de temps égaux. Si la distance entre deux points consécutifs est la même au cours du mouvement, c’est que la vitesse est constante. Le mouvement de la 3e relayeuse est circulaire uniforme. Le mouvement de la 4e relayeuse est circulaire accéléré. Sur le schéma, on constate que dans la zone de passage de témoin, les deux relayeuses ont à peu près la même vitesse lorsqu’elles sont proches l’une de l’autre. • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Pour que le passage de témoin soit réglementaire, il faut qu’il se fasse dans une zone délimitée. Pour qu’il soit le plus efficace possible, il faut que dans cette zone les deux relayeuses aient la même vitesse et qu’elles soient proches l’une de l’autre. La prise d’élan de la 4e relayeuse doit être telle qu’elle respecte les conditions ci-dessus.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. On étudie les mouvements des deux relayeuses par rapport à la piste d’athlétisme. 2. Le pointage a été effectué à intervalles de temps égaux. Si la distance entre deux points consécutifs est la même au cours du mouvement, c’est que la vitesse est constante. La 3e relayeuse a un mouvement circulaire uniforme. La 4e relayeuse a un mouvement circulaire accéléré. 3. Lorsqu’elles se passent le témoin, les 3e et 4e relayeuses ont approximativement la même vitesse. 4. La 3e relayeuse doit avoir un mouvement uniforme. La 4e relayeuse doit démarrer quand la 3e relayeuse se trouve à une certaine distance afin que cette dernière la rattrape dans la zone de passage de témoin. Dans cette zone, les deux athlètes doivent être proches l’une de l’autre et avoir approximativement la même vitesse.

76

Thème 2

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Grille d’évaluation en fin de module.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 13 La Terre comme une fusée 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 : Donnée : Le rayon de l’orbite de la Terre est 1 ua = 1,5 × 108 km. Donnée : la vitesse maximale d’une navette spatiale est de 8 km/s.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. La vitesse de la Terre par rapport au Soleil est-elle supérieure à 8 km/s ?

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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 revenir sur la problématique. Par exemple : • Indiquer le rayon de la trajectoire circulaire de la Terre autour du Soleil. • Calculer la longueur de la trajectoire de la Terre autour du Soleil. • Calculer la vitesse de la Terre par rapport au Soleil. • La comparer à celle d’une navette spatiale. • 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 et les unités sont cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation d = 2 × π × r 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 4

77

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 16 Les tsunamis 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 : Doc. 1 : Lors d’un tsunami, il se forme une série de vagues. Doc. 1 : Une vague a parcouru 5 000 km en 6 heures. Doc. 2 : La vitesse d’un tsunami dépend de la profondeur de l’océan, elle augmente quand la profondeur augmente.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer la vitesse d’une vague dans de nature scientifique. l’océan Pacifique et déduire la profondeur de cet océan. 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 la vitesse du tsunami entre l’Archipel des Kouriles et les îles Hawaii. • En déduire la profondeur de l’océan Pacifique. • 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 et les unités sont cohérentes. à une autre. d • Utilisation de la relation v =   t • 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

78

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

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 4e – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 26 À chacun son rythme – Le relais 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 : Texte et schéma : Le passage de témoin doit se faire dans une zone délimitée représentée en vert sur le schéma. Texte et schéma : Lors du passage de témoin, les deux relayeuses doivent être proches l’une de l’autre.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Dans quelle zone les relayeuses doiventde nature scientifique. elles se passer le témoin ? Quelles sont alors leurs vitesses ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Repérer la zone de passage de témoin. • Décrire le mouvement de la 3e relayeuse. • Décrire le mouvement de la 4e relayeuse. • Comparer le mouvement des 3e et 4e relayeuses dans la zone de passage de témoin. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement. • Lecture du schéma.

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 4

79

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 Remarque : Pour ce module, 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. Matière, mouvement, énergie, information Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Observer et décrire différents types de mouvements

Connaissances et compétences associées

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 données fournies par des logiÉlaborer et mettre en œuvre un protocole pour appréhender la ciels 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.

80

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 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, sens et valeur. • Force de pesanteur et son expression P = m × g.

• Action de contact et action à distance. • Force : point d’application, direction, sens et valeur. • Force de pesanteur et son expression P = m × g.

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Remarque : 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.

Module 5

81

Grille d’évaluation des attendus de fin de cycle Classe : ������������������������������������������������� Nom de l’élève : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu de fin de cycle : • Modéliser une interaction par une force caractérisée par un point d’application, une direction, un sens et une valeur.

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

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

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.

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 5e QCM Flash

p. 62 du manuel

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

82

Thème 2

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Compléments pédagogiques

AC TIV ITÉ

1 Quelle force permet à une balle de tennis de rebondir ?

p. 77 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Coup droit (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, montre au ralenti l’impact d’une balle de tennis contre une raquette et leur déformation. Cette vidéo n’est pas indispensable à la réalisation de l’activité ; elle participe néanmoins à la compréhension du principe des interactions (actions réciproques). • Prolongement (vidéo identique à la précédente) La vidéo est indispensable pour réaliser le prolongement proposé. Elle montre au ralenti l’impact d’une balle de tennis contre une raquette et leur déformation.  : La balle est en interaction avec la Terre (interaction gravitationnelle). On peut illustrer cette situation par le diagramme objet-interaction ci-contre (non demandé). La balle subit donc l’action de la Terre qui l’attire vers le bas. La force qui modélise cette action a donc pour caractéristiques : • le point d’application, centre de gravité de la balle ; • la direction, verticale ; • le sens, vers le bas ; • la longueur, caractérise la valeur de la force (non évaluée dans cette activité). Elle est représentée ci-contre.

1 Position



1

1



Balle 1

Terre

FTerre/balle

Position 2  : Balle La balle est en interaction avec la Terre (interaction gravitationnelle), mais elle y est aussi avec la raquette. On peut illustrer cette situation par le diagramme objet-­ interaction ci-contre (non demandé). La balle subit donc l’action de la Terre qui l’attire vers le bas (identique à celle de la Raquette Terre position 1 ). Fraquette/balle 2 La balle subit aussi l’action de la raquette qui modifie sa trajectoire et la valeur de sa vitesse. La force 2 qui modélise l’action de la raquette a donc pour caractéristiques : • le point d’application, point de contact entre la balle et la raquette ; 1 • la direction, perpendiculaire au plan de la raquette ; FTerre/balle • le sens, de la raquette vers la partie de terrain adverse. Les deux forces sont représentées ci-contre. Remarque : L’orientation de la raquette et donc celle de la force exercée par la raquette sur la balle peuvent être légèrement différentes. 2 La force qui permet à une balle de rebondir est l’action d’un objet avec lequel elle est en contact. Par exemple,

l’action de la raquette sur la balle quand la balle rebondit sur la raquette et l’action du sol sur la balle quand la balle rebondit sur le sol.

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Un pas vers le bilan Une interaction est constituée de deux actions réciproques. En effet, lorsqu’un objet A exerce une action sur un objet B, alors l’objet B exerce une action sur l’objet A. Une interaction peut être modélisée par deux forces opposées. Les deux forces modélisant une interaction ont la même direction et la même longueur, mais sont de sens opposés.

Prolongement La déformation de la raquette s’explique par les conséquences de l’action de la balle sur sa surface. Localement, la force exercée par la balle met en mouvement le treillis de la raquette. Les nombreuses interactions au sein du treillis font que ce mouvement reste localisé aux abords de l’impact. Réciproquement, la déformation de la balle s’explique par les conséquences de l’action de la raquette sur sa surface. La balle et la raquette se déforment car chacune d’elle subit l’action de l’autre. Ces deux actions sont de valeur identique, mais elles n’ont pas les mêmes conséquences sur chacun des objets considérés. Module 5

83

AC TIV ITÉ

2 De quelle nature pourrait-être « la Force » des Jedi ?

p. 78 du manuel

Matériel • Deux ballons de baudruche. • De la ficelle. • Un chiffon en laine. • Des petits morceaux de papier. • Des petits objets en fer (exemple : trombone). • Deux aimants. Vidéos et animations en lien avec l’activité • La « Force » de Star Wars (doc. 1) Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre le héros Luke Skywalker qui, prisonnier dans la caverne du Wampa, fait appel à « la Force » pour récupérer son sabre laser prisonnier des glaces. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité mais l’illustre. • Les forces qui repoussent et qui attirent (doc. 2) Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre l’action d’une force à distance. Cette vidéo n’est pas indispensable à la réalisation de l’activité si l’activité expérimentale de la question 2 est réalisée en classe. 1 Les trois forces qui peuvent agir à distance selon le doc. 1 sont : la force électrique, la force magnétique et la

force de gravitation. 2 Force électrique (1re proposition)

Protocole : • On dispose d’un ballon de baudruche gonflé et d’un chiffon de laine. • Frotter énergiquement le ballon de baudruche avec le chiffon de laine. • Approcher le ballon frotté des morceaux de papiers posés sur une table ou des cheveux longs d’un(e) élève volontaire. Observations : • Le ballon de baudruche frotté attire les petits morceaux de papiers à proximité. • Le ballon de baudruche frotté attire aussi les cheveux. Remarque : Après le contact avec le ballon, certains morceaux de papier sont repoussés par le ballon. Il en est de même pour les cheveux. Interprétation : Le ballon frotté exerce sur des petits objets proches une force attractive. Cette force peut devenir répulsive après le contact. Force électrique (2e proposition)  Protocole : • On dispose de deux ballons de baudruche gonflés et d’un chiffon de laine.   • Frotter énergiquement les ballons avec le chiffon de laine. Les approcher l’un de l’autre en les tenant par le nœud de fermeture. Observation :   Les deux ballons se repoussent.  Interprétation : Lorsque les ballons sont frottés avec un chiffon de laine, ils se soumettent mutuellement à une interaction répulsive. Chaque ballon exerce sur l’autre une force répulsive.

84

Thème 2

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Force magnétique (1re proposition) Protocole :   • On dispose d’un aimant et de petits objets en fer ou en acier.  • On approche l’aimant des petits objets en acier. Observations : • Les objets en fer ou en acier sont attirés par l’aimant. • En tenant un objet en fer fermement, on observe que l’aimant est aussi attiré par cet objet. Interprétation : Un aimant et un objet en fer ou en acier se soumettent mutuellement à une interaction attractive. Chaque objet exerce sur l’autre une force attractive. Force magnétique (2e proposition) Protocole : • On dispose de deux aimants. • On approche le pôle nord d’un des aimants du pôle nord de l’autre. • On approche le pôle sud d’un aimant du pôle sud de l’autre aimant. • On approche le pôle nord d’un aimant du pôle sud de l’autre aimant. Observations : • Lorsque l’on approche des pôles de mêmes noms, les aimants se repoussent. • Lorsque l’on approche des pôles de noms différents, les aimants s’attirent. Interprétation : À proximité d’un aimant, un autre aimant est soumis à une force qui peut être attractive ou répulsive selon l’orientation des pôles. Force de gravitation Protocole : On lâche un objet que l’on tenait dans la main (chiffon, balle, stylo…). Observation : On observe qu’il tombe. Interprétation : Les objets sont attirés par la Terre. La Terre soumet les objets à une force attractive. 3 La force de gravitation et la force magnétique sont des forces permanentes liées aux caractéristiques des objets

ou aux propriétés des matériaux. La « Force » des Jedi pourrait être de nature électrostatique.

Un pas vers le bilan

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Les deux grandes catégories de forces sont : • Les forces de contact : les objets sont en contact lors de leur interaction. Exemples : force exercée par un coup de pied sur un ballon, force exercée par le vent (air) sur une voile, force exercée par les doigts sur les touches d’un clavier… • Les forces à distance : les objets en interaction sont éloignés l’un de l’autre. Exemples : force exercée par la Terre sur la Lune, force exercée par la Terre sur un ballon de basket en vol vers le panier, force exercée par un aimant sur un objet en fer qui ne touche pas l’aimant…

Module 5

85

AC TIV ITÉ

3 Neil Armstrong aurait-il pu se déplacer aussi facilement sur la Terre ?

p. 79 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité • Un homme sur la Lune (texte d’introduction) Une vidéo, en accès libre, montre Les premiers pas de Neil Armstrong sur la Lune. Cette vidéo, si elle n’est pas indispensable à la réalisation de l’activité, participe à la compréhension de la notion de poids et sa différentiation de la masse. • Le poids d’un objet (doc. 2) Une animation disponible sur le manuel numérique montre que le poids est dirigé vers le centre de l’astre. Cette animation n’est pas indispensable à la réalisation de l’activité mais participe à la compréhension de la notion de poids. 1 La masse et le poids sont deux grandeurs différentes : la masse d’un objet est caractéristique de la quantité de

matière que renferme cet objet (doc. 3). La masse s’exprime en kilogramme (kg). Le poids d’un objet est l’action à distance que l’astre exerce sur l’objet (doc. 2). Il s’exprime en Newton (N). 2 Dans le doc. 3, il est indiqué qu’Isaac Newton a écrit : « …j’ai trouvé que les poids des corps sont proportionnels

à leurs masses. » Le poids s’exprime donc par la relation P = m × g .



3 Sur Terre, le poids d’un objet s’exprime par la relation PTerre = m × gTerre

La masse de l’équipement de Neil Armstrong étant de 91 kg, son poids sur la Terre vaut : PTerre = 91 × 9,8 = 891,8 N Sur la Lune, le poids d’un objet s’exprime par la relation PLune = m × gLune La masse de l’équipement de Neil Armstrong étant de 91 kg, son poids sur la Lune vaut : PLune = 91 × 1,6 = 145,6 N 4 Neil Armstrong n’aurait pas pu se déplacer aussi facilement sur la Terre que sur la Lune car son poids, c’est-

à-dire la force qui l’attire vers l’astre où il se trouve, est plus important sur la Terre que sur la Lune (environ 6 fois). Pour sa mise en mouvement, ses muscles doivent exercer une force plus importante sur la Terre que sur la Lune.

Un pas vers le bilan

86

Thème 2

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Le poids est une action à distance qui attire un objet, qui se trouve au voisinage d’un astre, vers le centre de cet astre. Relation mathématique qui lie le poids d’un objet à sa masse : P = m × g • P représente le poids, il s’exprime en Newton (N) ; • m représente la masse de l’objet, elle s’exprime en kilogramme (kg) ; • g représente l’intensité de la pesanteur de l’astre, son unité est le Newton par kilogramme (N/kg).

AC TIV ITÉ

4 Comment transformer un ressort en balance ?

p. 80 du manuel

Matériel (doc. 2) • Une potence. • Un ressort. • Des masses marquées. • Un réglet. • Un objet de la vie courante à suspendre. La masse de cet objet doit être dans la zone d’étalonnage du ressort (inférieure à la plus grande masse testée). 1 Protocole expérimental :





• Suspendre le ressort à la potence. • Mesurer la longueur du ressort à vide. • Accrocher une masse marquée au ressort. • S’assurer que la masse et le ressort ne se balancent pas. • Mesurer la longueur du ressort puis la noter en correspondance avec la masse accrochée. • Reproduire les trois dernières étapes pour les masses marquées disponibles. Remarque : Il faut fournir aux élèves des ressorts qui n’atteignent pas leur limite d’élasticité avec les masses proposées. 2 L’allongement a se calcule à partir de la longueur L et de la longueur à vide L0 du ressort : a = L – L0.

Exemple de résultats d’étalonnage : Masse m (en g) Longueur (en cm) Allongement (en cm)

0

50

100

150

200

300

400

9,5

11

12,3

13,8

15,2

18,3

22

0

1,5

2,8

4,3

5,7

8,8

12,5

3 Les



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élèves peuvent choisir de représenter l’évolution de la longueur du ressort en fonction de la masse suspendue, l’évolution de la masse en fonction de la longueur du ressort, l’évolution de l’allongement en fonction de la masse ou bien l’évolution de la masse en fonction de l’allongement du ressort. La méthode d’exploitation est la même dans tous les cas. Remarque : Il est possible de réaliser cette activité en lien avec l’enseignant de mathématiques, afin de travailler sur les représentations graphiques et la proportionnalité. On réalise le graphique qui représente l’évolution de la longueur du ressort en fonction de la masse suspendue (Voir Livret fiche 10).  Exemple de graphique obtenu à partir du tableau précédent :

Remarque : Le logiciel peut afficher l’équation de la droite correspondant à la modélisation et son coefficient de corrélation. Elle pourra être utilisée pour mesurer la masse inconnue à partir de l’allongement du ressort qu’elle provoque.

Module 5

87



Si le paramètre choisi pour caractériser la déformation du ressort est son allongement, on obtient le graphique suivant :



La représentation graphique est alors une droite passant par l’origine du repère. Il y a donc proportionnalité entre l’allongement du ressort et la masse de l’objet suspendu au ressort. L’équation de la droite peut être trouvée par les élèves ou affichée directement par le logiciel. Elle pourra être utilisée pour mesurer la masse inconnue à partir de l’allongement du ressort qu’elle provoque.



4 Le graphique réalisé peut être utilisé pour peser un objet de masse inconnue. Il suffit de le suspendre au ressort,

de mesurer la longueur du ressort et de rechercher à l’aide du graphique la masse qui permet d’obtenir cette longueur. Par exemple, avec un objet qui permet d’étirer le ressort jusqu’à une longueur de 17,2 cm, on détermine la masse en exploitant le graphique de la manière suivante :



17,2

260

On constate graphiquement que cet objet a une masse d’environ 260 g . Il est possible d’obtenir, à l’aide du tableur, l’équation de la droite interceptant l’axe vertical à la graduation 9,5 cm (option « ajouter une courbe de tendance »). Dans ce cas, l’exploitation peut être numérique à partir de l’équation obtenue. Avec cette série de mesures, l’équation donnée par le tableur pour la droite passant au plus près des points expérimentaux et interceptant l’axe vertical à 9,5 cm (longueur à vide) est y = 0,0301x + 9,5 avec un coefficient de corrélation R² = 0,996. À partir de cette équation, on recherche x lorsque y = 17,2 cm. 17,2 – 9,5 x =   = 256 g . La masse de l’objet est d’environ 256 g .   0,030 1



On peut exploiter de la même manière le graphique obtenu pour la représentation de l’allongement en fonction de la masse. 5 Pour transformer un ressort en balance, il faut étalonner le ressort à l’aide de masses connues pour rechercher

une représentation graphique ou une relation entre la masse suspendue sous le ressort et la longueur du ressort ou son allongement. L’exploitation du graphique, ou de l’équation de la droite, permet de trouver la masse inconnue d’un objet connaissant la longueur du ressort, ou son allongement, quand cet objet est suspendu sous le ressort. La masse inconnue doit impérativement se trouver dans la gamme de mesures des masses testées lors de l’étalonnage du ressort.



