Physique-Chimie cycle 4 / 5e, 4e, 3e - Livre du professeur - éd. 2017 2017025364, 9782017025368

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Physique Chimie

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4



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Mise en pages et schémas : Soft Office Couverture : Nicolas Piroux Édition : Alexandre Bertin, Valérie Dumur et Nathalie Legros

2,700 kg éq. CO2

www.hachette-education.com © Hachette Livre 2017, 58 rue Jean Bleuzen, 92178 Vanves Cedex ISBN 978-2-01-702536-8

Tous droits de traduction, de reproduction et d’adaptation réservés pour tous pays.

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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 Cycle 4 – 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

MODULE

Organisation et transformations de la matière

1 La constitution de la matière

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle����������������������������������������������������������6 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 10 Exercices Prendre un bon départ����������������������������������������������������������������������� 38 Se perfectionner������������������������������������������������������������������������������������ 42 Se préparer pour le brevet�������������������������������������������������������������� 47 Accompagnement personnalisé��������������������������������������������������� 48 Grilles d’évaluation des tâches complexes����������������� 53 MODULE

2 Les transformations chimiques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle������������������������������������������������������ 62 Activités�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 Exercices Prendre un bon départ����������������������������������������������������������������������� 86 Se perfectionner������������������������������������������������������������������������������������ 90 Se préparer pour le brevet�������������������������������������������������������������� 99 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 100 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 105 MODULE

MODULE

Mouvement et interactions

4 Les mouvements

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 152 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 154 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 167 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 169 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 177 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 178 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 183 MODULE

5 Les interactions

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 192 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 195 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 217 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 221 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 231 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 232 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 238

 ’organisation de la matière 3 L dans l’Univers

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 116 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 118 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 133 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 135 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 141 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 142 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 147

4

THÈME 2

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THÈME 1

Sommaire

THÈME 3

MODULE

L’énergie et ses conversions

6 L’énergie

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 246 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 248 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 266 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 269 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 276 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 277 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 282 MODULE

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��������������������������������������������������� 342 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 345 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 359 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 362 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 366 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 367 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 373

7 Les circuits électriques

Programme, progression et évaluation des attendus de fin de cycle��������������������������������������������������� 288 Activités����������������������������������������������������������������������������������������������������� 291 Exercices Prendre un bon départ�������������������������������������������������������������������� 313 Se perfectionner��������������������������������������������������������������������������������� 316 Se préparer pour le brevet����������������������������������������������������������� 324 Accompagnement personnalisé������������������������������������������������ 325 Grilles d’évaluation des tâches complexes�������������� 331

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THÈME 4

DNB

Réviser pour le brevet

Sujet 1 L’acidification des océans������������������������������������ 382 Sujet 2 Sécurité routière������������������������������������������������������������� 384 Sujet 3 La formule 1 et la formule E����������������������������� 386 Sujet 4 Vénus, une planète sèche������������������������������������� 390 Sujet 5 Mission vers Mars���������������������������������������������������������� 392 Sujet 6 Production et distribution de l’énergie électrique���������������������������������������������� 396 Sujet 7 Le drone������������������������������������������������������������������������������������� 398 Sujet 8 Rosetta, une mission assistée������������������������� 400 Sujet 9 Tri des déchets������������������������������������������������������������������ 402 Sujet 10 Voyager, une mission sans limite���������������� 404 5 sujets supplémentaires���������������������������������������������������� 406 Corrigés�������������������������������������������������������������������������������������������� 412

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

Connaissances et compétences associées

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

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

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Identifier à partir de ressources documentaires les différents Observation qualitative d’effets à distance (aimants, électricité statique). constituants d’un mélange. Richesse et diversité des usages possibles de la matière : se Mettre en œuvre un protocole de séparation de constituants déplacer, se nourrir, construire, se vêtir, faire une œuvre d’art. d’un mélange. • Réaliser des mélanges peut provoquer des transformations Le domaine du tri et du recyclage des matériaux est un support de la matière (dissolution, réaction). d’activité à privilégier. • La matière qui nous entoure (à l’état solide, liquide ou gazeux), résultat d’un mélange de différents constituants. 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 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.

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.

Compléments pédagogiques

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Thème 1

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

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

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 3 3, 9 5, 6, 7 7 8, 9 13, 14 4, 11, 18, 19 11, 12 15 4, 18, 19 17, 20, 21

Les états de la matière à l’échelle microscopique.

10

Les changements d’état et la température.

10

La masse volumique.

16, 17

La solubilité.

20, 21

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

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AC TIV ITÉ

 1 Comment préparer une semoule au chocolat ?

p. 17 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité peut être faite en activité diagnostique, car elle ne réinvestit que des notions de cycle 3. Cette activité n’est pas expérimentale mais il est bien sûr possible de présenter du matériel aux élèves : balance – verre doseur. 1 L’étape 1 du doc. 2 évoque la fusion du chocolat et l’étape 2, une ébullition. Dans le doc. 3, il s’agit aussi d’une

ébullition. 2 Le sucre se dissout dans l’eau. 3 Lors de la dissolution, il y a conservation de la masse : 515 + 12 = 527 g.



On obtient 527 grammes de lait sucré. 4 Pour chaque ingrédient solide, on doit :



• poser le récipient vide sur la balance ; • appuyer sur le bouton TARE pour ne pas tenir compte de la masse du récipient ; • verser la quantité désirée de solide en vérifiant la masse sur la balance. 5 Pour mesurer le volume de lait, on doit :



• prendre un verre doseur ; • verser le lait dans le verre doseur jusqu’à la graduation correspondant au volume désiré.

Un pas vers le bilan

10

Thème 1

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

La matière peut être à l’état solide, liquide ou gazeux.

AC TIV ITÉ

 2 Pourquoi utiliser un liquide et non

un gaz dans les systèmes de freinage ?

p. 18 du manuel

Matériel • Deux seringues reliées par un tuyau souple. • De l’eau. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité, à partir du principe de freinage d’un véhicule, permet de comprendre la compressibilité des gaz et la non compressibilité des liquides. Remarque : Sur la photographie du manuel, l’eau a été colorée pour une meilleure visibilité. 1 Lorsqu’on appuie sur une pédale de frein, le liquide de frein est poussé jusqu’aux plaquettes. Les plaquettes



appuient alors sur le disque relié à la roue. S’il y a du gaz à la place du liquide, il devient impossible de freiner, car le gaz est compressible. 2 Lors d’une compression, le gaz peut se comprimer pour occuper moins de volume alors que c’est impossible

pour le liquide. 3 Exemple de protocole :



• Remplir à moitié chaque seringue avec de l’eau. • Relier les deux seringues par un tuyau contenant aussi de l’eau. • Le poussoir d’une des deux seringues modélise la pédale de frein. Appuyer sur le poussoir de cette seringue. Le poussoir de la deuxième seringue modélise la plaquette de frein.



Observation : Lorsqu’on appuie sur la seringue, on observe que le poussoir de la deuxième seringue se déplace. 4 En remplaçant le liquide par de l’air dans les seringues, et en procédant à la même manipulation que précé-

demment, on observe que le poussoir de la deuxième seringue ne se déplace pas (ou peu). La présence d’air dans le circuit rend donc le système de freinage inopérant. 5 Il est nécessaire, dans les systèmes de freinage, d’utiliser un liquide et non un gaz, car un gaz, étant compres-

sible, ne peut transmettre totalement la poussée effectuée par la pédale aux plaquettes de frein.

Un pas vers le bilan

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

Un liquide n’est pas compressible, alors qu’un gaz est compressible.

Module 1

11

AC TIV ITÉ

3 Comment produire de l’eau douce ? p. 19 du manuel

Matériel • Une petite bassine d’une vingtaine de centimètres de diamètre. • Un pot de yaourt ou un petit bécher. • Du film plastique transparent pour envelopper les aliments. • Un petit galet. • Des tubes à essais et leur support. • Deux petites pipettes en plastique. • Un litre d’eau de mer (eau salée à 30 g/L de chlorure de sodium). • Un flacon de nitrate d’argent. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre 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. L’expérience a duré environ une journée. On recueille suffisamment d’eau douce pour que plusieurs groupes d’élèves puissent réaliser les tests. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet aux élèves de prendre conscience du problème de l’eau potable, à laquelle certaines populations n’ont pas accès. 1 L’eau de mer contient principalement de l’eau, mais aussi des ions chlorure et des ions sodium. 2 Avantage : Le dessalement de l’eau de mer permet de produire de l’eau douce.



Inconvénient : Après dessalement, l’eau de mer restante est très salée ; on parle de saumure. Cette saumure est rejetée dans les océans et cela perturbe la faune et la flore. 3 Une vidéo montre la fabrication du dispositif de dessalement. Il faut entre 24 heures et 48 heures pour obtenir

suffisamment d’eau douce. 4 Le nitrate d’argent permet de mettre en évidence la présence d’ions chlorure. Si, lorsqu’on introduit du nitrate

d’argent dans l’eau, la solution reste incolore, alors la solution ne contient plus d’ion chlorure (ni d’ion sodium) : c’est de l’eau douce. Si l’eau est salée, il y aura apparition d’un précipité blanc qui noircit à la lumière. Observation : Avec l’eau obtenue, le nitrate d’argent ne forme pas de précipité. Conclusion : L’eau obtenue n’est pas salée.



5 Le dessalement de l’eau de mer permet de produire de l’eau douce. Sous l’action du Soleil, seule l’eau s’évapore.

Un pas vers le bilan L’eau de mer est un mélange contenant des espèces chimiques dissoutes, notamment des ions chlorure et des ions sodium. Il est possible par évaporation de séparer les constituants d’un mélange pour obtenir de l’eau qui est un corps pur.

12

Thème 1

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

Il reste au fond du récipient une saumure très salée.

AC TIV ITÉ

4 Comment une pollution peut-elle faire

disparaître la faune et la flore d’un lac ?

p. 20 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.

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

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.

Module 1

13

AC TIV ITÉ

5 Pourquoi les parfums se dispersent-ils dans l’air ?

p. 21 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une animation présente, d’un point de vue microscopique, la dispersion d’un gaz dans l’air aux élèves. Une vidéo en accès libre 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. Une animation dans le manuel numérique du professeur présente les modélisations microscopiques des trois états de la matière. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité met en évidence la dispersion des gaz et présente une modélisation microscopique des gaz et des liquides. 1 Le doc. 1 décrit des particules indéformables, toutes identiques pour un corps pur, mais différentes d’un corps

pur à un autre. 2 Un gaz est compressible, car ses particules sont espacées les unes des autres. Donc, si un liquide est incom-

pressible, les particules qui le composent ne sont pas espacées les unes des autres. Le schéma suivant peut être proposé :



3 Le schéma ci-dessous illustre la modélisation d’un solide.



Un solide possède une forme propre, on peut faire l’hypothèse que c’est un solide, car les particules qui le constituent sont liées entre elles. 4 Les parfums se dispersent dans l’air, car ils sont sous forme gazeuse. De ce fait, les particules de parfum sont

animées de mouvements et se déplacent dans toutes les directions.

Un pas vers le bilan

Solide

Liquide

Gaz

Représentation microscopique

Caractéristiques

14

Thème 1

• A une forme propre. • Ne se disperse par dans l’air.

• N’a pas de forme propre. • N’a pas de forme propre. • Ne se disperse pas dans l’air. • Se disperse dans l’air.

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On peut résumer les caractéristiques d’un solide, d’un liquide et d’un gaz par le tableau suivant.

AC TIV ITÉ

6 Pourquoi un soufflé gonfle-t-il à la cuisson ?

p. 22 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Le soufflé, plat spectaculaire, permet à l’élève de comprendre les différences entre l’état gazeux et l’état liquide par leur interprétation moléculaire. 1 L’eau liquide change d’état lors de la cuisson. Elle passe à l’état gazeux. Elle est alors appelée vapeur d’eau. 2 Les trois états physiques de l’eau sont représentés par les trois schémas suivants.

Solide

Liquide

Gaz

3 Lorsque l’eau est à l’état liquide, les particules qui la composent sont très proches les unes des autres. Mais

lorsque l’eau passe à l’état de gaz, les particules s’espacent et se déplacent les unes par rapport aux autres. Elles occupent donc un plus grand volume. Comme elles sont piégées à l’intérieur de la pâte, cela entraîne le gonflement de la pâte du soufflé. 4 Dès la sortie du four, le soufflé refroidit. S’il refroidit trop, l’eau passe de l’état gazeux à l’état liquide. Les parti-

cules qui constituent l’eau se rapprochent les unes des autres. Le volume qu’elles occupent diminue et la pâte du soufflé s’affaisse.

Un pas vers le bilan

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

Un tableau, par exemple, peut résumer les différences entre l’état liquide et l’état gazeux. Liquide

Gaz

• Les particules sont proches les unes des autres. • Les particules peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres.

• Les particules sont éloignées les unes des autres. • Les particules se déplacent dans tout l’espace possible.

Module 1

15

AC TIV ITÉ

7 Pourquoi doit-on maintenir une piscine à l’abri du gel ?

p. 23 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une animation présente la modélisation de l’eau à l’état liquide et à l’état solide. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Deux démarches sont proposées autour de cette activité : • Une démarche expérimentale qui permet d’atteindre le bilan à partir de la réalisation d’un protocole expérimental. • Une démarche de modélisation qui permet d’atteindre le bilan à partir de réflexions sur le modèle microscopique.

Démarche expérimentale Matériel • Eau. • Balance. • Éprouvette graduée de 250 mL par exemple. • Congélateur. Compléments en lien avec l’activité Pour la démarche expérimentale, si l’on ne dispose pas de congélateur, il est possible de réaliser un mélange réfrigérant. • Piler des glaçons dans un linge avec un marteau. • Dans un récipient assez haut, mettre une couche de glace pilée. Puis mettre une couche de sel de cuisine, une couche de glace pilée, une couche de sel de cuisine puis terminer par une couche de glace pilée. • Remplir à moitié volume, l’éprouvette graduée. • Enfoncer rapidement l’éprouvette à moitié remplie d’eau dans le mélange réfrigérant. Il peut être plus simple de placer l’éprouvette remplie d’eau en premier dans le récipient et ensuite de réaliser le mélange réfrigérant autour d’elle. 1 Le texte affirme que, lorsque l’eau se solidifie, sa masse et son volume augmentent. 2 Exemple de protocole expérimental



• Introduire un volume d’eau dans l’éprouvette graduée en évitant de la remplir entièrement. Par exemple, introduire 100 mL d’eau dans une éprouvette de 250 mL. • Mesurer la masse de l’éprouvette et de l’eau. • Placer l’éprouvette au congélateur et attendre que l’eau se solidifie. • Une fois l’eau solidifiée, mesurer le volume d’eau et la masse de l’éprouvette et de l’eau.



Exemples de résultats Masse initiale : 238 g Volume initial : 152 mL



Masse finale: 238 g Volume final : 168 mL

On observe que le volume de l’eau a augmenté dans l’éprouvette et que la masse est la même. 3 La première partie de la phrase en italique est correcte : en effet, quand l’eau gèle, son volume augmente : elle

prend plus de place. Par contre, la deuxième partie de la phrase est fausse, l’eau ne pèse pas plus lourd, sa masse reste la même.



4 Il faut maintenir une piscine à l’abri du gel, car, si le volume de l’eau augmente, les parois du bassin peuvent se

déformer et s’abîmer.

16

Thème 1

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



Démarche de modélisation a À l’état liquide, les particules d’eau sont proches les unes des autres.



À l’état solide, les particules sont proches les unes des autres et sont rangées. b Il y a le même nombre de particules d’eau à l’état liquide et à l’état solide, donc la masse reste la même lors



d’un changement d’état. Le volume est modifié lors d’un changement d’état. Le volume d’une masse d’eau à l’état solide est plus important que le volume de la même masse d’eau à l’état liquide. c La première partie de la phrase en italique est correcte : en effet quand l’eau gèle son volume augmente : elle

prend plus de place. Par contre la deuxième partie de la phrase est fausse, l’eau ne pèse pas plus lourd, sa masse reste la même. d Il faut maintenir une piscine à l’abri du gel, car si le volume de l’eau augmente, les parois du bassin peuvent se

déformer et s’abîmer.

Un pas vers le bilan

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

Lors d’un changement d’état d’un corps, son volume est modifié ; par contre, sa masse n’est pas modifiée.

Module 1

17

AC TIV ITÉ

8 Pourquoi utiliser un bain-marie

ou de la glace fondante en cuisine ?

p. 24 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Deux démarches expérimentales sont proposées autour de cette activité. • Une démarche expérimentale A qui amène les élèves à proposer un protocole autour de l’ébullition. Remarque : Nous verrons au module 6 qu’augmenter la puissance du chauffage permet seulement d’atteindre l’ébullition plus rapidement. • Une démarche expérimentale B au cours de laquelle les élèves mettront en œuvre un protocole autour de la fusion et de la solidification.

Démarche expérimentale A Matériel • Dispositif de chauffage. • Bécher en pyrex. • Thermomètre. • Eau.

1 Exemple de protocole :



• Introduire de l’eau dans un bécher (environ jusqu’à la moitié du bécher). • Placer un thermomètre dans le bécher. • Placer le bécher sur un appareil de chauffage et démarrer le chauffage à puissance moyenne. • Observer la température de l’eau pendant le chauffage et plus particulièrement lorsque l’eau est en ébullition. • Augmenter alors la puissance du chauffage



2 La température de l’eau reste constante à 100 °C lors de l’ébullition. 3 La puissance du chauffage ne modifie pas la température d’ébullition de l’eau. 4 Le bain-marie permet de chauffer une préparation culinaire à une température constante.

Démarche expérimentale B

Compléments en lien avec l’activité Pour la démarche B, si l’on ne dispose pas de congélateur, il est possible de réaliser un mélange réfrigérant. • Piler des glaçons dans un linge avec un marteau. • Dans un récipient assez haut, mettre une couche de glace pilée, puis mettre une couche de sel de cuisine, une couche de glace pilée, une couche de sel de cuisine puis terminer par une couche de glace pilée. • Remplir d’eau le bécher à moitié volume environ. • Enfoncer rapidement le tube à essais dans le mélange réfrigérant. Il peut être plus simple de placer le bécher en premier dans le récipient et ensuite de réaliser le mélange réfrigérant autour de lui. Si l’on dispose d’un congélateur, on peut préparer un mélange réfrigérant constitué, par exemple, d’une solution d’eau salée à 23 %. Ce mélange reste liquide jusqu’à –23 °C. Il est alors possible de réaliser la solidification de l’eau en classe. On peut profiter du thermomètre pris dans le glaçon après la solidification de l’eau pour étudier la fusion de ce même glaçon. 18

Thème 1

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Matériel • Bécher de 150 mL par exemple. • Tube à essais. • Thermomètre. • Eau.

a Après quelques minutes, on mesure une température très proche de 0 °C. Cette température reste constante. b Exemple de protocole :



• Verser de l’eau du robinet dans un tube à essais et mesurer sa température. • Placer le tube à essais dans un congélateur ou dans un mélange réfrigérant. • Mesurer la température de l’eau régulièrement, et notamment lorsque la solidification commence. c et d Exemples de résultats expérimentaux

Solidification de l’eau Température (en °C)

20

Liquide

15 10 5 0 –5

Solidification 50

100

150

200

250

300

Solide Temps (en s)

e Un mélange d’eau liquide et de glaçons permet de maintenir une température constante très proche de 0 °C.

Un pas vers le bilan

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

Lors d’un changement d’état, la température de l’eau reste constante.

Module 1

19

AC TIV ITÉ

9 Pourquoi saler les routes en hiver ? p. 25 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo en accès libre présente une saleuse en action. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Deux démarches sont proposées autour de cette activité. • Une démarche documentaire qui amène l’élève à analyser les représentations graphiques des doc. 1 et 2. • Une démarche expérimentale au cours de laquelle l’élève doit proposer puis mettre en œuvre un protocole afin de retrouver les représentations graphiques des doc. 1 et 2.

Démarche documentaire 1 Le doc. 1 présente la fusion de l’eau. La température de l’eau solide augmente régulièrement de –10 °C environ

jusqu’à 0 °C, puis la température reste constante (0 °C) pendant le changement d’état de solide à liquide (fusion). Ensuite, la température augmente de nouveau lorsque toute l’eau est liquide. Le doc. 2 présente la fusion de l’eau salée. La température de l’eau salée solide augmente régulièrement de –8 °C environ jusqu’à –6 °C, puis la température augmente moins rapidement jusqu’à –3 °C. Le changement d’état de solide à liquide (fusion) se fait entre –6 °C et –3 °C. Ensuite, la température augmente de nouveau à partir de –3 °C lorsque toute l’eau salée est liquide. 2 La température de fusion de l’eau est 0 °C.



La température de fusion de l’eau salée n’est pas constante. Elle est comprise entre –6 °C et –3 °C. 3 Le doc. 3 montre que la température de fusion de l’eau salée dépend de la quantité de sel dissous. Plus la

quantité de sel dissous est grande, plus la température de fin de fusion de l’eau salée est basse. 4 Saler les routes permet de diminuer la température de fusion de l’eau sur la route. L’eau ainsi salée restera

liquide et ne sera pas à l’état solide. Cela évite la formation de verglas.

Un pas vers le bilan

20

Thème 1

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

L’eau est un corps pur. Sa température de fusion est constante. L’eau salée n’est pas un corps pur. C’est un mélange. Sa température de fusion n’est pas constante. En conclusion, si lors de la fusion d’un corps, sa température reste constante, alors c’est un corps pur ; sinon c’est un mélange.

Démarche expérimentale Matériel • Bécher de 150 mL par exemple. • Thermomètre. • Tube à essais. • Eau. • Eau salée à 50 g/L de chlorure de sodium. • Congélateur. Compléments en lien avec l’activité Pour la démarche expérimentale, si l’on ne dispose pas de congélateur, il est possible de réaliser un mélange réfrigérant. • Piler des glaçons dans un linge avec un marteau. • Dans un récipient assez haut, mettre une couche de glace pilée, puis mettre une couche de sel de cuisine, une couche de glace pilée, une couche de sel de cuisine puis terminer par une couche de glace pilée. • Remplir d’eau le bécher à moitié volume environ. • Enfoncer rapidement le tube à essai dans le mélange réfrigérant. Il peut être plus simple de placer le bécher en premier dans le récipient et ensuite de réaliser le mélange réfrigérant autour de lui. Si l’on dispose d’un congélateur, on peut préparer un mélange réfrigérant constitué d’une solution d’eau salée à 23 %. Ce mélange reste liquide jusqu’à –23 °C. Il est alors possible de réaliser la solidification de l’eau ou de l’eau salée en classe, le thermomètre étant plongé dans celles-ci, puis d’étudier leur fusion.

a Exemple de protocole :



• Introduire de l’eau dans un tube à essais. • Disposer un thermomètre dans le tube à essais. • Placer le tube à essais dans un congélateur ou dans un mélange réfrigérant. • Lorsque l’eau du tube à essais s’est solidifiée, retirer ce dernier du congélateur ou du mélange réfrigérant. • Laisser le tube à essais à température ambiante et mesurer la température de l’eau toutes les 30 secondes par exemple. • Procéder ensuite de même avec l’eau salée. b Exemple de résultats :



• Fusion de l’eau à 0 °C. • Fusion de l’eau salée entre –6 °C et –3 °C. c Saler les routes permet de diminuer la température de fusion de l’eau sur la route. L’eau ainsi salée restera

liquide et ne sera pas à l’état solide. Cela évite la formation de verglas.

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

Un pas vers le bilan L’eau est un corps pur. Sa température de fusion est constante. L’eau salée n’est pas un corps pur. Sa température de fusion n’est pas constante. En conclusion, si lors de la fusion d’un corps, sa température reste constante, alors c’est un corps pur sinon c’est un mélange.

Module 1

21

AC TIV ITÉ

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

p. 26 du manuel

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

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

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

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



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

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

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

22

Thème 1

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4 Expérience proposée :



AC TIV ITÉ

11 L’air que nous respirons est-il pur ? p. 27 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

23

AC TIV ITÉ

12 Comment retrouver expérimentalement la composition de l’air ?

p. 28 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. 24

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

25

AC TIV ITÉ

13 Pourquoi une noix de coco flotte-t-elle ?

p. 29 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Il n’est pas obligatoire d’avoir exactement les fruits ou légumes cités dans le manuel, mais ils doivent être choisis bien sûr de telle manière à ce que certains coulent et d’autres flottent. La partie prévision est très importante. Il faut que certains soient petits et coulent (grain de raisin ou de poivre par exemple) et que d’autres soient plus gros et flottent (pamplemousse par exemple), car c’est souvent une source de confusion. Compléments en lien avec l’activité Certaines pâtes à modeler, par exemple la marque Patarev, ont une masse volumique inférieure à celle de l’eau. Donc, quelle que soit sa forme, elle flottera. Il faut donc effectuer un test avant de proposer la pâte à modeler aux élèves.

1 Remarque : le tableau à compléter est disponible sur le manuel numérique. 2 Réaliser l’expérience et compléter la colonne Observation.

Fruit ou légume

Flotte ou coule Prévision

Observation

Noix

Flotte

Pamplemousse

Flotte

Carotte

Coule

Grain de raisin

Coule

Banane

Flotte

Poivron

Flotte

Lentille

Coule

Kiwi

Coule

Pomme de terre

Coule

Grain de poivre

Coule

Explication proposée

3 Les hypothèses peuvent être de plusieurs ordres :



• objet lourd et volume faible, donc coule ; • objet lourd et volume important, donc flotte. 4 La boule de pâte à modeler doit être en forme de bateau. Son volume doit être important.