Un pas vers le bilan La force de pesanteur qui s’exerce sur un objet dépend de la masse de cet objet. 88

Thème 2

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AC TIV ITÉ

5 Quelle est la résistance d’un fil de pêche ?

p. 81 du manuel

Matériel • Une potence. • Du fil de pêche* pas trop gros. • Des masses marquées. • Un dynamomètre. * Fil de pêche utilisé pour le protocole proposé : diamètre 8/100, résistance annoncée 0,650 kg. 1 Protocole : • Faire un nœud « de chirurgien » aux deux extrémités du fil de pêche. • Glisser une extrémité du fil de pêche le long du bras horizontal de la potence. • À l’autre extrémité, accrocher au fil de pêche, progressivement et « sans à-coup », des masses marquées. • Noter la masse qui provoque la rupture du fil. La rupture du fil de pêche s’est effectuée pour une masse m = 670 g . Remarques : • Cette rupture doit s’effectuer à un endroit différent des nœuds du fil (doc. 3). • Une boucle classique risque de provoquer la rupture du fil au niveau du nœud. Pour éviter ce risque, faire de préférence la boucle avec un nœud en boucle « de chirurgien » :

BF

A B

B

Placer le fil en double sur 6 à 10 cm. Faire le nœud A, sans serrer, en laissant dépasser de quelques centimètres la boucle B. Repasser la boucle B dans A. Mouiller et tirer doucement la boucle B, ainsi que les deux fils BL et BF, serrer puis couper le fil BL.

A

BL B

BF

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2 a.

En suspendant à un dynamomètre l’objet ayant provoqué la rupture du fil, on constate que la force F ayant conduit à la rupture du fil est F = 6,5 N. b. Calcul du poids des masses marquées sur Terre : P = m × gT D’où P = 0,67 × 9,8 = 6,57 N On constate que la valeur de la force F ayant conduit à la rupture du fil de pêche est proche du poids de la masse ayant provoqué la rupture. Aux incertitudes de mesure près, on peut en déduire que ces grandeurs sont identiques. F 3 Résistance du fil de pêche utilisé dans le doc. 1 : R = S • Comme il a été vu dans la question 2 b., la force provoquant la rupture est égale au poids de l’objet qui provoque la rupture. Exemple avec le fil correspondant aux résultats ci-dessus : Comme la masse provoquant la rupture du fil est de 0,67 kg, le poids correspondant est : P = m × gT Donc F = P = 0,67 × 9,8 = 6,57 N 2 2 La section du fil est S = π × R2 = π × D = π × 0,08 = 0,005 mm2 2 2

( )

( )

F • On en déduit la résistance Rfil de pêche du fil de pêche : Rfil de pêche = S 6,57 Donc Rfil de pêche = = 1 314 N/mm2 0,005 La résistance du fil de pêche utilisé est supérieure à celle d’un fil d’acier.

Module 5

89

Exemple avec le fil dont la bobine est photographiée dans le manuel : Comme la masse provoquant la rupture du fils est de 6,3 kg, le poids correspondant est : P = m × gT Donc F = P = 6,3 × 9,8 = 62 N F On en déduit la résistance Rfil de pêche du fil de pêche : Rfil de pêche = S 62 Donc Rfil de pêche = = 856 N/mm2 0,07 La résistance du fil de pêche est supérieure à un fil d’acier.

Un pas vers le bilan

90

Thème 2

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Le poids P d’un objet au voisinage de la Terre se calcule à partir de la relation P = m × gT • P est le poids de l’objet, il s’exprime en Newton (N) ; • m est la masse de l’objet, elle s’exprime en kilogramme (kg) ; • g est l’intensité de la pesanteur, elle s’exprime en Newton par kilogramme (N/kg). Pour la Terre, l’intensité de la pesanteur terrestre vaut gT = 9,8 N/kg.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les forces QCM 1  a. 2  b. 3  b. et c. 4  Déterminer la valeur d’une force La valeur de la force exercée par la femme sur la valise Ffemme/valise est égale à la valeur de la force exercée par la valise sur la femme Fvalise/femme car la femme et la valise sont en interaction. La force Ffemme/valise est représentée par une flèche rouge de 2 cm. L’échelle étant de 1 cm pour 50 N : Ffemme/valise = 2 × 50 = 100 N Donc la valeur de la force exercée par la valise sur la femme Fvalise/femme est égale à 100 N.

5  Déterminer l’effet d’une force a. La force représentée par la flèche rouge est la force exercée par la poutre sur la gymnaste. Elle a pour effet de repousser la gymnaste vers le haut. b. La force représentée par la flèche verte est la force exercée par la Terre sur la gymnaste, à savoir la force de pesanteur appelée poids de la gymnaste. Elle a pour effet d’attirer la gymnaste vers le bas.

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6  Identifier une force 1. La force représentée par la flèche bleue est la force exercée par la prise sur le pied de la grimpeuse. 2. La force représentée par la flèche rose contribue à maintenir la grimpeuse sur la paroi car c’est la force exercée par la prise sur la main de la grimpeuse. Elle s’exerce sur la grimpeuse et est dirigée vers le haut. 3. La force représentée par la flèche rouge est la force exercée par la main de la grimpeuse sur la prise. Elle ne contribue pas à maintenir la grimpeuse sur la paroi car elle s’exerce sur la prise et non sur la grimpeuse. 7  Schématiser une force

3,9 cm

Les caractéristiques de la force qui représente l’appui du sportif sur le mur sont : • le point d’application, point de contact entre les mains et le mur ;

p. 84 et 85 du manuel

• la direction, horizontale ; • le sens, du sportif vers le mur ; • la longueur, proportionnelle à la valeur de la force. Échelle : 1 cm correspond à une valeur de 100 N. Valeur de la force : F = 390 N La longueur de la flèche s’obtient par propor­tionnalité : Échelle Situation

1 cm

100 N

x

390 N

Donc la longueur de la flèche est x =

390 × 1 = 3,9 cm 100

L’interaction gravitationnelle et la force de pesanteur QCM 8  b. et c. 9  a. 10  a. et c. 11  Schématiser le poids par une flèche Les caractéristiques du poids de la boule de pétanque sont : • le point d’application, centre de la boule de pétanque ; • la direction, verticale ; • le sens, de la boule vers le centre de la Terre. 12  Identifier le poids Le poids d’un objet est vertical et dirigé vers le centre de la Terre. Il s’applique au centre de l’objet. La force verte représente donc le poids de la jeune fille en équilibre. 13  Calculer un poids Le poids P d’un objet de masse m, à proximité d’un astre où l’intensité de la pesanteur est g, a pour expression : P = m × g avec P en N si m est en kg et g en N/kg Donc sur Mercure : P = m × gM Le poids de la sonde Messenger sur Mercure est donc : P = 1 000 × 3,7 = 3 700 N 14  Calculer une masse Le poids P d’un objet de masse m à proximité d’un astre où l’intensité de la pesanteur est g a pour expression : P = m × g  Donc sur Vénus : P = m × gV Module 5

91

EX ER CI CE S La masse de la sonde spatiale Venera 14 s’exprime P donc par m = gv 4 450 = 500 kg 8,9

15  Représenter un poids à l’échelle Les caractéristiques du poids du ballon de volley-ball sont : • le point d’application, centre du ballon de basket ; 2 cm • la direction, verticale ; • le sens, vers le bas. Échelle  : 1  cm correspond à une valeur de 1,5 N. Valeur de la force : F = 3 N La longueur de la flèche s’obtient par proportionnalité : Échelle Situation

1 cm

1,5 N

x

3N

Donc la longueur de la force est x =

92

Thème 2

Échelle Situation

1 cm

0,5 N

2

PN

Donc la valeur du poids est : 2 × 0,5 =1N P= 1

3×1 = 2 cm. 1,5

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

D’où m =

16  Déterminer la valeur d’un poids La valeur du poids est proportionnelle à la longueur de la flèche le représentant en tenant compte de l’échelle. Sur le dessin, 1 cm correspond à 0,5 N. Dans la situation représentée, on mesure sur le manuel une longueur de flèche : L = 2 cm. La valeur du poids s’obtient par proportionnalité :

EX ER CI CE S

Se perfectionner 17  Un sac trop lourd 1.

2. Si la joueuse avait des patins à glace, la joueuse partirait en arrière.

Table 2

1 3

Sol

Terre

Sac 2.  1 : force exercée par le sol sur la table. 2  : force exercée par la Terre sur la table (poids de la table). 3  : force exercée par le sac sur la table.  3. Le poids du sac est l’action de la Terre sur le sac. Elle s’exerce sur le sac. Ce n’est donc pas cette action qui déforme la table puisqu’elle ne s’exerce pas sur la table. C’est l’action du sac sur la table qui déforme la table. Néanmoins cette action a la même valeur que le poids du sac.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

p. 86 à 89 du manuel

21  Une force de cheval 1. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force. Prenons l’échelle suivante : 1cm pour 200 N. La longueur de chaque flèche s’obtient alors par proportionnalité : Échelle

1 cm

200 N

Cheval A

x

800 N

Donc la longueur de la flèche représentant la force exercée par le cheval A (flèche rouge) est : 800 × 1 x= = 4 cm 200 Échelle

1 cm

200 N

Cheval B

x’

700 N

18  Une boisson fraîche 1. Les forces qui s’exercent sur le glaçon sont : • le poids du glaçon, force exercée par la Terre sur le glaçon ; • la poussée d’Archimède, force exercée par l’eau sur le glaçon. 2. La force qui a tendance à entraîner le glaçon au fond du verre est le poids (verticale et vers le bas). 3. La force qui empêche le glaçon de couler est la poussée d’Archimède (verticale et vers le haut). 4. Le glaçon est maintenu en équilibre car ces deux forces sont opposées : leur intensité est la même, elles ont la même direction et sont de sens opposés.

Donc la longueur de la flèche représentant la force exercée par le cheval B (flèche verte) est : 700 × 1 x= = 3,5 cm 200

19  La force magnétique 1.

2. Comme les chevaux tirent la carriole dans la même direction et le même sens, leurs intensités s’additionnent. Donc, si le cocher n’avait utilisé qu’un seul cheval pour tirer la carriole, ce dernier aurait dû fournir une force : F = FA + FB = 800 + 700 = 1 500 N 3. L’intérêt d’utiliser plusieurs chevaux est de répartir entre les chevaux la force nécessaire pour tirer la carriole.

2. L’aimant et la bille sont en interaction. Donc si l’aimant attire la bille, la bille attire aussi l’aimant. Comme dans cette seconde situation, la bille est fixe et l’aimant mobile, on en déduit que l’aimant va se déplacer vers la bille.

20  Lancer de balle 1.

La force représentée en rouge est la force exercée par la joueuse sur la balle. La force représentée en vert est la force exercée par la balle sur la joueuse.

3,5 cm

4 cm

22  Lever de poids 1. Si les haltères sont aussi nommés « poids », l’unité inscrite sur les haltères devrait être le Newton. 2. On appelle « masse » musculaire l’ensemble des muscles du sportif. On la désigne ainsi car la masse représente la quantité de matière. 3. Le poids est une force (c’est la force exercée par la Terre sur un objet). Ici les haltères sont les objets qui subissent l’action de la Terre. Donc il n’est pas juste de parler de « poids » à la place d’haltères. Module 5

93

EX ER CI CE S Donc la longueur de la flèche représentant la force qui retient un enfant de 30 kg est : 9 800 × 1 L= = 4,9 cm 2 000

23  Bill ! Nom d’un chien ! 1.

2. Le mouchoir restera immobile si les deux forces : • ont la même intensité ; • sont sur la même direction mais ont des sens opposés.

24  De la Terre à la Lune 1. a. Objet

3. Cette force est plus importante que celle du coup de poing du boxeur. Lors d’un choc à 50 km/h, un enfant de 30 kg subit de la part de la ceinture de sécurité une force plus grande que celle exercée par le coup de poing d’un boxeur. Il faut donc que la ceinture soit suffisamment solide. Elle doit aussi être positionnée correctement, bien à plat, pour ne pas provoquer de blessure.

Air Terre

b.

Objet

Terre

Air

2. Il n’y a pas de « force d’impulsion » dont parle Jules Verne si le projectile n’est plus en contact avec le lanceur.

25  Un héros de poids 1. a. Le poids a pour expression : P = m × g Donc sur sa planète de naissance Corellia : P = m × gCorellia La masse de Han Solo sur Corellia est : P 784 = 80 kg m= = gCorellia 9,8 b. La masse de Han Solo sur Endor est identique à sa masse sur Corellia. En effet, la masse est caractéristique de la quantité de matière, elle ne change pas quand Han Solo voyage de planète en planète. Donc m = 80 kg c. Sur Endor, P = m × gEndor Donc P = 80 × 8,34 = 667,2 N 2. Le poids de Han Solo est plus petit sur Endor que sur Corellia. Sur Endor, Han Solo ressentira donc que ses déplacements lui demandent moins d’efforts que sur Corellia.

26  La ceinture de sécurité 1. Sur Terre, le poids a pour expression : P = m × gT 1 tonne = 1 000 kg Donc P = 1 000 × 9,8 = 9 800 N 2. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle Situation 94

Thème 2

1 cm

2 000 N

L

9 800 N

Tâche complexe 27  Les clubs de golf Question posée : Parmi les deux clubs de golf, quel est le «  Sand Wedge » ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Que signifie « Sand Wedge » ? 2. Quelle est la différence entre les deux clubs ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le « Sand Wedge » est utilisé pour sortir la balle des terrains sableux dans lesquels elle s’enfonce (doc. 1). 2. Chaque club de golf à une fonction particulière (doc. 1). Le « Mid-Mashie » est utilisé pour propulser la balle entre 160 et 200 m (doc. 1). La surface de la tête du club de golf  1 permettant de taper dans la balle est orientée vers le haut. Celle du club de golf  2 propulse la balle dans une direction plus proche de l’horizontale (schémas de l’énoncé). 3e étape : Dégager la problématique Déterminer la direction de la force exercée par le club sur la balle de golf qui semble la plus efficace pour sortir une balle d’un terrain sableux. 4e étape : Construire la réponse • Représenter la force exercée par chacun des deux clubs sur une balle de golf. • Analyser l’effet de ces forces sur une balle enfoncée dans un terrain sableux. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un parcours de golf est constitué de terrains de différentes natures. En particulier, certaines zones sont sableuses. La balle s’y enfonce.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Lanceur

4,9 cm

EX ER CI CE S

Se perfectionner

Quelle est la direction de la force exercée par le club sur la balle de golf qui semble la plus efficace pour sortir une balle d’un terrain sableux ? • Mettre en forme la réponse. Les forces exercées par chacun des deux clubs sur une balle de golf sont représentées sur les schémas ci-dessous :

1

2

On peut constater que dans le cas du club  1 , la balle est projetée vers le haut, tandis que dans le cas du club  2 , la balle est propulsée dans une direction plus proche de l’horizontale. Si la balle est enfoncée dans du sable, propulsée par le club  2 , elle reste en contact avec le sable qui freine son départ. Frappée par le club  1 , la balle s’élève et quitte le sable. Le club  1 est donc plus favorable à une sortie de la balle d’un terrain sablonneux que le club  2 . • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le club qui projette la balle de golf en hauteur est le «  Sand Wedge  ». On pourrait se demander si le « Mid-Mashie » ne pourrait pas aussi être efficace si la balle n’est pas trop enfoncée dans le sable.

b. Ballon

Air

Terre

2. a. La force principale qui agit sur le ballon lorsque celui-ci est en vol se nomme le poids. Remarque : On néglige l’action de l’air sur le ballon. b. Les caractéristiques du poids sont : • le point d’application, centre de l’objet ; • la direction, la verticale ; • le sens, vers le bas ; • la valeur, proportionnelle à celle de la force. c. Sur Terre, le poids a pour expression : P = m × gT La masse du ballon est de 430 g, soit 0,43 kg. Donc P = 0,43 × 9,8 = 4,2 N d. La longueur de la flèche représentant une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle Situation

1 cm

2N

L

4,2 N

Donc la longueur de la flèche représentant le poids du ballon est : 4,2 × 1 L= = 2,1 cm 2

2,1 cm

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Grille d’évaluation en fin de module.

28  Décollage d’une fusée 1. Le poids P d’un objet de masse m à proximité de la Terre, où l’intensité de la pesanteur est gT a pour expression : P = m × gT avec P en N si m est en kg et gT en N/kg La masse de la fusée Ariane 5 est de 760  t, soit 760 000 kg. D’où P = 760 000 × 9,8 = 7 448 000 N 2. Pour pouvoir faire décoller la fusée, la valeur de la force exercée par les moteurs au décollage doit être plus grande que la valeur du poids de la fusée. 29  Un penalty 1. a.

Sol

Terre

30  A tennis serve Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre la compression d’une balle de tennis lors d’un contact avec une raquette de tennis. Traduction : Un service au tennis Les images ci-dessous sont extraites de la vidéo d’un match de tennis filmé au ralenti. À l’instant de l’impact, la force qu’exerce la raquette sur la balle est estimée à 900 newtons. 1. Dans la situation  2 , la force qui déforme la balle est la force qu’exerce la raquette sur la balle. La force qui déforme la raquette est la force qu’exerce la balle sur la raquette.

Ballon

Pied

e. La trajectoire du ballon est courbée vers le bas car le poids du ballon est dirigé vers le bas. Il modifie donc la trajectoire vers le bas pendant le vol du ballon.

Air

Module 5

95

EX ER CI CE S

Échelle Situation

1 cm

200 N

L

900 N

Donc la longueur de la flèche correspondant à chaque force a pour valeur : L = 900 × 1 = 4,5 cm 200

4,5 cm Fballe/raquette

4,5 cm Fraquette/balle

3. Dans la situation correspondant à l’image  2 , la raquette exerce une force sur la balle et la balle exerce une force sur la raquette. Elles agissent l’une sur l’autre et sont donc en interaction. Dans les situations correspondants aux images  1 et  3 , la balle n’est pas en contact avec la raquette : elles ne sont plus en interaction.