La masse d’un objet ne suffit pas pour prévoir s’il va flotter ou couler. Le volume de l’objet est à prendre en compte également. Un objet lourd de grand volume peut flotter, alors qu’un objet léger de petit volume peut couler.

26

Thème 1

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Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

14 Un client peut-il déposer un sac de terreau sur un tapis de caisse ?

p. 30 du manuel

Matériel • Éprouvette graduée de grand diamètre ou verre doseur. • Balance. • Terreau. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité amène l’élève à formuler scientifiquement puis à résoudre un problème de la vie courante. Le résultat peut dépendre de la manière dont l’élève tassera le terreau dans l’éprouvette. Des résultats différents doivent amener les élèves à s’interroger sur la manière correcte de remplir l’éprouvette. Compléments en lien avec l’activité • Il est possible d’utiliser de la pouzzolane (roche volcanique) concassée à la place du terreau. Il faut seulement veiller à ce que la granulométrie de la pouzzolane ne soit pas trop importante. On trouve dans le commerce des sacs de 20 L dont les grains ont des diamètres compris entre 2 mm et 8 mm par exemple. • La proportionnalité entre la masse et le volume peut être illustrée à l’aide d’un tableau de proportionnalité. Les tableaux de proportionnalité ont été vus au cycle 3 en mathématiques. Extrait du B.O. du 26 novembre 2015 : « Reconnaître et résoudre des problèmes relevant de la proportionnalité en utilisant une procédure adaptée. Utiliser des exemples de tableaux de proportionnalité. »

1 La masse d’un sac de 10 L de terreau est-elle inférieure à 8 kg ? 2 Hypothèse de l’élève par exemple : On ne peut pas déposer le sac de terreau car 10 L de terreau ont sûrement

une masse supérieure à 8 kg. 3 Exemple de protocole :

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Les balances de laboratoire ne permettent pas de mesurer des masses de 8 kg. Il va falloir mesurer des masses beaucoup plus faibles. Il faut une balance et une éprouvette graduée ou un verre doseur. • Mesurer la masse de l’éprouvette graduée ou du verre doseur. • Introduire 0,5 L de terreau dans l’éprouvette graduée ou le verre doseur. Éviter de le tasser. • Mesurer la masse de l’ensemble, éprouvette ou verre doseur et terreau. • Calculer la masse du terreau.



Un tableau de proportionnalité peut aider l’élève à répondre à la question.



Exemple de mesure avec un terreau du commerce :



Volume du terreau

0,5 L

1L

10 L

Masse du terreau

228 g

456

4560

10 L de terreau pèsent environ 4,5 kg. 4 Comme la masse de 10 L de terreau est inférieure à 8 kg, le sac peut être placé sur le tapis.

Un pas vers le bilan Le volume d’un matériau et sa masse sont proportionnels. Il est donc possible, à l’aide d’un tableau de proportionnalité, de connaître la masse d’un matériau connaissant son volume.

Module 1

27

AC TIV ITÉ

15 Pourquoi préfère-t-on les panneaux

en peuplier pour les décors de théâtre ?

p. 31 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.

28

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

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

p. 32 du manuel

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



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

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



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

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

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

Module 1

29

AC TIV ITÉ

17 Pourquoi est-il possible de flotter

très facilement dans la mer Morte ?

p. 33 du manuel

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



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

ration de la solution. Repère sur le densimètre

1

2

3

4

5

Masse de sel ajouté (g)

0

10

30

50

70

200

204

210

213

216

Volume de la solution (mL)

30

Thème 1

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

1 Exemple de réalisation :

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



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



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

50

m

Volume (mL)

213

160



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



Remarque : e =





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

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



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

Un pas vers le bilan

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

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

Module 1

31

AC TIV ITÉ

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

p. 34 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

32

Thème 1

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

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

AC TIV ITÉ

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

p. 35 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 ?

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



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.

Module 1

33

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

34

Thème 1

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

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.

AC TIV ITÉ

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

p. 36 du manuel

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



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



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

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



313,88 g

315,56 g

316,13 g

316,07 g

316,05 g

La masse augmente : le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau. En revanche, la masse n’augmente pas indéfiniment. 4 À partir d’une certaine masse de gaz dissous, la masse n’augmente plus, donc le dioxyde de carbone ne se

dissout plus dans l’eau. On ne peut donc pas fabriquer une boisson aussi pétillante qu’on veut.

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

Module 1

35

AC TIV ITÉ

21 Comment fonctionne un absorbeur d’humidité ?

p. 37 du manuel

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

Démarche expérimentale A 1 Expérience proposée :

36



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



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

Thème 1

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

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



Observation du 2e tube : Un précipité blanc se forme. Interprétation : Des ions chlorure sont présents dans l’eau de récupération du bac. 2 Dans le déshumidificateur, l’eau provient de l’air humide de la pièce où le déshumidificateur a été placé. Cette

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

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

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

Démarche expérimentale B a Protocole expérimental :



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



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



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



b Calcul de la solubilité :



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

s=

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

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

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

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

Module 1

37

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les états de la matière QCM

Les corps purs et les mélanges QCM

1  c.

2  a. et b.

3  a.

4  c.

13  a. et c. 15 

Distinguer un corps pur d’un mélange

6 

Caractériser un état physique • A une forme propre. Solide • • Occupe tout l’espace qui lui est Liquide • proposé Gazeux • • A un volume propre mais pas de forme propre

7 

Décrire l’état gazeux Les gaz sont compressibles. Ils occupent tout le volume possible. Cette propriété permet au gaz compressé dans la bouteille d’hélium de gonfler les 30 ballons. 8  Identifier un état physique 1. Ligne 1 : c’est l’état solide, car le corps dans le 1er récipient ne prend pas la forme du récipient. Ligne 2 : c’est l’état liquide, car le corps a une surface libre plane et horizontale. 2. Ligne 1 à gauche : c’est l’état solide, car le corps dans le 1er récipient ne prend pas la forme du récipient. Pour les trois autres : état solide ou liquide, car on ne peut pas savoir si le corps a une forme propre ou non. 9 

Caractériser l’état gazeux L’air, comme les autres gaz, n’a pas de volume propre, mais occupe tout l’espace offert : il est compressible. Lorsqu’on court, les chocs sont amortis par les coussins d’air dont le volume diminue. Lorsque le pied est à nouveau en l’air, le volume des coussins revient à son volume initial. 10 

Connaître les propriétés des états physiques Le liquide n’a pas de forme propre, alors que le solide a une forme propre. C’est pour cela que le glaçon (solide) ne se déforme pas alors que la forme de l’eau liquide, lorsqu’on la verse, est différente de celle qu’elle avait dans le pichet. 11 

Utiliser des propriétés des états physiques Lorsqu’on prépare des glaçons, on verse de l’eau liquide dans les moules. L’eau liquide prend la forme du moule. En effet, elle n’a pas de forme propre. Lors de la solidification, l’eau change d’état et devient solide. Elle a une forme propre qui est celle du moule utilisé. 12 

Caractériser l’état liquide L’huile dans le tuyau est liquide. Or un liquide n’a pas de forme propre. Il est donc possible à l’huile de se déplacer dans les tuyaux. 38

Thème 1

14  a.

5  c. Corps pur

Mélanges

Eau

Océan

Fer

Soda

Sucre

Mayonnaise

16 

Caractériser un corps pur Cette eau minérale n’est pas pure, car elle contient de l’eau, mais aussi des éléments minéraux : c’est un mélange. La pureté de l’eau doit être comprise sur l’affiche dans le sens d’eau « non polluée ». 17 

Caractériser un mélange On distingue les différents constituants de la vinaigrette sur la photographie. L’huile et le vinaigre ne sont donc pas miscibles. 18 

Décrire un mélange L’appellation « bi-phase » signifie qu’il y a deux liquides distincts qui ne se mélangent pas. C’est pourquoi il faut agiter le flacon avant chaque utilisation, car les deux liquides ne sont pas miscibles.

Les états de la matière à l’échelle microscopique QCM 19  c.

20  a. et b.

21 

Identifier un modèle a  : gaz, car les particules sont espacées. b  : solide, car les particules semblent fixes entre elles et le corps possède une forme propre. c  : liquide ou solide, car les particules sont proches les unes des autres. 22  A

Décrire un modèle Liquide ; B Gaz ; C Solide.

23 

Exploiter un modèle Le schéma modélisant la situation après plusieurs minutes est le schéma n°3, car, dans un gaz, les particules se déplacent dans tout l’espace possible.

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p. 41 à 48 du manuel

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

La composition de l’air

24 

Utiliser un modèle À gauche l’état physique peut être solide ou liquide, car les particules sont proches les unes des autres. À droite, l’état physique est gazeux, car les particules occupent tout l’espace possible.

Les changements d’état, la masse et le volume QCM 25  a.

Prévoir le résultat d’une expérience Lors d’un changement d’état, la masse est conservée. Le liquide reste dans le bécher, donc la balance indique toujours 125 grammes. 28  Interpréter le résultat d’une expérience La masse de l’éprouvette et de l’eau à l’état liquide est égale à 90 grammes. La masse de l’éprouvette et de l’eau à l’état solide est égale à 90  grammes également. Le volume de l’eau à l’état liquide est inférieur au volume de l’eau à l’état solide. En conclusion, lors du passage de l’état liquide à l’état solide de l’eau, la masse est conservée ; par contre, le volume n’est pas conservé.

Les changements d’état et la température QCM 30  b.

31  c.

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32 

Prévoir l’évolution d’une température La première expérience correspond à l’étude de la solidification de l’eau salée. Ce n’est pas un corps pur, donc sa température lors du changement d’état ne reste pas constante. La deuxième expérience correspond à l’étude de la solidification de l’eau pure, donc sa température lors du changement d’état reste constante et égale à 0 °C. 33 



34  a. et b.

35  a.

36  a.

37  a.

38  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.

26  c.

27 

29  a.

QCM

Interpréter une courbe de changement d’état La température d’un changement d’état d’un corps pur est constante. Cela se traduit par un palier horizontal sur la représentation graphique de l’évolution de la température en fonction du temps. Seule la courbe rouge présente un palier horizontal. Elle correspond au changement d’état d’un corps pur. La courbe bleue, qui ne présente pas de palier, correspond au changement d’état d’un mélange.

39 

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 QCM 40  a.

41  a.

42  a.

43  c.

44  b.

45  c.

46  b.

47 

Établir un lien entre la masse et le volume Le verre permet de mesurer des volumes. Si ce verre contient 85 g de sucre, alors il faut prélever deux verres de sucre pour obtenir 2 × 85 = 170 g de sucre. De même, si ce verre contient 50 g de farine, alors il faut prélever trois verres de farine pour obtenir 3 × 50 = 150 g de farine. Et si ce verre contient 50 g de sel de cuisine, alors il faut prélever dix verres de sel de cuisine pour obtenir 10 × 50 = 500 g de sel de cuisine. 48 

Utiliser un lien entre la masse et le volume 1 m3 de pin a une masse supérieure à 1 m3 de platane. La masse et le volume sont deux grandeurs proportionnelles, donc la masse de 3 m3 de pin sera supérieure à la masse de 3 m3 de platane. Remarque : il est possible de répondre numériquement à cet exercice à l’aide d’un tableau de proportionnalité. Essence de bois

Masse en kg de 1 m3

Masse en kg de 3 m3

Platane

650

3 × 650 = 1950

Pin

740

3 × 740 = 2220

La masse de 3 m3 de pin est supérieure à la masse de 3 m3 de platane. Module 1

39

EX ER CI CE S 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 50 

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. 51  Calculer une masse volumique V = 250 mL. On calcule la masse volumique ρsang du sang, connaissant le volume V et la masse m de sang. ρsang = m  avec ρ en g/mL si m est en g et V en mL. V Donc ρsang = 265 = 1,06 g/mL. 250 La masse volumique du sang est de 1,06 g/mL. 52  Comparer des volumes La masse volumique du fer est supérieure à la masse volumique de l’aluminium, donc une masse de fer occupe un volume plus petit qu’une même masse d’aluminium. 53 

Calculer une masse On calcule la masse m de sable, connaissant le volume V du sable et sa masse volumique ρsable : ρsable = m  avec ρsable en kg/L si m est en kg et V en L. V Donc m = ρsable = 1,6 × 100 = 160 kg. On ne peut pas remplir la brouette à ras bord sans risquer de la détériorer car la masse maximale qu’elle peut supporter est 120 kg. 54 

Calculer une masse • Calcul du volume de la table : V = L × ¯ × eV = 2 × 0,8 × 0,015 = 0,024 m3. • Calcul de la masse m de la table, connaissant sa masse volumique ρmarbre et son volume V : ρmarbre = m  avec ρmarbre en kg/m3 si m est en kg et V V en m3. Donc m = ρmarbre × V. La table pèse 67,2 kg.

m = 2 800 × 0,024 = 67,2 kg.

55  Calculer un volume • Calcul du volume V du mercure, connaissant sa masse m et sa masse volumique ρmercure : ρmercure = m  avec ρmercure en kg/L si m est en kg et V V en L. 40

Thème 1

m = 1 = 0,074 L. ρmercure 13,5 • Conversion 0,074 L = 74 mL. Un kilogramme de mercure occupe un volume de 74 mL. Cela correspond environ au tiers de la capacité d’un verre à moutarde. Donc V =

56 

Calculer un volume Conversion : 1 000 g = 1 kg. Calcul du volume V d’un lingot d’or, connaissant sa masse m et sa masse volumique ρor : ρor = m  avec ρor en kg/L si m est en kg et V en L. V Donc V = m = 1 = 0,052 L. ρor 19,3 Un kilogramme d’or occupe un volume de 52 mL. Cela correspond environ au quart de la capacité d’un verre à moutarde. 57  Comparer des masses volumiques Calcul de la masse volumique de la peinture glycéro, connaissant sa masse m et son volume V : Conversion : 500 mL = 0,500 L. ρglycéro = m avec ρglycéro en g/L si m est en g et V en L. V Donc ρglycéro = 720 = 1 440 g/L. 0,500 La masse volumique de l’eau étant de 1 000 g/L, la masse volumique de la peinture glycéro est supérieure à la masse volumique de l’eau, donc la peinture glycéro va couler.

La solubilité QCM 58  a. et b.

59  a.

60  a.

61  b.

62  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. 63  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. 64 

Interpréter une observation Sur la résistance chauffante de la bouilloire, après utilisation, on peut observer un dépôt blanc de calcaire. Ce

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49 

EX ER CI CE S 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. 65 

Exploiter la solubilité

Une vidéo, en accès libre, présente la récolte de sel dans les marais salants. Lorsque l’eau salée est saturée en sel, le chlorure de sodium qui était dissous réapparaît sous forme solide. On peut alors le récolter. 66 

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).

Prendre un bon départ

70 

Interpréter une expérience

Une vidéo en accès libre montre la dissolution puis la recristallisation de l’iodure de plomb. La solubilité de l’iodure de plomb augmente avec la température. 71 

Prévoir une saturation • Calcul de la solubilité s de l’aspirine, connaissant la masse maximale mmax dissoute et le volume V de la solution : m s = max  avec s en g/mL si mmax est en g et V en mL. V Donc s = 1 = 0,0033 g/mL. 300 • Calcul de la masse d’aspirine qu’on peut dissoudre dans 400 mL d’eau : mmax = s × V avec les mêmes unités que précédemment. Donc mmax = 0,0033 × 400 = 1,33 g. Si on verse 1,2 g d’aspirine, la solution ne sera pas saturée. 72 

67  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. 68 

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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. 69  Exploiter la solubilité On peut dissoudre au maximum 2 kg de sucre par litre de solution, soit 1 kg pour 0,5 L de solution. On ne peut donc pas dissoudre 2 kg de sucre pour obtenir 0,5 L d’eau sucrée. La solution sera saturée.

Déterminer une masse à dissoudre Calcul de la masse maximale mmax du glucose, connaissant la solubilité s du glucose et le volume V de la solution : mmax = s × V avec mmax en g si s est en g/L et V en L. Donc mmax = 700 × 1,5 = 1 050 g. On peut dissoudre au maximum 1 050 g de glucose dans 1,5 L de solution. 73 

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

Module 1

41

EX ER CI CE S

Se perfectionner 74  Respirer et boire en plongée 1. Les gaz sont compressibles. Donc l’air est compressé (ou comprimé) dans la bouteille et occupe un faible volume. Par contre, lorsque le plongeur le respire, l’air qui est donc hors de la bouteille n’est plus compressé (ou comprimé) et occupe un volume beaucoup plus important. Le plongeur respire sous l’eau pendant quarante minutes soit 40 × 20 = 800 litres d’air. Ces 800 litres d’air non comprimé ont été comprimés de telle manière à ne plus occuper que 2 × 12 = 24 litres dans les bouteilles. 2. L’eau que boit le plongeur est liquide. Or les liquides ne sont pas compressibles donc il n’est pas possible de comprimer l’eau que boira le plongeur. 75 

Un dissolvant pour les ongles 1. Un dissolvant est une substance, liquide à sa température d’utilisation, qui a la propriété de dissoudre d’autres substances. 2. Le vernis est dissous dans le dissolvant. 3. L’acétone est un liquide qui peut provoquer un dessèchement de la peau ainsi que des gerçures. De plus, il est irritant pour les yeux (doc. 2). C’est pourquoi la publicité vante un dissolvant sans acétone qui sera moins dangereux pour les utilisateurs. 76 

Titan 1. Titan est composé d’eau gelée, donc la température à sa surface est inférieure à 0 °C. Elle est également composée de méthane liquide, donc la température est inférieure à –158 °C. La température de Titan est donc –179 °C. 2. Titan, comme Saturne, est beaucoup plus éloigné du Soleil que la Terre : sa température en surface est donc beaucoup plus faible.

p. 49 à 55 du manuel

79 

Cuisson des pâtes 1. La température de l’eau au fond de la casserole est supérieure à 80 °C lorsque les petites bulles se forment. 2. Le fond de la casserole est à une température supérieure à 80 °C. Les petites bulles peuvent correspondre à de la vapeur d’eau qui se forme lorsque l’eau liquide se vaporise au fond de la casserole. 3. L’ébullition de l’eau se produit à 100 °C, qu’elle soit à gros bouillon ou lorsqu’on a baissé le chauffage, car la température de changement d’état d’un corps pur est constante. 4. La température de l’eau reste constante et égale à 100 °C pendant l’ébullition. Les aliments ne cuisent donc pas plus vite. 80 

Transport du gaz 1. Le gaz a changé d’état physique pour devenir liquide. 2. Ce changement d’état est réalisé en refroidissant le gaz naturel : il se liquéfie alors. 3. Un liquide occupe un volume moins important qu’un gaz, à quantité égale. On peut donc transporter une quantité plus importante de gaz naturel en le liquéfiant. 81 

Cuillère à sauce gras/maigre L’eau et la graisse ne sont pas miscibles, et la graisse est toujours au-dessus de l’eau. En pivotant la cuillère de la gauche vers la droite, seule la partie inférieure de la cuillère, donc l’eau et les constituants miscibles dans l’eau contenus dans la sauce, vont passer au-delà de la paroi de séparation et donc être versés. En pivotant la cuillère dans l’autre sens, c’est la graisse, placée au-dessus, qui va s’écouler.

77 

78 

Mouler des bougies

Une vidéo en accès libre présente la fabrication artisanale des bougies. 1. La paraffine refroidit et se solidifie. 2. Lors d’un changement d’état, le volume peut être modifié. Lors de la solidification de la paraffine, le volume a dû diminuer. Cela explique l’apparition de la cavité. 42

Thème 1

82 

Le monoxyde de carbone

Un site internet et une vidéo en accès libre présentent les dangers du monoxyde de carbone ainsi que la démarche à suivre en cas d’intoxication. 1. L’air est composé de dioxygène et de diazote. C’est donc un mélange. 2. Dioxygène Diazote

Air

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Traînées de condensation 1. La vapeur d’eau émise par les moteurs de l’avion se transforme en liquide et en glace, laissant une traînée blanche visible dans le ciel (doc. 1). 2. D’après la représentation graphique, la température doit être inférieure à –40 °C, donc cela correspond à une altitude minimale un peu inférieure à 10 000 mètres.

EX ER CI CE S 3.

Se perfectionner

Dioxygène Diazote Monoxyde de carbone Air et monoxyde de carbone

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. 87 

4. Les gaz se répartissent dans tout le volume disponible. 83 

Simple syrup

Traduction  : Le sirop simple est un ingrédient commun dans les recettes de boissons, qu’il s’agisse de préparer des cocktails ou du café glacé. Qu’est-ce que le sirop simple ? C’est juste du sucre et de l’eau bouillis ensemble ! Plus vous faites bouillir, plus le sirop sera épais lorsqu’il sera refroidi. 1. Le sucre se dissout dans l’eau. 2. L’eau qui bout change d’état. Une partie de l’eau va s’évaporer et donc la quantité de sucre par litre de sirop va augmenter. Le sirop sera plus épais. 84 

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.

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85 

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. 86 

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.

Les pétroliers immergés

Un lien Internet, en accès libre, porte sur les conséquences désastreuses des marées noires.

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.

De beaux cristaux de sucre

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. 88 

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. 89 

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. 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 ? Module 1

43

EX ER CI CE S

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. • 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. Grille d’évaluation en fin de module.

90 

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. 91 

Des dieux et des planètes Tâche complexe 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 ? 44

Thème 1

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. 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.

92 

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.

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2e étape : Lire et comprendre les documents Lorsque l’eau liquide devient de la glace, le volume augmente (photo).

EX ER CI CE S

Se perfectionner

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

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

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4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume de la remorque. • Calculer, pour chaque bois, la masse de ce volume de bois. • Comparer les masses calculées à la masse maximale autorisée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une entreprise de transport veut charger du bois dans un poids lourd dont la remorque ne peut pas transporter plus de 26 tonnes. On nous demande de déterminer quel type de bois peut occuper le volume de la remorque sans que sa masse ne dépasse celle autorisée. • Mettre en forme la réponse. • Calcul du volume de la remorque (doc. 1) : V = 13,7 × 2,45 × 2,48 ≈ 83,24 m3. • Calcul, pour chaque bois, de la masse de ce volume de bois (doc. 2) : mbois = ρbois × V avec m en kg si ρbois est en kg/m3 et V en m3. On convertit ensuite cette masse en tonne en sachant que 1 t = 1 000 kg.

Bois

Masse (t)

Balsa Chêne Chêne (cœur) Contreplaqué Ébène Hêtre Pin Sapin Teck

11,6 50,8 – 81,6 97,4 36,6 – 73,3 95,7 66,6 41,6 37,4 71,6

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

94 

Utiliser une langue étrangère

Traduction : Une pile de pièces de métal de couleur dorée a une masse de 425 g. Le volume des pièces a été calculé en utilisant une méthode par déplacement d’eau. Calcul de la masse volumique ρ du métal, connaissant sa masse m et son volume V : ρ = m  avec ρ en g/mL si m est en g et V en mL. V Donc ρ = 425 = 8,85 g/mL. 48 Cette masse volumique est très proche de la masse volumique du cuivre : le métal peut être du cuivre. 95 

Tâche complexe La pétanque Question posée : La boule de pétanque du doc. 1 est-elle creuse ou pleine ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelles sont les caractéristiques de la boule de pétanque ? 2. Quelle caractéristique change si la boule est pleine ou creuse ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La boule a un diamètre de 71 mm et une masse de 720 g. Elle est en acier inoxydable. (doc. 1) 2. La masse change si la boule est creuse ou pleine (connaissances). 3e étape : Dégager la problématique Déterminer la masse volumique de la boule de pétanque et la comparer à la masse volumique de l’acier.

Module 1

45

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

96 

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

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

Le sirop le plus sucré est le numéro 4. 2. Connaissant la masse de sucre pour 1 mL de sirop, il faut multiplier cette masse par 1 000 pour connaître la masse de sucre dans un litre de sirop. 0,896 × 1 000 = 896 g. Il y a 896 g de sucre dans un litre de ce sirop. 3. La masse de sucre dans un litre de sirop est inférieure à la solubilité du sucre, donc le sirop n’est pas saturé en sucre.