31  L’Homme de Mars 1. La réalisation de travaux de construction serait plus aisée sur Mars que sur la Terre car l’intensité de la pesanteur est plus faible sur Mars que sur Terre. Il est donc plus facile de soulever les outils et les matériaux de construction. 2. La phrase en gras se traduit par la relation : g gMars selon Maupassant = Terre 37 9,8 = 0,26 N/kg D’où gMars selon Maupassant = 37 Or, d’après les données gMars = 3,6 N/kg Donc l’affirmation en gras dans le texte est fausse. 3. Le poids d’un corps de masse m a pour expression : P = m × g a. Avec la donnée imaginée par l’écrivain : P = m × g Mars selon Maupassant Donc pour 1 kg d’eau, P = 1 × 0,26 = 0,26 N b. Avec la donnée scientifique actuelle : PMars = m × gMars Donc pour 1 kg d’eau, PMars = 1 × 3,6 = 3,6 N

96

Thème 2

32  L’hélicoptère La portance est verticale vers le haut (flèche rouge) et le poids est vertical vers le bas (flèche verte). En vol stationnaire, la portance est opposée au poids de l’hélicoptère. Le poids sur Terre a pour expression P = m × gT. La masse de l’hélicoptère étant de 1 080 kg, le poids vaut P = 1 080 × 9,8 = 10 584 N. La longueur de la flèche représentative d’une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle Situation

1 cm

2 500 N

L

10 584 N

Donc la longueur des flèches est : 10 584 × 1 = 4,2 cm L= 2 500

4,2 cm

4,2 cm

33  Le fil à plomb Lorsque le plomb n’est plus retenu par le fil, il se met en mouvement selon la direction et le sens de la seule force à laquelle il reste soumis, à savoir son poids. Un objet immobile soumis à une force se met en mouvement selon la direction et le sens de cette force. © Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

2. La longueur de la flèche représentative d’une force est proportionnelle à la valeur de la force :

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 34  À chacun son rythme • Correction de l’énoncé détaillé 1. Le poids d’un objet de masse m sur la Lune a pour expression PL = m × gLune P 2. On en déduit L = L gLune Le poids du disciple étant de 128 N sur la Lune, sa masse est égale à : m = 18 = 80 kg 1,6 3. Le poids d’une masse m sur la Terre a pour expression PT = m × gTerre 4. La masse représentant la quantité de matière d’un objet, la masse du disciple est la même sur la Lune comme sur Terre. Donc PT = 80 × 9,8 = 784 N 35  Utiliser le vocabulaire L’écriture « Poids net 50 g » n’est pas correcte car le poids est une force : son unité est le Newton. La grandeur qui s’exprime en gramme est la masse. Une correction possible est « Masse nette 50 g ». 36  Pour aller plus loin 1. a.

p. 90 et 91 du manuel

En montée :

d. Une reformulation possible est : « sur terrain plat, cette force est sans effet sur la vitesse du cycliste ». 3. a.

b. Plus le pneu est gonflé, plus la surface de contact au sol est petite, limitant ainsi les forces de friction.

37  À chacun son rythme • Correction de l’énoncé compact

Tâche complexe

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Question posée : En exerçant la même force que lorsqu’il maintient, sur Terre, une voiture, quelle est la masse de l’objet que Superman pourrait porter sur Krypton ?

b. La résistance de l’air est dirigée vers l’arrière, c’està-dire à l’opposé du sens de déplacement du cycliste. Elle a donc pour effet de s’opposer au déplacement du cycliste, c’est pourquoi elle limite sa vitesse de déplacement. 2. a. Le nom scientifique de « la résistance due à la gravité » se nomme le poids. b. L’intensité du poids ne peut être nulle car le vélo et le cycliste ont une masse. Mais le poids étant strictement vertical, il est sans effet sur un mouvement horizontal. c. Sur un terrain plat :

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la masse de la voiture ? 2. Quelle force Superman déploie-t-il pour maintenir la voiture sur la Terre ? 3. Quelle différence y a-t-il entre Krypton et la Terre ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Superman maintient en l’air une voiture de masse 1 tonne, soit 1 000 kg (doc. 1). 2. Cette réponse n’est pas accessible dans les documents. Il faut effectuer un calcul. On sait qu’il doit exercer une force égale à celle du poids de la voiture (prérequis). 3. La gravité sur Krypton est 30 fois supérieure à celle sur la Terre (doc. 2). Avec le même effort que sur Krypton, les effets sur la Terre sont 30 fois plus importants (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Calculer la masse d’un objet dont le poids sur Krypton est le même que celui de la voiture d’une tonne sur la Terre. Module 5

97

EX ER CI CE S

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Superman est originaire de la planète Krypton. Ainsi, ses muscles sont adaptés à la planète Krypton où la gravité est trente fois supérieure à celle de la Terre. Calculer la masse d’un objet dont le poids sur Krypton est le même que celui de la voiture d’une tonne sur Terre. • Mettre en forme la réponse. La voiture a une masse de 1 tonne, soit 1 000 kg. Comme PT = m × gT , alors le poids de la voiture sur Terre est PT = 1 000 × 9,8 = 9 800 N. Donc Superman doit développer une force d’intensité de 9 800 N pour maintenir la voiture au-dessus de sa tête. Pour porter l’objet à soulever sur Krypton, Superman devra donc aussi développer une force d’intensité de 9 800 N. D’après le doc. 2, gK = 30 × gT Donc gK = 30 × 9,8 = 294 N/kg Sur Krypton, il pourra donc soulever une masse m telle PT 9 800 = 33 kg environ que m = g soit m = 294 k • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Pour Superman, maintenir une voiture d’une tonne sur Terre demande les mêmes efforts que pour porter 33 kilogrammes sur sa planète d’origine, soit l’équivalent d’un sac de ciment pour un chantier. Superman n’est donc un super-homme que sur Terre. Grille d’évaluation en fin de module.

98

Thème 2

• Correction de l’énoncé détaillé  1. D’après le doc. 2 gKrypton = 30 × gT Donc gKrypton = 30 × 9,8 = 294 N/kg 2. Le poids sur la Terre a pour expression PT = m × gT. Donc le poids de la voiture d’une tonne (1 000 kg) est PT = 1 000 × 9,8 = 9 800 N. 3. Pour maintenir cette voiture sur Terre, il faudra développer une force de même valeur que le poids de la voiture sur Terre. 4. Si Superman fournit un effort de 9 800 N sur Krypton, P il soulèvera une masse m telle que m = T gK 9 800 = 33 kg environ. soit m = 294

38  Analyser sa production Construisons un tableau avec les résultats des mesures schématisées dans l’énoncé : Masse (en g)

0

50

100

150

250

330

500

Poids (en N)

0

0,5

1

1,5

2,5

3,3

5

Réalisons le graphique représentant le poids mesuré au dynamomètre en fonction de la masse suspendue :

On constate que les points, représentatifs du graphique donnant P en fonction de m, sont alignés et que la droite liant ces points passe par l’origine du repère. Cela caractérise le fait que le poids P d'un objet et sa masse m sont deux grandeurs proportionnelles. On en conclut qu’il existe une relation de proportionnalité entre le poids et la masse. © Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

4e étape : Construire la réponse • Calculer le poids de la voiture sur la Terre. • En déduire la valeur de la force exercée par Superman pour maintenir la voiture sur la Terre. • En déduire la valeur de la force exercée par Superman pour porter un objet sur Krypton. • Calculer l’intensité de la pesanteur sur Krypton. • En déduire la valeur du poids de l’objet soulevé par Superman sur Krypton, puis sa masse.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 27 Les clubs de golf 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 4e – 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 : Le « Sand Wedge » est utilisé pour sortir la balle des terrains sableux dans lesquels elle s’enfonce. Doc. 1 : Le « Mid-Mashie » est utilisé pour propulser la balle entre 160 et 200 m.  Schéma de l’énoncé : La surface de la tête du club de golf  1 permettant de taper dans la balle est orientée vers le haut. Celle du club de golf  2 propulse la balle dans une direction plus proche de l’horizontale.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer la direction de la force de nature scientifique. exercée par le club sur la balle de golf qui semble la plus efficace pour sortir une balle d’un terrain sableux 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 : • Représenter la force exercée par chacun des deux clubs sur une balle de golf. • Analyser l’effet de ces forces sur une balle en terrain sableux. • Identifier le club. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme • L’élève a réussi à faire le lien entre de langage scientifique direction de la force et trajectoire de la à une autre. balle. • Le « Sand Wedge » est identifié.

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 5

99

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 37 À chacun son rythme – Superman 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 : Superman maintient en l’air une voiture de masse une tonne (1 000 kg). Doc. 2 : La gravité sur Krypton est 30 fois supérieure à celle sur la Terre. Doc. 2 : Avec le même effort que sur Krypton, les effets sur la Terre sont 30 fois plus importants.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer la masse d’un objet dont le poids de nature scientifique. sur Krypton est le même que celui de la voiture d’une tonne sur Terre.

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 et les unités sont Passer d’une forme cohérentes. de langage scientifique • Utilisation de la relation P = m × g. à une autre. • Exploitation de l'information concernant la gravité sur Krypton (gK = 30 gT). • Exploitation de la relation P = m × g pour calculer m.

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.

100

Thème 2

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 4e – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer le poids de la voiture sur la Terre. • En déduire la valeur de la force exercée par Superman pour maintenir la voiture sur la Terre. • En déduire la valeur de la force exercée par Superman pour porter un objet sur Krypton. • Calculer l’intensité de la pesanteur sur Krypton. • En déduire la valeur du poids de l’objet soulevée par Superman sur Krypton, puis sa masse. • Conclure en revenant sur la problématique.

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 Reconnaître 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’Homme 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 chaîne d’énergie domes- Exemples de consommation domestique (chauffage, lumière, tique simple. ordinateur, transports). • Quelques dispositifs visant à économiser la consommation d’énergie. 102

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

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

TBM 1, 2, 3

Identifier les sources d’énergie.

2, 4

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

1, 2, 3

Connaître la notion de puissance.

4

Identifier les différentes formes d’énergie.

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 =

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Activités

1 mv2. 2

1, 2

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

1, 2

Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.

5

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Remarque : Pour la représentation des chaînes énergétiques, nous avons choisi un code couleurs : l’énergie exploitée, à l’entrée du convertisseur, est dans un cadre bleu, l’énergie utile, en sortie du convertisseur, est dans un cadre vert, et l’énergie dissipée est dans un cadre rose. Cette convention n’est pas exigible.

Vu en 5e QCM Flash

p. 92 du manuel

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

103

AC TIV ITÉ

1 Qu’est-ce qui anime la dernière bille du pendule de Newton ?

p. 95 du manuel

Matériel • Un pendule de Newton. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo, en accès libre pour les élèves, présente le fonctionnement du pendule de Newton sur plusieurs oscillations. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’étude est exclusivement qualitative à partir de la chronophotographie du doc. 2. 1 a. Au cours de la vidéo du doc. 1, l’énergie potentielle de position de la bille de gauche (première bille) diminue

car l’altitude de son centre diminue. b. La vitesse de cette même bille augmente car, pendant des durées égales, la bille parcourt des distances de plus en plus grandes. c. Comme la vitesse augmente, l’énergie cinétique augmente aussi.



2 L’énergie potentielle de position de la bille de droite (dernière bille) augmente au cours de son mouvement car

l’altitude de son centre augmente. b. la vitesse de cette même bille est maximale au départ, puis elle diminue (pendant des durées égales, la bille parcourt des distances de plus en plus faibles). c. L’énergie cinétique de cette bille diminue comme sa vitesse.



3 L’énergie potentielle de la première bille au moment où elle est lâchée est convertie en énergie cinétique pendant

son mouvement. Au moment de l’impact, cette énergie cinétique est transférée à la dernière bille par l’intermédiaire des autres.

Un pas vers le bilan

104

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Au cours d’un transfert d’énergie entre deux objets, il y a perte d’énergie de l’un et gain d’énergie par l’autre.

AC TIV ITÉ

2 Comment fonctionne une poche de gel froid instantané ?

p. 96 du manuel

Matériel • Un bécher. • De l’eau. • Un thermomètre. • Une spatule. • Un agitateur. • Une balance. • Une coupelle de pesée. • Une éprouvette graduée. • Trois sels différents : – nitrate d’ammonium, – éthanoate de sodium, – chlorure de sodium. Vidéos et animations en lien avec l’activité Effets thermiques de la dissolution de sels Une vidéo présente le matériel aux élèves. 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. La vidéo complète présente la dissolution de l’éthanoate de sodium, du nitrate d’ammonium et du chlorure de sodium. Un thermomètre mesure la variation de température liée à chaque dissolution. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La dissolution est une notion vue au cycle 3. La manipulation peut rester qualitative sans mesure de volume ni de masse. Elle peut aussi être réalisée de manière quantitative en mesurant le même volume d’eau et en prenant la même masse des différents sels. 1 On peut supposer que c’est le mélange de l’eau et du sel (ou la dissolution du sel dans l’eau) qui est à l’origine

du refroidissement de la poche de gel froid. 2 Protocole expérimental : Prendre un volume d’eau à température ambiante et dissoudre une masse de sel



choisi parmi ceux proposés. Mesurer la température du mélange. Avec 5 g de sel dans 150 mL d’eau, on observe : – que la température du mélange augmente d’environ 3 °C lors de la dissolution de l’éthanoate de sodium ; – que la température du mélange diminue d’environ 3 °C lors de la dissolution du nitrate d’ammonium ; – que la température du mélange diminue légèrement (d’environ 0,6 °C) lors de la dissolution du chlorure de sodium. 3 Tous les sels ne peuvent pas être utilisés dans une poche de gel froid car, selon le sel, à la fin de la dissolution,

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

la température peut avoir augmenté ou être restée constante. 4 Lors de l’application d’une poche de gel froid sur un hématome :



a. le corps qui perd de l’énergie est le corps humain blessé qui se refroidit localement au contact de la poche de gel froid ; b. le corps qui gagne de l’énergie est la poche de gel froid qui se réchauffe au contact du corps humain. 5 Une poche de gel froid est à basse température lorsqu’on a rompu la paroi entre l’eau et le sel. Lorsqu’on

l­ ’applique sur une zone du corps humain, elle le refroidit. De l’énergie thermique est transférée du corps humain à la poche de gel. Un pas vers le bilan Un transfert d’énergie thermique entre deux objets peut être mis en évidence par une variation de température : la température de celui qui gagne de l’énergie thermique augmente, la température de celui qui cède de l’énergie thermique diminue. Module 6

105

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi un skateur dans un half-pipe

ne peut-il pas remonter à sa hauteur de départ en se laissant glisser ?

p. 97 du manuel

Matériel • Une bille. • Un profil en forme de half-pipe. • Un revêtement rugueux. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Vidéo d’introduction sur le half-pipe Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre un sportif dans un half-pipe. Deux vidéos, modélisant la situation, présentent le matériel aux élèves. Les vidéos complètes sont disponibles dans le manuel numérique du professeur. Dans la première vidéo, une bille roule sur un sol lisse. Dans la seconde vidéo, la même bille roule sur un sol rugueux. • Simulation (doc. 3) Une simulation numérique est nécessaire pour l’activité. Compléments • Le profil en forme de half-pipe peut être construit avec une goulotte électrique. • Le revêtement rugueux peut être obtenu en recouvrant le profil avec divers matériaux, du plastique bulle par exemple. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La modélisation expérimentale à l’aide d’une bille sur un profil en forme de half-pipe permet aux élèves de prendre conscience de l’influence des frottements sur la hauteur à laquelle remonte la bille de l’autre côté du plan. Cette prise de conscience permet de justifier le modèle sans frottement utilisé dans la simulation numérique. 1 Sur le profil lisse, la bille lâchée à une certaine altitude d’un côté remonte pratiquement à la même altitude de

l’autre côté. 2 a. Si le support est rugueux, on peut supposer que lâchée de la même altitude, la bille ne remontera pas aussi

haut. b. L’expérience confirme l’hypothèse (voir la vidéo). c. L’interaction de contact entre le sol et la bille limite la hauteur atteinte par la bille.



3 L’expérience réelle sans frottement est impossible car le contact du sol avec la bille crée obligatoirement des

frottements qui permettent à la bille de rouler. son mouvement évoluent en sens contraire : quand l’une augmente, l’autre diminue et inversement. • Sans frottement, la somme des énergies potentielle de pesanteur et cinétique est constante. • Avec des frottements, cette somme diminue au cours du mouvement. b. En termes d’énergie, le skateur dans le half-pipe ne remonte pas jusqu’à la hauteur de départ lorsqu’il y a des frottements car de l’énergie thermique est dissipée à cause du contact avec le profil.



5 Pour que le skateur remonte à la hauteur initiale, il faut qu’il conserve son énergie au cours du mouvement. Le

skateur dans un half-pipe ne peut pas remonter à sa hauteur de départ en se laissant glisser car les frottements lui font perdre une partie de son énergie.

Un pas vers le bilan Lors d’une conversion d’énergie, une partie de l’énergie n’est pas utilisable. Cette énergie est convertie en énergie thermique dans la situation d’un mouvement avec des frottements. 106

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

4 a. Dans la simulation numérique, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de position du skateur au cours de

AC TIV ITÉ

4 Comment voler à l’énergie solaire pendant la nuit ?

p. 98 du manuel

Matériel • Une cellule solaire. • Un condensateur électrochimique. • Un moteur électrique de faible résistance interne. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo, en accès libre, présente l’avion Solar Impulse 2. Deux vidéos présentent le matériel aux élèves pour simuler le vol de jour, puis le vol de nuit. Les vidéos complètes sont disponibles dans le manuel numérique du professeur. Si les expériences ne sont pas réalisées en classe, ces vidéos permettent à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Il est possible d’utiliser des moteurs récupérés sur les lecteurs CD des vieux ordinateurs car ils possèdent une très faible résistance interne. Chaque lecteur CD possède deux ou trois moteurs. Il suffit de les enlever et de souder deux fils à leurs bornes. Les cellules solaires peuvent provenir de lampes solaires de jardin qu’il suffit de démonter et auxquelles on soude deux fils de connexion. Le condensateur doit avoir une capacité importante ; celui utilisé sur la vidéo est un condensateur électrochimique dont la capacité est de 1 farad. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité expérimentale permet de réinvestir les circuits électriques vus en 5e. Suivant la progression adoptée, les chaînes énergétiques (doc. 4) peuvent être enrichies avec l’énergie dissipée. 1 a. Protocole expérimental pour faire fonctionner un moteur à l’aide de l’énergie du Soleil : il s’agit de réaliser



un circuit électrique avec la cellule solaire et le moteur (fig. 1). b. Pour simuler la recharge des batteries le jour, il s’agit de réaliser un circuit comportant la cellule solaire et le condensateur (fig. 2). Remarque : Il faut respecter les polarités du condensateur électrochimique. Pour simuler le fonctionnement du moteur la nuit, il s’agit de réaliser un circuit avec le condensateur chargé et le moteur (fig. 3). fig. 1 fig. 2 fig. 3 + – Cellule solaire

M

+ –

M

Condensateur

Moteur

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

+ – Condensateur

+ – Cellule solaire

Moteur

2 Pour voler à l’énergie solaire pendant la nuit, il faut convertir, le jour, cette énergie en une autre forme d’énergie

afin de la stocker, puis, la nuit, utiliser l’énergie stockée.