46

Thème 1

97 

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

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

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Se perfectionner

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

98 

L’acoustique du violon

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

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

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

Se préparer pour le brevet

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99 

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

p. 56 du manuel

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

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EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé À chacun son rythme – Test chimique Protocole expérimental : • Choisir un des trois flacons. • Prélever un peu de son contenu dans un tube à essais et réaliser le test avec le sulfate de cuivre anhydre. Si le sulfate anhydre reste blanc, alors le flacon contient de l’acétone. Si le sulfate de cuivre anhydre bleuit, alors le flacon contient de l’eau. Pour savoir si c‘est de l’eau sucrée ou non sucrée, prélever un peu du contenu du même flacon dans un deuxième tube à essais et réaliser le test à la liqueur de Fehling. Si la liqueur de Fehling rougit, alors le flacon contient de l’eau sucrée, sinon le flacon ne contient pas d’eau salée. Il contient donc de l’eau salée. 102 

Découvrir du vocabulaire 1. La solidification est le passage de l’état liquide à l’état solide. 2. Point commun : l’état physique de fin est liquide pour les deux changements d’état. Différence : les états physiques initiaux ne sont pas les mêmes. 3. Solidification

Solidifier

Liquéfaction

Liquéfier

Sublimation

Sublimer

Fusion

Fondre

Condensation

Condenser

Vaporisation

Vaporiser

Trois exemples de phrases : Lorsque la température diminue, l’eau liquide peut se solidifier. L’eau chauffée dans la casserole se vaporise. Au printemps, la neige fond. 103 

Rédiger un compte rendu

1. Étape

Lettre correspondant à la description

1

C

2

A

3

B

2. a. « Si on pousse le piston d’une seringue bouchée et remplie d’air, alors le volume d’air diminue. » b. « Le volume d’air diminue, car l’air est compressible. » 104 

Rédiger une interprétation On constate que la masse n’a pas varié. Or, le corps est passé de l’état solide à l’état liquide, donc la masse est conservée lors d’un changement d’état. 48

Thème 1

105 

Comprendre le vocabulaire Un solide ou un liquide est plus condensé qu’un gaz parce qu’à masse égale, c’est-à-dire à nombre de particules égal, un solide ou un liquide occupe un volume plus faible qu’un gaz. 106 

Découvrir du vocabulaire 1. En combinant les racines « homo » et « gène », on comprend qu’on ne distingue pas différentes « formes » dans un mélange homogène. Il s’agit des mélanges vinaigre et sirop de menthe. 2. En combinant les racines « hétéro » et « gène », on comprend qu’on distingue « d’autres formes » dans un mélange hétérogène. Il s’agit des mélanges eau + huile, sable + eau, jus d’orange avec pulpe. 107 

Pour aller plus loin

Une vidéo en accès libre présente la production puis l’utilisation du bioéthanol en tant que carburant. 1. Le sucre « passe » dans l’eau, car le sucre est une espèce soluble dans l’eau. 2. Plus il y aura de sucre dissous dans l’eau, plus la masse volumique sera grande. Donc la masse volumique du jus vert augmentera au cours de l’extraction. 3. La température d’ébullition de l’éthanol (78 °C) est inférieure à la température d’ébullition de l’eau (100 °C), donc l’éthanol se vaporisera avant l’eau. 4. Il est possible de récupérer l’éthanol liquide en le laissant refroidir au-dessous de sa température d’ébullition. 108 

Analyser sa production 1. L’eau est à l’état liquide. 2. On cherche à montrer que le liquide sur la bouteille est de l’eau. Pour cela, on prélève un échantillon du liquide que l’on dépose sur du sulfate de cuivre anhydre. Si celui-ci devient bleu, alors le liquide contient de l’eau. 3. L’eau s’est liquéfiée. La température de l’eau à l’état gazeux dans l’air diminue au contact des parois froides. L’eau initialement sous forme de vapeur d’eau change d’état et devient liquide. 109 

À chacun son rythme – Les déodorants compressés

Une vidéo en accès libre illustre le fonctionnement des aérosols compressés • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. a. Le doc. 1 affirme que les déodorants compressés contiennent deux fois moins de gaz que les déodorants classiques.

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101 

p. 57 à 63 du manuel

EX ER CI CE S b. Le doc. 1 affirme que les déodorants compressés contiennent autant de produit actif que les déodorants classiques. 2. Les gaz sont compressibles. 3. Les particules modélisées par les billes bleues sont plus resserrées dans un déodorant compressé que dans un déodorant classique, car elles occupent un plus petit volume. Il s’agit du gaz propulseur. 4. Un aérosol est composé d’un produit actif à l’état liquide et d’un gaz propulseur (doc. 2) Dans un déodorant compressé, les particules du gaz propulseur sont plus proches les unes des autres que dans un déodorant classique. Elles occupent donc un volume plus faible (doc. 3). Par contre la quantité de déodorant liquide est la même, quel que soit le type de déodorant (doc. 1). La compressibilité du gaz propulseur explique donc pourquoi un déodorant peut être compressé. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Comment fonctionne un aérosol compressé ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Que contient un aérosol ? 2. Pourquoi est-il compressé ? 3. Comment peut-il être compressé ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un aérosol est composé d’un produit actif à l’état liquide et d’un gaz propulseur (doc. 2). Un aérosol compressé contient autant de produit actif qu’un aérosol classique (doc. 1). 2. Le gaz contenu dans l’aérosol est compressé pour occuper moins de volume (doc. 3). 3. Un aérosol est constitué notamment d’un gaz, qui est compressible. Les particules constituant ce gaz peuvent être plus ou moins espacées : le gaz occupe alors moins de volume dans le déodorant compressé que dans le déodorant non compressé (doc. 2 et 3).

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3e étape : Dégager la problématique Utiliser les propriétés microscopiques de la matière pour expliquer le fonctionnement d’un aérosol compressé. 4e étape : Construire la réponse • Présenter un aérosol. • Comparer le déodorant classique et le déodorant compressé. • Exploiter les propriétés microscopiques des gaz pour expliquer comment un déodorant peut être compressé. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les déodorants compressés utilisent jusqu’à deux fois moins de gaz mais contiennent autant d’actifs anti-transpirants que les déodorants classiques.

Accompagnement personnalisé

Comment les propriétés microscopiques de la matière peuvent-elles expliquer le fonctionnement d’un aérosol compressé ? • Mettre en forme la réponse. Un aérosol est composé d’un produit actif à l’état liquide et d’un gaz propulseur (doc. 2). Dans un déodorant compressé les particules du gaz propulseur sont plus proches les unes des autres que dans un déodorant classique. Elles occupent donc un volume plus faible (doc. 3). Par contre la quantité de déodorant liquide est la même, quel que soit le type de déodorant (doc. 1). • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La compressibilité du gaz propulseur explique donc pourquoi un déodorant peut être compressé. Les déodorants compressés semblent plus écologiques que les déodorants classiques, car ils nécessitent moins de matières premières pour leur fabrication et moins de camions pour leur transport. Il serait intéressant de savoir si leur fabrication nécessite aussi moins d’énergie. Grille d’évaluation en fin de module.

110  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. 111 

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. Module 1

49

EX ER CI CE S

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). 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.

50

Thème 1

• 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.

112  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. 113 

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

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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.

EX ER CI CE S 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 ? 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.

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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

Accompagnement personnalisé

• 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.

114  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Calcul de la masse m d’une matière connaissant la masse volumique ρ de cette matière son volume V : ρ = m  ; d’où m = ρ × V. V 2. On applique la relation précédente : m = avec m en kg si ρ est en kg/m3 et V en m3 ; m = 1 600 × 3 = 4 800. Le client doit acheter 4 800 kilogrammes de sable. 3. La remorque ne supporte pas plus de 800 kg. Calcul du nombre de trajets : 4 800 = 6. 800 Il doit effectuer au minimum 6 trajets. 115  Comprendre le vocabulaire 1. Les unités de masse découlaient du grain, c’est-àdire sensiblement la masse d’un grain d’orge ou de froment. Or cette masse n’est pas fixe. 2. La centième partie du mètre est le centimètre. Le cube de la centième partie du mètre est donc le centimètre cube. Cela signifie « un centimètre cube d’eau à 0 °C ». 3. La masse volumique ρ d’une matière de masse m et de volume V est donnée par : ρ = m avec ρ en g/cm3 si m est en g et V en cm3. V Si 1 cm3 d’eau à 0 °C a une masse de 1 g alors : ρeau = 1 = 1 g/cm3. 1 Soit 1 000 g/dm3 = 1 000 g/L : c’est la masse volumique de l’eau. 116  Pour aller plus loin 1. a. On calcule la masse volumique ρeau, connaissant le volume Veau et la masse m de l’eau : avec ρeau en g/L si meau est en g et Veau en L. m ρeau = eau = 125 = 1 000 g/L. Veau 0,125 On calcule de même la masse volumique ρhuile, connaissant le volume Vhuile et la masse mhuile de l’huile. m ρhuile = huile = 151 = 839 g/L. Vhuile 0,180 ρ b. dhuile = huile = 839 = 0,839. ρeau 1 000 L’huile a une densité de 0,839. 2. On calcule les masses volumiques comme précédemment, mais en utilisant des unités différentes : ρ = m avec ρ en lb/in3 si m est en lb et V en in3. V m ρeau = eau = 0,0361 = 0,0361 lb/in3 ; Veau 1 Module 1

51

EX ER CI CE S

117 

À chacun son rythme

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

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une concrétion calcaire ? 2. Où et comment apparaissent-elles ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une concrétion calcaire est un assemblage de particules composées de carbonate de calcium (doc. 1). Le carbonate de calcium est constituée d’ions carbonate et calcium et a pour formule CaCO3 (doc. 2). Il est soluble dans l’eau contenant du dioxyde de carbone et peu soluble dans l’eau (doc. 2). 2. Elles apparaissent sur les sources chaudes saturées en carbonate de calcium (doc. 1). Les eaux des profondeurs se chargent en dioxyde de carbone et en carbonate de calcium (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Relier la formation des concrétions calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau. 4e étape : Construire la réponse • Expliquer d’où proviennent les ions calcium et carbonate. • Justifier la solubilité de ces ions dans les eaux profondes. • Justifier la diminution de la solubilité de ces ions dans les eaux de surface. • Expliquer alors l’apparition des concrétions. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Dans certaines sources chaudes, on peut voir apparaître des concrétions constituées de carbonate de calcium. On nous demande de relier la formation des concrétions calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau. • Mettre en forme la réponse. Les ions carbonate et les ions calcium proviennent des roches calcaires. Leur solubilité est d’autant plus 52

Thème 1

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

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Les ions carbonate et les ions calcium proviennent des roches calcaires. 2. La solubilité du carbonate de calcium augmente lorsque l’eau contient du dioxyde de carbone dissous. 3. Dans les profondeurs, l’eau est saturée en dioxyde de carbone dissous d’origine volcanique. Or le carbonate de calcium est soluble dans une eau contenant du dioxyde de carbone dissous. Donc les ions carbonate et calcium sont dissous. 4. En surface, cette eau perd une partie de son dioxyde de carbone qui s’échappe dans l’atmosphère. Les ions calcium et carbonate sont très faiblement solubles dans une eau contenant peu de dioxyde de carbone. Les ions calcium et carbonate s’associent alors pour former du carbonate de calcium solide. 5. Dans les profondeurs, l’eau est saturée en dioxyde de carbone dissous d’origine volcanique. Le carbonate de calcium des roches calcaires se dissout dans cette eau riche en dioxyde de carbone. Arrivée en surface, cette eau perd une partie de son dioxyde de carbone. Les ions calcium et carbonate ne peuvent plus être dissous, et les concrétions calcaires apparaissent. 118 

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

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mhuile 0,0545 = 0,0303 lb/in3. = Vhuile 1,8 ρ dhuile = huile = 0,0303 = 0,839. ρeau 0,0361 L’huile a une densité de 0,839. 3. La densité est un rapport de masses volumiques sans unité : la densité est la même quelles que soient les unités utilisées pour la calculer. ρhuile =

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 89

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

53

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 91

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.

54

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 93

Transport en camion

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

55

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 95

La pétanque

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

56

Thème 1

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

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

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D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 97

Choisir un meuble adapté à son aquarium

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 1

57

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 109

À chacun son rythme - Les déodorants compressés

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 : Le contenu d’un aérosol se compose du produit actif à l’état liquide et d’un gaz propulseur (doc. 2). Un aérosol compressé contient autant de produit actif qu’un aérosol classique (doc. 1). Le volume d’un aérosol compressé est plus faible que le volume d’un aérosol classique (doc. 3). Les particules constituant le gaz propulseur peuvent être plus ou moins espacées : le gaz occupe alors moins de volume (doc. 2 et 3).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Utiliser les propriétés microscopiques de la matière pour expliquer le fonctionnement d’un aérosol compressé.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

58

Thème 1

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Présenter un aérosol. • Comparer le déodorant classique et le déodorant compressé. • Exploiter les propriétés microscopiques des gaz pour expliquer comment un déodorant peut être compressé. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations du document sont converties en informations scientifiques. Bonne compréhension des schémas.

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 Cycle 4 – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 111

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer, 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

59

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 113

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.

60

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 Cycle 4 – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 117

À chacun son rythme – Pamukkale, le château de coton

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Relier la formation des concrétions de nature scientifique. calcaires aux variations de la quantité de dioxyde de carbone dans l’eau. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

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

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

61

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.

62

Thème 1

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

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

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

Rappel du programme du cycle 3 Matière, mouvement, énergie, information Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique

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

Connaissances et compétences associées

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

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

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

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

Module 2

63

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–. 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.

64

Thème 1

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

2 avec les formules des espèces chimiques.

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

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

MI Définir une transformation chimique et physique.

MF

MS

Activités TBM 1, 12, 13

Définir les réactifs et produits d’une transformation chimique.

2

Modéliser une réaction chimique.

2

Propriétés acidobasiques : l’échelle de pH.

11, 12 ,13

Définir une transformation chimique et physique.

3, 4, 7, 14

Définir les réactifs et produits d’une transformation chimique.

6

Modéliser une réaction chimique.

4, 5, 6, 7

Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes.

4, 5, 6, 7

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

4, 5, 7

Notions de molécules, atomes. Conservation de la masse lors d’une transformation chimique.

4, 5, 6, 7 4, 14

Propriétés acidobasiques : l’échelle de pH.

14

Réactions entre solutions acides et basiques.

14

Définir une transformation chimique et physique.

8, 9, 17

Définir les réactifs et produits d’une transformation chimique.

8, 9

Modéliser une réaction chimique.

8, 9

Interpréter une transformation chimique comme une redistribution des atomes.

8, 9

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

8, 9 ,17

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

8, 10, 16, 17 15, 17 17 15, 17 16

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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 ; Module 2

65

AC TIV ITÉ

1 Qu’est-ce qui rend une encre sympathique  ?

p. 65 du manuel

Matériel • Jus de citron. • Bec électrique ou sèche-cheveux. • Stylo à encre effaçable (encre thermosensible). • Congélateur. 1 Protocole du doc. 1 :



• Récupérer le jus d’un citron. • Prélever un peu de jus à l’aide d’une plume et écrire un texte (ou faire un dessin) : ce dernier est invisible. • Chauffer la feuille à l’aide d’un bec électrique ou d’un sèche-cheveux : le texte (ou le dessin) devient visible. Protocole doc. 2 : • Écrire un texte (ou faire un dessin) sur deux feuilles distinctes. • Sur la première feuille, effacer le texte (ou le dessin) en frottant avec l’embout du stylo. • Sur la deuxième feuille, utiliser un sèche-cheveux pour effacer le texte (ou le dessin). • Placer ensuite les deux feuilles une minute dans un congélateur : le texte (ou le dessin) redevient visible sur les deux feuilles. Remarque : si des parties du message restent invisibles, replacer le texte au congélateur. On pourra expliquer aux élèves que le même phénomène de disparition de l’encre peut se produire lorsqu’un texte est passé dans une photocopieuse.



2 Thermosensible : sensible à la chaleur. 3 Si l’encre s’est évaporée, elle ne serait plus sur la feuille, donc elle ne pourrait pas réapparaître. 4 Le changement de couleur du jus de citron (doc. 1) ou de l’encre (doc. 2) peut être le signe d’une transformation

chimique 5 L’encre est sympathique, car son caractère thermosensible la décolore, ce qui permet d’écrire des messages

secrets.

Un pas vers le bilan Transformation physique : Lors d’une transformation physique, l’espèce reste la même avant et après la transformation. Transformation chimique : Lors d’une transformation chimique, les espèces ne sont pas les mêmes avant et après la transformation chimique.

Un frottement dégage de l’énergie thermique. L’énergie thermique dégagée lors du frottement permet à l’espèce chimique de changer d’état.

66

Thème 1

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

Prolongement

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi utiliser des extincteurs au dioxyde de carbone ?

p. 66 du manuel

Matériel • Bougie chauffe-plat. • Bécher. • Vinaigre blanc. • Bicarbonate de soude. Vidéos et animations en lien avec l’activité Extinction d’une bougie (doc. 2) Une vidéo en accès libre montre le matériel et le début de l’expérience (production de dioxyde de carbone issu de la transformation entre le vinaigre blanc et le bicarbonate de soude). La vidéo complète est disponible dans le manuel numérique du professeur. Elle montre l’arrêt de la combustion lorsque l’on verse le dioxyde de carbone sur la flamme et permet de poursuivre l’activité si l’expérience n’est pas réalisée en classe. 1 a. Les espèces chimiques qui réagissent lors de la transformation chimique (réactifs) sont l’acide acétique



et le bicarbonate de soude. b. Les espèces chimiques qui sont produites lors de la transformation chimique (produits) sont le dioxyde de carbone et l’acétate de sodium.

2 acide acétique + bicarbonate de soude → dioxyde de carbone + acétate de sodium 3 Quand

on rapproche le bécher de la flamme, le dioxyde de carbone produit lors de la transformation chimique descend vers la flamme. On constate que la flamme s’éteint. dioxyde de carbone a une densité supérieure à l’air, il va donc s’accumuler au ras du sol (doc. 4). Il privera ainsi la combustion du comburant (dioxygène de l’air). L’incendie s’arrêtera (doc. 1).

4 Le

Un pas vers le bilan

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

Les espèces chimiques qui disparaissent sont appelées des réactifs. Les espèces chimiques qui apparaissent sont appelées des produits.

Module 2

67

AC TIV ITÉ

3 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. 67 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



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. 68

Thème 1

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

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.

AC TIV ITÉ

4 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. 68 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. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

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

69

AC TIV ITÉ

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

p. 69 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

70

Thème 1

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

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.

AC TIV ITÉ

6 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. 70 et 71 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 expérimentale

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 :



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



• 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.

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.

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 23. Module 2

71

AC TIV ITÉ

7 À quoi servent

les modèles moléculaires ?

p. 72 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

Un pas vers le bilan 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.

72

Thème 1

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

associées.

AC TIV ITÉ

8 Comment restaurer un objet d’art en métal ?

p. 73 du manuel

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

G

Plaque de cuivre

Moule (graphite) Solution sulfate de cuivre



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



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

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

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

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

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

Module 2

73

AC TIV ITÉ

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

p. 30 du manuel

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

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

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



74

Thème 1

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

Nombre d’atomes avant transformation

Nombre d’atomes après transformation

Carbone (C)

1

1

Hydrogène (H)

4 + 2 × 2 = 8

4 × 2 = 8

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

2

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

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

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

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

renouvelables et sans dégagement de dioxyde de carbone.

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

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



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

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

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



drogène et que le gaz dont le volume dégagé est le plus petit est du dioxygène. On réalise le test de recherche du gaz dioxygène sur le tube contenant le plus faible volume de gaz : – présenter une buchette incandescente à l’ouverture du tube ; – la buchette se rallume ; – ce qui atteste de la présence de dioxygène. On réalise le test de recherche du gaz dihydrogène sur le tube contenant le plus grand volume de gaz : – présenter une flamme à l’ouverture du tube ; – il se produit une petite détonation (aboiement) ; – ce qui atteste de la présence de dihydrogène. d Le dihydrogène pourrait être le carburant du futur seulement si sa production provient de sources d’énergie

renouvelables et sans dégagement de dioxyde de carbone.

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

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

Module 2

75

AC TIV ITÉ

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

p. 76 du manuel

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

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

Hydrogénocarbonate (HCO3) :

Sodium (Na+) :

Na+

Sulfate (SO4 ) :

Magnésium (Mg2+) :

Mg2+

Chlorure (C,ˉ) :

Potassium (K+) :



–

Calcium (Ca2+) :

2–

SO 2– 4

C,–

–

NO–3

Nitrate (NO3) :

K+

HCO –3

• Modèle des solides ioniques : Chlorure de potassium :

k+

C,–

Chlorure de calcium :

C,

Ca2+

C,–

Sulfate de sodium :

K+

SO 2– 4

K+

NO–3

Mg2+

NO–3

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



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

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

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

76

Thème 1

Ca2+

SO 2– 4

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

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

AC TIV ITÉ

11 Quelle conséquence l’utilisation

d’un savon peut-elle avoir sur la peau ?

p. 77 du manuel

Matériel Démarche expérimentale A : • Eau. • Gel douche. • Savon liquide (savon de Marseille). • Crème hydratante. • Jus de citron. • Bicarbonate de soude. • Papier indicateur de pH. Démarche expérimentale B : • Solution imitant le sébum (solution aqueuse dont le pH a une valeur voisine de 5,5) • Savon liquide (savon de Marseille) • Papier indicateur de pH. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant peut choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée.



Démarche expérimentale A



a Exemple d’hypothèse : le pH d’une peau normale

1 Exemples de résultats

Substance

pH

eau

7,1

gel douche

5,8

savon

8,8

jus de citron

2,3

bicarbonate de soude

8,4

2 Le pH du jus de citron est inférieur à 7, donc la

solution est acide (doc. 3).

3 Le pH du bicarbonate de soude est supérieur

à 7 donc la solution est basique (doc. 3).

4 L’utilisation d’un savon peut modifier le pH du

sébum (doc. 1).

Un pas vers le bilan © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Démarche expérimentale B

Une solution est acide quand son pH est inférieur à 7. Une solution est neutre quand son pH est égal à 7. Une solution est basique quand son pH est supérieur à 7.

augmentera, car le savon a un pH égal à 9, et celui-ci est supérieur au pH d’une peau normale qui est égal à 6,5. b Remarque : Une solution dont le pH a une valeur voisine de 5,5 peut imiter le sébum. Protocole expérimental : • Mesurer le pH de la solution imitant le sébum. • Mélanger du savon liquide dans la solution imitant le sébum. • Mesurer le pH de cette nouvelle solution. c L’utilisation d’un savon peut modifier le pH du sébum (doc. 1).

Un pas vers le bilan Lors du mélange de deux solutions acide et basique, le pH du mélange sera différent du pH de chacune des deux solutions. Un changement de pH peut être le signe d’une transformation chimique.

Module 2

77

AC TIV ITÉ

12 Pourquoi doit-on protéger certaines

œuvres de la respiration des visiteurs ?

p. 78 du manuel

Matériel • Jus de chou rouge à préparer en avance : feuilles de chou rouge, eau, casserole, bec électrique, filtre (passoire fine type « chinois »). • Vinaigre blanc. • Jus de citron. • Bicarbonate de soude. • 3 tubes à essais. • Coupelle. • Agitateur en verre. • Papier indicateur de pH. 1 Exemple d’hypothèse : il faut protéger certaines œuvres de la respiration des visiteurs parce que le gaz

expiré peut réagir avec les pigments colorés de la peinture.



2 Protocole expérimental :

• Récupérer le jus de chou rouge suivant le protocole du doc 2 et en verser dans 3 tubes à essais. • Mesurer et noter le pH du vinaigre blanc, du jus du citron et du bicarbonate de soude. • Introduire un peu de chaque solution proposée dans les 3 tubes à essais contenant du jus de chou rouge. • Observer la couleur de chacun des mélanges.



Exemples de résultats : Réactif ajouté pH Couleur observée

Vinaigre blanc

Jus du citron

Bicarbonate de soude

2

3

8

rose

violet

bleu

3 a. La couleur se rapproche de celle du mélange du jus de chou rouge et de vinaigre blanc.



b. Lorsque le gaz expiré est dissous dans le jus de chou rouge, le mélange devient acide. Il y a une transformation chimique mise en évidence par le changement de couleur. 4 Le gaz expiré peut provoquer un changement de couleur d’une œuvre.

Un pas vers le bilan

78

Thème 1

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

Les changements de couleurs peuvent être le signe de transformations chimiques.

AC TIV ITÉ

13 Quel rôle chaque ingrédient joue-t-il

dans la préparation d’une limonade ?

Matériel Démarche expérimentale A : 1 • Eau. • Jus de citron. • Sucre en poudre. • Bicarbonate de soude. • Spatule. • 3 béchers. 2 • Eau. • Bouteille d’eau. • Ballon de baudruche. • Eau de chaux. • Bécher.

p. 79 du manuel

Démarche expérimentale B : • Eau. • Jus de citron. • Sucre en poudre. • Bécher. • Cuillère. • Papier indicateur de pH.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée.



Démarche expérimentale A 1 Protocole expérimental :



• Dans trois béchers, introduire respectivement : de l’eau, du jus de citron, de l’eau sucrée. • Verser dans chaque bécher une demi-spatule de bicarbonate de soude. Observer. • Conclure. 2 Exemple d’hypothèse : Le gaz qui se dégage est

du dioxyde de carbone.



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



3 Protocole expérimental :

• Verser du jus de citron dans un erlenmeyer. • Introduire du bicarbonate de soude dans l’erlenmeyer. • Sur cuve à eau, récupérer le gaz dans un tube à essais (fiche 22). • Identifier le gaz récupéré en utilisant l’eau de chaux (fiche 23-3). • Conclure.

4 Le pétillement observé est dû à une transforma-

tion chimique, car il se forme un gaz.



Démarche expérimentale B a Exemple d’hypothèse : Le sucre ajouté rend la

limonade moins acide. Protocole expérimental : • Verser de l’eau citronnée dans un bécher. • Mesurer et noter le pH de l’eau citronnée. • Ajouter et dissoudre du sucre dans le bécher d’eau citronnée. • Mesurer et noter le pH de l’eau citronnée sucrée. • Comparer les deux valeurs de pH mesurées. • Conclure en confrontant les mesures à l’hypothèse. b Le sucre permet de masquer l’acidité du citron de la limonade. c L’ajout du sucre est un mélange et non une transformation chimique, car le pH n’a pas évolué. Le sucre a été simplement dissous.