Un pas vers le bilan Les deux chaînes énergétiques ci-dessous montrent les conversions d’énergie dans une batterie. Conversion d’énergie le jour Énergie exploitée

Énergie électrique

Batterie

Conversion d’énergie la nuit

Énergie utile

Énergie exploitée

Énergie chimique

Énergie chimique

Énergie utile

Batterie

Énergie électrique

Module 6

107

AC TIV ITÉ

5 Comment expliquer l’usure d’une pile électrique ?

p. 99 du manuel

Matériel • Une lame de métal cuivre. • Une lame de métal zinc. • Deux pinces crocodiles et deux fils électriques. • Un moteur électrique. • Une solution conductrice de sulfate de cuivre. • Un bécher. • Un thermomètre (facultatif). Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo présente le matériel aux élèves. 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 Il est possible d’utiliser des moteurs récupérés sur les lecteurs CD des vieux ordinateurs car ils possèdent une très faible résistance interne. Chaque lecteur CD possède deux ou trois moteurs. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité expérimentale permet de réinvestir les circuits électriques et les transformations chimiques vus en 5e. 1 Les constituants de la pile imaginée par Cyrus Smith sont : du zinc (métallique), du cuivre (métallique) et une

solution conductrice. 2 Protocole pour faire fonctionner un moteur électrique : Dans un bécher contenant une solution conductrice de

sulfate de cuivre, plonger les deux lames métalliques sans les mettre en contact. Relier chaque lame, par un fil de connexion, à l’une des bornes du moteur électrique. La température de la solution augmente lorsque la pile fait fonctionner le moteur électrique. Remarque : La température doit être mesurée à proximité d’une lame pour que l’augmentation soit mesurable.



3 On peut affirmer qu’il y a une transformation chimique lorsque la pile fonctionne car la lame de zinc se recouvre

d’un dépôt noirâtre. L’élévation de la température est aussi le signe d’une transformation chimique. 4 La pile possède de l’énergie chimique. Elle la convertit en énergie électrique. 5 Lors du fonctionnement de la pile, une partie de l’énergie chimique est convertie en énergie thermique. 6 Une partie de l’énergie transférée entre la pile et le moteur a été perdue puisqu’on observe une élévation de la 7 Lors d’une transformation chimique, des réactifs sont consommés ; cela explique l’usure d’une pile électrique.

Un pas vers le bilan Chaîne énergétique de la pile :

Énergie utile

Énergie électrique

Énergie exploitée

Énergie chimique

Pile Énergie dissipée

Énergie thermique

108

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

température de la solution.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les transferts et conversions d’énergie QCM 1  c. 2  a.

p. 102 et 103 du manuel

11  Identifier les formes d’énergie Lors de son fonctionnement, la pompe utilise de l’énergie électrique. Elle produit de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique. 12  Compléter une chaîne énergétique

3  a.

Énergie utile

4  a.

Énergie exploitée

5  a.

Énergie consommée

6  Identifier les formes d’énergie 1. L’énergie présente dans le bois est de l’énergie chimique. 2. L’énergie chimique est convertie en énergie thermique et en énergie lumineuse.

Énergie utilisable Convertisseur

Énergie inutilisable

13  Schématiser des chaînes énergétiques a. Énergie utile Énergie cinétique de la vapeur d’eau

Énergie exploitée

7  Reconnaître des formes d’énergie 1. La luciole possède de l’énergie chimique. 2. L’énergie chimique est convertie en énergie lumineuse. 8  Identifier les formes d’énergie 1. L’énergie stockée dans les aliments est de l’énergie chimique. 2. Nous la stockons également sous forme d’énergie chimique. 9  Identifier des formes d’énergie 1. Dans les ressources fossiles, l’énergie se trouve sous la forme chimique. 2. Dans les centrales à ressources fossiles, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique et en énergie thermique. Énergie utile 3. Énergie exploitée Énergie chimique

Centrale à charbon ou à gaz

Énergie électrique

Énergie dissipée

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Énergie thermique

Remarque : Dans cet exercice et dans les suivants, nous avons choisi un code couleurs pour les chaînes énergétiques : l’énergie exploitée, à l’entrée du convertisseur, est dans un cadre bleu ; l’énergie utile, en sortie du convertisseur, est dans un cadre vert, et l’énergie dissipée est dans un cadre rose. Cette convention n’est pas exigible. On a ajouté dans les chaînes les titres « Énergie utile » et « Énergie dissipée » afin de mieux les distinguer.

10  Repérer une forme d’énergie 1. La biomasse contient de l’énergie chimique. 2. Cette énergie chimique peut être convertie en énergie thermique.

Énergie dissipée

Énergie chimique

Chaudière

Énergie dissipée Énergie thermique de la vapeur d’eau

b.

Énergie utile Énergie exploitée Énergie cinétique de la vapeur d’eau

Énergie électrique Alternateur

Énergie dissipée Énergie thermique

14  Comprendre une chaîne énergétique 1. L’énergie dissipée dans une chaîne énergétique est de l’énergie qui ne peut pas être exploitable. 2. Un moteur convertit une partie de l’énergie électrique reçue en énergie cinétique, mais il convertit également l’autre partie de l’énergie électrique reçue en énergie thermique qui est de l’énergie dissipée (inutilisable). 15  Identifier un convertisseur Les convertisseurs sont le téléviseur, la lampe, le scooter, l’aspirateur et l’ordinateur. Pour information : Énergie ­exploitée Convertisseur

Énergie utile

Énergie électrique

Téléviseur

Plusieurs formes d’énergie dont l’énergie lumineuse

Énergie électrique

Lampe

Énergie lumineuse

Énergie chimique Scooter

Énergie cinétique

Énergie électrique

Aspirateur

Énergie cinétique de l’air

Énergie électrique

Ordinateur

Plusieurs formes d’énergie dont l’énergie lumineuse Module 6

109

EX ER CI CE S 16  Identifier des conversions d’énergie Énergie utile Énergie exploitée Énergie cinétique du vent

Énergie électrique Éolienne

Énergie dissipée Énergie thermique

18  Comprendre la charge d’un téléphone 1. La conservation de l’énergie permet d’écrire : Énergie électrique  =  Énergie chimique  +  Énergie thermique. 2. Chaîne énergétique du téléphone lors de son fonctionnement : Énergie utile

17  Identifier les conversions d’énergie a. Chaîne énergétique de la lampe à manivelle lors de sa recharge :

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie électrique Batterie

Énergie dissipée Énergie thermique

Énergie utile

Énergie exploitée Énergie cinétique de la manivelle

Énergie électrique Lampe à manivelle

Énergie dissipée Énergie thermique

b. Chaîne énergétique de la lampe à manivelle lors de son fonctionnement : Énergie utile

Énergie exploitée Énergie électrique

Énergie lumineuse Lampe à manivelle

Énergie dissipée

110

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Énergie thermique

EX ER CI CE S

Se perfectionner 19  Fonctionnement d’une pile plate 1. Lors de son fonctionnement, la pile convertit une partie de l’énergie chimique en énergie thermique. 2. la production d’énergie électrique provient d’une réaction chimique qui consomme l’enveloppe métallique de la pile. 3. Chaîne énergétique de la pile plate en fonc­tionnement : Énergie utile Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie électrique Pile plate

Énergie dissipée Énergie thermique

20  Freinage 1. Lors d’un freinage, la vitesse diminue ; or l’énergie cinétique dépend de la vitesse et évolue dans le même sens qu’elle. Donc l’énergie cinétique diminue. 2. Le système de freinage, les roues, la route gagnent de l’énergie thermique. Ils s’échauffent. 21  Saut à l’élastique 1. Avant le saut, le sauteur possède de l’énergie potentielle de position (il est en altitude). 2. Cette énergie se transforme en énergie cinétique pendant la chute. 3. Pendant la chute, l’énergie potentielle de position du sauteur diminue, tandis que son énergie cinétique augmente. 22  L’énergie dans l’alimentation 1. Dans l’alimentation, l’énergie est stockée sous forme chimique. 2. Chaîne énergétique de la conversion d’énergie dans les muscles :

p. 104 à 107 du manuel

2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La grue est constituée d’un boulet accroché à un filin qui se balance et heurte le mur. 2. Le boulet est efficace s’il réussit à démolir le mur facilement, donc s’il a une énergie importante. 3e étape : Dégager la problématique On demande de positionner la grue pour que le boulet ait la plus grande énergie lorsqu’il percute le mur. 4e étape : Construire la réponse • Estimer la position du boulet lorsqu’il a son énergie cinétique la plus grande. • Établir un lien entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle. • Conclure sur la position de la grue par rapport au mur. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On cherche la position de la grue pour que la démolition soit la plus efficace. • Mettre en forme la réponse. Le choc du boulet sur le mur est le plus efficace s’il arrive avec la plus grande énergie cinétique possible. Cette situation se produit lorsque l’énergie potentielle de position est minimale ; c’est-à-dire lorsque l’altitude du boulet est minimale. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Il faut donc que le filin soit pratiquement à la verticale lorsqu’il percute le mur pour que la démolition soit efficace. Un schéma peut illustrer la situation :

Énergie utile Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie cinétique Muscles

Énergie dissipée

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Énergie thermique

Grille d’évaluation en fin de module. Tâche complexe 23  Le boulet de démolition Question posée : Pour une plus grande efficacité, faut-il placer la grue près ou loin du mur à démolir ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quoi est constituée la grue de démolition ? 2. Comment définir l’efficacité de la grue ?

24  Bilan énergétique 1. Le reste de l’énergie électrique consommée par le sèche-cheveux est converti en énergie cinétique de l’air. 3 2. Énergie thermique :   × 1 000 = 750 kJ 4 Énergie cinétique de l’air = Énergie électrique – Énergie thermique = 1 000 – 750 = 250 kJ

Module 6

111

EX ER CI CE S 25  La pile Volta Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre la fabrication d’une pile Volta. papier imbibé

Énergie exploitée Énergie thermique souterraine

zinc

30  Lampe de poche sans pile 1.

2. Le mot « pile » est pris au sens de « empilement ». 3. Une pile neuve renferme de l’énergie chimique. 4. Cette énergie chimique est convertie en énergie électrique et en énergie thermique.

26  Énergie solaire 1. Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique. Les panneaux solaires thermiques convertissent l’énergie lumineuse en énergie thermique qui chauffe de l’eau. Énergie utile 2. Énergie exploitée

Panneaux solaires photovoltaïques

Énergie électrique

Énergie dissipée Énergie thermique

Énergie utile Énergie exploitée Énergie lumineuse

Panneaux solaires thermiques

Énergie thermique

Énergie dissipée Énergie thermique

27  Montagnes russes 1. En position 2 , de l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique. 2. En position 3 , de l’énergie cinétique est convertie en énergie potentielle de position. 3. En position 4 , l’énergie cinétique de la nacelle est nulle puisqu’elle est immobile. 28  Course à pied 1. Les muscles d’Eliud Kipchoge convertissent de l’énergie chimique en énergie mécanique. 2. Énergie utile

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie cinétique Muscles

Énergie dissipée Énergie thermique

112

Thème 3

Énergie thermique récupérée

Énergie dissipée Énergie thermique non utilisée

argent

Énergie lumineuse

Système d’exploitation

Énergie exploitée Énergie cinétique

Énergie utile Énergie électrique

Alternateur de la lampe de poche

Énergie dissipée Énergie thermique

2. Cette lampe de poche a l’avantage de ne pas avoir de pile qui va s’user. Elle est toujours opérationnelle (tant que la lampe fonctionne) puisqu’il suffit de l’agiter pour la recharger.

31  Décrire une expérience Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre l’expérience correspondant à cet exercice. 1. Deux lames métalliques plongent dans une solution colorée. Elles sont reliées à un moteur en formant un circuit fermé. Le moteur tourne. 2. Le moteur tourne, il reçoit donc de l’énergie électrique ; cette énergie est transférée au moteur par les fils électriques depuis le contenu du bécher. 3. De l’énergie chimique, de l’énergie électrique et de l’énergie cinétique sont mises en jeu dans cette expérience. 4. Conversions d’énergie de la pile chimique : Énergie utile Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie électrique Pile chimique

Énergie dissipée Énergie thermique

Conversions d’énergie du moteur électrique à hélice : Énergie utile Énergie exploitée Énergie électrique

Énergie cinétique Moteur électrique

Énergie dissipée Énergie thermique

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

1.

29  La géothermie 1. L’eau transporte l’énergie thermique. 2. Le sous-sol terrestre est constamment chaud ; cette énergie thermique peut être extraite sans limite de durée. Énergie utile 3.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

32  Solar energy kills Traduction : Un conseil municipal en Caroline du Nord a rejeté les projets de relocaliser des terrains en une ferme solaire après qu’un résident a exprimé la crainte qu’elle « absorberait toute l’énergie du Soleil » et un autre a dit qu’elle pourrait entraver la photosynthèse dans la région et empêcher les plantes de croître. Un autre a mentionné que personne ne pouvait lui affirmer que les panneaux solaires ne donnaient pas le cancer. La société représentant l’industrie des panneaux solaires a déclaré à la réunion que la seule lumière solaire utilisée serait celle arrivant directement sur les panneaux et qu’aucune lumière supplémentaire n’était nécessaire.

Énergie exploitée Énergie cinétique du vent

Énergie électrique Alternateur

Énergie dissipée Énergie thermique

4. Énergie cinétique = Énergie électrique + Énergie thermique.

1. Les panneaux solaires peuvent en effet masquer la lumière solaire aux plantes en dessous et empêcher localement la photosynthèse. 2. Les panneaux solaires utilisent de l’énergie lumineuse et produisent de l’énergie électrique (et de l’énergie thermique). 3. Les panneaux solaires ne font aucun bruit. Ils ne dégagent aucun produit de réaction. L’énergie solaire est gratuite et inépuisable.

35  Centrale thermique Remarque : Nous avons choisi dans cet exercice d’utiliser les puissances de 10 car le programme de mathématiques du cycle 4 indique que « les puissances de 10 d’exposant entier positif sont manipulées dès la 4e, en lien avec les problèmes scientifiques ou technologiques ». Il faut bien sûr vérifier que les élèves ont déjà vu les puissances de 10 en mathématiques avant de leur proposer cet exercice.

33  Centrale nucléaire 1.

Econsommée = 1,2 × 106 × 2,9 × 1010 = 3,48 × 1016 J Pour calculer le rendement, il faut exprimer les énergies dans la même unité, par exemple en kWh.

Énergie utile

Énergie exploitée Énergie nucléaire

Énergie électrique Centrale nucléaire

Énergie dissipée Énergie thermique

2. Énergie nucléaire reçue = 18 millions de méga­wattheures. Énergie électrique fournie (utile) = 6 millions de mégawattheures. Énergie thermique perdue (dissipée)  =  18  –  6  = 12 millions de mégawattheures.

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34  Fonctionnement d’une éolienne 1. Les formes d’énergies mises en jeu dans une éolienne sont l’énergie cinétique du vent, l’énergie électrique et l’énergie thermique dissipée. 2. L’alternateur convertit l’énergie cinétique du vent en énergie électrique et en énergie thermique. Énergie utile 3.

Convertissons 3,48 × 1016 J en kWh : 3,48 × 1016 = 9,7 × 109 kWh 3,6 × 106 Eutile = 2,4 × 109 kWh Rendement de la centrale : R = R=

Eutile × 100 Econsommée

2,4 × 109 × 100 = 24 % 9,7 × 109

Module 6

113

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

37  Utiliser le vocabulaire Force exercée par 1. Obélix sur Pépé.

Lorsqu’Obélix soulève Pépé, il lui transfère de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle de position. 2. Obélix utilise de l’énergie chimique (musculaire).

38  Pour aller plus loin 1. Si l’énergie fournie par le briquet est inférieure à l’énergie d’activation de la réaction, la réaction ne se produit pas. 2. Dans le diagramme, l’énergie des produits formés est inférieure à l’énergie des réactifs. L’écart entre ces valeurs est l’énergie récupérée lorsque la réaction se produit. 39  Analyser sa production 1. Des millions d’années : sources d’énergies renouvelables

200 ans : énergie fossile

50 ans : énergie nucléaire

2. La biomasse fournit de l’énergie chimique. L’eau, le vent, ou le travail des animaux fournissent de l’énergie cinétique. Les sources d’énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) fournissent de l’énergie chimique. L’énergie des atomes fournit de l’énergie nucléaire. 114

Thème 3

3. La mise à disposition d’une énergie abondante permet de développer l’industrie, les transports, la communication ; ce qui améliore le niveau de vie des êtres humains.