Un pas vers le bilan Un mélange ne conduit pas toujours à une transformation chimique.

5 Le bicarbonate de soude et le jus de citron sont

les réactifs de la transformation conduisant au pétillement. Le jus de citron donne aussi un goût acide à la limonade. Un pas vers le bilan Certains indices comme la formation d’un gaz peuvent être le signe d’une transformation chimique.

Module 2

79

AC TIV ITÉ

14 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. 80 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 • 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 .

80

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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a Observations :



AC TIV ITÉ

15 Comment préserver un manuscrit d’une dégradation acide ?

Matériel et produits 1 Fabrication d’une encre ferro-gallique avec de la grenade : • La peau d’une demi-grenade finement découpée. • 250 mL d’eau. • Deux béchers (500 mL). • Un bec électrique. • Un filtre et un support de filtre. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du sulfate de fer II. 2 Fabrication d’une encre ferro-gallique avec de la

noix de galle de chêne : • Deux noix de galle de chêne. • Un mortier et un pilon. • 250 mL d’eau.

p. 81 du manuel

• Deux béchers (500 mL). • Un bec électrique. • Un filtre et un support de filtre. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du sulfate de fer II. 3 Variation du pH lors de l’ajout d’une solution de bicarbonate de calcium dans une solution acide : • De l’encre ferro-gallique ou une autre solution acide. • Une soucoupe. • Un bécher. • Une spatule. • Du papier indicateur de pH. • Du bicarbonate de calcium.

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



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



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

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– Verser de l’encre ferro-gallique ou une autre solution acide dans un bécher. – Mesurer le pH et noter sa valeur. – Dans un bécher, dissoudre une pointe de spatule de bicarbonate de calcium dans un peu d’eau. – Verser la solution de bicarbonate de calcium dans le bécher contenant la solution acide et mélanger. – Mesurer le pH et noter sa valeur. – Conclure. 4 Une transformation chimique avec une solution basique peut rendre l’encre du manuscrit moins acide, ce qui

permet de le préserver d’une dégradation.

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

Module 2

81

AC TIV ITÉ

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

p. 82 du manuel

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

l’acide de la boisson qu’elle contient. Cela justifierait la nécessité de vernir l’intérieur des canettes. – Placer la poudre ou les grains d’un métal dans un tube à essais. – À l’aide d’une pipette compte-gouttes, verser de l’acide dans le tube. – Boucher et agiter quelques secondes. – Ôter le bouchon et le reposer sans l’enfoncer sur le tube. – Observer.



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





82



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



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

Thème 1

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2 Première partie du protocole : l’acide chlorhydrique réagit-il avec les métaux ?





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



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



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



3 Les atomes des métaux sont transformés en ions :



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

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

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

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

Module 2

83

AC TIV ITÉ

17 Comment préserver la couleur

des haricots verts à la cuisson ?

p. 83 du manuel

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

chlorophylle. b. Chauffée en présence de vinaigre, la chlorophylle perd sa coloration verte pour prendre une coloration jaune. c. Les ions hydrogène sont les responsables de ce phénomène. Ils remplacent le magnésium dans la molécule de chlorophylle.



2 La lessive de cendre est une solution basique. 3 Exemple d’hypothèse : Les ions HO– de la lessive de cendre réagissent avec les ions H+ libérés par les cellules

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



84

Thème 1

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

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





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

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

Un pas vers le bilan

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

Module 2

85

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les transformations chimiques

saccharose et s’achève par des réactions de polymérisation conduisant à des structures diverses.

QCM 2  a. et c.

3  a.

4  a.

5  b. et c.

6  a.

7 

11  Interpréter un phénomène 1. Le changement de couleur permet d’affirmer qu’une transformation chimique a bien eu lieu. 2. Les réactifs sont le chlorure de cobalt et l’eau. 12 

Classer des transformations

Phénomène

Transform. chimique

De l’eau qui bout

Transform. physique x

Un caillou qui tombe

x

Un bateau qui rouille

x

Une allumette qui brûle

x

De la buée qui se forme Un verre qui de brise

Autre

x x

8 

Utiliser une banque de test 1. Du dioxyde de carbone est présent dans le gaz expiré. 2. La formation d’un précipité confirme qu’une transformation chimique a eu lieu. 9  Identifier une espèce chimique 1. L’introduction d’un comprimé d’aspirine dans l’eau met en jeu une transformation chimique, car il y a formation d’un gaz. 2. Protocole : • Mettre de l’eau dans un erlenmeyer. • Introduire un comprimé d’aspirine dans l’erlenmeyer. • Sur une cuve à eau, récupérer le gaz dans un tube à essais (fiche 22). • Identifier le gaz récupéré à l’eau de chaux (fiche 23-3). • Conclure. 10 

Identifier une transformation chimique 1. Le brunissement et la formation d’une espèce odorante qui diffuse son parfum dans la cuisine permettent d’affirmer qu’une transformation chimique a bien eu lieu. 2. Les réactifs sont l’eau et le sucre. Remarque : la caramélisation est un processus complexe qui débute par une hydrolyse du

86

Thème 1

Comprendre l’équation d’une réaction Les bonnes réponses sont : A L’oxyde d’aluminium est le produit de la transformation chimique. C Le dioxygène est un réactif. 13  Une crème apaisante Acide salicylique + méthanol → salicylate de méthyle + eau 14  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 . 15  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 16 

Identifier les produits d’une réaction 1. Le produit identifié avec certitude est le gaz dihydrogène. 2. Le précipité blanc obtenu montre qu’il y a des ions aluminium (A¯3+) ou zinc (Zn2+). Dans les réactifs, il y a du zinc et pas de l’aluminium. L’autre espèce mise en évidence est donc l’ion zinc (Zn2+). 17  Interpréter le résultat d’une expérience Un des produits de la transformation chimique est un gaz : il s’est échappé de la bouteille car celle-ci n’était pas fermée, ce qui explique que la conservation de la masse n’est pas vérifiée en apparence.

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1  a. et c.

p. 88 à 93 du manuel

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

Les espèces chimiques

Les équations de réaction QCM

QCM 18  b.

19  b.

20  a. et c.

32  b.

33  b. et c.

21  a.

22  a.

23  b. et c.

34  b.

35  b.

24 

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

D’où l’écriture : C6H12O6 25 

Lire la formule chimique d’une molécule

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

26 

C

Carbone

3

H

Hydrogène

6

O

Oxygène

3

Établir la formule d’une molécule

H2O2 27 

Représenter le modèle d’une molécule

28 

Identifier la nature d’espèces chimiques – Les ions sont : CO32  ; CN– ; PO43– ; NH4+ ; C2H8O2N+. 29 

Reconnaîre la nature d’espèces chimiques

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

Molécules : H2O ; N2 ; HC, ; NH3 ; C,2 Ions : NO3– ; C,– ; Cu2+ ; H+ Atomes : Cu ; C, ; HC 30  Reconnaître un élément chimique Représentants d’un même élément chimique : – Cu et Cu2+ ; – C, et C,–. 31 

Identifier des éléments chimiques • Groupe qui contient l’élément oxygène (O) : H2O ; NO3– ; CO2 ; O2 ; HC,O ; NO2 • Groupe qui contient l’élément hydrogène (H) : H2O ; HC, ; HC,O ; HCN • Groupe qui contient l’élément azote (N) : NO3– ; N2 ; NO2 ; HCN • Groupe qui contient l’élément chlore (C,) : HC, ; HC,O ; CC,4

36  b. et c.

37 

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 38  Modéliser une réaction L’équation chimique B est celle modélisant la réaction. 39 

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. 40 

Écrire une équation de réaction 1. a. P4 + 5 O2 → P4O10 b. P4O10 + 6 H2O → 4 H3PO4 2. a. 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.

41  Interpréter un test de mise en évidence 1. Les réactifs sont Zn2+ et OH–. Le produit est Zn(OH)2. 2. Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Zinc (Zn)

1

1

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Hydrogène (H)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

2

0

–

2 × 1 = 2

0

Bilan

0

0

Module 2

87

EX ER CI CE S 42  Interpréter une équation de réaction • Équation chimique ➀ : Conservation des éléments chimiques :

1

1

Oxygène (O)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

Hydrogène (H)

2 × 1 = 2

1 × 2 = 2

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

+

2

0

–

2 × 1 = 2

0

Bilan

0

0

• Équation chimique ➁ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

1

1

Oxygène (O)

1 × 2 = 2

1 + 1 = 2

Hydrogène (H)

1 × 2 = 2

2

Conservation de de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

0

–

0

0

Bilan

0

0

• Équation chimique ➂ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

2 × 1 = 2

2

2 × 1 = 2

2

Carbone (C)

1

1

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

+

0

0

–

0

0

Bilan

0

0

Les propriétés acidobasiques QCM

88

Thème 1

43  a. et b.

44  a.

46  a., b. et c.

47  a. et c.

48  b.

49  a. et c.

0

7

pH 14

Qualifier des solutions 1 Faux. 2 Vrai. 3 Faux. 52 

Identifier le caractère acide ou basique en fonction du pH La solution A est acide, car le pH est inférieur à 7. Les solutions B et C sont basiques, car le pH est supérieur à 7. 53 

54 

Caractériser l’acidité ou la basicité d’une solution La solution la plus acide est le soda (pH = 2,5). La solution la moins acide est l’eau minérale (pH = 7,5). 55 

Interpréter un résultat expérimental La solution est basique : pH = 10. 56  Prévoir un résultat expérimental Le schéma qui correspond à l’expérience est le B , car c’est la seule solution dont le pH est inférieur à 7 (pH = 3,2). 57 

Oxygène (O)

Charges

solution neutre solution acide solution basique

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

Charges

Repérer le caractère acide ou basique sur une échelle de pH

45  a. et c. 50  b.

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. 58  Prévoir le résultat d’une expérience Le pH du mélange des deux solutions va être compris entre 3 et 9. 59 

Identifier expérimentalement le caractère acide ou basique d’une solution 1. Hypothèse : On suppose que la boisson est acide car elle contient un acidifiant : l’acide citrique. 2. Le protocole à formuler est une mesure un pH de la boisson : – Verser un peu de boisson dans un bécher. – Découper un morceau de papier indicateur de pH. – Plonger un agitateur de verre dans la boisson et toucher le papier pH avec l’agitateur. – Comparer la couleur prise par le papier avec l’échelle indiquée sur la boite. On peut aussi plonger l’électrode d’un pH-mètre dans le bécher contenant la boisson pour mesurer son pH.

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Atomes

51 

EX ER CI CE S 60 

Prendre un bon départ

Associer le pH à la prédominance des ions hydrogène H+ et des ions hydroxyde HO– 3 1 7

14

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

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quantités égales.

Prévoir le caractère acide ou basique d’une solution La soude est basique car elle contient des ions HO–.

2 pH

0

61 

62  Interpréter une observation Le suc gastrique est un acide, il contient des ions H+. Quand il y a trop de suc gastrique dans l’estomac, la quantité d’ions H+ est trop importante, ce qui est source de douleurs. La prise de médicaments contenant des ions hydroxyde (HO–) permet la diminution de la quantité d’ions H+ par la mise en œuvre de la réaction H+ + HO– → H2O qui les consomme.

Module 2

89

EX ER CI CE S

Se perfectionner

64  Une chaufferette chimique 1. L’augmentation de température de la chaufferette, lorsqu’elle est sortie de son emballage, est le signe d’une transformation chimique. 2. La transformation chimique ne se produit pas lorsqu’elle est enfermée dans l’emballage plastique, alors qu’elle a lieu lorsqu’elle est au contact de l’air. 65 

L’alcootest

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre le fonctionnement d’un éthylotest. 1. Le changement de couleur de l’éthylotest permet de dire qu’une transformation chimique a eu lieu. 2. Le dichromate de potassium et l’éthanol sont les réactifs. 3. Le produit est l’acide éthanoïque. 66 

L’eau oxygénée 1. a. La formation d’un gaz permet d’affirmer qu’une transformation chimique a eu lieu. b. Les produits formés sont le dioxygène et l’eau. 2. a. peroxyde d’hydrogène → dioxygène + eau b. On conserve l’eau oxygénée dans des bouteilles opaques, car la transformation est accélérée en présence de lumière. 67 

Les bouteilles de gaz 1. La transformation physique que l’on fait subir au butane ou au propane pour le stocker et le transporter est une liquéfaction (passage de l’état gazeux à l’état liquide). 2. La transformation physique que subit le butane ou le propane, lorsque l’on ouvre le robinet, est une vaporisation (passage de l’état liquide à l’état gazeux). 3. Lorsqu’ils sont enflammés, le butane et le propane subissent une transformation chimique, car la flamme est le signe d’une transformation chimique. 68  Un œuf au vinaigre 1. La formation d’un gaz permet d’affirmer qu’une transformation chimique a eu lieu. 2. Les réactifs sont le vinaigre blanc et le carbonate de calcium. 3. Un produit formé est le dioxyde de carbone.

90

Thème 1

69  Écrire une équation de réaction linalol + anhydride acétique → acétate de linalyle + acide acétique 70 

Spéléologie 1. La production de l’acétylène est une transformation chimique, car il y a formation d’une nouvelle espèce chimique. 2. Le risque est l’asphyxie par manque de dioxygène sous terre. 3. acétylène + dioxygène → dioxyde de carbone + eau 71 

Incendie de cheminée 1. a. La suie est le réactif d’une transformation chimique lors de la combustion de la suie dans le conduit de cheminée. b. La suie est le produit d’une transformation chimique lors de la combustion du bois. 2. Il faut ramoner régulièrement la cheminée pour limiter le risque d’incendie de cheminée. 72  Éteindre un feu d’huile dans une casserole 1. a. L’eau coule au fond de la casserole, car sa masse volumique est supérieure à celle de l’huile. b. La projection de gouttelettes d’huile est due à la vaporisation de l’eau au fond de la casserole, donc à une transformation physique. c. La projection de gouttelettes d’huile pourrait propager l’incendie ou brûler une personne à proximité de la casserole. 2. Le fait de couvrir la casserole peut stopper l’incendie, car l’apport d’air (comburant) est limité. 73 

Les destructeurs de rouille

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre un exemple de « destructeurs de rouille » 1. La formation d’une couche noire de phosphate de fer est le signe d’une transformation chimique. 2. Les réactifs sont la rouille et l’acide phosphorique. Les produits sont le phosphate de fer et l’eau. 3. La transformation associée au mot « produit » est une transformation chimique. La transformation associée au mot « séchage » est une transformation physique. 74 

Tâche complexe Les hortensias Question posée : Comment faire pousser des hortensias bleus ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un hortensia ? 2. De quelle autre couleur peut être un hortensia ? 3. Quelle particularité présente un hortensia bleu ?

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63  Blond platine ! 1. L’oxydation des pigments des cheveux est une transformation chimique, car il y a eu un changement de couleur. 2. Le « produit » est en fait un réactif de la transformation conduisant à la décoloration des cheveux.

p. 94 à 106 du manuel

EX ER CI CE S 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un hortensia est une fleur (doc.). 2. Un hortensia peut être rose (photographie). 3. Un hortensia est bleu sur des sols dont le pH = 6 (photographie). 3e étape : Dégager la problématique Déterminer si, pour faire pousser un hortensia bleu, le sol doit être acide ou basique. 4e étape : Construire la réponse • Identifier le pH du sol nécessaire pour faire pousser des hortensias bleus. • Identifier la nature acide ou basique de ce sol. • Déterminer le type de terre adapté pour faire pousser des hortensias bleus. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. On nous demande de déterminer sur quel type de sol pousse un hortensia bleu. • Mettre en forme la réponse. Pour obtenir des fleurs d’hortensias bleues, il faut que le sol dans lequel pousse la plante ait un pH = 6, donc qu’il soit acide. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Il faut donc choisir de la terre de bruyère ou un sol riche en humus. Grille d’évaluation en fin de module.

75 

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

La perception du goût La phrase du texte qui permet d’affirmer qu’une transformation chimique se produit lors de la perception du goût acide est  : «  des protéines qui se transforment ». 76  Un rouge à lèvres magique 1. Il se produit une transformation chimique lorsqu’on applique le rouge à lèvres, car il y a un changement de couleur. 2. La grandeur qui peut remplacer l’expression « niveau d’alcalinité » est le pH. 77 

The Black Snake Experiment

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre « le serpent noir ». Complément : cette expérience spectaculaire peut aussi être réalisée en classe par le professeur. Il faut introduire du sucre en poudre dans un petit bécher de forme étroite, environ sur la moitié de la hauteur du bécher, recouvrir d’acide sulfurique concentré commercial, agiter avec une tige de verre et attendre quelques instants.

Se perfectionner

En raison de la manipulation d’acide concentré, les précautions habituelles doivent être prises (blouse, gants, lunette, hotte ou aération convenable). Traduction : L’expérience du serpent noir. Quand du sucre est mélangé à de l’acide sulfurique, le sucre est transformé en carbone (carbonisation) et en eau (déshydratation). Une forte augmentation de température est constatée, qui vaporise une partie de l’eau (vaporisation). La transformation donne naissance à un « serpent noir » qui sort du bécher. 1. La carbonisation et la déshydratation sont des transformations chimiques. 2. L’expérience est appelée « l’expérience du serpent noir », car un cylindre noir sort du bécher comme un serpent noir sortirait de son panier. 78  Tâche complexe Entretenir sa piscine Question posée : Comment s’y prendre afin de corriger le pH de l’eau de la piscine ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quelle piscine est-il question ? 2. Pourquoi veut-on corriger le pH de l’eau de la piscine ? 3. Quel est le pH de l’eau de cette piscine ? 4. Comment corriger le pH de l’eau d’une piscine ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. C’est une piscine dont les dimensions sont données dans le doc.3. 2. On corrige le pH de l’eau d’une piscine si son pH n’est pas compris entre 7,2 et 7,6, car un écart peut avoir des conséquences indésirables (doc. 1). 3. Le pH de cette piscine est égal à 8,0 (doc. 1). 4. On peut utiliser des produits de traitement qui diminuent ou augmentent le pH (doc. 2). Il faut en introduire une certaine masse selon le volume de la piscine et la variation de pH souhaitée. 3e étape : Dégager la problématique Identifier le produit de traitement nécessaire et déterminer la masse de ce produit de traitement adéquat pour ajuster la valeur du pH de la piscine. 4e étape : Construire la réponse • Évaluer le pH de l’eau de la piscine. • Le comparer avec les normes de baignade. • En déduire quel produit de traitement il faut utiliser. • Calculer le volume de la piscine. • Calculer la masse de produit de traitement à introduire dans l’eau de la piscine pour corriger la valeur de son pH. Module 2

91

EX ER CI CE S

• Mettre en forme la réponse. Le test réalisé sur l’eau de la piscine permet d’évaluer le pH de l’eau à 8,0 (doc. 1). Le pH maximal de l’eau d’une piscine est égal à 7,6. Il faut donc abaisser le pH de l’eau en utilisant un produit de traitement réducteur de pH (doc. 2). L’écart entre les deux valeurs égal à 8,0 – 7,6 = 0,4. Pour un volume de 1 m3, il faut introduire dans la piscine 10 g de « réducteur de pH » pour 0,1 unité de pH à corriger. Il faut donc, 4 × 10 = 40 g de « réducteur de pH » pour un volume d’eau de 1m3 (doc. 2). Le volume de la piscine est donné par la relation : V = longueur × largeur × hauteur. Ces dimensions sont exprimées en centimètres (doc. 3), il faut les convertir en mètre pour obtenir un volume en m3 : – longueur = 500 cm = 5 m – largeur = 400 cm = 4 m – hauteur = 150 cm = 1,5 m Donc V = 5 × 4 × 1,5 = 30 m3. Il faut donc une masse de produit : m = 30 × 40 = 1 200 g = 1,2 kg. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Pour réduire le pH de 0,4 unité dans une piscine de 30 m3, il faut introduire une masse de 1,2 kg de produit réducteur de pH. Grille d’évaluation en fin de module.

79 

Le lac Kivu 1. La libération du dioxyde de carbone a eu lieu lorsque le pH du lac a diminué. 2. La libération massive de dioxyde de carbone serait une catastrophe humanitaire, car il y aurait localement trop de dioxyde de carbone dans l’air gênant la respiration. 80 

Feu de sodium

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre les effets l’introduction de sodium dans l’eau liquide. 92

Thème 1

1. L’apparition d’un dégagement gazeux (voir des flammes ou des explosions) permet d’affirmer qu’une transformation chimique a eu lieu. 2. Lorsque la phénolphtaléine vire au rose, la solution devient basique. 3. La phénolphtaléine participe elle aussi à une transformation chimique car elle change de couleur. 81 

La combustion du soufre

Une vidéo, en accès libre, montre la combustion du soufre. 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. 82 

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 : m(fer) + m(dioxygène) = m(oxyde de fer) Donc : m(dioxygène) = m(oxyde de fer) – m(fer) m(dioxygène) = 4,4 – 3,2 = 1,2 g 83  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. 84 

Fabrication de l’acide nitrique 1. 1 ⇔ C    2 ⇔ A    3 ⇔ B 2. A Atomes (symbole) Azote (N) Oxygène (O)

Avant Après la transformation la transformation 2 × 1 = 2 2 × 1 + 2 = 4

2 × 1 = 2 2 × 2 = 4

B Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N) Oxygène (O)

3 × 1 = 3 3 × 2 + 1 = 7

2 × 1 + 1 = 3 2 × 3 + 1 = 7

Hydrogène (H)

2

2 × 1 = 2

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5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Pour que l’eau d’une piscine respecte les normes de baignade, son pH doit être compris entre 7,2 et 7,6. Si le pH s’écarte des normes, on peut utiliser un produit de traitement qui diminue ou augmente sa valeur. On nous demande d’identifier le produit de traitement nécessaire et de déterminer la masse de ce produit de traitement à introduire dans l’eau de la piscine pour corriger la valeur de son pH.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

C Atomes (symbole)

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N)

4 × 1 = 4

4 × 1 = 4

Oxygène (O)

5 × 2 = 10

4 × 1 + 6 × 1 = 10

Hydrogène (H)

4 × 3 = 12

6 × 2 = 12

91  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

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. 85 

Des noms de molécules 1 ⇔ B     2 ⇔ D     3 ⇔ C 86 

L’éthanol La formule chimique de l’éthanol est C2H6O. 87 

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.

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

92  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. 93  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. 94 

88  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. 89 

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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

90 

L’incendie du Zeppelin

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

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. 95 

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. » 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. Module 2

93

EX ER CI CE S

97  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). 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. 94

Thème 1

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 ». 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.

98 

Des métaux aux propriétés différentes

Une vidéo en accès libre montre l’action de l’acide chlorhydrique sur les métaux. • Avec le cuivre : pas de transformation chimique

apparente. • Avec le zinc : transformation chimique (formation

d’un gaz). • Avec l’aluminium : transformation chimique (formation d’un gaz). • On peut en déduire que le zinc et l’aluminium réagissent avec les acides, tandis que le cuivre ne réagit pas. 99 

Le fer n’est pas rouillé

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre l’action du sulfate de cuivre sur de la paille de fer.

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96  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.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

1. La décoloration du sulfate de cuivre et la coloration de la paille de fer permettent d’affirmer qu’il y a eu une transformation chimique. 2. L’équation de réaction rend compte de l’éclaircissement de la solution car les ions Cu2+, responsables de la couleur bleue de la solution, sont des réactifs. Ils sont consommés. L’apparition d’un dépôt rougeâtre est justifiée par la formation de cuivre métallique de couleur rougeâtre. 3. La rouille est un solide rougeâtre issu de la corrosion du fer. L’apparition d’un solide rouge sur le fer peut faire penser à de la rouille. Le titre de l’exercice indique à juste titre qu’il ne s’agit pas de rouille. 4. Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Cuivre (Cu)

1

1

Fer (Fe)

1

1

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

2

2

–

0

0

Bilan

+2

+2

➁ Combustion du carbone en dioxyde de carbone : il faut 1 seul atome de carbone pour consommer une molécule de dioxygène (2 atomes de d’oxygène). Pour consommer 2 atomes de carbone, il faudrait donc 2 molécules de dioxygène. Il faut donc deux fois plus de molécules dioxygène pour consommer un atome de carbone dans la transformation ➁ du carbone en dioxyde de carbone que dans la transformation ➀ qui produit du monoxyde de carbone. Erratum : dans le manuel, la question posée doit être : Montrer que pour consommer la même ­quantité de carbone, il faut davantage de dioxygène pour la réaction de combustion ➁ que pour la réaction ➀. 102  Des acides pour se défendre 1. La classification périodique permet d’identifier les atomes comme suit : H : hydrogène, C : carbone, N : azote. 2. Les ions hydrogène (H+) sont responsables de la propriété acide d’une solution. 3. On pourrait déterminer le caractère acide d’une solution d’acide cyanhydrique en réalisant une mesure de son pH avec du papier indicateur de pH ou un pH-mètre. 103 

100 

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

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101  Intoxication au monoxyde de carbone 1. • Faire entretenir les installations permet de s’as-

surer que les arrivées d’air de la chaudière et que les conduits d’évacuation des gaz brûlés sont opérationnels. • Ventiler régulièrement permet de renouveler l’air de la pièce et ainsi éviter son appauvrissement en dioxygène lorsque la chaudière fonctionne, cela permet aussi d’évacuer les gaz issus de la combustion s’ils se sont accumulés dans la pièce. • Ne pas faire fonctionner les chauffages d’appoint en continu permet d’éviter l’appauvrissement de l’air de la pièce en dioxygène et l’accumulation des gaz issus de la combustion. 2. Pour garantir la sécurité dans une habitation, on pourrait installer un détecteur de monoxyde de carbone. 3. ➀ Combustion du carbone en monoxyde de carbone : il faut 2 atomes de carbone pour consommer 1 molécule de dioxygène (2 atomes de d’oxygène).

Familles de molécules 1. Méthane : carbone : 1 ; hydrogène : 4. Éthane : carbone : 2 ; hydrogène : 6. Propane : carbone : 3 ; hydrogène : 8. Butane : carbone : 4 ; hydrogène : 10. 2. Conservation des atomes : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

1

1

Hydrogène (H)

4

2 × 2 = 4

Oxygène (O)

2 × 2 = 4

2 + 2 × 1 = 4

3. Les nombres placés devant les formules des réactifs et des produits de cette équation sont différents de ceux de la précédente car les alcanes n’ont pas le même nombre d’atomes de chaque type. Ces nombres permettent d’assurer la conservation des atomes de chaque type lors de la combustion. 4. Équation de la réaction de combustion du propane : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O 104 

Un poisson au court-bouillon 1. Pour que l’on ne sente plus l’odeur du poisson, il faut que toutes les molécules de triméthylamine (C3H9N) aient été consommées par la réaction avec l’acide éthanoïque (C2H4O2). L’équation de la réaction montre qu’une molécule de triméthylamine réagit avec une molécule d’acide éthanoïque. Il faut donc qu’il y ait au moins autant de molécules d’acide éthanoïque (C2H4O2) que de molécules de triméthylamine (C3H9N). Module 2

95

EX ER CI CE S

Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

3 + 2 = 5

3 + 2 = 5

Hydrogène (H)

9 + 4 = 13

10 + 3 = 13

Oxygène (O)

2

2

Azote (N)

1

1

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

1

–

0

1

Bilan

0

0

105 

Un détartrant biologique Hypothèse : L’aluminium réagit avec les ions H+ contenus dans les acides. 106 

What the pH scale is used for?

Traduction : L’échelle de pH est une mesure du nombre d’ions H+ dans une solution. S’il y a beaucoup d’ions H+, le pH est faible. Si le nombre d’ions HO– est plus important que le nombre d’ions H+ alors le pH est élevé. Une solution de bicarbonate de sodium a un pH supérieur à 7 ; elle réagit avec les fluides gastriques, dans l’estomac, pour soulager des indigestions et produit du dioxyde de carbone gazeux. 1. Les solutions de bicarbonates de sodium sont basiques. 2. Elles contiennent plus d’ions HO– que d’ions H+. 3. La transformation chimique entre le suc gastrique et une solution de bicarbonate de sodium conduit à la production de dioxyde de carbone. 107 

Le dentifrice d’éléphant

Une vidéo en accès libre montre l’expérience.

Compléments L’expérience peut être réalisée en classe en prenant les précautions nécessaires. Matériel : • Un grand cristallisoir. • Une grande éprouvette (au moins 250 mL). • Deux petits béchers (environ 50 mL). 96

Thème 1

• Une spatule. • Des gants. • Des lunettes de protection. • De l’iodure de potassium (ou iodure de sodium) solide. • De l’eau oxygénée H2O2 à environ 130 volumes.

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

Avant Après la transformation la transformation

Hydrogène (H)

2

2

Oxygène (O)

2

1 + 1 = 2

Iode (I)

1

1

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

0

–

1

1

Bilan

1

1

• Équation ➁ : Conservation des éléments chimiques : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

Hydrogène (H)

2

2

Oxygène (O)

1 + 2 = 3

1 + 2 = 3

Iode (I)

1

1

Conservation de la charge électrique : Charges

Avant Après la transformation la transformation

+

0

0

–

1

1

Bilan

1

1

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

2. On ne sent plus l’odeur du poisson ni celle du vinaigre quand il y a exactement autant de molécules d’acide éthanoïque (C2H4O2) que de molécules de triméthylamine (C3H9N). 3. Conservation des éléments chimiques :

EX ER CI CE S

Se perfectionner

2. H2O2 H2O2

+

Iˉ IOˉ

→ →

2 H2O2

+ Iˉ+ IOˉ

→

H2O H2O

+ +

IOˉ O2

2 H2O +

O2

+

Iˉ

+ Iˉ + IOˉ

D’où : 2 H2O2  → H2O + O2 3. La mousse provient de la formation du gaz dioxygène dans la solution contenant du savon liquide. 108 

La loi des volumes de Gay-Lussac 1. Formules chimiques : dihydrogène : H2 ; dichlore : C¯2. 2. Deux molécules de chlorure d’hydrogène sont obtenues à partir de : – une molécule de dihydrogène : H2 ; – une molécule de dichlore : C¯2. La formule chimique du chlorure d’hydrogène est donc HC,. 109 

Les structures moléculaires de Gaudin 1. Une molécule est un assemblage d’atomes. 2. Formule chimique des molécules : Figure I : C¯2 ; H2 ; HC,. Figure II : O2 ; H2 ; H2O. Figure III : N2 ; H2 ; NH3. 3. Équations des réactions : Figure I : C¯2 + H2 → 2 HC, Figure II : O2 + 2 H2 → 2 H2O Figure III : N2 + 3 H2 → 2 NH3 110 

Les soudures de rails pour les trains

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Une vidéo en accès libre montre le soudage des rails. 1. Transformations physiques : fusion des extrémités des rails, solidification du fer liquide issu de la transformation chimique. Transformations chimiques : combustion de la mèche de magnésium, réaction d’aluminothermie entre Fe2O3 et A,. 2. Nom des éléments chimiques repérés en gras : – Mg : magnésium ; – Fe : fer. 3. a. Le métal formé qui vient combler l’espace entre les rails est du fer. b. Le fer est liquide car sa température de fusion (1 538°C) est inférieure à la température du mélange lors de la transformation chimique (2 700°C) où il est formé. 111 

Tâche complexe L’Everest Question posée : Proposer une explication scientifique aux difficultés que rencontre un hélicoptère en haute altitude.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle altitude l’hélicoptère atteint-il ? 2. Quelles difficultés rencontre l’hélicoptère ? 3. Comment un hélicoptère fonctionne-t-il ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. L’hélicoptère vole à 7 000 mètres d’altitude (doc. 1). 2. Il n’y a pas assez d’air pour faire tourner les hélices (doc. 1). 3. L’énergie thermique produite par la combustion d’un mélange air-carburant est transformée en énergie mécanique et permet la rotation des hélices (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Proposer une explication aux difficultés de combustion du mélange air-carburant lorsque l’hélicoptère atteint 7 000 mètres. 4e étape : Construire la réponse • Le moteur a besoin de dioxygène pour fonctionner et permettre la rotation des hélices. • La composition de l’air ne change pas avec l’altitude. • Mais la quantité d’air diminue avec l’altitude. • Donc la quantité de dioxygène diminue avec l’altitude. • Si la quantité de dioxygène devient trop faible le moteur ne pourra plus fonctionner. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les hélicoptères ne peuvent voler au-delà d’une certaine altitude (environ 7 000 mètres) (doc. 1). Ceci empêche parfois des missions de secours en haute altitude pour les alpinistes en détresse, par exemple lors des ascensions du Mont Everest, le sommet le plus haut du monde. On nous demande d’expliquer les difficultés de combustion du mélange air-carburant lorsque l’hélicoptère atteint 7 000 mètres. • Mettre en forme la réponse. Le moteur de l’hélicoptère a besoin de dioxygène pour fonctionner et permettre la rotation des hélices. En effet, l’énergie thermique produite par la combustion du carburant dans l’air est convertie en énergie mécanique, et permet aux hélices de tourner (doc 3). Cependant, à une altitude de 5 500 mètres il n’y a plus que 50% de l’air disponible au niveau de la mer, et au sommet du Mont Everest il n’y en a plus que 30%. La composition de l’air ne change pas avec l’altitude avec environ 20% de dioxygène, mais comme l’air se raréfie, le dioxygène se raréfie aussi dans les mêmes proportions (doc. 2).

Module 2

97

EX ER CI CE S

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Par manque de dioxygène, le moteur d’un hélicoptère ne fonctionne correctement pas au-delà de 7 000 mètres. Cette situation peut limiter l’action des sauveteurs en haute montagne comme c’est le cas dans l’Everest. Grille d’évaluation en fin de module.

112 

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

Avant Après la transformation la transformation 3 2 × 3 = 6 2 × 1 = 2 2 × 1 = 2 1

3 × 1 = 3 3 × 2 = 6 2 2 1

3. L’aluminium (A,) réagit avec le perchlorate de potassium (KC¯O4). La bonne équation de réaction est obligatoirement l’équation ➀ car l’équation ➁ ne comporte pas de perchlorate de potassium. 4. L’oxyde formé contient un atome de titane et deux atomes d’oxygène. La formule chimique est donc TiO2. 113  Précaution d’emploi de la Javel Tâche complexe Question posée : Justifier chacune des précautions de stockage et d’utilisation du produit avec Javel.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Que contient l’eau de Javel ? 2. Quelles précautions de stockage de l’eau de Javel sont recommandées ? 3. Quelles précautions d’utilisation de l’eau de Javel sont recommandées ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium et de l’hydroxyde de sodium (doc. 1). 98

Thème 1

2. L’eau de Javel ne doit pas être stockée à proximité d’acide (doc. 2), elle doit être stockée séparément (doc. 1). 3. L’eau de Javel doit être manipulée avec des gants et une tenue adaptée (doc. 1). Elle ne doit pas être mélangée avec des produits détartrants (doc. 2). L’hydroxyde de sodium contenu dans l’eau de Javel peut réagir avec des métaux (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Justifier que les transformations chimiques susceptibles de se produire lorsque l’eau de Javel entre en contact avec d’autres espèces chimiques, expliquent les conditions de stockage et d’utilisation. 4e étape : Construire la réponse • Donner la composition de l’eau de Javel. • Déterminer les transformations chimiques susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques. • Établir un lien entre les transformations chimiques évoquées et les conditions d’utilisation et de stockage de l’eau de Javel. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. L’eau de Javel est un produit ménager largement utilisé grâce à ses propriétés nettoyantes et désinfectantes. Des transformations chimiques sont susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques. On nous demande de justifier que ces transformations chimiques expliquent les conditions de stockage et d’utilisation. • Mettre en forme la réponse. L’eau de Javel contient de l’hypochlorite de sodium et de l’hydroxyde de sodium (doc. 1). Or, les ions hypochlorite et chlorure, présents dans l’eau de Javel, peuvent réagir avec les ions hydrogène pour former un gaz toxique (doc. 2). Il est donc essentiel de ne pas stocker l’eau de Javel à proximité d’autres produits (doc. 1) comme les produits détartrants qui contiennent des acides (doc. 2 et doc. 3) ni de les mélanger ensemble. En outre, l’eau de Javel contient de l’hydroxyde de sodium (doc. 1) qui peut réagir avec les métaux ou les acides (doc. 3). Là encore, il est essentiel de ne pas stocker l’eau de Javel à proximité de solutions acides mais également de ne pas l’utiliser sur les métaux (doc. 1). • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les transformations chimiques susceptibles de se produire avec d’autres espèces chimiques expliquent les conditions strictes de stockage et d’utilisation de l’eau de Javel. Il est également recommandé de porter des gants et une tenue adaptée pour éviter tout danger. Grille d’évaluation en fin de module.

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Au-delà d’une certaine altitude, environ 7 000 mètres, la quantité de dioxygène est trop faible pour faire fonctionner correctement le moteur et donc permettre la rotation des hélices (doc. 1).

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 114 

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

Avant Après la transformation la transformation

Soufre (S)

1

1

Oxygène (O)

2 + 1 = 3

3

Hydrogène (H)

2

2

115 

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

p. 107 du manuel

transformation chimique. Le changement de couleur de la teinture bleue de tournesol en atteste. 116 

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

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C))

2 × 2 + 1 = 5

2 × 2 + 1 = 5

Oxygène (O)

2 × 2 + 3 = 7

2 × 2 + 2 + 1 = 7

Hydrogène (H)

2 × 4 = 8

2 × 3 + 2 = 8

Calcium (Ca)

1

1

Conservation de la charge électrique : Atomes

Avant Après la transformation la transformation

+

0

2

–

0

2 × 1 = 2

Bilan

0

0

Module 2

99

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé À chacun son rythme – Fraîcheur d’un lait • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. 1 degré Dornic (°D) correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait. 2. Le degré Dornic et la masse d’acide lactique sont des grandeurs proportionnelles. 3. Un échantillon de 50 mL de lait contient 0,1 g d’acide lactique. Comme 1 L = 1 000 mL = 20 × 50 mL, on en déduit que 1 L de ce lait contient 0,1 × 20 = 2 g d’acide lactique. 4. Pour être considéré comme frais, un lait doit avoir une acidité inférieure ou égale à 18°D. 5. 1°D correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait, donc 2 g d’acide lactique par litre de lait, cela correspond à 2 × 1 / 0,1 = 20°D. La limite étant à 18°D, ce lait n’est pas frais. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Le lait testé par le technicien est-il frais ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quel test permet de déterminer la fraîcheur d’un lait ? 2. Quelle grandeur le technicien a-t-il mesurée ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La mesure du degré Dornic permet d’évaluer la fraîcheur d’un lait (doc. 1). 2. Le technicien a trouvé une masse de 0,10 g d’acide lactique dans 50 mL de lait (énoncé). 3e étape : Dégager la problématique Calculer la valeur du degré Dornic du lait testé. 4e étape : Construire la réponse • Déterminer la masse d’acide lactique contenue dans un litre du lait testé (énoncé). • En déduire la valeur du degré Dornic du lait (doc. 1). • Comparer cette valeur avec la norme (doc. 1). 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un technicien de laboratoire veut évaluer la fraîcheur d’un lait de vache. Son analyse montre que ce lait contient 0,1 g d’acide lactique dans un échantillon de 50 mL. On demande de calculer la valeur du degré Dornic du lait testé et de la comparer à la norme. • Mettre en forme la réponse. Un échantillon de 50 mL de lait contient 0,1 g d’acide lactique. 100

Thème 1

Comme 1 L = 1 000 mL = 20 × 50 mL, on en déduit que 1 L de ce lait contient 0,1 × 20 = 2 g d’acide lactique. 1°D correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait, donc le lait contenant 2 g a un degré Dornic égal à 20°D. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Un lait est considéré comme frais si son taux d’acide lactique est inférieur à 18°D. Or, 20°D > 18°D. Le lait n’est donc pas frais. On peut se demander si l’agriculteur aurait pu mesurer à la place le pH du lait (doc. 2) Grille d’évaluation en fin de module.

118 

Rédiger un compte rendu 1. L’étape 1 correspond à la description C  : On dispose d’une bouteille remplie d’un gaz et d’un flacon d’eau de chaux. L’étape 2 correspond à la description A  : On plonge le tuyau dans le flacon puis on ouvre le robinet de la bouteille. L’étape 3 correspond à la description B  : L’eau de chaux est troublée. 2. On observe que l’eau de chaux se trouble. Or, on sait que l’eau de chaux se trouble en présence de dioxyde de carbone. Donc, on en déduit que la bouteille de gaz contient du dioxyde de carbone. 119 

Utiliser le vocabulaire spécifique 1. Lors d’une transformation chimique, des réactifs sont transformés en produits. 2. Une solution est acide (respectivement basique) si son pH est inférieur (respectivement supérieur) à 7. 120 

À chacun son rythme - Airbag • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Les verbes évoquant une transformation chimique sont : • L’azoture de sodium se décompose en sodium et diazote. • Le sodium réagit avec du nitrate de potassium pour donner de l’oxyde de potassium et du diazote. 2. Pour la première transformation, l’espèce chimique qui se transforme est l’azoture de sodium. 3. Pour la seconde transformation, les espèces chimiques qui se transforment sont le sodium et le nitrate de potassium. 4. Transformation 1 : Les produits sont le sodium et le diazote.

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117 

p. 108 à 113 du manuel

EX ER CI CE S Transformation 2 : Les produits sont l’oxyde de potassium, l’oxyde de sodium et le diazote. 5. a. azoture de sodium → sodium + diazote b. sodium + nitrate de potassium → oxyde de potassium + oxyde de sodium + diazote 121 

Analyser sa production

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre le test de détection du sang sur un coton-tige. 1. a. Lors d’un test positif, on affirme qu’il se produit une transformation chimique, car il y a un changement de couleur. b. Les réactifs de cette transformation sont le sang, l’eau oxygénée et la phénolphtaléine. c. Si le test est positif, la couleur rose observée est due au changement de pH, conséquence de la réaction chimique entre le sang et l’eau oxygénée. 2. Si le test est négatif, il n’y a pas d’apparition de la coloration rose de la phénolphtaléine. 122 

Pour aller plus loin Tâche complexe Plantation de betteraves Question posée : Un agriculteur veut planter des betteraves, mais le pH du sol est de 6,3. Comment va-t-il s’y prendre ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quel est le pH d’un sol adapté à la culture des betteraves ? 2. Comment modifier le pH d’un sol ?

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2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La betterave pousse mieux si le pH est compris entre 7,1 et 7,7 (doc.). 2. Les agriculteurs peuvent modifier le pH d’un sol en ajoutant (doc.) : • de la chaux si le sol est trop acide ; • de la tourbe s’il est trop basique. 3e étape : Dégager la problématique Choisir quel procédé utiliser pour ajuster la valeur du pH du sol et le rendre propice à la culture de la betterave. 4e étape : Construire la réponse • Comparer la valeur du pH du sol à celle d’un sol adapté à la culture de la betterave (doc.). • Déterminer s’il faut augmenter ou diminuer le pH. • Choisir l’un des procédés parmi ceux proposés (doc.) 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un agriculteur veut planter des betteraves, mais sur un sol dont le pH est de 6,3 (doc.).

Accompagnement personnalisé

On demande de choisir quel procédé utiliser pour ajuster la valeur du pH du sol et le rendre propice à la culture de la betterave. • Mettre en forme la réponse. Pour un rendement maximum, le pH du sol adapté à la culture de la betterave est compris entre 7,1 et 7,7 (doc.). Le pH de son sol étant de 6,3, celui-ci est trop acide. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Afin d’avoir un rendement maximum pour la culture de ses betteraves, l’agriculteur doit augmenter le pH du sol en ajoutant de la chaux à son sol (doc.). Grille d’évaluation en fin de module.

123 

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. 124  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. 125  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.

Module 2

101

EX ER CI CE S 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 ? 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).

102

Thème 1

• 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.

• 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 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. 127 

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

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126 

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

128 

À chacun son rythme Corrigé de l’énoncé détaillé 1. pH de chacune des eaux : – eau de mer : pH = 9 ; – eau pétillante : pH = 6 ; – eau du robinet : pH = 7. 2. Classement de la plus acide à la moins acide : eau pétillante, eau du robinet, eau de mer. 3. L’eau qui contient le plus d’ions hydrogène (H+) est l’eau pétillante car elle a le pH le plus faible. 129 

Analyser sa production 1. Cette eau est neutre car son pH est égal à 7. 2. On cherche le volume d’eau contenant une masse de 1 g de calcium. La masse de calcium est proportionnelle au volume d’eau minérale. Cette eau minérale apporte 9,9 mg de calcium pour 1 L d’eau. On sait que 1 g = 1 000 mg. Pour déterminer le volume on utilise un tableau de proportionnalité : Masse de calcium (en mg)

Volume d’eau (en L)

9,9

1

1 000

V

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

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130 

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

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

Atomes Carbone (C)

1

1

Oxygène (O)

1

1

Hydrogène (H)

4 + 2 = 6

2

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

CH4 + H2O → 3H2 + CO

1

1

6

1

2

11

6

1

6

11

×3

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

Avant Après la transformation la transformation

Carbone (C)

1

1

Oxygène (O)

1 + 1 = 2

2

Hydrogène (H)

2

2

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

Avant Après la transformation la transformation

Azote (N)

2

1

Hydrogène (H)

2

3

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

2

1 3

×2

ê

N2 + H2 → 2 NH3 2

2

26 ×3

ê

N2 + 3 H2 → 2 NH3 2

6

26

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

Module 2

103

EX ER CI CE S À chacun son rythme

Tâche complexe

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

104

Thème 1

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

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

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131 

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 74

Les hortensias

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 : Un hortensia est une fleur (doc.). Un hortensia peut être rose (photo). Un hortensia est bleu sur des sols dont le pH = 6 (photo).

Le problème est formulé en termes scientiIdentifier des questions fiques. Par exemple : de nature scientifique. Pour faire pousser un hortensia bleu, le sol doit-il être acide ou basique ? 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 discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Identifier le pH du sol nécessaire pour faire pousser des hortensias bleus. • Identifier la nature acide ou basique de ce sol. • Déterminer le type de terre adapté pour faire pousser des hortensias bleus. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

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 2

105

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 78

Entretenir sa piscine

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 : C’est une piscine dont les dimensions sont données (doc. 3). On corrige le pH de l’eau d’une piscine si son pH n’est pas compris entre 7,2 et 7,6 car un écart peut avoir des conséquences indésirables (doc. 1). Le pH de cette piscine est égal à 8,0 (doc. 1).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Identifier le produit de traitement nécesde nature scientifique. saire et déterminer la masse de ce produit de traitement pour ajuster la valeur du pH de la piscine.

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 Passer d’une forme interprétées correctement. de langage scientifique • Exploitation de la photographie du test à une autre. de pH. • Exploitation des dimension de la piscine.

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.

106

Thème 1

La stratégie est détaillée et correcte. Par exemple : • Évaluer le pH de l’eau de la piscine. • Le comparer avec les normes de baignade. • En déduire quel produit de traitement il faut utiliser. • Calculer le volume de la piscine. • Calculer la masse de produit de traitement à introduire dans l’eau de la piscine pour corriger la valeur de son pH. • 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 97

La qualité d’une huile d’olive

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 Cycle 4 – 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 : 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.

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

107

CO M PL ÉM EN T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 111

L’Everest

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

108

Thème 1

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

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

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 113

Précaution d’emploi de la Javel

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 2

109

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 117

À chacun son rythme – Fraîcheur d’un lait

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 : La mesure du degré Dornic permet d’évaluer la fraîcheur d’un lait (doc. 1). Le technicien a trouvé une masse de 0,10 g d’acide lactique dans 50 mL de lait (énoncé).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Calculer la valeur du degré Dornic du lait testé et de la comparer à la norme. Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. Par exemple : • Déterminer la masse d’acide lactique contenue dans un litre du lait testé (énoncé). • En déduire la valeur du degré Dornic du lait (doc. 1). • Comparer cette valeur avec la norme (doc. 1) • 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, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Lecture du tableau. • Utilisation de la proportionnalité entre le volume du lait et la masse d’acide.

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.

110

Thème 1

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 122

Pour aller plus loin – Plantation de betteraves

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 : La betterave pousse mieux si le pH est compris entre 7,1 et 7,7 (doc.). Les agriculteurs peuvent modifier le pH d’un sol en ajoutant de la chaux si le sol est trop acide ou bien de la tourbe s’il est trop basique (doc.).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Choisir quel procédé utiliser pour ajuster la valeur du pH du sol et le rendre propice à la culture de la betterave. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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.

Pratiquer des langages.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Comparer la valeur du pH du sol à celle d’un sol adapté à la culture de la betterave (doc.). • Déterminer s’il faut augmenter ou diminuer le pH (doc.). • Choisir l’un des procédés parmi ceux proposés (doc.). • Conclure en revenant sur la problématique.

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

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

111

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 126

À chacun son rythme – Feu follet

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 : 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

112

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 Cycle 4 – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d'évaluation par compétence d’une tâche complexe 131

À chacun son rythme – Aquariophilie

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaine du socle

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

MI

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Capacités attendues

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

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

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

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

Module 2

113

CO M PL ÉM EN T

Domaines du socle D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

MF MS TBM Compétences

114

Thème 1

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

MO DU LE

3

L’organisation de la matière dans l’Univers

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

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Décrire l’organisation de la matière dans l'Univers Ce thème fait prendre conscience à l’élève que l’Univers a été Décrire la structure de l’Univers et du système solaire. Aborder les différentes unités de distance et savoir les convertir : différent dans le passé, qu’il évolue dans sa composition, ses 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 sur Comprendre que la matière observable est partout de même des ressources en ligne et sur l’identification de sources d’innature et obéit aux mêmes lois. formations fiables. Cette thématique peut être aussi l’occasion d’une ouverture vers la recherche, les observatoires et la nature • La matière constituant la Terre et les étoiles. des travaux menés grâce aux satellites et aux sondes spatiales. • Les éléments sur Terre et dans l’Univers (hydrogène, hélium, éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium…) • Constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons.

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

Les phases de la Lune ne sont pas explicitement citées dans le programme. En lien avec les exemples de situations proposés dans la colonne de droite, cela nous a cependant semblé un point d’entrée intéressant pour aborder la structure du Système solaire. En effet, l’observation des différentes phases de la Lune est une observation courante qui permet d’introduire les mouvements dans le Système solaire.