40  Analyser sa production 1. Dans l’analogie de Richard Feynman, ce sont des cubes qui représentent l’énergie. 2. Le transfert d’énergie d’un système à l’autre est illustré par l’échange de cubes entre les deux systèmes. Exemples issus du texte : S’il manque un cube, c’est qu’il a été jeté à l’extérieur. S’il y a des cubes supplémentaires, c’est qu’un ami en a apporté. 41  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Une « étoile » et une « étoile filante » émettent toutes les deux de la lumière. 2. a. Les différences du point de vue de leur composition : une étoile est une boule de gaz tandis qu’une étoile filante est un grain de poussière (solide). b. Les différences du point de vue de leur localisation dans l’univers : une étoile est hors du système solaire, une étoile filante est dans l’atmosphère terrestre. 3. L’énergie lumineuse émise par une étoile filante provient de son échauffement par frottement avec l’air de l’atmosphère de la Terre. 4. Une étoile filante n’est pas une étoile : elle n’a pas le même état physique, la lumière qu’elle émet n’est pas issue du même phénomène et sa localisation dans l’univers est différente de celle d’une étoile. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Une étoile filante est-elle une étoile ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une étoile ? 2. Qu’est-ce qu’une étoile filante ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une étoile est une boule de gaz dans laquelle il y a des collisions entre atomes d’hydrogène. Ces collisions libèrent de l’énergie. Cette énergie rend l’étoile très chaude, ce qui provoque l’émission de lumière (doc. 1). 2. Une étoile filante est un grain de poussière porté à haute température par la friction avec l’atmosphère. Cela rend cette poussière incandescente (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique On demande de déterminer si une étoile filante est une étoile ou si c’est autre chose.

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36  À chacun son rythme 1. Une ressource renouvelable est exploitable sans limite de durée à l’échelle humaine. 2. Pour croître, les végétaux ont besoin de dioxyde de carbone, d’eau, de sels minéraux et de lumière. Pour qu’ils se renouvellent, il faut que les sols soient cultivables, donc il faut éviter leur érosion. Il faut également penser à replanter des végétaux au fur et à mesure qu’ils sont abattus. 3. Le déforestation due à l’Homme entraîne l’érosion des sols qui empêche le renouvellement de la biomasse. L’Homme peut aussi abattre les végétaux et ne pas les replanter. 4. La biomasse peut être considérée comme une ressource renouvelable si son rythme de renouvellement est identique ou supérieur à son rythme de consommation.

p. 108 et 109 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

4e étape : Construire la réponse • Définir une étoile. • Définir une étoile filante. • Identifier leurs éventuels points communs et différences. • Conclure. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On cherche si une étoile filante est une étoile. • Mettre en forme la réponse. Une étoile filante n’a pas le même état physique qu’une étoile, la lumière qu’elle émet n’est pas issue du même phénomène que celle émise par une étoile et sa localisation dans l’Univers est différente de celle d’une étoile. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Une étoile filante n’est donc pas une étoile.

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Grille d’évaluation en fin de module.

Module 6

115

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 23 Le boulet de démolition 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.

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 et schéma : Les éléments qui constituent la grue sont identifiés. La grue est efficace si elle réussit à démolir le mur facilement.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Où positionner la grue pour que le boulet de nature scientifique. ait la plus grande énergie cinétique lorsqu’il percute le mur ? 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 : • Estimer la position du boulet lorsqu’il a son énergie cinétique la plus grande. • Établir un lien entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle. • Conclure en revenant sur la problématique.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour Passer d’une forme de langage scientifique répondre à la problématique. 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.

116

Thème 3

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 41 À chacun son rythme – Étoile filante 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 : Une étoile est une boule de gaz dans laquelle il y a des collisions entre atomes d’hydrogène. Ces collisions libèrent de l’énergie. Cette énergie rend l’étoile très chaude, ce qui provoque l’émission de lumière. Doc. 2 : Une étoile filante est un grain de poussière porté à haute température par la friction avec l’atmosphère. Cela rend cette poussière incandescente. Le vocabulaire scientifique approprié est utilisé pour reformuler.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions On demande de déterminer si une étoile de nature scientifique. filante est une étoile ou si c’est autre chose. 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 : • Définir une étoile. • Définir une étoile filante. • Identifier leurs éventuels points communs et différences. • Conclure en revenant sur la problématique.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour Passer d’une forme de langage scientifique répondre à la problématique. 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.

Module 6

117

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 : automobile, appareils portatifs, charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité. 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 3 = U × I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

Rappel du programme du cycle 3

118

Thème 3

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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 ou à vérifier une loi de l’électricité. Exploiter les lois de l’électricité. • Dipôles en série, dipôles en dérivation. • 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. 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. Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante. • Puissance électrique 3 = U × I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

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Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple.

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). • Loi d’unicité des tensions.

Module 7

119

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 et utiliser 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.

6, 7

Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine.

4

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Vu en 5e QCM Flash

p. 92 du manuel

120

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

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

AC TIV ITÉ

1 Comment mesurer la salinité de l’eau de mer ?

p. 111 du manuel

Matériel • Un générateur. • Un ampèremètre. • Un électrolyseur. • Des fils de connexion. • Un interrupteur. • Une balance. • Une coupelle de pesée. • Un agitateur de verre. • Une spatule. • Du sel de cuisine. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo, en accès libre, montre comment se forment les courants marins et comment est redistribuée la chaleur emmagasinée par les océans à la surface du globe. Compléments La circulation du courant électrique dans l’électrolyseur produit du dichlore. Il est donc important d’utiliser un interrupteur et de le fermer qu’au moment de la mesure. Le professeur pourra remplacer l’ampèremètre par une lampe en début d’expérience (courant électrique trop faible pour faire briller la lampe) puis en fin d’expérience (courant électrique permettant de faire briller une lampe). Un parallèle entre l’intensité du courant mesurée par l’ampèremètre et la luminosité de la lampe pourra être noté. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet une approche de la notion d’intensité du courant et de sa mesure à l’ampèremètre. Elle permet en outre de réinvestir des notions du module 1 sur les corps purs et les mélanges. 1 La connaissance de la salinité d’une eau de mer permet d’analyser les courants marins qui régulent la tempé-

rature de la Terre. 2 On réalise un circuit électrique comportant un générateur, un électrolyseur, un ampè-



+ –

remètre et un interrupteur dont le schéma est présenté ci-contre. On remplit la cuve avec de l’eau. On dissout progressivement un masse connue de sel dans l’eau. On mesure l’intensité du courant. 3 Exemple de résultats obtenus pour un volume d’eau de 250 mL :

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Masse de sel (en g)

A

Intensité du courant (en mA)

0

7

2

137

4

250

6

370

8

490

10

590

Eau salée

Module 7

121

4 Pour les résultats trouvés précédemment, l’évolution de l’intensité du courant en fonction de la masse de sel

dissout dans 250 mL d’eau est :

5 À l’aide d’un ampèremètre, on mesure l’intensité du courant qui circule dans un circuit comportant une cuve

d’eau salée. On en déduit alors la masse de sel dans 250 mL d’eau par lecture de la courbe. Pour connaître la salinité de l’eau de mer, c’est-à-dire connaître la masse de sel dissout dans un litre, il faut multiplier le résultat par 4 ou réaliser un tableau de proportionnalité.

Un pas vers le bilan

122

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

On mesure l’intensité d’un courant électrique en plaçant un ampèremètre branché en série dans le circuit.

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi ne faut-il pas utiliser trop d’appareils électriques en même temps ?

p. 112 du manuel

Matériel Démarche expérimentale A • Un générateur. • Un ampèremètre. • Deux ou trois lampes. • Des fils de connexion. Démarche expérimentale B • Un générateur. • Un ampèremètre. • Un fil conducteur surmonté d’un thermomètre à cristaux liquides. • Deux ou trois lampes. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Mesure de la température d’un fil de connexion (doc. 5) Une vidéo, en accès libre, présente le montage aux élèves. La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle montre l’évolution de la température dans un fil de connexion de la branche principale, lorsqu’on ajoute de plus en plus d’appareils en dérivation. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre la démarche expérimentale B de l’activité. Compléments Le fil de connexion surmonté d’un thermomètre à cristaux liquides que nous avons utilisé provient de la société Equascience. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En lien avec le module 6 sur l’énergie, cette activité permet d’aborder la loi d’additivité des intensités par le biais de la sécurité électrique et du risque de surintensité. L’activité couple étude documentaire et démarche expérimentale. Cette activité est proposée avec deux démarches. Le professeur pourra aborder l’une ou l’autre pour travailler la loi d’additivité des intensités. La classe pourra aussi être séparée en deux groupes faisant chacun une démarche, avant que chaque groupe ne fasse un compte rendu des expériences. Le professeur pourra, dans une approche spiralaire, faire chacune des démarches à des moments différents du cycle. Dans la démarche A, l’élève devra vérifier que l’intensité du courant augmente dans la branche principale à mesure qu’on ajoute des appareils en dérivation. Dans la démarche B, l’augmentation de la température dans un fil de connexion est mise en évidence à mesure que l’intensité du courant dans la branche principale augmente.

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Démarche expérimentale A 1 Un branchement électrique qui ne respecte pas les règles de sécurité peut provoquer une surchauffe et un

incendie. 2 Le disjoncteur coupe l’alimentation du circuit électrique d’une partie de l’installation lorsque l’intensité du courant

électrique dépasse la valeur indiquée sur celui-ci. Le disjoncteur doit être placé dans la branche principale du circuit électrique. 3 Hypothèses possibles que l’on peut attendre de la part des élèves :

• l’intensité du courant augmente ; • l’intensité du courant ne varie pas ; • l’intensité du courant diminue.

Module 7

123

4 On insère un ampèremètre dans la branche principale d’un circuit comportant des dipôles en dérivation.

On ajoute de plus en plus d’appareils dans les branches dérivées. On note l’évolution de l’intensité du courant.

A

+ –

I I1 I2

Observation : L’intensité du courant augmente dans la branche principale. 5 Exemple de mesures : I1 = 100 mA ; I2 = 350 mA ; I = 450 mA. Les intensités des courants sont bien en accord avec la loi du doc. 4 car I1 + I2 = I ; l’intensité du courant circulant dans les branches dérivées est égale à l’intensité du courant circulant dans la branche principale. 6 Lorsqu’on ajoute des appareils en dérivation, l’intensité du courant augmente dans la branche principale. S’il y

a surintensité, il peut y avoir surchauffe, ce qui peut provoquer un incendie (doc. 1).

Un pas vers le bilan La relation entre les intensités I1 et I2 des courants circulant dans les branches dérivées et l’intensité du courant I circulant dans la branche principale, s’écrit : I = I1 +  I2

A A1 A2

+ –

I I1 I2

Démarche expérimentale B a Le disjoncteur coupe l’alimentation du circuit électrique d’une partie de l’installation lorsque l’intensité du courant

électrique dépasse la valeur indiquée sur celui-ci. Le disjoncteur doit être placé dans la branche principale du circuit électrique. b Hypothèses possibles que l’on peut attendre des élèves :

• l’intensité du courant augmente ; • l’intensité du courant ne varie pas ; • l’intensité du courant diminue. c On insère un ampèremètre dans la branche principale d’un circuit comportant des dipôles en dérivation.

On ajoute de plus en plus d’appareils dans les branches dérivées. On note l’évolution de l’intensité du courant. d La température augmente lorsqu’on ajoute de plus en plus de dipôles en dérivation. e L’énergie électrique est convertie en énergie thermique. f Lorsqu’on ajoute des appareils en dérivation, l’intensité du courant augmente dans la branche principale, ce

qui a pour conséquence un échauffement des fils de connexion. Si cet échauffement est trop important, il y a risque d’incendie.

Un pas vers le bilan Une surintensité peut provoquer un incendie. Un disjoncteur permet de protéger les installations contre ce risque. 124

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Observation : L’intensité du courant augmente dans la branche principale.

AC TIV ITÉ

3 Les appareils électriques

consomment-ils du courant ?

p. 114 du manuel

Matériel • Un générateur. • Un conducteur ohmique. • Un ampèremètre. • Des fils de connexion. • Une DEL (pour le prolongement). Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la loi d’unicité de l’intensité sous la forme d’une démarche d’investigation. Nous sommes partis d’une phrase du langage courant parfois entendue : « Les appareils électriques consomment du courant. », la confusion se faisant avec la consommation énergétique. Dans cette démarche d’investigation, les élèves devront en premier lieu dégager de cette phrase une problématique concernant l’intensité du courant. Cette notion aura donc été abordée au préalable en classe. En prolongement, les élèves pourront vérifier la loi d’unité de l’intensité lorsque le circuit comporte plusieurs récepteurs électriques. Cette activité permet en outre de réinvestir les conversions d’énergie abordées dans le module 6. 1

Énergie exploitée

Énergie électrique

Convertisseur

Résistance chauffante

Énergie utile

Énergie thermique

2 L’intensité du courant est-elle la même avant et après un appareil ? 3 Hypothèses possibles :



• l’intensité du courant diminue ; • l’intensité du courant ne change pas. 4 On réalise un circuit comportant une lampe, un générateur

et un ampèremètre. On déplace l’ampèremètre pour mesurer l’intensité du courant avant et après le conducteur ohmique. Iavant = 6 mA ; Iaprès = 6 mA.



G

G

A

A

5 Les appareils électriques ne consomment pas du courant, car l’intensité du courant est la même avant et après

l’appareil.

Un pas vers le bilan

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Les résultats expérimentaux confirment que l’intensité du courant est la même en différents endroits d’un circuit série : ils sont en accord avec la loi d’unicité de l’intensité.

Prolongement 1.

G A

I1

A

I2

A

I3

Exemples de résultats obtenus : I1 = 20 mA ; I2 = 20 mA ; I3 = 20 mA.

2. L’intensité du courant est la même en trois points du circuit : les résultats sont en accord avec la loi d’unicité de l’intensité. Module 7

125

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi faut-il couper l’alimentation électrique avant de changer une lampe ?

p. 115 du manuel

Matériel • Un générateur. • Une lampe. • Un voltmètre. • Des fils de connexion. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet une première approche de la mesure de tension électrique dans un circuit. Elle permet en outre de faire la distinction entre tension électrique et intensité du courant, les élèves observant qu’une tension peut être présente aux bornes d’un dipôle sans qu’aucun courant ne circule. Elle pourra cependant être abordée avant la notion d’intensité du courant, seul le terme de « courant électrique », déjà connu des élèves en 4e, étant utilisé ici. Cette activité est en lien avec la sécurité électrique et le risque d’électrocution. 1 Le circuit réalisé a pour schéma :

G

2 et 3 Exemples de résultats :

Tension aux bornes du support de la lampe vissée

Tension aux bornes du support de la lampe dévissée

Tension aux bornes d’un fil de connexion

Générateur éteint

0V

0V

0V

Générateur allumé

6V

6V

0V

4 Lorsque la lampe est dévissée, le circuit est ouvert : le courant électrique ne circule pas. 5 Lorsqu’une lampe est dévissée, il y a toujours une tension électrique aux bornes du support si l’alimentation

n’est pas coupée. Il y a danger à partir d’une tension électrique de 50 V dans un lieu sec et de 25 V en lieu humide (doc. 3). Or la tension électrique d’une habitation est de 230 V (doc. 2). Il faut donc couper l’alimentation d’une lampe avant de la changer.

Un pas vers le bilan

126

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Lorsque la lampe est dévissée, le courant électrique ne circule pas dans le circuit alors ouvert. Or il y existe une tension électrique aux bornes du support de lampe. En généralisant ce résultat, un dipôle électrique peut posséder une tension à ses bornes sans qu’il soit parcouru par un courant électrique.

AC TIV ITÉ

5 Pourquoi la voiture d’un circuit

accélère-t-elle lorsqu’on appuie  sur la manette ?

p. 116 du manuel

Matériel • Un générateur. • Un conducteur ohmique réglable. • Un moteur électrique. • Un voltmètre. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Circuit de voiture (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, illustre un circuit automobile électrique. L’élève peut visionner cette vidéo chez lui. Elle n’est pas indispensable pour réaliser l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’introduire la loi d’additivité des tensions. Un objectif secondaire est d’aborder cette loi comme une loi « de partage » (pour un générateur de tension), contrairement à la loi d’additivité des intensités. En effet, la tension aux bornes du générateur restant constante, en augmentant la tension aux bornes du conducteur ohmique, l’élève pourra observer que la tension aux bornes du moteur électrique associé en série diminue. 1 Lorsqu’on agit sur le variateur, le moteur électrique tourne plus ou moins vite. 2 et 3 Exemples de résultats :

Uconducteur ohmique

Umoteur électrique

Ugénérateur

1er réglage du conducteur ohmique

1V

3,5 V

4,5 V

2nd réglage du conducteur ohmique

1,9 V

2,6 V

4,5 V

4 Lorsque la tension aux bornes du conducteur ohmique réglable augmente, la tension aux bornes du moteur

électrique diminue. La tension aux bornes du générateur ne varie pas. Pour le premier réglage : Uconducteur ohmique + Umoteur = 1 + 3,5 = 4,5 V Pour le second réglage : Uconducteur ohmique + Umoteur = 1,9 + 2,6 = 4,5 V On vérifie donc que Uconducteur ohmique + Umoteur  = Ugénérateur 5 Lorsqu’on appuie sur la manette, la tension aux bornes du conducteur ohmique diminue, la tension aux bornes

du moteur augmente alors, et la voiture accélère.

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Un pas vers le bilan La tension aux bornes d’un ensemble de dipôles associés en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun des dipôles.

Module 7

127

AC TIV ITÉ

6 Comment une voiture anti-gravité peut-elle rouler au plafond ?

p. 117 du manuel

Matériel • Une pile ou un générateur. • Deux moteurs électriques. • Deux interrupteurs. • Un voltmètre. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Voiture anti-gravité (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, illustre le fonctionnement du jouet présenté dans l’activité. L’élève peut visionner cette vidéo chez lui. Elle n’est pas indispensable pour réaliser l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la loi d’unicité des tensions. Elle permet en outre de réinvestir dans un autre contexte la notion d’action mécanique. 1 « Gravité » fait référence à l’attraction gravitationnelle de la Terre sur la voiture. 2 La voiture anti-gravité est en interaction avec l’air et la Terre.

Air

Terre

Voiture 3 Si le moteur qui crée l’aspiration ne fonctionne plus, la voiture tombe car elle est toujours soumise à son poids. 4 Le circuit électrique qui fonctionne sur le même principe que la voiture a pour schéma : + –

M M 5 On réalise les mesures à l’aide d’un voltmètre associé en dérivation aux bornes de chaque dipôle :

Ugénérateur = 4,5 V ;  Umoteur 1 = 4,5 V ;  Umoteur 2 = 4,5 V.