116

Thème 1

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

Commentaires sur la stratégie pédagogique adoptée

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

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

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

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

MI

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Décrire la structure du Système solaire

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 3, 4

Connaître l’ordre de grandeur de distances astronomiques.

2, 4

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

5, 6, 8, 9

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

7, 8, 9

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.

10, 11, 12, 13

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 3

117

AC TIV ITÉ

1 Pourquoi fait-il jour plus longtemps en été qu’en hiver ?

p. 115 du manuel

Matériel • Une lampe pour modéliser le Soleil. • Une balle pour modéliser la Terre. • Une pique en bois ou autre plantée dans la balle pour modéliser son axe de rotation passant par les pôles Nord et Sud. Compléments Pour la modélisation du Soleil, il est plus simple d’utiliser des sources lumineuses sur pied afin que la lumière ait toujours la même direction durant l’expérience ; de même, pour modéliser la Terre, le plus simple est d’utiliser des balles de ping-pong. Cependant, plus le diamètre de la balle sera important, meilleure sera l’observation des zones éclairée et d’ombre. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Le jour et la nuit sur Terre (doc. 1) Une vidéo en accès libre permet de comprendre l’alternance du jour et de la nuit ainsi que la durée d’un jour. • Les saisons sur Terre (doc. 2) Une vidéo en accès libre permet de comprendre la périodicité et l’existence des saisons. Remarque : les élèves peuvent avoir des difficultés pour comprendre que l’existence des saisons est liée au fait que l’axe de rotation de la Terre garde la même direction lors de sa révolution autour du Soleil et que cette direction n’est pas perpendiculaire au plan de l’écliptique. Cette vidéo permet de l’illustrer. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La durée du jour et de la nuit, et surtout l’alternance des saisons, sont des notions difficiles à appréhender sans illustration. Une vidéo et/ou une approche expérimentale semblent des passages incontournables ; nous proposons les deux. Il est préférable de laisser d’abord réfléchir et manipuler les élèves, puis de leur proposer les vidéos, soit comme coup de pouce, soit pour valider leurs résultats. On ne suggère pas de manipulation pour illustrer l’alternance du jour et de la nuit. Cependant, en utilisant le matériel proposé pour le doc. 2, l’élève peut conforter ses hypothèses. Lors de la manipulation sur l’alternance des saisons, l’élève doit réaliser un mouvement de translation de la balle ; l’axe de rotation de la Terre doit tout le temps garder la même orientation. Pour les durées du jour et de la nuit liées aux saisons, il peut être pertinent de tracer sur les balles deux cercles centrés sur l’axe de rotation de la Terre, un dans chaque hémisphère ; demander à l’élève de comparer la longueur de l’arc de cercle éclairée et celle non éclairée, la longueur d’un arc de cercle étant proportionnelle à une durée. 1 La rotation de la Terre sur elle-même est le mouvement de la Terre à l’origine de l’alternance du jour et

2 L’existence des saisons est due à la révolution de la Terre autour du Soleil et à l’inclinaison de l’axe de

rotation de la Terre. Une même saison se répète au bout d’un an.



3 Schématisation de la disposition correspondant au début de l’hiver (pour l’hémisphère Nord).

Balle (Terre)

118

Thème 1

Lampe (Soleil)

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de la nuit. Le jour ou la nuit se répète au bout de 24 h, c’est la durée de rotation de la Terre sur elle-même.



4 Il fait jour plus longtemps en été qu’en hiver car l’hémisphère dans lequel c’est l’été est plus éclairé par le



Soleil que celui dans lequel c’est l’hiver. Par exemple, sur le schéma ci-dessous, c’est l’été dans l’hémisphère Nord et l’hiver dans l’hémisphère Sud. Axe de rotation Pôle Nord Équateur Lumière

N

du Soleil S Pôle Sud

Trajectoire des points N et S lorsqu’ils sont : en période de jour en période de nuit



On constate que le point N décrit une trajectoire dont la longueur en période de jour est plus grande qu’en période de nuit. On en déduit que le point N bénéficie d’une durée de jour plus importante que la durée de nuit. C’est l’inverse pour le point S.

Un pas vers le bilan

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La durée de rotation de la Terre sur elle-même est de 24 h. La durée de révolution de la Terre autour du Soleil est d’un an.

Module 3

119

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi la Lune n’a pas toujours le même aspect dans le ciel ?

p. 116 du manuel

Matériel Une balle de ping-pong ou une balle de tennis dont la moitié est peinte en noir. La partie non peinte correspond à la moitié de la Lune éclairée par le Soleil ; la partie peinte correspond à la moitié de la Lune qui n’est pas éclairée par le Soleil. Vidéos et animations en lien avec l’activité Modélisation du système Soleil Terre Lune Une vidéo en accès libre représente le déplacement de la Lune par rapport à la Terre pour deux observateurs : – un placé dans l’espace ; – un placé sur Terre. Compléments Une planche de tableaux vierges pour répondre à la question 2 et un plan pour la maquette du doc. 2 sont disponibles dans le manuel numérique du professeur. Ces documents sont destinés à être photocopiés et distribués aux élèves. Le plan n’est pas indispensable mais peut aider les élèves à mieux comprendre ; il peut être photocopié en A3. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’aspect de la Lune dans le ciel est une notion difficile à appréhender sans illustration. Une vidéo et/ou une approche expérimentale semblent des passages incontournables. On peut proposer à un élève en difficulté lors de la mise en place de l’expérience de la question 2 de regarder la vidéo en guise de coup de pouce ; la partie expérimentale arrive alors dans un 2e temps. Le Soleil dans cette modélisation est immobile. Il faut donc imaginer que sa lumière provient par exemple d’un mur de la pièce dans laquelle l’élève se trouve. Pour observer les phases de la Lune, l’élève doit comprendre qu’il se place au milieu du cercle correspondant à la trajectoire de la Lune. L’élève ne bouge donc pas ; son regard est toujours orienté vers la balle. La ½ sphère de la balle peinte en noir doit toujours être opposée au Soleil ; cette surface est donc toujours opposée au mur pris comme référence pour la lumière provenant du Soleil. 1 Cette période d’un mois d’observation va permettre de relever toutes les phases de la Lune. Les horaires

durant lesquels la Lune est visible étant variable au cours de la lunaison, il peut être utile de préciser aux élèves les créneaux d’observation (début de nuit pour le premier croissant et le premier quartier, etc.). Divers sites Internet proposent des calendriers avec les horaires de lever et coucher de la Lune. Exemple de relevés :

2

120

Thème 1

1

2

3

4

5

6

7

8

Nouvelle Lune

Premier croissant

Premier quartier

Lune gibbeuse croissante

Pleine Lune

Lune gibbeuse décroissante

Dernier quartier

Dernier croissant

1

2

3

4

5

6

7

8

Nouvelle Lune

Premier croissant

Premier quartier

Lune gibbeuse croissante

Pleine Lune

Lune gibbeuse décroissante

Dernier quartier

Dernier croissant

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3 Lors d’une pleine Lune, le Soleil, la Terre et la Lune se situent dans cet ordre dans l’espace ; la Lune se



trouve en position 5 sur le doc. 2. Lors d’une nouvelle Lune, le Soleil, la Lune et la Terre se situent dans cet ordre dans l’espace ; la Lune est en position 1 sur le doc. 2.

Un pas vers le bilan

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

La Lune n’a pas le même aspect dans le ciel car on ne voit que la partie éclairée de la Lune. Cette partie éclairée dépend des positions relatives du Soleil, de la Lune et de la Terre.

Module 3

121

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi parle-t-on de face cachée de la Lune ?

p. 117 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Les mouvements de la Lune (doc. 3) Une vidéo en accès libre explique le phénomène de rotation de la Lune en comparant sa période de rotation et sa période de révolution autour de la Terre. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette idée de face cachée de la Lune ne peut s’expliquer que par une modélisation du phénomène. La vidéo proposée explicite le lien entre périodes de révolution et de rotation de la Lune et la conséquence de leur égalité. 1 La surface de la Lune délimitée par le rectangle en pointillés rouges, lorsqu’elle est visible, est toujours la

même. 2 Les surfaces de la Lune photographiées depuis la Terre et par LRO ne sont pas identiques. On ne retrouve

pas, par exemple, l’aspect de la surface de la Lune délimité par le rectangle rouge du doc. 1 dans la photographie du doc. 2. 3 La vidéo indique que la période de révolution de la Lune autour de la Terre et sa période de rotation sont

les mêmes. C’est pour cette raison que, depuis la Terre, on ne voit qu’une face de la Lune, l’autre est cachée.

Un pas vers le bilan

122

Thème 1

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

La période de révolution de la Lune autour de la Terre est égale à sa période de rotation.

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi la représentation du Système solaire a-t-elle évolué ?

p. 118 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Une représentation du Système solaire (doc. 2) L’animation, disponible dans le manuel numérique, présente quelques représentations successives du Système solaire, du géocentrisme à l’héliocentrisme. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire sur l’histoire des sciences permet de mettre en avant deux théories différentes d’organisation du Système solaire. L’héliocentrisme, avancé par Aristarque de Samos trois siècles avant JésusChrist, a mis 2000 ans avant d’être repris. On peut également parler du poids de la religion et ses conséquences sur les idées de Galilée. 1 Pendant de nombreux siècles, la représentation géocentrique s’est imposée : la Terre était placée au centre



de l’Univers. À partir du XVIe siècle, la représentation héliocentrique émerge sans pour autant être acceptée, notamment par l’église. Dans cette représentation, c’est le Soleil qui est placé au centre du Système solaire.

Un pas vers le bilan

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

Pour classer les planètes du Système solaire, on compare les distances qui les séparent du Soleil. Pour comparer des distances, il faut qu’elles soient exprimées dans la même unité, ici l’unité astronomique. De la plus proche à la plus éloignée du Soleil, on trouve les planètes suivantes : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne.

Module 3

123

AC TIV ITÉ

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

p. 119 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

124

Thème 1

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

AC TIV ITÉ

6 Comment peut-on repérer des exoplanètes ?

p. 120 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.

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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

125

AC TIV ITÉ

7 Quelle est la taille

du Système solaire ?

p. 121 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. 126

Thème 1

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

d1 =

AC TIV ITÉ

8 Pourquoi les représentations du Système

solaire ne respectent-elles pas les échelles p. 122 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).



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



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

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

127

AC TIV ITÉ

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

p. 123 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

128

Thème 1

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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.

AC TIV ITÉ

10 Qu’est-ce que le Big Bang ? p. 124 et 125 du manuel

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



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

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

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

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

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



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

Module 3

129

AC TIV ITÉ

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

p. 126 et 127 du manuel

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

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

ture d’éléments de petites dimensions.

Un pas vers le bilan

130

Thème 1

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

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

AC TIV ITÉ

12 Pourquoi un ion est-il chargé ? p. 128 du manuel

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

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

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

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

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

Module 3

131

AC TIV ITÉ

13 Quelle sera la fin de vie de Bételgeuse ?

p. 129 du manuel

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

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

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

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

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

132

Thème 1

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

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EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

p. 133 à 135 du manuel

La structure de l’Univers et du Système solaire QCM

1  a. 2  a.

3  c. 4  b. 5  c. 6  b. et c.

7  a. 8  a.

9  c. 10  a. et b.

11  c. 12  b. 13  a. 14  c. 15 

Comparer des distances La distance Terre-Soleil est d’une unité astronomique alors que la distance Mercure-Soleil est de 0,39 unité astronomique, soit moins d’une unité astronomique. Mercure est plus proche du Soleil que la Terre. 16 

Connaître des périodes de révolution et de rotation Révolution de la Terre   1 jour Rotation de la Terre   1 mois Révolution de la Lune   1 an 17 

Connaître des distances 1. La distance entre le Soleil et la Terre est approximativement de 150 millions de kilomètres. 2. La distance entre la Terre et la Lune est approximativement de 400 000 kilomètres.

Le Système solaire La Lune 2. Par taille croissante, on trouve : la Lune, la Terre, le Système solaire et la Voie lactée. 21  Étoile

Astre produisant sa propre lumière

Galaxie

Regroupement d’un grand nombre d’étoiles

Planète

Corps gravitant autour d’une étoile

Les unités de distance en astronomie QCM 22  a. 23  a.

19 

Décrire le Système solaire Autour du Soleil gravitent des planètes, des comètes, des astéroïdes… 20 

Classer des corps célestes

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

1.



24  a. 25  b. 26  c. 27  a.

28  Savoir convertir des km en ua Pour convertir en année-lumière une distance exprimée en kilomètre, on utilise un tableau de proportionnalité.

18 

Connaître les positions relatives des planètes De la plus proche à la plus éloignée du Soleil, on rencontre les planètes : Vénus, Terre, Mars et Jupiter.

Reconnaître la définition de corps célestes

Distance en km

Distance en ua

108 200 000

d

1,5 × 108 km

1

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. 29 

Savoir convertir des km en al Pour convertir en année-lumière une distance exprimée en kilomètre, on utilise un tableau de proportionnalité.

La Voie lactée

La Terre

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

133

EX ER CI CE S La matière dans l’Univers

43 

Décrire la constitution de l’atome

QCM

Électron

30  a.

31  b.

32  c.

33  b. et c. 34  a.

Noyau

35  b. et c. 36  a. 37  b. 38  c. 39  a. 40  b.

41 

Aborder le modèle du Big Bang Dans l’ordre chronologique, les particules apparues dans l’Univers sont : les protons, les noyaux d’hydrogène, les atomes d’hydrogène. Découvrir la formation de l’Univers Les atomes formés au début de la formation de l’Univers sont ceux d’hydrogène et d’hélium. Les atomes d’oxygène, de carbone, de fer et de silicium se sont formés dans les étoiles.

134

Thème 1

44 

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

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42 

10–10 m

EX ER CI CE S

Se perfectionner 45 

Une bonne journée La période de rotation de Jupiter est de 10 h. La durée d’une nuit plus la durée du jour sur Jupiter correspondent donc à 10 h. Lors d’un équinoxe, les durées du jour et de la nuit sont égales. La durée du jour sur Jupiter lors d’un équinoxe est donc de 5 h.

Comparaison de quelques planètes 1. D’après le tableau, c’est la planète Mercure la plus proche du Soleil. 2. La période de révolution d’une planète est d’autant plus grande que la distance de celle-ci au Soleil est importante. 46 

47 

Wich is the fastest ?

Traduction : Quel est le plus rapide ? La Terre et Vénus sont deux planètes du Système solaire. Vénus est plus proche du Soleil que la Terre mais sa période de révolution est plus petite que celle de la Terre. Terre

Venus

Période de révolution

365,25 jours

224,70 jours

Longueur d’une révolution

940 millions de kilomètres

680 millions de kilomètres

Pour calculer la vitesse v, diviser la distance d par la période de révolution t. million de km par jour ← v = d → million de km t → jour

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vTerre = d = 940 = 2,57 millions de km/jour. t 365,25 vVénus = d = 680 = 3,03 millions de km/jour. t 224,70 C’est donc Vénus la plus rapide des deux planètes.

48 

Les comètes

Une vidéo en accès libre montre une comète vue de la Terre. 1. Le terme glace sous-entend dans le texte l’état solide. Ce terme n’est pas ici scientifiquement rigoureux puisque la glace représente l’état solide de l’eau uniquement. 2. Les matériaux qui constituent une comète passent à l’état gazeux lorsque cette dernière se rapproche du Soleil car la lumière provenant du Soleil apporte

p. 136 à 142 du manuel

suffisamment d’énergie pour que ces matériaux passent de l’état solide à l’état gazeux. 3. C’est parce qu’elles sont éclairées par le Soleil que les comètes, constituées de gaz et de poussière, brillent plus que certaines étoiles. 49 

Un alignement dans le ciel

Une vidéo en accès libre issue d’une capture d’écran du logiciel libre Stellarium montre les trois astres vus depuis la Terre et leur alignement dans le ciel. Question posée : Le titre de l’exercice est-il adapté ?

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la signification d’alignement dans l’espace ? 2. Plusieurs objets célestes forment-ils une droite dans le ciel ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le schéma relie la Lune, Saturne et Mars par une droite. 2. Un tableau indique les distances qui séparent ces trois astres de la Terre. 3e étape : Dégager la problématique Est-ce que la Lune, Saturne et Mars sont sur une même droite ? 4e étape : Construire la réponse • Repérer les valeurs des distances à la Terre des trois astres. • Traduire l’alignement des trajectoires par des conditions sur les distances à la Terre des trois astres. • Vérifier si les conditions sur les distances à la Terre des trois astres sont respectées. • Critiquer le titre de l’exercice. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La Lune, Saturne et Mars semblent alignés d’après le schéma de l’exercice. Ces trois astres sont-ils sur une même droite ? • Mettre en forme la réponse. Il existe trois possibilités qui respecteraient cet alignement. On les représente successivement pour les détailler :

Module 3

135

EX ER CI CE S 1re possibilité Lune

Saturne

Mars

Cette 3e possibilité n’est pas valable. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La Lune, Saturne et Mars n’appartiennent pas à une même droite. Ces trois astres ne sont pas alignés. Le titre de l’exercice n’est pas adapté. Grille d’évaluation en fin de module.

Terre

Dans ce cas, les trois astres sont à des distances de la Terre relativement proches les unes des autres. Le tableau indique que les distances à la Terre sont très différentes. Cette 1re possibilité n’est pas valable. 2e possibilité Lune Saturne Mars

50  Jour sidéral 1. En position 1, le Soleil est au zénith pour un lieu à la surface de la Terre indiqué par la flèche verte. Le Soleil est de nouveau au zénith lorsque la Terre est en position 6. Il s’écoule un jour solaire entre les positions 1 et 6 de la Terre. 2. Pour les positions 1 et 5, la flèche verte a la même direction et le même sens. La Terre a effectué une rotation. On observe un jour sidéral entre les positions 1 et 5 de la Terre. 3. Sur la schématisation, le jour sidéral (positions de 1 à 5) est plus court qu’un jour solaire (positions de 1 à 6). À partir des durées proposées, on en déduit qu’un jour sidéral dure 23 h 56 min 4 s et un jour solaire dure 24 h. 51 

Pluton disqualifiée Pluton est sphérique et en orbite autour du Soleil comme les planètes du Système solaire. Sa trajectoire passe dans la ceinture de Kuiper, constituée de milliers d’objets célestes ; elle n’est donc pas seule sur son orbite. Elle ne peut pas être considérée comme une planète.

Dans ce cas, les distances à la Terre de la Lune, de Saturne et de Mars dans cet ordre seraient de plus en plus petites. D’après le tableau, ce n’est pas le cas car Saturne est la plus éloignée. Cette 2e possibilité n’est pas valable.

52 

Les phases de la Lune 1. La Lune est visible depuis la Terre car elle diffuse (renvoie) de la lumière provenant du Soleil. Une partie de cette lumière diffusée atteint la Terre. 2. Premier quartier

3e possibilité Mars Saturne Lune

Terre

Dans ce cas, les distances à la Terre de la Lune, de Saturne et de Mars dans cet ordre seraient de plus en plus grandes. D’après le tableau, ce n’est pas le cas. 136

Thème 1

Lumière du Soleil

N S

Pleine Lune

Nouvelle Lune

Dernier quartier

53  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 : Distance en km

Distance en ua

1,5 × 108

1

d

40

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

Terre

EX ER CI CE S

Se perfectionner

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.

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

54 

Tâche complexe 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 ?

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

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 ? • 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.

S

Opposition

T

M

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.

55 

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 :

Conjonction

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 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

9,5 × 1012 × 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 1,5 × 108 d=

S

Distance en km

Module 3

137

EX ER CI CE S Planète

Distance au Soleil

Jupiter Mercure Terre Uranus

5,2 ua 0,4 ua 1 ua 19 ua

56 

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

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 2,37 × 1014

1 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.

57 

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. 58 

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. 138

Thème 1

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). 59 

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. 60 

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

Distance en al

9,5 × 1012 2,36 × 1014

1 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.

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Le tableau ci-dessous associe à chaque planète sa distance au Soleil.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

61  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.

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. 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. 62  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.

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63 

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).

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 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.

Grille d’évaluation en fin de module. Module 3

139

EX ER CI CE S Tchouri et la naissance du Système solaire

Une vidéo en libre accès présente les découvertes issues de la mission Rosetta. 1. On a découvert de l’oxygène moléculaire, du dioxygène sur Tchouri. 2. Le dioxygène n’existe pas dans l’espace car les rayonnements ultraviolets le cassent. On se demande donc quelle est son origine. Une hypothèse est qu’il se soit formé avant le Système solaire, ce qui remet en cause la constitution du nuage à la base de la formation du Système solaire. 3. Le Système solaire s’est formé il y a 4,6 milliards d’années. 65  L’âge de l’Univers 1. La troisième méthode donne un encadrement de cinq milliards d’années d’écart pour donner l’âge de l’Univers, ce qui est moins précis que la première méthode qui donne un encadrement de 1 milliard d’années. Dans le texte, il n’y a pas d’information sur la précision de la deuxième. 2. Ces méthodes ne se contredisent pas car les estimations qu’elles donnent sont proches les unes des autres. 66 

La fin de l’Univers 1. Les astrophysiciens récompensés d’un prix Nobel de physique en 2011 ont découvert que l’expansion de l’Univers s’accélérait. 2. Ils n’avaient pas du tout anticipé un tel résultat, ils en avaient même un peu peur selon Brian Schmidt. 3. Soit l’Univers poursuit son expansion et il finira glacé car sa température diminue depuis le début de sa formation ; c’est le « Big Freeze ». Soit l’expansion s’arrête et s’inverse, l’Univers redevient alors minuscule, c’est le « Big Crunch ». 67 

What happened to Vénus ?

Traduction Doc.1 Description de la Terre et de Vénus

140

Terre

Vénus

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

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

Thème 1

Doc.2 Vénus inhospitalière Vénus a la même taille et la même composition que la Terre, et reçoit approximativement la même quantité de lumière du Soleil… Alors comment est-elle devenue si inhospitalière ? Nous n’en sommes pas entièrement sûrs… La raison de la situation difficile de Vénus : la planète est juste un peu trop près du Soleil. Ce qui a causé la vaporisation de l’eau. 1. Les deux planètes ont la même taille et la même constitution. Elles ne sont pas à la même distance du Soleil, n’ont pas la même température de surface et n’ont pas la même composition atmosphérique. 2. La vie sur Vénus est impossible car sa température de surface moyenne est trop élevée, 460 °C ; il n’y a pas d’eau et son atmosphère ne contient pas d’oxygène. 68 

Les éruptions solaires

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

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

64 

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 69 

Le noir de la nuit

Une vidéo en libre accès d’Hubert Reeves donne une explication au paradoxe d’Olbers.

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

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

p. 143 du manuel

parvenue car ces étoiles viennent peut-être de se former ou bien parce qu’elles sont très éloignées. L’expansion de l’Univers accentue cet éloignement. 70 

La Voie lactée

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

Module 3

141

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 71 

À chacun son rythme 1. Entre les deux nouvelles Lunes des mois de janvier et février, il s’écoule 29 jours. 2. Entre les deux nouvelles Lunes des mois de février et mars, il s’écoule 30 jours. 3. Sur ces deux mois, la lunaison a une durée de 29,5 jours. 72  Comprendre le vocabulaire 1. Jupiter était le roi des dieux, le maître du ciel et de la Terre. Mars était le dieu de la guerre. Mercure était le dieu des voyageurs et des commerçants. Saturne était le dieu du temps et de l’agriculture. 2. La planète Mercure a été nommée ainsi à cause de la rapidité de son déplacement. 73 

À chacun son rythme

75 

Analyser sa production 1. Le rayon de l’orbite de la Lune est la distance entre la Terre et la Lune, soit environ 400 000 km. 2. La distance parcourue par la Lune lors de sa révolution autour de la Terre est égale au périmètre de son orbite : L = 2 × π × r = 2 × π × 400 000 = 2 513 274 km. La Lune parcourt une distance de 2 513 274 km lorsqu’elle effectue une révolution autour de la Terre. 3. La période de révolution de la Lune autour de la Terre est d’environ 1 mois, soit 30 jours ou 30 × 24 h, soit 720 h . 4. v = d = 2 513 274 = 3 491 km/h. t 720 La vitesse de la Lune sur son orbite est plus grande que celle d’un avion de ligne. Rédiger un compte-rendu

1.

1. Le schéma correspond à une éclipse de Lune. Cette éclipse est totale car la Lune se trouve complètement dans le cône d’ombre de la Terre. 2. Éclipse totale

Terre

Il y a une nouvelle Lune aux positions 1 et 7. La durée d’une lunaison est donc plus grande que la durée de révolution de la Lune autour de la Terre.

76 

Une vidéo en accès libre montre une éclipse totale du Soleil et une éclipse partielle.

p. 144 à 149 du manuel

Étapes de l’éclipse

Numéro de l’étape

Lettre correspondant à la description

Début

1

A

Maximum

2

C

Fin

3

B

2.

L’éclipse est totale dans cette zone car le Soleil est entièrement caché par la Lune

Lune

Cône d’ombre de la Lune

Lune Soleil

Terre

74 

L’éclipse est partielle dans cette zone car le Soleil est en partie caché par la Lune

Pour aller plus loin

77 

naison

6

Lu

Soleil

Révolution de la Terre autour du Soleil

Lune 1

2

Terre

5 4

3 Révolution de la Lune autour de la Terre

Entre les positions 1 et 5, la Lune effectue une révolution autour de la Terre. 142

Thème 1

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. 78 

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.