La loi d’unicité des tensions énonce que les tensions sont les mêmes aux bornes de dipôles associés en dérivation. Or, Ugénérateur = Umoteur 1 = Umoteur 2



Les résultats sont en accord avec la loi. de créer une aspiration pour que la voiture reste collée au plafond ; l’autre permet à la voiture d’avancer ou de reculer. Pour fonctionner normalement, chaque moteur doit être alimenté par la même tension électrique (doc. 1). En étant associés en dérivation, chaque moteur est soumis à la même tension qui est celle de la pile.

Un pas vers le bilan La tension est la même aux bornes de dipôles associés en dérivation, qu’un courant circule (interrupteur fermé) ou non (interrupteur ouvert) dans un dipôle. L’ajout d’un dipôle ne va donc pas modifier la tension aux bornes des autres dipôles, et donc leur fonctionnement.

128

Thème 3

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6 Une voiture anti-gravité est constituée de deux moteurs associés en dérivation : l’un des deux moteurs permet

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ L’intensité du courant électrique QCM 1  a. 2  c. 3  b.

p. 121 et 122 du manuel

11  Utiliser la loi d’additivité des intensités Les deux moteurs sont associés en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 = 120 + 200 = 320 mA L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 320 mA.

4  c. 5  a. et b.

La tension électrique

6  Distinguer une grandeur électrique L’intensité indiquée est de 4,74 ampères. 7  Utiliser une loi de l’intensité du courant Les trois DEL sont associées en série ; on peut donc appliquer la loi d’unicité de l’intensité. Lorsque la lampe fonctionne normalement, les DEL sont parcourues par une même intensité du courant de 20 mA. 8  Mesurer une intensité du courant L’ampèremètre se place en série dans un circuit électrique. L’intensité du courant, étant la même dans la boucle, la position de l’ampèremètre n’a pas d’importance.

QCM 12  b. 13  c. 14  a. 15  Mesurer une tension Le voltmètre se branche en dérivation aux bornes du conducteur ohmique. + –

+ –

V A 16  Distinguer tension et intensité du courant

9  Choisir l’emplacement d’un multimètre 1. On doit placer l’ampèremètre dans la branche principale, soit en position 1 . + –

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A

Le lien, proposé en accès libre, dirige vers une page Internet montrant comment les anguilles électriques chassent leurs proies. 1. La tension se mesure en volt. La plus grande tension de 600 V est produite par l’anguille électrique. 2. L’intensité du courant se mesure en ampère. La plus grande intensité du courant est de 30 A : elle provient d’une torpille.

17  Évaluer la tension aux bornes d’un dipôle Les lampes sont associées en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’unicité des tensions : la tension aux bornes de chacune des lampes est de 12 V. 2. L’intensité du courant dans la branche principale augmente lorsqu’on ajoute des dipôles en dérivation.

10  Prévoir le bon fonctionnement d’un dipôle La DEL et le conducteur ohmique sont associés en série ; on peut donc appliquer la loi d’unicité de l’intensité. L’intensité qui circule dans la DEL est donc de 25 mA : elle fonctionne normalement.

18  Calculer la tension aux bornes d’un dipôle 1. La tension aux bornes d’un interrupteur fermé est nulle. 2. Les dipôles sont associés en série ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des tensions : Ugénérateur = Ulampe + Uconducteur ohmique = 5 + 7 = 12 V La tension aux bornes du générateur est de 12 V. Module 7

129

EX ER CI CE S

Se perfectionner

20  Ruban à LED Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en présentant le montage d’un ruban à LED dans une habitation. 1. Les DEL sont associées en série ; on peut donc appliquer la loi d’unicité de l’intensité : l’intensité du courant est la même entre la première et la troisième DEL. 2. Les ensembles de trois DEL sont associés en dérivation. Ainsi, le schéma du montage est le suivant :

G

3. Les ensembles de trois DEL sont associés en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : moins il y a d’ensemble, plus l’intensité du courant qui circule dans la branche principale est faible. L’intensité du courant est donc moins élevée.

21  La lampe de bureau 1. La tension d’alimentation des trois DEL est de 12 V d’après le doc.1. 2. a. Si les DEL sont associées en série, on peut appliquer la loi d’additivité des tensions : U = UDEL 1 + UDEL 2 + UDEL 3 = 12 V Les DEL étant identiques, la tension aux bornes de chaque DEL est identique : UDEL = 12  = 4 V 3 b. Si les DEL sont associées en dérivation, on peut appliquer la loi d’unicité des tensions. La tension aux bornes de chaque DEL est donc la tension aux bornes du générateur, soit 12 V. 3. Les DEL fonctionnent correctement si la tension aux bornes de chacune est de 4 V. Les DEL sont donc associées en série. 22  Une horloge très éclairante Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en montrant le fonctionnement de l’horloge. 130

Thème 3

1.

G M

2. Les dipôles ne fonctionnent pas indépendamment ; ils sont associés en série. On peut donc appliquer la loi d’additivité des tensions : Ugénérateur = UDEL + Umoteur Soit Umoteur  =  Ugénérateur  −  Ulampe  =  5  −  2  = 3 V La tension aux bornes du moteur vaut 3 V. 3. Les dipôles sont associés en série ; on peut appliquer la loi d’unicité de l’intensité : l’intensité du courant qui circule dans le moteur est la même que l’intensité du courant qui circule dans la DEL. Elle vaut donc 25 mA.

23  Le plafonnier de voiture Lorsqu’une lampe ne fonctionne plus, l’autre fonctionne encore : les deux lampes sont donc associées en dérivation. On peut appliquer la loi d’unicité des tensions. La tension aux bornes de chaque lampe est donc égale à la tension aux bornes du générateur, soit 12 V. Il faut donc choisir la lampe qui porte cette indication. Tâche complexe 24  La guirlande de guinguette Question posée : Quel(s) fil(s) de connexion choisir pour alimenter la guirlande lumineuse du doc. 1 ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quoi est constituée la guirlande lumineuse ? 2. Pourquoi tous les fils ne peuvent-ils pas convenir ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La guirlande lumineuse est constituée de 50 lampes associées en dérivation (doc. 1). 2. Les fils de connexion n’ont pas tous la même section. Ils supportent une intensité du courant maximale qui dépend de leur section (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Quelle section minimale du fil de connexion alimentant la guirlande faut-il utiliser pour que l’intensité du courant ne dépasse pas l’intensité maximale supportée par ce fil ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer l’intensité du courant qui circule dans le fil de connexion relié aux 50 lampes lorsque celles-ci sont toutes en fonctionnement.

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19  Radiateur d’appoint 1. Les deux dipôles fonctionnent indépendamment ; ils sont donc associés en dérivation. 2. Les dipôles sont associés en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’unicité des tensions : la tension aux bornes de chacun des dipôles est de 230 V.

p. 123 à 126 du manuel

EX ER CI CE S

Se perfectionner

• Comparer cette intensité du courant aux intensités maximales indiquées dans le tableau et en déduire les fils de connexion qui peuvent convenir. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On dispose d’une guirlande constituée de 50 lampes qu’on veut brancher à un fil de connexion. L’intensité du courant dans les fils de connexion ne doit pas dépasser une valeur supportant une intensité. Quelle section minimale du fil de connexion alimentant la guirlande utiliser pour que l’intensité du courant ne dépasse pas l’intensité maximale supportée par ce fil ? • Mettre en forme la réponse. Les lampes fonctionnent indépendamment (doc. 1), donc elles sont associées en dérivation. On peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 + … I50 = 0,07 × 50 = 3,5 A. Le fil de connexion de section 0,5 mm2 ne supporte qu’une intensité du courant maximale de 3 ampères (doc. 2). On ne peut pas l’utiliser. On peut en revanche utiliser les fils de connexion de section supérieure. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. On peut brancher cette guirlande à un fil de connexion de section égale ou supérieure à 0,75 mm2. Grille d’évaluation en fin de module.

25  Lampes sur câbles tendus 1. Les spots fonctionnent indépendamment les uns des autres. Ils sont donc associés en dérivation.

G

26  Lampe frontale 1. Les DEL sont associées en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’unicité des tensions : UDEL 1 = UDEL 2 = 3,5 V La tension aux bornes de la 2nd DEL est de 3,5 V. 2. L’ensemble constitué par les deux DEL et le conducteur ohmique sont associés en série ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des tensions : Upile = Uconducteur ohmique + UDEL Soit Uconducteur ohmique = Upile– UDEL = 4,5 – 3,5 = 1 V La tension aux bornes du conducteur ohmique est de 1 V. 3. Sans le conducteur ohmique, la tension aux bornes des DEL serait égale à celle du générateur, soit 4,5 V. 4. Les DEL peuvent être détruites avec une tension supérieure à 3,5 V. Le conducteur ohmique associé en série permet de réduire la tension aux bornes des DEL et donc de les protéger.

27  Le disjoncteur 1. Les appareils d’une habitation sont associés en dérivation. Lorsqu’on ajoute des appareils, l’intensité du courant dans la branche principale augmente. Le disjoncteur étant placé dans la branche principale, l’intensité du courant augmente au niveau du disjoncteur. 2. Il y a conversion d’énergie électrique en énergie thermique par les fils électriques car ils s’échauffent. 3. Si les câbles s’échauffent trop, il y a risque d’incendie. Le disjoncteur permet d’ouvrir le circuit électrique si l’intensité du courant est trop élevée et ainsi de protéger l’installation. 28  Intensité du courant dans un luminaire 1. + –

Branche principale

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Branches dérivées

I1 I2

L1 L2 L3

2. Chaque spot doit recevoir une tension de 12 V pour fonctionner correctement. Les spots sont associés en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’unicité des tensions : la tension aux bornes de chaque spot est égale à la tension aux bornes du générateur, soit 12 V. 3. Les spots sont associés en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 + I3 + I4 + I5 = 0,3 × 5 = 1,5 A L’intensité du courant fourni par le générateur est de 1,5 A.

2. La troisième lampe est grillée ; l’intensité du courant est donc nulle. 3. Les lampes sont associées en dérivation ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 = 150 + 150 = 300 mA L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 300 mA. 4. Si on remplace la troisième lampe, un courant va circuler : l’intensité du courant dans la branche principale va augmenter. Module 7

131

EX ER CI CE S 31  Voltage’s law in series circuit

Une vidéo, en accès libre, illustre le fonctionnement du jouet présenté dans l’exercice. 1. Les deux moteurs fonctionnent de manière indépendante ; ils sont donc associés en dérivation. Le schéma représentant le circuit fonctionnant comme la voiture est donc le schéma 2 .

+

–

M

M

2. Les deux moteurs sont associés en dérivation. On peut donc appliquer la loi d’unicité des tensions : la tension aux bornes de chaque moteur est égale à la tension aux bornes de l’ensemble des piles. Il y a 6 piles de 1,5 V, donc U = 6 × 1,5 = 9 V U = UM1 = UM2 = 9 V La tension aux bornes de chaque moteur est égale à 9 V. 3. On doit associer la lampe en dérivation avec les moteurs. 4. On applique la loi d’unicité des tensions, donc la tension aux bornes de la lampe sera de 9 V. 5. Dans la pile, il y a conversion d’énergie chimique en énergie électrique (et énergie thermique). Dans les moteurs électriques, il y a conversion d’énergie électrique en énergie cinétique (et énergie thermique).

30  Risque électrique Il y a risque d’arrêt cardiaque à partir d’une intensité du courant d’environ 40 mA.

132

Thème 3

Traduction : La somme des tensions à travers chaque composant placé en série est égale à la tension délivrée par le générateur. Si deux composants identiques sont connectés en série, la tension d’alimentation se divise également entre eux. 1. La tension aux bornes d’un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun des dipôles. 2. Lorsque les deux lampes associées en série ont la même caractéristique, la tension aux bornes de l’ensemble est divisée par deux. 3. Les lampes sont associées en dérivation ; on applique la loi d’additivité des tensions : U1 = U2 + U3 U Les deux lampes étant identiques : U2 = U3 = 1 2 La tension aux bornes de chaque lampe est égale à 4,5 V.

32  Lampe de projecteur 1. Les dipôles sont associés en série ; on peut donc appliquer la loi d’additivité des tensions : Ugénérateur = Uconducteur ohmique + Ulampe Comme la tension du générateur ne varie pas, si la tension aux bornes du conducteur ohmique diminue, la tension aux bornes de la lampe augmente. 2. Lorsque la tension aux bornes d’une lampe varie, sa luminosité varie également. 33  Prise électrique Dans une installation domestique, les appareils sont associés en dérivation. La tension est donc la même aux bornes de tous les appareils. Or le doc. 1 indique que les intensités sont différentes dans chacun des appareils. On peut donc avoir des tensions identiques aux bornes des appareils pour lesquelles l’intensité du courant est totalement différente.

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29  Voiture anti-gravité

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 34  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Les dipôles fonctionnent indépendamment : ils sont donc associés en dérivation.

• Calculer l’intensité du courant qui circule dans la branche principale en utilisant les lois de l’électricité. • Comparer cette intensité du courant à l’intensité du courant maximale supportée par le générateur.

G

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le doc. 2 présente une modélisation du circuit électrique d’un chariot élévateur. Pour savoir si ce circuit de modélisation fonctionne, il faut vérifier que l’intensité du courant qui circule dans la branche principale ne dépasse pas 1 ampère. • Mettre en forme la réponse. Le circuit comporte un générateur, un moteur électrique et deux lampes. Les dipôles doivent fonctionner indépendamment, donc être associés en dérivation. Les dipôles étant associés en dérivation, on peut appliquer la loi d’unicité des tensions : UG = UM = UL1 = UL2 = 12 V La tension aux bornes des dipôles est la même que celle délivrée par le générateur, donc 12 V. Les dipôles nécessitent une tension de 12 V, ils fonctionnent donc correctement. On peut appliquer la loi d’additivité des intensités : IG = IM + IL1 + IL2 = 0,25 + 0,3 + 0,3 = 0,85 A L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 0,85 A. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le générateur ne peut pas fournir une intensité supérieure à 1 A. Or l’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 0,85 A. L’intensité du courant ne dépasse pas celle débitée par le générateur, donc le circuit de modélisation fonctionne.

M

2. Les dipôles étant associés en dérivation, on peut appliquer la loi d’unicité des tensions : UG = UM = UL1 = UL2 = 12 V La tension aux bornes des dipôles est la même que celle délivrée par le générateur, donc 12 V. Les dipôles nécessitent une tension de 12 V ; ils fonctionnent donc correctement. 3. On peut appliquer la loi d’additivité des intensités : IG = IM + IL1 + IL2  = 0,25 + 0,3 + 0,3 = 0,85 A L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 0,85 A. 4. Le générateur ne peut pas fournir une intensité supérieure à 1 A. Or l’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 0,85 A. L’intensité du courant ne dépasse pas celle débitée par le générateur, donc le circuit de modélisation fonctionne. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Le circuit de modélisation fonctionne-t-il ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quel est le circuit de modélisation ? 2. À quelle(s) condition(s) le circuit de modélisation fonctionne-t-il ?

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p. 127 à 129 du manuel

2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le circuit de modélisation est constitué d’un moteur et de deux lampes (doc. 2) qui doivent fonctionner indépendamment  : les dipôles sont donc associés en dérivation (doc. 1). 2. L’intensité du courant ne doit pas dépasser une intensité de 1 ampère (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique L’intensité du courant qui circule dans la branche principale du circuit de modélisation dépasse-t-elle 1 ampère ? 4e étape : Construire la réponse • Vérifier que les dipôles sont adaptés au générateur.

Grille d’évaluation en fin de module.

35  Interpréter une expérience 1. La déviation dépend du sens du courant électrique. Elle n’est pas la même car les fils de connexion sont orientés différemment. 2. La déviation dépend de l’intensité du courant. Le circuit étant en série, l’intensité du courant est la même en tout point, donc la déviation des boussoles est identique. 3. Le courant circulant dans le fil de connexion avant la lampe entraînerait une déviation de la boussole vers l’Est (comme la boussole 2). Le courant circulant dans le fil de connexion après la lampe entraînerait une déviation de la boussole vers l’Ouest (comme la boussole 1). L’intensité du courant étant la même avant et après la lampe, la boussole ne dévie pas. 4. Cette expérience montre que l’intensité du courant est la même en tout point d’un circuit en série. Module 7

133

EX ER CI CE S + –

36  Vocabulaire

+ –

1 2 D É R I

V A T O L

5 A M P È R E M È T R E

I I O N T 4 T E N S I O N N S I T É

37  Analyser sa production 1. Le circuit électrique modélisant le fonctionnement du portail est réalisé ci-dessous. La branche principale du circuit a été surlignée en rose. + –

M M

2. Les dipôles étant associés en dérivation, on peut appliquer la loi d’unicité des tensions : U = Umoteur 1 = Umoteur 2 = Ulampe = 12 V La tension aux bornes des dipôles est la même que celle délivrée par le générateur, donc 12 V. Les dipôles nécessitent une tension de 12 V, donc la tension aux bornes du générateur doit être de 12 V. 3. Les dipôles étant associés en dérivation, on applique la loi d’additivité des intensités : I = Imoteur 1 + Imoteur 2 + Ilampe = 4 + 4 + 2 = 10 A L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 10 A.