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

7

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

79 

Comprendre le vocabulaire Les chondrites contiennent des chondres qui sont des corps rocheux de petites dimensions formant de petits grains dans la roche. 80  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.

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

Tâche complexe

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

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 ? 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. 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. 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.

Module 3

143

EX ER CI CE S

82  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

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=

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. 84 

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

83 

À chacun son rythme

Une vidéo en libre accès présente le Big Bang avec l’apparition des différentes particules jusqu’aux corps célestes les plus volumineux. • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Au début de la formation de l’Univers, des nucléons se combinent pour former les premiers noyaux. 2. Les noyaux se combinent aux électrons pour former des atomes. 3. Les premières étoiles se forment dans les galaxies. 4. Par ordre chronologique sont apparus : les électrons et les nucléons (protons et neutrons), les noyaux d’hydrogène et d’hélium, les atomes d’hydrogène et d’hélium, les galaxies, les étoiles, les atomes d’oxygène et de carbone, des noyaux plus complexes, des molécules, des planètes. (Voir la frise ci-dessous.)

Neutron Électron Proton

144

Thème 1

Noyaux d’atomes

Atomes

Galaxies

Étoiles, planètes

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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.

EX ER CI CE S 85 

Accompagnement personnalisé

Pour aller plus loin

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

3,

8

cm

b. La longueur du cercle que décrirait cette étoile serait :  L = 2 × π × r = 2 × π × 3,8 = 23,8 cm. Cette étoile décrirait un cercle de longueur 23,8 cm en 24 heures sur la photographie. En utilisant un tableau de proportionnalité, on obtient : Distance (en cm)

Durée (en h)

23,8

24

0,9

t

D’où t = 0,9 × 24 = 0,91 h, soit environ 54 min. 23,8 Le temps de pose est de l’ordre d’une heure. 86 

À chacun son rythme

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

Une vidéo en accès libre montre des aurores boréales observées depuis l’ISS. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : À quelle distance de la Terre, les satellites utilisés pour la surveillance du Soleil se situent-ils ?

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

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

Module 3

145

EX ER CI CE S 3. On a découvert depuis que l’atome était constitué d’un noyau, lui-même constitué de protons et de neutrons, et d’un ou plusieurs électrons, donc de particules plus petites. On ne peut plus considérer l’atome comme insécable. 88  Analyser sa production 1. Comme une étoile émet sa propre lumière, c’est donc une source primaire. 2. L’année-lumière est une unité de distance. 3. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année. 4. Wenzen est à 1 600 années-lumière de la Terre, soit 1 600 × 9,5 × 1012 = 1,52 × 1016 km. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion : Distance (en km) 9,5 ×

87 

Comprendre du vocabulaire 1. Le mot atome vient du grec « atomos » qui signifie insécable. 2. On peut supposer que les grecs avaient utilisé ce terme, car ils pensaient que l’atome devait être la particule la plus petite, c’est-à-dire que l’on ne pouvait pas diviser.

146

Thème 1

1012

d

Distance (en al) 1 1 600

9,5 × 1012 × 1 600

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

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

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

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 49

Un alignement dans le ciel

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 : Le schéma relie la Lune, Saturne et Mars par une droite (doc.). Le tableau indique les distances qui séparent ces trois astres de la Terre (doc.).

Le problème est formulé en termes scientiIdentifier des questions fiques. Par exemple : de nature scientifique. Ces trois astres sont-ils sur une même droite ? 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.

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 les valeurs des distances à la Terre des trois astres. • Traduire l’alignement des trajectoires par des conditions sur les distances à la Terre des trois astres. • Vérifier si les conditions sur les distances à la Terre des trois astres sont respectées. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 3

147

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 54

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.

148

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 Cycle 4 – 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 63

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • 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

149

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 81

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 ?

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique • 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

150

Thème 1

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.

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 Cycle 4 – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 86

À chacun son rythme – Aurore polaire

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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.

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 3

151

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 • Vitesse : direction, sens et valeur. considérer dans un premier modèle simplifié comme circulaires • Mouvements rectilignes et circulaires. et parcourues à vitesse constante. • Mouvements uniformes et mouvements dont la vitesse varie Comprendre la relativité des mouvements dans des cas simples au cours du temps en direction ou en valeur. (train qui démarre le long d’un quai) et appréhender la notion • Relativité du mouvement dans des cas simples. d’observateur immobile ou en mouvement.

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), a 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.

152

Thème 2

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 Utiliser la relation liant vitesse, distance et durée dans le cas d’un mouvement et durée dans le cas d’un mouvement et durée dans le cas d’un mouvement uniforme.1 uniforme.1 uniforme.2 Mouvements uniformes et mouvements Mouvements uniformes et mouvements dont la vitesse varie au cours du temps dont la vitesse varie au cours du temps en direction ou en valeur. en direction ou en valeur. 1 pour 2 pour

calculer une vitesse 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, 5

Décrire une trajectoire.

4

Calculer une vitesse.

5

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

6

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

8, 9

Comprendre la notion de relativité du mouvement.

2, 3

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

7

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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

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

Module 4

153

AC TIV ITÉ

1 Pourquoi les parachutistes s’entraînent-ils au vol relatif en soufflerie ?

p. 153 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la notion de relativité du mouvement et celle de référentiel, à partir de deux vidéos de vol relatif : en compétition et lors de l’entraînement en soufflerie. Dans la vidéo prise lors de la compétition, la caméra est fixée sur un des « relativeurs », ce qui permet d’observer, du point de vue du spectateur regardant la vidéo, des mouvements similaires à la vidéo prise lors de l’entraînement en soufflerie. Nous avons volontairement mis cette activité en premier, avant une activité d’étude de mouvement ou de mesure de vitesse, la description du référentiel d’étude étant un préalable à la caractérisation d’un mouvement. Vidéos et animations en lien avec l’activité Les deux vidéos sont indispensables à la réalisation de l’activité. Vidéo d'un vol relatif (doc. 1) : Cette vidéo montre une compétition de vol relatif à 4. Vidéo d'un entraînement (doc. 2) : la 2e vidéo présente l’entraînement au vol relatif en soufflerie. 1 Les parachutistes effectuent les mêmes types de figures dans les deux cas. En revanche, les parachutistes

chutent dans la première vidéo, ce qui n’est pas le cas dans la deuxième. 2 Le parachutiste A est immobile par rapport au parachutiste B. 3 Hypothèse : un spectateur au sol voit tomber le parachutiste A. 4 Les parachutistes s’entraînent au vol relatif en soufflerie car ils peuvent effectuer les mêmes figures que lors

d’un saut réel, sans chuter par rapport au sol et pendant des durées plus importantes.

Un pas vers le bilan Il faut préciser par rapport à quel objet de référence on décrit un mouvement, car celui-ci est différent en fonction de l’objet de référence.

Prolongement

154

Thème 2

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

« Relativeur » vient de relatif : cela fait référence à la relativité du mouvement. Les relativeurs peuvent être immobiles, l’un par rapport à l’autre mais en mouvement par rapport au sol.

AC TIV ITÉ

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

p. 154 du manuel

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

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

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

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

La fiche 15 du livret présente le principe du pointage vidéo. Pour pointer deux points d’une même image : • Ouvrir le fichier correspondant au mouvement étudié. • L’échelle à utiliser est la règle noire de 1,50 m de longueur. • Dans la barre de menu, sélectionner Mesures et deux marques par image. • À chaque image, cliquer sur le ballon (point n°1) puis cliquer sur la tête du joueur (point n°2).



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



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

Module 4

155

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



La trajectoire est une portion de courbe.

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



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

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



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



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



1

  Représentation graphique de la trajectoire



156

Thème 2

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

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

lors de la montée du ballon



2

  Représentation graphique de la trajectoire

lors de la descente du ballon



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

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

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

b Les segments sont pour la plupart parallèles entre eux.

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

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



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



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

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

Module 4

157

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi l’orientation des antennes

paraboliques est-elle toujours la même ?

p. 155 du manuel

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

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

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

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

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

Un pas vers le bilan

158

Thème 2

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

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

AC TIV ITÉ

4 Pourquoi utiliser des croquis en EPS ? p. 156 du manuel

Matériel Le document nécessaire à la réalisation de l’activité est à télécharger. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet d’aborder ou de réinvestir la notion de trajectoire. L’élève doit caractériser des trajectoires à partir de croquis de figures de gymnastiques. 1

C

A

Déplacement sur la poutre

Tour arrière à la barre asymétrique

2 La trajectoire



A

Les trajectoires Les trajectoires

B

D

Trépied

E

Saut carpé

Sortie de poutre en extension

est une portion de droite. C et D sont des portions de cercle. B et E sont des portions de courbes quelconques.

3 Lors du mouvement du trépied, le buste et la tête sont immobiles par rapport au sol, contrairement aux pieds.

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

4 Les croquis utilisés en EPS permettent de visualiser les trajectoires optimales à réaliser.

Un pas vers le bilan Un mouvement rectiligne est un mouvement dont la trajectoire est une portion de droite. Un mouvement circulaire est un mouvement dont la trajectoire est une portion de cercle.

Module 4

159

AC TIV ITÉ

5 À quelle vitesse déplacer une caméra pour filmer un 100 m nage libre ?

p. 157 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Compétition de 100 m nage libre (doc. 2) Une vidéo en accès libre est indispensable à la réalisation de l’activité. C’est la finale du 100 m nage libre des championnats du monde de Berlin en 2014, filmée à l’aide de trois caméras. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire permet d’aborder la relation permettant de calculer la vitesse en fonction de la distance parcourue et de la durée du parcours. Elle revient, de manière spiralaire, sur la notion de référentiel. 1 D’après le bloc infos, pour calculer la vitesse d’un objet en mètre par seconde, la distance parcourue doit être

exprimée en mètre et la durée du parcours en seconde. La durée de la course du vainqueur est t = 47,98 s. d La vitesse du vainqueur, en la considérant constante sur la course, est donnée par la relation v =  . t 100 Soit v = = 2,08 m/s. 47,98 Il faut utiliser un chariot qui puisse aller au minimum à cette vitesse. Les deux chariots peuvent être utilisés, car leurs vitesses maximales sont 5 m/s et 17 m/s.

Un pas vers le bilan La vitesse v d’un objet en fonction de la distance d parcourue et de la durée t du parcours s’exprime par la relation : mètre par mètre (m) d v= seconde (s) seconde (m/s) t

Prolongement Le record du monde du 100 m d’athlétisme aux jeux olympiques est de 9,58 s.

d La vitesse du vainqueur, en la considérant constante sur la course, est donnée par la relation v =  . t 100   = 10,44 m/s. Soit v = 9,58 Le chariot Mini Track a une vitesse maximale de 5 m/s. Il ne peut donc pas être utilisé.

160

Thème 2

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

Il faut utiliser le chariot Track qui a une vitesse maximale de 17 m/s.

AC TIV ITÉ

6 Quelles informations apporte une carte des vents ?

p. 158 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.

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

Un pas vers le bilan La valeur de la vitesse d’un objet n’indique ni sa direction ni son sens du déplacement.

Module 4

161

AC TIV ITÉ

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

p. 159 du manuel

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



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

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

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

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



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



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

Un pas vers le bilan

162

Thème 2

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

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

AC TIV ITÉ

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

p. 160 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 15 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.

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

2 Exemple de pointage obtenu :

Module 4

163

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

164

Thème 2

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

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

9 Quand observer la planète Mars dans les meilleures conditions ?

p. 161 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 15 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.

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

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

Module 4

165

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

166

Thème 2

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

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 relativité du mouvement QCM

La vitesse QCM

1  a. et b.

2  b.

4  a. et c.

5  a.

3  a.

6 

Déterminer un référentiel a. La wakeboardeuse est immobile par exemple : – par rapport au wakeboard ; – par rapport au bateau ; – par rapport au câble de traction. b. La wakeboardeuse est en mouvement, par exemple : – par rapport à l’eau ; – par rapport au rivage. 7 

Désigner un référentiel La personne sur le tapis roulant est immobile par rapport au tapis roulant. 8 

Déterminer un référentiel 1. Le mouvement de la Lune est circulaire par rapport au référentiel centre de la Terre. 2. La lune est immobile dans le référentiel Lune. 9  Désigner un référentiel Le pointage A correspond au mouvement du ballon dans le référentiel sol. Le pointage B correspond au mouvement du ballon dans le référentiel gymnaste.

Les trajectoires QCM 10  b. 13 

11  c.

12  b.

Décrire une trajectoire

Une vidéo en accès libre présente les figures des avions de la patrouille de France. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

p. 164 à 168 du manuel

Pour la situation représentée sur cette photographie, les avions laissant une traînée blanche ont une trajectoire rectiligne. Les autres avions ont des trajectoires curvilignes.

15  b.

16  a.

18  b.

19  b.

20  a.

21  c.

17  b. 22  a.

23  a.

24 

Calculer une vitesse Conversion : 1 min = 60 s. d On applique la relation v =  , avec d la distance t parcourue par le paresseux et t la durée du parcours. 10 v =   = 0,17 m/s 60 La vitesse du paresseux est égale à 0,17 mètre par seconde. 25 

Comparer des vitesses d 1. On applique la relation v = avec la vitesse v en km/h t quand la distance d parcourue par Solar Impulse est en km et la durée t du parcours est en h. 2 763 = 58 km/h v= 48 La vitesse de l’avion est égale à 58 kilomètres par heure. 2. Un avion de ligne a une vitesse d’environ 1 000 kilomètres par heure, donc bien supérieure à celle de Solar Impulse. 3. Une voiture peut avoir une vitesse de 58 kilomètres par heure. 26  Comprendre une unité 1. Don Lippincot a parcouru une distance de 9,4 mètres chaque seconde. 2. Le TGV a parcouru 574,8 kilomètres chaque heure. 27 

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. 28 

14 

Identifier une trajectoire Un cavalier a une trajectoire rectiligne par rapport au sol dans la situation n° 2.

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.

Module 4

167

EX ER CI CE S Vérifier une distance 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par les ultrasons en fonction de la durée t de leur parcours et de leur vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s. 2. Les ultrasons parcourent deux fois la distance d séparant la chauve-souris de sa proie, donc la relation est : 2d = v × t ; soit 2d = 340 × 20 × 10–3 = 6,8 m ; donc d = 6,8 = 3,4 m. 2 La chauve-souris et sa proie sont séparées de 3,4 mètres. 30 

Évaluer une distance La relation permettant de calculer la distance d parcourue par le son en fonction de la durée t de son parcours et de sa vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s ; soit d = 340 × 3 = 1 020 m. L’observateur est à 1 020 mètres de l’orage. 31 

Calculer une distance 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par la voiture en fonction de la durée t de son parcours et de sa vitesse v est : d = v × t , où d est exprimée en km si v est exprimée en km/h et t en h ; soit d = 225,23 × 24 = 5 405,5 km. 2. Nombre de tours effectués : 5 405,5 = 396,6 tours. 213,629 La voiture a effectué 396,6 tours en 24 heures. 32  Évaluer une durée La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v du surfeur sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h, d en km et v en km/h ; soit t = 29 = 1,5 h . 20 Il a fallu 1,5  heure au surfeur pour parcourir les 29 kilomètres. 33 

Vérifier une durée 1. La relation permettant de calculer la distance d parcourue par les ultrasons en fonction de la durée t de leur parcours et de leur vitesse v de propagation est : d = v × t , où d est exprimée en m si v est exprimée en m/s et t en s. 168

Thème 2

2. La lumière laser parcourt deux fois la distance D séparant la Terre de la Lune. 2 × 3,84 × 105  ; d’où t = 2,56 s. Donc t = 2D, soit t = v 3 × 105 On obtient bien la durée annoncée dans l’exercice. 34 

Calculer une durée La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v de propagation de la lumière sont liées par la relation : t=d, v où t est exprimée en h, d en km et v en km/h ; 1,5 × 108 soit t = = 500 s. 3 × 105 La lumière met 500  secondes, soit 8 minutes et 20 secondes, pour nous parvenir du Soleil.

Les mouvements QCM 35  a. et c.

36  c.

37  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. 38 

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. 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.

39 

Décrire un mouvement 1. La trajectoire du ballon est curviligne. 2. Sur la chronophotographie, la distance entre deux points successifs diminue pour des intervalles de temps successifs égaux. Donc la vitesse du ballon diminue au cours du mouvement. 3. Le mouvement du ballon est curviligne décéléré.

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

29 

EX ER CI CE S

Se perfectionner 40  Des ascenseurs rapides 1. La trajectoire des ascenseurs par rapport au sol est une portion de droite : le mouvement est rectiligne. d 2. On applique la formule v =  , avec d la distance t parcourue par l’ascenseur en m et t la durée du parcours en s. 383 = 10,4 m/s v= 37 La vitesse est égale à 10,4 mètres par seconde. 3. La vitesse est bien inférieure à celle annoncée. C’est la vitesse sur l’ensemble du parcours. Or l’ascenseur a au départ et à l’arrivée une vitesse nulle. La vitesse annoncée est certainement la vitesse maximale. 41 

Lancer de Vortex Dans l’édition 01, le schéma est erroné. Le schéma correct, rétabli dans l'édition 02, est le suivant :

1. On étudie le mouvement du Vortex par rapport au sol. 2. La trajectoire est une portion de courbe. Le mouvement est donc curviligne. 3. Sur la chronophotographie, la distance entre deux points successifs varie pour des intervalles de temps successifs égaux. Elle est plus grande au début qu’au milieu du parcours. Donc la vitesse du Vortex varie aussi. 42  Aussi rapide que la Lune

3e étape : Dégager la problématique Quelle est la vitesse de la Lune par rapport au centre de la Terre au cours de sa révolution ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance parcourue par la Lune lors d’une révolution. • Calculer la vitesse de la Lune lors d’une révolution. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La Lune tourne autour de la Terre. Quelle est la vitesse de la Lune par rapport au centre de la Terre lors de cette révolution ? • Mettre en forme la réponse. La distance d parcourue par la Lune lors d’une révolution est : d = 2 × π × r = 2 × π × 384 000 = 2 412 743 km (doc. 1 et 2) Durée t d’une révolution de la Lune est  : t = 27,3 jours = 27,3 × 24 = 655,2 h (doc. 1) d On applique la relation v = avec la vitesse v en km/h t lorsque la distance d est en km et la durée t est en s : 2 412 743 v= = 3 682 km/h 655,2 • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. La vitesse de la Lune par rapport au centre de la Terre est de 3 682 kilomètres par heure. Grille d’évaluation en fin de module.

43 

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée Quelles données permettent de calculer la vitesse de la Lune ? © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

p. 169 à 178 du manuel

2e étape : Lire et comprendre les documents Pour calculer la vitesse de la Lune par rapport au centre de la Terre, il faut connaître la distance que la Lune parcourt et la durée de ce parcours. On sait que la Lune effectue une révolution autour de la Terre en 27,3 jours (doc. 1). Il faut donc calculer la distance parcourue pendant cette durée : c’est le périmètre de sa trajectoire circulaire de rayon r = 384 000 km (doc. 1). Il est donné par : L = 2 × π × r (doc. 2).

La chronophotographie La trajectoire de la personne par rapport au sol est une portion de courbe, donc son mouvement est curviligne. 44 

Ravitaillement en vol

Une vidéo en accès libre montre un ravitaillement en vol d’un avion de chasse. 1. L’avion de chasse est immobile par rapport à l’avion ravitailleur au cours du ravitaillement. 2. Dans ce référentiel, l’avion est immobile, donc sa vitesse est nulle. 3. Par rapport au sol, la vitesse de l’avion de chasse est la même que celle de l’avion ravitailleur, donc 500 kilomètres par heure.

Module 4

169

EX ER CI CE S Nœud marin

Une vidéo en accès libre montre le fonctionnement d’un loch à bateau. 1. La planchette flottait sur l’eau, immobile par rapport à l’eau, alors que le bateau était en mouvement par rapport à l’eau, donc le cordage, qui reliait le marin à la planchette, filait entre les doigts. 2. Pour mesurer une vitesse, il faut mesurer une distance parcourue et la durée du parcours. Le sablier permet de mesurer une durée. Le nombre de nœuds permet de mesurer la distance parcourue. On mesure donc une distance parcourue pendant une certaine durée : il s’agit d’une vitesse. 46 

Cascade !

Une vidéo en accès libre est l’extrait de l’émission « On n’est pas que des cobayes » d’où est tiré cet exercice. 1. La voiture peut monter sur la remorque, car par rapport au sol elle a une vitesse supérieure à celle de la remorque. 2. Si elle ne freine pas, la voiture continue d’avancer, car elle est en mouvement par rapport à la remorque. 47 

Sun’s path in the sky

Traduction : Le trajet du Soleil dans le ciel Le Soleil semble se lever à l’est et se coucher à l’ouest. En réalité, la Terre tourne autour de son axe et autour du Soleil. 1. La trajectoire du Soleil est représentée par rapport à la Terre. 2. La Terre tourne autour de son axe. Ce mouvement de rotation permet d’expliquer l’alternance des jours et des nuits. 3. La trajectoire de la Terre par rapport au Soleil est un cercle : son mouvement est circulaire. 48 

La fusée Ariane

Une vidéo en accès libre montre un décollage de la fusée Ariane 5. 1. La trajectoire de la fusée est décrite par rapport au sol. 2. La trajectoire de la fusée est une portion de droite pendant la première phase du lancement : le mouvement est alors rectiligne. 3. La trajectoire est une portion de courbe pendant la deuxième phase du lancement : son mouvement est alors curviligne. d 4. On applique la formule v =  , avec la vitesse v en t km/s si la distance d parcourue par la fusée est en km et la durée t du parcours est en s. 200 = 9,52 km/s v= 21 170

Thème 2

La vitesse d’Ariane 5 est de 9,52 kilomètres par seconde au moment de la satellisation. 5. a. Les réactifs sont le dihydrogène et le dioxygène. b. Le produit est la vapeur d’eau. 49 

Course Marseille-Cassis 1. Calcul de la vitesse du 1er coureur : d On applique la formule v = avec la vitesse v en t km/min si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en min. d 10 = 0,2 km/min v= = t 50 er La vitesse du 1 coureur est égale à 0,2 kilomètre par minute. Calcul de la vitesse du 2e coureur : d 10 = 0,21 km/min v= = t 47 La vitesse du 2e coureur est égale à 0,21 kilomètre par minute. 2. Les deux coureurs ont mis la même durée de 1 h 30 min pour parcourir les 18 km. Conversions : 1 h 30 min = 60 + 30 = 90 minutes Calcul de la vitesse sur l’ensemble de la course. d 18 v= = = 0,2 km/min t 90 La vitesse des deux coureurs sur l’ensemble de la course est de 0,2 kilomètre par minute. 3. Le 1er coureur va moins vite que le 2e coureur pendant la première partie de la course. Or les vitesses des deux coureurs sont identiques sur l’ensemble de la course. Le 1er coureur a donc couru plus vite que le 2e coureur sur la deuxième partie de la course. 50 

Tour de France 1. Le cycliste est immobile par rapport à son vélo. 2. Il est en mouvement, par exemple par rapport au sol. Il l’est aussi par rapport aux spectateurs ou autres cycliste qui roulent à des vitesses différentes. d 3. On applique la formule v = avec la vitesse v en t km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h . Conversion : 4 h 30 min = 4,5 h d 209 v= = = 46,4 km/h t 4,5 La vitesse de Peter Sagan est de 46,4 kilomètres par heure sur l’ensemble du parcours. 51 

Coucher de Lune 1. La trajectoire de la Lune est une portion de droite sur cette photographie : le mouvement est rectiligne. 2. Le mouvement est décrit par rapport au sol. 3. La trajectoire de la Lune est un cercle par rapport au centre de la Terre : le mouvement est circulaire.

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

45 

EX ER CI CE S 52 

L’orage 1. La vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde. La durée pour parcourir une distance de quelques kilomètres peut être considérée comme instantanée pour un observateur. d 2. On applique la formule v =  , avec la vitesse v en t m/s si la distance d parcourue est en m et la durée t du parcours est en s. Conversion : 3 km = 3 000 m. d 3 000 v= = = 333 m/s t 9 La vitesse du son dans l’air est de 333 mètres par seconde. 53 

Le Valravn

Une vidéo en accès libre, filmée d’une voiture du grand huit, illustre cet exercice. 1. Certaines portions de la trajectoire semblent rectilignes (montée à gauche de l’image par exemple), d’autres sont curvilignes. d 2. On applique la formule v = avec la vitesse v en t km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h . Conversions : 1 000 m = 1 km. 2 min = 0,033 h d 1 v= = ≈ 30 km/h t 0,033 La vitesse sur l’ensemble du parcours est de 30 kilomètres par heure. 3. La vitesse, bien inférieure à celle annoncée, est celle sur l’ensemble du parcours. Celle annoncée est certainement la vitesse maximale atteinte. 54 

Un satellite de la Terre

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

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

Se perfectionner

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. 55 

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 . 56 

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. 57 

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.

Module 4

171

EX ER CI CE S 58 

La Terre comme une fusée Tâche complexe Question posée : La Terre se déplace-t-elle plus vite par rapport au Soleil qu’une navette spatiale par rapport à la Terre ? 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 ? 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.