38  Rédiger un compte rendu d’expérience On mesure l’intensité du courant qui circule dans un conducteur ohmique relié à une pile. On ajoute une lampe puis un moteur, en dérivation avec le conducteur ohmique. On mesure après chaque ajout l’intensité du courant. On observe que l’intensité du courant augmente ­lorsqu’on ajoute des dipôles. L’intensité du courant augmente dans la branche principale à mesure que l’on ajoute des dipôles en dérivation. 39  Pour aller plus loin La lampe du quad nécessite une tension de 12 V. Le moteur électrique du quad nécessite une tension électrique de 24  V. D’après les données, les tensions électriques des piles associées en série s’additionnent. Le bon schéma est donc le schéma A . 134

Thème 3

M A

40  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L’intensité du courant maximale supportée par l’enrouleur de jardin est plus faible lorsqu’il est enroulé. 2. Les dipôles étant associés en dérivation, on peut appliquer la loi d’additivité des intensités : Ienrouleur = Ibrasero + Iéclairage = 1 + 4,3 = 5,3 A L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 5,3 A. 3. L’enrouleur de jardin supporte une intensité du courant de 14 A lorsqu’il est déroulé et de 5 A lorsqu’il est enroulé. Ici 5 A , I , 14 A On ne peut utiliser les deux appareils simultanément que si l’enrouleur de jardin est déroulé. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Peut-on utiliser simultanément le brasero et l’éclairage de chantier sur l’enrouleur de jardin ? Justifier.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment sont associés le brasero et l’éclairage ? 2. Quel(s) est (sont) le(s) paramètre(s) qui limite(nt) le fonctionnement simultané du brasero et de l’éclairage ? 3. Quelles sont les caractéristiques du brasero et de l’éclairage de chantier ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Les dipôles doivent fonctionner indépendamment ; ils sont donc associés en dérivation (doc. 1). 2. L’intensité du courant maximale supportée par l’enrouleur de jardin est différente si l’enrouleur est déroulé (doc. 1). 3. L’éclairage de chantier reçoit en fonctionnement un courant d’intensité 1 A (doc. 2) ; le brasero reçoit lorsqu’il fonctionne un courant d’intensité 4,3 A (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique L’intensité du courant circulant dans l’enrouleur de jardin est-elle inférieure à l’intensité maximale qu’il peut supporter ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer l’intensité du courant qui circule dans l’enrouleur lorsque le brasero et la lampe de chantier fonctionnent simultanément. • Comparer cette intensité du courant à l’intensité du courant maximale supportée par l’enrouleur lorsqu’il est enroulé ou déroulé.

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3

EX ER CI CE S 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On veut savoir si on peut brancher simultanément un brasero et une lampe de chantier sur un enrouleur de jardin. Pour cela, il faut donc déterminer si l’intensité du courant circulant dans l’enrouleur de jardin est inférieure à l’intensité maximale qu’il peut supporter.  • Mettre en forme la réponse. Les dipôles étant associés en dérivation, on peut appliquer la loi d’additivité des intensités : Ienrouleur = Ibrasero + Iéclairage = 1 + 4,3 = 5,3 A L’intensité du courant qui circule dans la branche principale est de 5,3 A. L’enrouleur de jardin supporte une intensité du courant de 14 A lorsqu’il est déroulé et de 5 A lorsqu’il est enroulé. 5 A , I , 14 A • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. On ne peut utiliser les deux appareils simultanément que si l’enrouleur de jardin est déroulé. L’utilisation simultanée des deux appareils avec l’enrouleur non déroulé risque de provoquer un échauffement de l’enrouleur qui peut provoquer un incendie.

Accompagnement personnalisé

41  À chacun son rythme 1. Les autos-tamponneuses fonctionnent indépendamment les unes des autres. Elles sont donc associées en dérivation.

G M

M

2. La tension est celle du générateur, soit 110 V. 3. Chaque voiture nécessite une tension de 110 V pour fonctionner correctement. 4. Les voitures sont associées en dérivation, donc on peut appliquer la loi d’unicité des tensions : la tension aux bornes des voitures est égale à la tension aux bornes du générateur. Elles fonctionnent donc sous leur tension nominale et peuvent fonctionner en même temps.

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Grille d’évaluation en fin de module.

Module 7

135

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 24 La guirlande de guinguette 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. 2 : Les fils de connexion n’ont pas tous la même section. Ils supportent une intensité du courant maximale qui dépend de la section. Doc. 1 : La guirlande lumineuse est constituée de 50 lampes associées en dérivations.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Déterminer quelle section minimale du Identifier des questions fil de connexion alimentant la guirlande de nature scientifique. utiliser pour que l’intensité du courant ne dépasse pas l’intensité maximale supportée par ce fil.

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 pour répondre à la problématique. Passer d’une forme de langage scientifique Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont à une autre. cohérentes. Exploitation 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

136

Thème 3

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’intensité du courant qui circule dans le fil de connexion relié aux 50 lampes lorsque celles-ci sont toutes en fonctionnement. • Comparer cette intensité du courant aux intensités maximales indiquées dans le tableau et en déduire les fils de connexion qui peuvent convenir. • 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 34 À chacun son rythme - Chariot élévateur 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 circuit de modélisation est constitué d’un moteur et de deux lampes qui fonctionnent indépendamment : les dipôles sont donc associés en dérivation. Doc. 2 : L’intensité du courant ne doit pas dépasser une intensité de 1 ampère.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer si l’intensité du courant de nature scientifique. qui circule dans la branche principale du circuit de modélisation dépasse 1 ampère. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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 : • Vérifier que les dipôles sont adaptés au générateur. • Calculer l’intensité du courant qui circule dans la branche principale en utilisant les lois de l’électricité. • Comparer cette intensité du courant à l’intensité du courant maximale supportée par le générateur. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour Passer d’une forme de langage scientifique répondre à la problématique. Les calculs sont justes et les unités sont à une autre. cohérentes.

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 7

137

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 40 À chacun son rythme - Enrouleur de jardin 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 : Les dipôles doivent fonctionner indépendamment ; ils sont donc associés en dérivation. Doc. 1 : L’intensité du courant maximale supportée par l’enrouleur de jardin est différente selon que l’enrouleur est déroulé ou enroulé. Doc. 2 : L’éclairage de chantier reçoit en fonctionnement un courant d’intensité 1 A. Doc. 3 : Le brasero reçoit un courant d’intensité 4,3 A lorsqu’il fonctionne.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Déterminer si l’intensité du courant de nature scientifique. circulant dans l’enrouleur de jardin est inférieure à l’intensité maximale qu’il peut supporter.

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 pour Passer d’une forme répondre à la problématique. de langage scientifique Les expressions littérales sont données, à une autre. les calculs sont justes et les unités sont cohérentes.

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.

138

Thème 3

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’intensité du courant qui circule dans l’enrouleur lorsque le brasero et la lampe de chantier ­fonctionnent simultanément. • Comparer cette intensité du courant à l’intensité du courant maximale supportée par l’enrouleur lorsqu’il est enroulé ou déroulé. • 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

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 Distinguer une source primaire (objet lumineux) d’un objet L’exploitation de la propagation rectiligne de la lumière dans le diffusant. vide et le modèle du rayon lumineux peut conduire à travailler sur les ombres, la réflexion et des mesures de distance. Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux. Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves aux 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 : sources, propagation, vitesse de propagation, (lumière visible, ondes radio, rayons X…) année-lumière. • Modèle du rayon lumineux. Signaux sonores Décrire les conditions de propagation d’un son. Les exemples abordés privilégient les phénomènes naturels Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation. et les dispositifs concrets : tonnerre, sonar... • Vitesse de propagation. • Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.

Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves aux risques auditifs.

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.

140

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.

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Connaissances et compétences associées

Progression curriculaire retenue dans les manuels Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…) 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. 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

Signal et information

Signal et information

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Comprendre que l’utilisation du son et de Comprendre que l’utilisation du son et de Comprendre que l’utilisation du son et de la lumière permet d’émettre, de trans- la lumière permet d’émettre, de trans- la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information. porter un signal donc une information. porter un signal donc une information.

Module 8

141

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. Caractériser un son audible par sa fréquence. Utiliser la vitesse de propagation d’un son ou d’un rayonnement lumineux pour calculer une distance.

3, 5 4 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 disponible dans le manuel numérique.

Vu en 5e QCM Flash

p. 130 du manuel

1  a.

2  c.

3  a.

4  a. et c.

5  b. et c.

6  b.

142

Thème 4

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7  a., b. et c.

AC TIV ITÉ

1 La lumière des étoiles nous parvient-elle instantanément ?

p. 133 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de travailler sur la vitesse de la lumière et l’unité de distance liée à la lumière : l’annéelumière. Elle permet de revenir de manière spiralaire sur les notions abordées dans le module 3 sur l’organisation de la matière dans l’Univers. Cette activité met à profit les puissances de 10 vues en mathématiques. 1 Dans le doc. 1 :



• La lumière qui nous parvient des étoiles les plus éloignées de la galaxie met 100 000 ans pour nous parvenir. Ces étoiles sont donc situées à 100 000 années-lumière. • Par un raisonnement analogue, les étoiles visibles les plus éloignées de l’Univers sont situées à 1011 annéeslumière de la Terre. 2 Dans la Voie Lactée, les étoiles les plus éloignées sont situées à :





d = 9,5 × 1012 × 100 000 = 9,5 × 1017 km On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir des années-lumière en kilomètre : Distance en al

Distance en km

1

9,5 × 1012

100 000

d

100 000 × 9,5 × 1012 = 9,5 × 1017 km 1 La distance qui nous sépare des étoiles les plus éloignées de la Voie lactée est de 9,5 × 1017 km. d=

3 La lumière des étoiles ne nous parvient pas instantanément car les distances sont grandes malgré la très

grande vitesse de la lumière.

Un pas vers le bilan Les distances entre les astres ont de très grandes valeurs. On utilise une unité de distance adaptée : l’année-lumière.

Prolongement La distance en année-lumière qui nous sépare de Proxima du Centaure vaut  :

4,2 × 1013 = 4,4 al 12 9,5 × 10 On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir des kilomètres en année-lumière :

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d=

Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

4,2 × 1013

d

1 × 4,2 × 1013 = 4,4 al 9,5 × 1012 Cela signifie que la lumière émise par Proxima du Centaure a mis environ 4  ans pour parvenir jusqu’à la Terre. d=

Module 8

143

AC TIV ITÉ

2 Comment détecter

une lumière invisible ?

p. 134 du manuel

Matériel • Un spectroscope. • Une télécommande. • Un smartphone muni d’une caméra sensible aux IR (faire un test préalable car la sensibilité varie suivant la marque ou le modèle). • Une solution de nitrate d’argent. • Une solution contenant des ions chlorure (de l’eau salée peut convenir). • Une lampe UV. • Des tubes à essais. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Mise en évidence du rayonnement infrarouge (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, présente une télécommande infrarouge. La totalité de la vidéo est accessible dans le manuel numérique du professeur. Elle présente la détection des rayonnements infrarouges émis par une télécommande à l’aide de la caméra vidéo d’un smartphone. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. • Mise en évidence du rayonnement ultraviolet (doc. 3) Une vidéo, en accès libre, présente l’expérience de l’effet des rayonnements ultraviolets sur le précipité de chlorure d’argent. 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. Compléments Le capteur du Iphone d’Apple© n’est pas sensible aux rayonnements infrarouges. On ne peut donc pas l’utiliser pour réaliser l’expérience. Le professeur pourra, s’il le souhaite, rajouter une approche historique avec l’expérience de Johann Wilhelm Ritter sur la découverte des rayonnements ultraviolets. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet à l’élève de comprendre qu’il existe des rayonnements de même type que la lumière visible, mais non observables à l’œil nu. Elle montre également qu’il existe des moyens pour les mettre en évidence. 1 À travers le spectroscope, on observe le

spectre de la lumière du Soleil. La lumière contient différentes couleurs. 2 La lumière infrarouge émise par la télécommande sert à communiquer une information.

La lumière UV du détecteur de fausse monnaie ou celle utilisée par la police scientifique servent à observer, à fournir une information. 3 Le capteur de la caméra d’un téléphone portable est sensible à la lumière infrarouge (doc. 3). Il est possible

d’observer le signal émis par la télécommande en regardant celui-ci à travers la caméra du téléphone portable. Pour mettre en évidence les rayons UV, on peut utiliser le précipité de chlorure d’argent. En le plaçant sous la lampe UV, il va noircir rapidement (doc. 3). Remarque : Il est pertinent de préparer un deuxième précipité de chlorure d’argent qui ne sera pas soumis à la lampe UV ; on pourra comparer le noircissement de ces deux précipités.



4 On détecte une lumière invisible directement en la mettant en évidence à l’aide d’un capteur sensible à cette

lumière, ou indirectement en utilisant une de ses propriétés.

Un pas vers le bilan La lumière ultraviolette et la lumière infrarouge constituent des rayonnements invisibles pour l’Homme. 144

Thème 4

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AC TIV ITÉ

3 Pourquoi voit-on un feu d’artifice avant de l’entendre ?

p. 135 du manuel

Matériel • Dispositif permettant de mesurer la durée de propagation d’un son entre deux récepteurs. Vidéos et animations en lien avec l’activité Matériau infrarouge (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, présente le matériel utilisé pour réaliser la mesure de la vitesse de propagation d’un son. 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. Compléments Le matériel utilisé (photographie dans le doc. 2) provient de la société Sciencéthic. D’autres dispositifs permettent également de réaliser la mesure de la durée, par exemple à l’aide du logiciel libre Audacity et de la carte son d’un ordinateur. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité d’investigation permet à l’élève de revenir sur la différence de vitesse de propagation entre la lumière et le son, notamment à l’aide d’une approche historique. Elle amène alors l’élève à réfléchir sur les avantages à transmettre une information à l’aide de la lumière plutôt qu’avec un son. 1 L’hypothèse que l’on peut faire est que la vitesse de propagation de la lumière est supérieure à la vitesse

de propagation du son car on voit l’explosion du feu d’artifice avant de l’entendre. 2 Protocole (correspondant au matériel photographié) :



• Mesurer la distance entre deux récepteurs sonores. • Produire un son devant un récepteur, sur l’axe joignant les deux récepteurs. • Mesurer la durée de propagation du son d’un récepteur jusqu’à l’autre récepteur.



Exemple de résultats : on mesure une durée de 0,002 9 s de propagation pour une distance séparant les deux microphones de 1 m. La vitesse de propagation du son dans l’air est donc :



d 1 v= = = 345 m/s t 0,002 9 Le son se propage à une vitesse de 345 m/s.

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3 Lors de l’expérience de 1738, la distance de propagation du son était de 14 636 toises, soit :



d = 14 636 × 1,95 = 28 540 m La vitesse de propagation mesurée est donc de :



d 28 540 v= = = 336 m/s t 85 La valeur trouvée est proche de celle déterminée dans la question 2. 4 La vitesse de la lumière est de 300 000 km/s. Elle est donc bien plus grande que la vitesse de propagation

du son dans l’air qui est d’environ 340 m/s. On perçoit donc la lumière avant d’entendre le son de l’explosion. Un pas vers le bilan La lumière permet de transporter une information plus rapidement (et sur une plus grande distance) qu’un son.

Module 8

145

AC TIV ITÉ

4 Comment une chanteuse peut-elle émettre des sons différents ?

p. 136 du manuel

Matériel • Un G.B.F. (générateur de basses fréquences). • Un haut-parleur avec des pinces crocodiles et des fils de connexion si nécessaire. • Un sonomètre ou un smartphone muni d’une application « Sonomètre ». • Un fréquencemètre ou un smartphone muni d’une application « Fréquencemètre ». Vidéos et animations en lien avec l’activité • Transmission d’un son (doc. 1) Une animation, en accès libre, montre les vibrations des particules des gaz constituants l’air lors de la propagation d’un son. • Matériel à disposition (doc. 4) Une vidéo, en accès libre, présente le matériel utilisé pour réaliser l’expérience consistant à faire varier la fréquence et le niveau sonore d’un son. 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. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder les caractéristiques d’un son : sa fréquence et son niveau sonore. Les vibrations à l’origine des sons ont été abordées précédemment. L’élève est amené ici à comprendre que deux grandeurs caractérisent un son et qu’elles sont indépendantes l’une de l’autre. Cette activité introduit également le lien entre le caractère aigu ou grave d’un son et sa fréquence. 1 Les particules transmettent le son en propageant une vibration de proche en proche. Après le passage de la

vibration, les particules reprennent leur position initiale. 2 Un son est caractérisé par sa fréquence et son niveau sonore. 3 a. Lorsque le son est de plus en plus aigu, la fréquence mesurée par le fréquencemètre est de plus en plus

importante. b. Lorsqu’on augmente le niveau sonore, exprimé en décibel, la fréquence du son ne varie pas.



4 D’après le doc. 3, le niveau sonore d’un son peut le rendre dangereux. 5 La chanteuse peut émettre des sons différents en modifiant la fréquence du son qu’elle émet (la note) et en

chantant plus ou moins fort ; elle modifie alors le niveau sonore.

Un pas vers le bilan

146

Thème 4

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Un son de basse fréquence est moins aigu qu’un son de haute fréquence.

AC TIV ITÉ

5 Comment un SMS est-il transmis ?

p. 137 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde les différents moyens de transmission d’une information et leurs évolutions au cours du temps. L’élève est amené à identifier les différents éléments d’une chaîne de transmission, notion déjà abordée en classe de cinquième. 1 La transmission de l’information par messager et par télégraphe est lente comparée à la transmission d’un

SMS. Cette lenteur s’explique notamment par l’intervention humaine (messager ou opérateur) pour transmettre le message. 2 Dans le cas du SMS, il n’y a pas de personne intervenant, autres que l’émetteur de l’information et le destinataire.

Le SMS est transmis principalement par des ondes radio. Sa vitesse de transmission est donc très grande. 3 Lors de l’envoi d’un SMS, la personne qui désire transmettre l’information est l’émetteur. Le signal est transmis

à l’aide d’ondes radio. Ce sont des ondes plus rapides que le son, et ne nécessitant pas d’intervenant extérieur. Les ondes radio se propagent dans l’air et parviennent jusqu’au destinataire du message : le récepteur.

Un pas vers le bilan

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – Livre du professeur

Les ondes lumineuses ou les ondes radio permettent de transmettre l’information très rapidement.

Module 8

147

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les signaux lumineux

Les signaux sonores

QCM

QCM

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

10  c.    11  c.    12  a. et c.    13  b.

6  Convertir une distance en kilomètre La distance séparant Bételgeuse de la Terre vaut : d = 9,5 × 1012 × 642 = 6,1 × 1015 km On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir cette distance. Distance en al

Distance en km

1 642

9,5 × 1012 d

642 × 9,5 × 1012 = 6,1 × 1015 km 1 Bételgeuse est distante de 6,1 × 1015 km de la Terre. d=

7  Utiliser l’année-lumière Il faut déterminer la distance qui sépare Hubble de la galaxie en année-lumière. 4,75 × 1021 d= = 500 000 000 années-lumière 9,5 × 1012 soit 5 × 108 années-lumière. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir cette distance :

d=

Distance en km

Distance en al

9,5 × 1012

1

4,75 × 1021

d

4,75 × 1021 × 1

= 5 × 108 années-lumière

9,5 × 1012 Cela signifie que la lumière a mis 5 × 108 années ou 500 millions d’années pour parvenir jusqu’au satellite Hubble.

8  Thermomètre infrarouge On peut affirmer que la lumière dont on parle n’est pas visible par l’œil humain car la mesure peut se faire dans le noir. 9  Connaître les rayonnements 1. Les rayonnements ultraviolets ne sont pas visibles par l’Homme. L’œil humain n’est donc pas capable de voir les rayonnements ultraviolets. 2. Un exposition prolongée aux rayonnements ultraviolets peut causer des cancers de la peau. Thème 4

14  Connaître la fréquence Les cordes vocales vibrent 880 fois par seconde. La fréquence du « la » aigu émis par la chanteuse soprano est donc de 880 Hz. 15  Exploiter la fréquence 1. Le diapason qui fournira le son de plus grande fréquence est le plus petit diapason puisqu’il vibre plus rapidement. Ce sont les diapasons 1, 2 ou 3 sur l’image : ils ont tous les trois la même longueur de branche. 2. Le diapason qui fournira le son le plus grave, donc de plus faible fréquence, sera le diapason le plus grand, soit le 8 sur l’image. 16  Attribuer une fréquence à une note La note « si » a une fréquence plus importante que la note « ré » car elle est plus aiguë. Le « si » est la note 2 de fréquence égale à 494 Hz ; le « ré » est la note 1 de fréquence égale à 294 Hz. 17  Calculer la vitesse de propagation du son 1. La vitesse de propagation du son à 30 °C vaut : d 2 800 = 350 m/s v= = t 8 À 30 °C, le son parcourt 350 mètres par seconde. 2. La vitesse de propagation est plus grande à 30 °C qu’à 20 °C ; elle augmente donc avec la température.

La transmission d’informations QCM 18  a. et b. 19  a. et c. 20  Identifier un moyen de transmission Les signaux utilisés par les Gaulois étaient sonores. 21  Justifier l’utilisation d’un moyen de transmission Une vidéo, en accès libre, présente le fonctionnement du télégraphe de Chappe. C’est une communication à l’aide de signaux visuels ; on communique donc plus rapidement car, sur 12 kilomètres, distance entre deux télégraphes, on ne peut pas transmettre directement un signal sonore.

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5  Définir une année-lumière Le personnage confond l’année-lumière avec une unité d’énergie. L’année-lumière est une unité de distance. Elle correspond à la distance parcourue par la lumière en un an.

148

p. 140 et 141 du manuel

EX ER CI CE S

Se perfectionner 22  Utilisation des rayonnements infrarouges 1. On peut obtenir la température de surface des objets que l’on regarde à l’aide du rayonnement infrarouge. 2. Les zones les plus froides sont la partie haute de la maison et son toit. 3. Ces couleurs sont fausses car elles ne correspondent pas à la réalité. Ici, la photo est prise dans le noir. 23  La sonnerie « des jeunes » Une vidéo, en accès libre, présente un test permettant de connaître « l’âge de ses oreilles ». 1. Le son émis par cette application n’est pas audible par les adultes car sa fréquence est trop élevée. En effet, les fréquences perçues diffèrent en fonction de l’âge. Plus une personne est âgée et moins elle perçoit les sons de grande fréquence. 2. Le son doit avoir une fréquence supérieure à 16 000 Hz. 3. Les sons correspondants sont aigus.

24  Mort d’une étoile 1. La distance entre la supernova et la Terre vaut : d = 9,5 × 1012 × 170 000 = 1,62 × 1018 km On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir cette distance : Distance en al

Distance en km

1 170 000

9,5 × 1012 d

170 000 × 9,5 × 1012 = 1,62 × 1018 km 1 La distance entre la supernova et la Terre est égale à 1,62 × 1018 km. 2. Il est plus simple d’utiliser l’année-lumière parce que la distance est trop grande pour être compréhensible lorsqu’elle est exprimée en kilomètre. 3. La lumière a mis 170 000 ans pour parvenir à la Terre. 4. L’étoile a explosé en : 2017 – 170 000 = –167 893. L’étoile a explosé environ 168 000 ans avant J.-C.

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d=

25  Vitesse de propagation du son dans l’eau 1. On ne tient pas compte de la durée mise par la lumière pour parvenir au second expérimentateur car elle est toute petite. En effet, la distance est ici de 13,5 km et la lumière parcourt 300 000 kilomètres en 1 seconde. La durée nécessaire pour que la lumière parcoure 13,5 km est donc très faible. 2. La vitesse de propagation du son dans l’eau vaut : d 13 500 = 1 484 m/s v= = t 9,1

p. 142 et 143 du manuel

26  Communication sur un porte-avion Une vidéo, en accès libre, présente le travail d’un officier de pont d’envol. 1. Les officiers de pont d’envol portent des casques anti-bruit car le niveau sonore peut s’avérer dangereux d’après le doc. 2. Le niveau sonore peut atteindre 150 dB à proximité de l’avion. 2. C’est un signal lumineux que reçoit le pilote. 3. La communication sonore n’est pas possible car le niveau sonore sur le pont d’envol est trop important.

27  Danger of radiation Traduction : Le rayonnement infrarouge n’est pas visible et peut affecter une personne sans qu’elle le sache. De nombreux objets, y compris les lampes, les étoiles et autres objets chauds, émettent ces rayonnements. Ils sont le plus couramment utilisés dans les téléphones mobiles, dans les télécommandes pour les téléviseurs. Les employés travaillant pour les entreprises impliquées dans la production de masse de lampes rayonnantes présentent un risque plus élevé dû à l’exposition. Ces rayons peuvent perturber les cellules du corps, pénétrer l’ADN et causer un cancer. Il est conseillé aux personnes vulnérables de porter un équipement de protection. 1. Les rayonnements dont parle le texte sont les rayonnements infrarouges. 2. On peut citer par exemple la télécommande de téléviseur, les caméras infrarouges. 3. Ces rayonnements présentent des dangers. Une exposition prolongée peut provoquer des cancers.

28  L’effet Larsen Une vidéo, en accès libre, présente l’effet Larsen. 1. Le rôle d’un microphone est de capter un signal sonore et de le convertir en signal électrique. 2. a. La membrane d’un haut-parleur convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique. b. La membrane d’un microphone convertit de l’énergie cinétique en énergie électrique. 3. Le signal est très désagréable car il est strident : il est aigu et a un fort niveau sonore.

29  Modification de la voix 1. La fréquence des sons pouvant être émis par un chanteur diminue lorsque la voix mue. 2. Justin Bieber ne peut plus produire des sons de grande fréquence, donc des sons aigus. Module 8

149

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : De combien Félix Baumgartner a-t-il dépassé la vitesse de propagation du son lors de son saut ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qui est Félix Baumgartner ? 2. Quelle vitesse maximale a-t-il atteinte ? 3. Quelle est la vitesse du son ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Félix Baumgartner est le premier homme à dépasser la vitesse du son dans l’air en chute libre. 2. D’après le doc. 1, la vitesse maximale qu’il a atteint est d’environ 375 m/s. 3. D’après le doc. 3, la vitesse de propagation du son dépend de l’altitude. 3e étape : Dégager la problématique Quelle est la vitesse du son pour l’altitude où Félix Baumgartner a atteint sa vitesse maximale  ? De combien alors a-t-il dépassé la vitesse du son ? 4e étape : Construire la réponse • Déterminer la vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner lors de son saut à l’aide du doc. 1. • Déterminer l’altitude correspondante à l’aide du doc. 2. • Déterminer la vitesse de propagation du son à l’altitude trouvée précédemment. • Calculer la valeur de la différence entre la vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner et la vitesse de propagation du son à l’altitude correspondante, pour déterminer de combien il a dépassé cette vitesse. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Félix Baumgartner a dépassé la vitesse du son en chute libre. De combien a-t-il dépassé cette vitesse ? • Mettre en forme la réponse. D’après le doc. 1, la vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner est de 375 m/s environ au bout de 50 s. À cet instant, il se trouve à environ 28 km d’altitude d’après le graphique du doc. 2. Pour une telle altitude, la vitesse du son dans l’air est de 291 m/s d’après le doc. 3. Il a dépassé la vitesse du son dans l’air de : 375 – 291 = 84 m/s • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Félix Baumgartner a dépassé la vitesse du son d’environ 84 m/s, soit 302 km/h lors de son saut. Grille d’évaluation en fin de module. 150

Thème 4

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner est de 375 m/s environ au bout de 50 s. 2. Au bout de 50 secondes, en regardant le graphique du doc. 2, il se trouve à 28 km d’altitude environ. 3. Pour une telle altitude, la vitesse du son dans l’air est d’environ 291 m/s. Il a dépassé la vitesse du son dans l’air de : 375 – 291 = 84 m/s Félix Baumgartner a dépassé la vitesse du son d’environ 84 m/s, soit 302 km/h lors de son saut. Remarque : La conversion de m/s en km/h est vue en milieu de cycle. Elle n’est pas exigible ici mais permet de se ramener à une unité pour laquelle les élèves ont des valeurs de référence.

31  Analyser sa production 1. L’unité de la fréquence d’un son est le hertz de symbole Hz. 2. a. Le son émis est trop grave. Sa fréquence est donc inférieure à celle du diapason. b. Le musicien doit rendre le son plus aigu. Pour cela, il doit tendre la corde à l’aide de la cheville d’après le doc. 2. Tâche complexe 32  Pour aller plus loin Question posée : Justifier l’astuce suivante. Pour connaître approximativement la distance en kilomètre à laquelle l’orage vient de se produire, il suffit de diviser par trois le temps exprimé en seconde qui s’écoule entre la vue de l’éclair et la perception du tonnerre.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Pourquoi voit-on la lumière de l’éclair avant d’entendre le tonnerre ? 2. La vision de la lumière en provenance de l’éclair est-elle instantanée ? 3. Quelle distance parcourt le son en une seconde ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La lumière a une vitesse de propagation supérieure à celle du son. Elle est de 300 000 km/s pour la lumière et de 340 m/s pour le son. 2. La vitesse de propagation de la lumière étant très grande, la durée nécessaire pour parvenir aux yeux de l’observateur sera très faible. On peut donc considérer que l’observateur perçoit instantanément la lumière. 3. Compte tenu de sa vitesse de propagation, le son parcourt 340 mètres en une seconde.

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30  À chacun son rythme

p. 144 et 145 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

3e étape : Dégager la problématique Quelle durée est nécessaire au son pour parcourir un kilomètre ? 4e étape : Construire la réponse • Justifier dans un premier temps que la vue de l’éclair est presque instantanée. • Calculer la durée nécessaire au son pour parcourir un kilomètre. • Conclure en justifiant l’astuce énoncée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Lorsqu’il y a de l’orage, on observe les éclairs avant d’entendre le tonnerre. Comment justifier l’astuce qui consiste à dire qu’en divisant par trois la durée entre la vue de l’éclair et la perception du tonnerre, on obtient la distance, en kilomètre, à laquelle la foudre est tombée ? • Mettre en forme la réponse. On considère que vitesse de propagation de la lumière est très grande. On voit l’éclair instantanément dans ces conditions. Connaissant la vitesse du son, qui est de 340 m/s, on peut en déduire la durée nécessaire au son pour parcourir un kilomètre, soit 1 000 m. On utilise pour cela un tableau de proportionnalité : Distance en m

Durée en s

340 1 000

1 t

1 000 × 1 ≈3s 340 On constate que le son parcourt 1 000 m, soit 1 km, toutes les trois secondes environ. Ainsi, en divisant la durée exprimée en seconde par trois, on retrouve la distance en kilomètre séparant l’orage de l’observateur. t=

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• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. En divisant par trois la durée entre la vue de l’éclair et la perception du tonnerre, on retrouve approximativement la distance, en kilomètre, à laquelle on se trouve de l’orage. Grille d’évaluation en fin de module.

33  Connaître le vocabulaire Voici quelques exemples d’appareils utilisant le suffixe -scope, avec, pour chacun d’eux, la nature de l’information : • oscilloscope : information lumineuse ; • périscope : information lumineuse ; • télescope : information lumineuse ; • microscope : information lumineuse ; • endoscope : information lumineuse.

34  À chacun son rythme Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : La vitesse de propagation d’un son dans l’air dépendelle de sa fréquence et de son niveau sonore ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment déterminer la vitesse de propagation du son ? 2. Qu’est-ce que la fréquence d’un son ? 3. Qu’est-ce que le niveau sonore d’un son ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Pour déterminer la vitesse de propagation v du son, il est nécessaire de connaître la distance d parcourue par le son durant une durée t. On applique ensuite la d relation v = où la vitesse de propagation s’exprime en t mètre par seconde (m/s), la distance parcourue en mètre (m) et la durée de propagation en seconde (s). Le son émis par le piano parcourt 1 m en 2,9 ms. Le son émis par le violoncelle parcourt 76 cm en 0,0022s (doc. 3). 2. La fréquence d’un son est le nombre de vibrations produites en une seconde par ce son. La fréquence s’exprime en hertz (Hz). Le piano joue la note « do » qui est un son de fréquence égale à 262 Hz. Le violoncelle joue la note « fa » qui est un son de fréquence égale à 349 Hz (doc. 1 et 3). 3. Plus un son est fort, plus son niveau sonore est important. Le niveau sonore s’exprime en décibel (dB). Le piano joue un son de niveau sonore compris entre 60 et 70 dB. Le violoncelle joue un son de niveau sonore compris entre 82 et 92 dB (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Comparer la vitesse de propagation du son dans le cas du piano et du violoncelle qui produisent des sons de niveaux sonores différents et de fréquences différentes. 4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse de propagation du son dans le cas du piano puis dans celui du violoncelle. • Comparer les niveaux sonores et la fréquence des notes jouées par les deux instruments. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le violoncelle et le piano fournissent des sons de fréquences différentes avec des niveaux sonores différents. Le piano fournit un son de fréquence égale à 262 Hz avec un niveau sonore compris entre 60 et 70 Hz (doc. 1 et 2). Quant au violoncelle, il produit un son de fréquence égale à 349 Hz avec un niveau sonore compris entre 82 et 92 dB (doc. 1 et 2). Comparons la vitesse de propagation du son dans le cas du piano et celui du violoncelle. Module 8

151

EX ER CI CE S • Mettre en forme la réponse. Calculons la vitesse de propagation du son émis par le piano et celle du son émis par le violoncelle. Dans le cas du piano, le son parcourt 1 m en 2,9 ms (doc. 3). La vitesse de propagation du son est donnée par : d v = avec v en m/s si d est en m et t en s t 1 Donc v = = 345 m/s 0,0029 Dans le cas du violoncelle, le son parcourt 76 cm en 0,002 2 s (doc. 3). La vitesse de propagation du son vaut : d 0,76 v= = = 345 m/s t 0,0022 Les niveaux sonores du piano et du violoncelle diffèrent, de même que les fréquences des notes jouées. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La vitesse de propagation du son dans l’air ne dépend ni de sa fréquence ni de son niveau sonore.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Dans le cas du piano, la vitesse de propagation du son est donnée par : d v = avec v en m/s si d est en m et t en s t 1 Donc v = = 345 m/s 0,0029 Dans le cas du violoncelle : 0,76 d v= = = 345 m/s t 0,002 2 2. Les niveaux sonores du piano et du violoncelle diffèrent, de même que les fréquences des notes jouées. Le piano fournit un son de fréquence égale à 262 Hz avec un niveau sonore compris entre 60 et 70  Hz. Quant au violoncelle, il produit un son de fréquence égale à 349 Hz avec un niveau sonore compris entre 82 et 92 dB. 3. La vitesse de propagation du son dans l’air ne dépend ni de sa fréquence ni de son niveau sonore.

152

Thème 4

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Grille d’évaluation en fin de module.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 30 À chacun son rythme – Le saut de Félix Baumgartner 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 : Texte : Félix Baumgartner est un sportif qui a accompli l’exploit d’être le premier homme à dépasser la vitesse du son dans l’air en chute libre. Doc. 1 : La vitesse maximale qu’il a atteinte est d’environ 375 m/s. Doc. 3 : La vitesse de propagation du son dépend de l’altitude.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle est la vitesse du son à l’altitude de nature scientifique. où Félix Baumgartner a atteint sa vitesse maximale ? En déduire alors de combien il a dépassé cette vitesse.

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 vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner lors de son saut à l’aide du doc. 1. • Déterminer l’altitude correspondante à l’aide du doc. 2. • À l’aide du doc. 3, déterminer la vitesse de propagation du son à l’altitude trouvée précédemment. • Calculer la différence entre la vitesse maximale atteinte par Félix Baumgartner et la vitesse de propagation du son à l’altitude correspondante. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme Les calculs sont justes et les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Lecture des graphiques. • Exploitation 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 8

153

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 32 Pour aller plus loin – La distance de l’orage 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 4

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 lumière a une vitesse de propagation supérieure à celle du son. Elle vaut 300 000 km/s pour la lumière et 340 m/s pour le son. • La vitesse de propagation de la lumière étant très grande, la durée nécessaire pour parvenir aux yeux de l’observateur sera très faible. On peut donc considérer que l’observateur perçoit instantanément la lumière. • Compte tenu de sa vitesse de propagation, le son parcourt 340 mètres en une seconde.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. Quelle durée est nécessaire au son pour parcourir un kilomètre ? 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 : • Justifier dans un premier temps que la vue de l’éclair est instantanée. • Calculer la durée nécessaire au son pour parcourir un kilomètre. • Conclure en justifiant l’astuce énoncée.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme Les calculs sont justes et les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Lecture du schéma. • Utilisation de la proportionnalité.

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.

154

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

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 4e – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 34 À chacun son rythme – Piano et violoncelle 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. 3 : Le son émis par le piano parcourt 1 m en 2,9 ms. Le son émis par le violoncelle parcourt 76 cm en 0,0022 s. Doc. 1 et 3 : Le piano joue la note « do » qui est un son de fréquence 262 Hz. Le violoncelle joue la note « fa » qui est un son de fréquence 349 Hz. Doc. 2 : Le piano joue un son de niveau sonore compris entre 60 et 70 dB. Le violoncelle joue un son de niveau sonore compris entre 82 et 92 dB.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. Comparer la vitesse de propagation du son dans le cas du piano et du violoncelle. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie 4e – 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 vitesse de propagation du son dans le cas du piano, puis dans celui du violoncelle. • Comparer les niveaux sonores et la fréquence des notes jouées par les deux instruments. • 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 et les unités sont cohérentes. à une autre. • Lecture des tableaux. 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 8

155