59  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. 60  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. Temps de propagation (en min)

14

Ondes S

12 10 8

Ondes P

6

Grille d’évaluation en fin de module. 172

Thème 2

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 = = 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 = 5,6 km/s. On a donc de même v = = 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 Donc v =

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

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.

EX ER CI CE S

Se perfectionner

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)

61 

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

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. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

• 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.

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.

Grille d’évaluation en fin de module.

62 

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 = = = 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. v=

63  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 = 19 km/s v= = 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. Module 4

173

EX ER CI CE S

64 

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. 65 

Un ouragan

Une page internet avec une vidéo en accès libre présente l’ouragan Sandy. 1. 22 km/h est la vitesse de déplacement de l’ouragan. 120 km/h correspond à la vitesse des vents dans l’ouragan. 2. Si les scientifiques connaissent la vitesse de déplacement v de l’ouragan et sa distance d par rapport aux côtes, alors la relation t = d, où t est exprimée en h, d v en km et v en km/h, permet de calculer la durée t au bout de laquelle l’ouragan va arriver sur les côtes. 3. t = 930 = 42,3 heures, soit 42 heures et 18 minutes. 22 À partir du 28 octobre à 1 heure du matin, l’ouragan mettra environ 42 heures pour atteindre les côtes. 42 heures = 24 heures + 18 heures. L’ouragan atteindra les côtes le 29 octobre un peu après 19 heures. 66  En route ! 1. La durée t du trajet, la distance d parcourue et la vitesse v de la voiture sont liées par la relation : t = d, v  où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. La distance est affichée sur l’écran du GPS : d = 234 km. t = 234 = 1,8 heure, soit 1 h 48 min. 130 2. Durée tGPS de déplacement prévue par le GPS : tGPS = 12 h 08 – 9 h 30 = 2 h 38 min.

La durée prévue par le GPS ne correspond pas à la durée calculée. 3. La différence entre ces deux durées est due au fait que le GPS tient compte du fait que la voiture ne peut pas rouler constamment à la vitesse de 130 km/h. 67  Les foulées du Gois 1. Le vainqueur a couru en 24 min 55 s. 24 min 55 s = 24 × 60 + 55 = 1 495 s. 2. La vitesse v du coureur, la durée t de la course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d, t  où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s. Soit v = 8 000 = 5,35 m/s. 1 495 3. Pour comparer les deux vitesses, il faut qu’elles soient exprimées dans la même unité. Pour convertir une vitesse exprimée en m/s en km/h, il faut la multiplier par 3,6. 5,35 m/s = 5,35 × 3,6 = 19,3 km/h. La valeur calculée de la vitesse confirme la valeur affichée de la vitesse. 68  Voyager vers l’ISS 1. La vitesse de 28 000 km/h est mesurée dans le référentiel centre de la Terre. La vitesse de 7 cm/s est mesurée par rapport au référentiel ISS. 2. Par rapport à la Station spatiale ISS, la fusée est immobile lorsqu’elle est arrimée à l’ISS. 3. Lorsqu’elle est arrimée à la station spatiale ISS, la fusée a le même mouvement que la station spatiale, c’est-à-dire un mouvement circulaire par rapport au centre de la Terre. 4. Le mouvement d’un objet est relatif, car il dépend du référentiel choisi. 69 

Rouler à l’économie

Une vidéo en accès libre présente l’Eco-marathon Shell. 1. La durée t de la course, la distance d parcourue et la vitesse v de la voiture sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en 8 × 2,250 km/h ; soit t =  = 0,72 heure. 25 0,72 × 60 = 43,2 min. La course a duré 43 minutes environ. 2. La voiture parcourt 18 km avec 7,83 mL d’essence, soit 0,007 83 L. La distance pouvant être parcourue avec 1 L s’obtient par proportionnalité : Volume de carburant

Distance

0,007 83 L

18 km

1 L

d km

Avec 1 L, elle parcourt 174

Thème 2

18 × 1 = 2 299 km. 0,00783

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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.

EX ER CI CE S 70 

Les baïnes La durée t mise par le baigneur pour être emporté sur une distance d de 400 m à la vitesse v de 1,5 m/s est donnée par la relation : t = d , v où t est exprimée en s si d est exprimée en m et v en m/s ; soit t = 400 = 267 s. 1,5 Au bout de 267 secondes, le baigneur emporté se trouve à 400 mètres au large. La vitesse v d’Adam Peaty, la durée t de la course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , v où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 100 = 1,75 m/s. 57,13à la vitesse d’Adam Peaty ne serait Un nageur nageant pas emporté car sa vitesse de natation est plus élevée que celle du courant.

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71 

Le 400 m à Rio 1. Christophe Lemaitre a couru le 100 m en 10,07 s. S’il avait couru le 200 m à la même vitesse son temps aurait été 2 × 10,07 = 20,14 s. Or son temps sur le 200 m a été 20,12 s. Il a donc couru le 200 m à une plus grande vitesse que le 100 m. 2. La vitesse v de Christophe Lemaitre, la durée t de sa course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 200 = 9,94 m/s. 20,12 La vitesse v de Wayde van Niekerk, la durée t de sa course et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en m/s si d est exprimée en m et t en s ; soit v = 400 = 9,3 m/s. 43,03 La vitesse calculée de Christophe Lemaitre soit 9,94 m/s est supérieure à la vitesse de Wayde van Niekerk. Donc Christophe Lemaitre aurait été champion olympique s’il avait couru le 400 m à cette vitesse. 72 

The International Space Station

Traduction : La Station spatiale internationale vole à une altitude de 340 km et à très grande vitesse. À 28 800 km/h, il faut environ 1,5 heure pour faire une révolution complète autour de la Terre. Les astronautes qui travaillent et vivent sur la station peuvent voir 16 levers et couchers de soleil tous les jours. 1. Calcul de la distance d parcourue lors d’une révolution de la station ISS : d = 2 × π × r ;

Se perfectionner

soit d = 2 × π × (340 + 6 370) = 42 160 km. La durée t de la révolution, la distance d parcourue et la vitesse v de la station ISS sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. t = d ; soit t = 42 160 = 1,5 heure. v 28 000 La durée d’une révolution est de 1,5 heure, on retrouve donc bien la durée donnée dans le texte. 2. Nombre de tours de la Terre par 24 heures : 24 = 16. 1,5 En 24 heures, les astronautes font 16 fois le tour de la Terre. Ils voient donc 16 levers et 16 couchers de Soleil. 73 

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

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

175

EX ER CI CE S 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance de réaction du conducteur. • Calculer la distance de freinage du véhicule. • En déduire la distance d’arrêt.

• La distance d’arrêt dA est donnée par la relation : dA = dR + dF ; dA = 50 + 25 = 75 m.

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un véhicule roulant à 90 km/h est à 80 mètres d’un feu rouge. Pourra-t-il s’arrêter à ce feu rouge ?

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La voiture s’arrêtera après 75 mètres. Or elle est à 80 mètres du feu rouge. Elle pourra donc s’arrêter si le conducteur a une vigilance normale.

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

176

Thème 2

Si la route est mouillée, ce ne sera pas le cas. En effet, pour la même vitesse, la distance de freinage est proche de 90 mètres. En ajoutant la distance de réaction, qui est toujours de 25 mètres, on obtient une distance supérieure à 80 mètres. Grille d’évaluation en fin de module.

74 

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

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• Mettre en forme la réponse. • La distance d’arrêt dA nécessaire pour que le conducteur s’arrête se décompose entre la distance de réaction dR et la distance de freinage dF (doc. 1). Il faut une seconde au conducteur dont la vigilance est normale pour commencer à freiner. Sa distance de réaction dR est donnée par la relation égale à : dR = v × tR.

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 75 

L’expérience de Galilée

Une vidéo en accès libre retrace l’expérience de Galilée.

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

p. 179 du manuel

4. La durée t du parcours de la bille, la distance d parcourue et la vitesse v de la bille sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en s si d est exprimée en m et v en m/s ; soit t = 1,0 = 0,4 s. 2,5 La bille parcourt une distance de 1  mètre en 0,4 seconde. 76 

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

Module 4

177

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé À chacun son rythme – Les radars tronçons

• Corrigé de l’énoncé compact

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quelle voiture s’agit-il ? 2. Pourquoi le conducteur peut-il recevoir une contravention ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Il s’agit d’une voiture qui circule sur une autoroute (texte de l’exercice). 2. Le conducteur peut recevoir une contravention si la vitesse dépasse la vitesse limite autorisée de 130 km/h (texte de l’exercice). 3e étape : Dégager la problématique La vitesse du véhicule est-elle supérieure à la vitesse limite autorisée ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la durée mise pour parcourir les 12 kilomètres. • Calculer la vitesse du véhicule sur cette distance parcourue. • Comparer la vitesse à la vitesse maximale autorisée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un véhicule circule sur une autoroute. On veut savoir si le conducteur va recevoir une contravention. Ce sera le cas si la vitesse du véhicule est supérieure à la vitesse maximale autorisée. • Mettre en forme la réponse. La durée du parcours est de 16 h 54 min – 16 h 48 min = 6 min (données). La durée mise pour parcourir les 12 kilomètres est de 6 minutes. d Pour calculer la vitesse, on applique la formule v = t avec la vitesse v en km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h. Avant de l’utiliser, il faut convertir la durée en heure : 6 min = 0,1 h. La vitesse est alors : d 12 v= = = 120 km/h t 0,1 La vitesse est de 120 kilomètres par heure. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Sur le tronçon de 12 km, le véhicule a eu une vitesse de 120 km/h, soit inférieure à la vitesse maximale autorisée de 130 km/h donc le conducteur n’est pas en infraction : il ne recevra pas de contravention. Grille d’évaluation en fin de module. 178

Thème 2

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Durée : 16 h 54 min – 16 h 48 min = 6 min Conversion : 6 min = = 0,1 h. La durée mise pour parcourir les 12 km est de 0,1 heure. d 2. Pour calculer la vitesse, on applique la formule v = t avec la vitesse v en km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h. 12 Donc v = = 120 km/h. 0,1 La vitesse est de 120 kilomètres par heure. 3. La vitesse maximale autorisée est de 130 kilomètres par heure, donc supérieure à la vitesse du véhicule qui est de 120 kilomètres par heure. 4. Le conducteur n’est pas en infraction et ne va pas recevoir de contravention. 78 

Expliquer une observation Nous constatons que le public est vu flou alors que les coureurs sont nets donc l’appareil photo s’est déplacé à la même vitesse que les coureurs. 79 

À chacun son rythme – Le pari de Phileas Fogg

• Corrigé de l’énoncé compact

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qui est Philéas Fogg ? 2. De quel pari s’agit-il ? 3. Comment peut-il gagner ce pari ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Phileas Fogg est le héros d’un roman de Jules Verne de la fin du XIXe siècle (doc. 1). 2. Phileas Fogg parie d’effectuer le tour de la Terre en 80 jours (doc. 1). 3. Pour gagner ce pari, il peut emprunter différents moyens de locomotion (train, éléphant, navire, ballon) (doc. 1 et 3). 3e étape : Dégager la problématique Quelle doit être la vitesse de Phileas Fogg pour effectuer le tour du monde en 80 jours ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance à parcourir. • Calculer la vitesse pour parcourir cette distance en 80 jours. • Comparer la vitesse aux vitesses des différents véhicules à la disposition de Phileas Fogg à l’époque où se situe le roman. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Phileas Fogg a fait le pari de faire le tour du monde en moins de 80 jours.

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77 

p. 180 à 185 du manuel

EX ER CI CE S Quelle doit être la vitesse de Phileas Fogg pour qu’il réussisse son pari ? • Mettre en forme la réponse. La Terre a un rayon de 6 370 km. Le périmètre de la Terre à l’équateur a donc une longueur : L = 2 × π × r = 2 × π × 6 370 = 40 024 km (doc. 1). Phileas Fogg doit donc parcourir une distance de 40 024 kilomètres s’il fait le tour du monde au niveau de l’équateur. d Pour calculer sa vitesse, on applique la formule v = t avec la vitesse v en km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h. Avant cela, il faut convertir la durée en heures : 80 jours = 80 × 24 = 1 920 h. d 40 024 Donc v = = = 20,85 km/h. t 1 920 Pour faire le tour du monde en 80 jours, il doit avoir une vitesse de 20,85 kilomètres par heure. Le train ou le bateau ont une vitesse supérieure à 20 km/h. (doc. 3) • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le pari est réalisable, mais les temps de repos vont allonger la durée de son trajet. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L = 2 × π × r = 2 × π × 6 370 = 40 024 km d 2. Pour calculer sa vitesse on applique la formule v = t avec la vitesse v en km/h si la distance d parcourue est en km et la durée t du parcours est en h. Avant cela il faut convertir la durée en heures : 80 jours = 80 × 24 = 1 920 h. d 40 024 Donc v = = ≈ 20,85 km/h. t 1 920 3. Le train ou le bateau ont une vitesse supérieure à 20 km/h. 4. Le pari est réalisable, mais les temps de repos vont allonger la durée de son trajet.

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80 

Analyser sa production

Une vidéo en accès libre montre l’utilisation de la tyrolienne d’Orcières-Merlette. 1. La relation reliant la vitesse v d’un objet, la distance d qu’il parcourt et la durée t du parcours est : mètre par mètre (m) d v= seconde (s) seconde (m/s) t 2. Avant cela il faut convertir la durée en secondes : 1 min 30 s = 90 s. d 1 870 Alors v = = = 20,77 m/s. t 90 La vitesse de la tyrolienne sur l’ensemble du parcours est de 20,77 mètres par seconde. 3. La vitesse est inférieure à celle annoncée dans le texte (36 m/s).

Accompagnement personnalisé

4. La vitesse annoncée est la vitesse maximale, or la tyrolienne démarre avec une vitesse nulle. La vitesse sur l’ensemble du parcours est donc inférieure à la vitesse maximale. 81  Comprendre le vocabulaire L’adjectif « curviligne » signifie que le trajet forme une ligne courbe. 82  Comprendre le vocabulaire 1. Instrument de précision destiné à mesurer une durée : c’est le chronomètre. 2. Se dit d’un classement par ordre de dates.  : chronologique. 3. Se dit d’une maladie qui dure longtemps  : chronique. 83  Pour aller plus loin 1. Les étoiles sont en mouvement par rapport à la Terre. 2. Le mouvement de la Terre autour de son axe est circulaire. La trajectoire apparente des étoiles dans le référentiel Terre est donc un cercle. 84 

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. 85 

Comprendre le vocabulaire Cette voiture prend la direction du centre-ville. Dans cette phrase, on assimile à tort la direction au sens. 86  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. Module 4

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EX ER CI CE S

88 

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. 89  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. 90 

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). 180

Thème 2

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. 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. Grille d’évaluation en fin de module.

• 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.

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87  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.

EX ER CI CE S 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. 91 

À chacun son rythme • Corrigé de l'énoncé détaillé 1. La Terre met 24 heures pour effectuer un tour sur elle-même, donc t = 24 h. 2. La distance d parcourue par un point de l’équateur est donnée par la relation : d = 2 × π × RT. Soit d = 2 × π × 6 370 = 40 024 km. La distance parcourue est de 40 024 kilomètres. 3. La vitesse v d’un point situé sur l’Équateur, la durée t d’un tour de la Terre sur elle-même et la distance d parcourue sont liées par la relation : v = d , t où v est exprimée en km/h si d est exprimée en km et t en h . 4. Soit v = 40 024 = 1 668 km/h. 24 La vitesse d’un point situé sur l’équateur par rapport au centre de la Terre est égale à 1 668 kilomètres par heure. 92  Comprendre le vocabulaire 1. Le cinématographe signifie écrire le mouvement. 2. Le kinétoscope signifie observer le mouvement. L’énergie d’un objet en mouvement se nomme l’énergie cinétique.

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

93 

Analyser sa production 1. d = 1 200 × 9,5 × 1012 = 1,14 × 1016 km. Kepler-62 f est à 1,14 × 1016 kilomètres de la Terre. 2. La durée t de déplacement d’un objet, la distance d parcourue et sa vitesse v sont liées par la relation : t = d , v où t est exprimée en h si d est exprimée en km et v en km/h. 1,14 × 1016 3. t = d  = v 40 000 t = 2,85 × 1011 heures ; 2,85 × 1011 = 3,25 × 107 années. soit 24 × 365 Il faudrait plus de 32 millions d’années pour atteindre Kepler-62f.

Accompagnement personnalisé

4. L’espérance de vie d’un homme est de l’ordre de 80 ans. Aucun homme embarquant dans une fusée ne pourrait atteindre Kepler-62f. 94 

À chacun son rythme

Tâche complexe

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

181

EX ER CI CE S

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

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

Thème 2

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

B

d

À chacun son rythme

Une vidéo en accès libre présente la victoire d’Armel Le Cléac’h lors de l’édition 2016-2017 du Vendée Globe.

182

96 

A

3m

C

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

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95 

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

3m

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

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 42

Aussi rapide que la Lune

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Lire et comprendre des documents scientifiques.

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 : La période de révolution de la Lune autour de la Terre en 27,3 jours (doc. 1). Le rayon de la trajectoire de la Lune est de 384 000 km (doc. 1). Le périmètre d’un cercle de rayon r est L = 2 × π × r (doc. 2).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Quelle est la vitesse de la Lune par rapport au centre de la Terre au cours de sa révolution ?

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 parcourue par la Lune lors d'une révolution • Calculer la vitesse pour parcourir cette distance. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation L = 2 × π × r. • Utilisation de la relation d = 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

183

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 58

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 ?

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

184

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 Cycle 4 – 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 : • 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.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 61

Les tsunamis

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : 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.

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

185

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 73

La sécurité routière

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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. 2 : Le temps de réaction est le temps qui s’écoule entre le moment où le conducteur voit le danger et le moment où il appuie sur la pédale de frein. Le temps de réaction dépend de la vigilance du conducteur. Il est évalué à environ 1 seconde si la vigilance est normale. Doc. 1 : La distance parcourue par la voiture à partir du moment où le conducteur voit le feu rouge jusqu’à l’arrêt de la voiture est la distance d’arrêt. C’est la somme de la distance de réaction et de la distance de freinage. Doc. 2 : La distance de réaction est la distance parcourue pendant le temps de réaction. Ce temps est évalué à 1 seconde pour un conducteur ayant une vigilance normale. Doc. 3 : La distance de freinage dépend de la vitesse et de l’état de la route.

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique. 186

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

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

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 77

À chacun son rythme – Les radars tronçons

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 scientifiques.

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 : Le conducteur est en infraction si la vitesse dépasse la vitesse limite autorisée de 130 km/h (données).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. La vitesse du véhicule est-elle supérieure à la vitesse limite autorisée ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 : • Calculer la durée mise pour parcourir les 12 kilomètres. • Calculer la vitesse du véhicule sur cette distance parcourue. • Comparer la vitesse à la vitesse maximale autorisée. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expresPasser d’une forme sions littérales sont données, les calculs de langage scientifique sont justes et les unités sont cohérentes. à une autre. Utilisation de la relation : d = 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. La réponse revient sur la problématique.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 4

187

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 79

À chacun son rythme – Le pari de Phileas Fogg

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 scientifiques.

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 : Phileas Fogg parie d’effectuer le tour de la Terre en 80 jours (doc. 1). Pour gagner ce pari, il peut emprunter différents moyens de locomotion (train, éléphant, navire, ballon) (doc. 3).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle doit être la vitesse de Phileas de nature scientifique. Fogg pour effectuer le tour du monde en 80 jours ?

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme cohérentes. de langage scientifique • Utilisation de la relation : à une autre. L=2×π×r • Utilisation de la relation : d=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.

188

Thème 2

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la distance à parcourir. • Calculer la vitesse pour parcourir cette distance en 80 jours. • Comparer la vitesse aux vitesses des différents véhicules à sa disposition à l’époque où se situe le roman. • 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. La réponse revient sur la problématique.

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 90

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

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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.

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

189

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 94

À chacun son rythme – Excès de vitesse sur autoroute

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.

Pratiquer des démarches scientifiques.

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 : Données : La Prévention Routière affirme que sur 100 km, rouler à 140 km/h plutôt qu’à 130  km/h fait gagner 3  minutes seulement.

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

190

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 Cycle 4 – Livre du professeur

Domaines du socle

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.

192

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

193

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.

MF

MS

Activités

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

Identifier l’interaction gravitationnelle.

2, 3, 5

Définir une interaction.

2, 4, 6

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

5

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

7

Identifier une force de contact ou à distance.

8

Modéliser une action par une force. Définir le poids et son expression P = mg. Calculer le poids d’un objet. Identifier les effets d’une ou deux forces sur le mouvement d’un objet.  Schématiser une force.

7 9, 10 9 11, 12, 13, 14, 15 11, 12 ,14

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

11, 12

Identifier la force de pesanteur.

13, 14

Définir la loi de gravitation universelle.

15

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.

194

Thème 2

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Compléments pédagogiques

AC TIV ITÉ

1 Comment marquer un but collectif au football ?

p. 187 du manuel

1 Le joueur 17 de l’équipe rouge frappe le ballon qui adopte une trajectoire rectiligne. Son équipier, le joueur 10,

dévie la trajectoire du ballon qui adopte une nouvelle trajectoire rectiligne vers les cages du but adverse. Le joueur 3 de l’équipe bleue dévie à son tour le ballon : le ballon adopte une troisième trajectoire rectiligne vers le but. Le gardien de but de l’équipe bleue ne parvient pas à arrêter ou dévier le mouvement du ballon. 2 • Première portion de la trajectoire (du joueur 17 au joueur 10) : le pied du joueur 17 exerce une action sur le



ballon. Il modifie ainsi la trajectoire mais aussi la vitesse du ballon. • Deuxième portion de la trajectoire (du joueur 10 au joueur 3) : le pied du joueur 10 exerce une action sur le ballon. Il modifie ainsi la trajectoire mais aussi la vitesse du ballon. • Troisième portion de la trajectoire (du joueur 3 au but) : le pied du joueur 3 exerce une action sur le ballon. Il modifie ainsi la trajectoire, mais aussi la vitesse du ballon. 3 Les actions exercées par les pieds sur le ballon ont pu en modifier la forme. 4 Pour marquer un but collectif au football, les joueurs doivent exercer une succession d’actions qui modifient le

mouvement du ballon (trajectoire et/ou vitesse) afin que le dernier mouvement du ballon lui fasse passer la ligne de but.

Un pas vers le bilan

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Les effets possibles d’une action sont : • la modification du mouvement (trajectoire et/ou vitesse) de l’objet (c’est par exemple ce qui se passe quand le pied d’un joueur de football frappe dans un ballon initialement immobile ou quand il heurte et dévie un ballon initialement en mouvement). • la déformation (permanente ou pas) de l’objet (c’est par exemple le cas lorsque le ballon rencontre le filet des cages de but, le choc du ballon contre le filet déforme le filet ; c’est aussi le cas lorsque le pied déforme le ballon).

Module 5

195

AC TIV ITÉ

2 Quelle action permet à un ballon de basket de rebondir ?

p. 188 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Transfert d’énergie (doc. 3) Une vidéo en accès libre montre au ralenti l’impact d’une balle de tennis contre un obstacle et sa déformation. Cette vidéo, si elle n’est pas indispensable à la réalisation de l’activité, participe à la compréhension du transfert d’énergie qui permet au ballon de basket de rebondir. Prolongement Une vidéo en accès libre montre la chute de différents objets sur une surface molle (gélatine) puis sur une surface dure. Elle est indispensable pour réaliser le prolongement proposé. 1 Position

1

 : Main

Position

2

 : Ballon

Position

3

Terre

Ballon

Terre

 : Sol

Ballon

Terre

2 À proximité de la Terre, il faut toujours prendre en compte l’interaction gravitationnelle. 3 L’action du sol sur le ballon de basket lui permet de rebondir.

Un pas vers le bilan Une interaction est un ensemble de deux actions réciproques : si un objet A exerce une action mécanique sur un objet B, alors l’objet B exerce une action mécanique opposée sur l’objet A. A et B sont alors en interaction.

• Lorsque l’objet est lâché, il possède de l’énergie potentielle de position. Plus la hauteur est élevée, plus cette énergie est grande (voir le module 6). Lors de sa chute vers le sol, la balle acquiert de l’énergie cinétique, due à l’augmentation de sa vitesse. Plus la vitesse est grande, plus cette énergie est grande. Au moment du choc, de l’énergie est transmise à la gélatine qui se déforme. Si une partie de cette énergie est restituée à l’objet, il peut rebondir ou bien se déformer ou se briser au sol sans rebondir. • Une action peut modifier le mouvement (trajectoire et vitesse) de l’objet ou le déformer (jusqu’à la rupture).

196

Thème 2

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Prolongement

AC TIV ITÉ

3 Pourquoi la Lune tourne-t-elle autour de la Terre ?

p. 189 du manuel

Matériel • 2 feuilles de papier. • Tube de Newton (si le professeur n’en possède pas, une vidéo en accès libre peut remplacer la manipulation). Vidéos et animations en lien avec l’activité Le canon de Newton (doc. 2) Une vidéo en accès libre présente une animation sur le canon de Newton. Cette vidéo n’est pas indispensable à l’activité, elle peut se substituer au doc. 2 pour varier la nature des supports pédagogiques et favoriser l’appropriation des informations par des élèves de différents profils d’apprentissage. Le tube de Newton (doc. 3) Une vidéo en accès libre montre une plume tombant dans un tube de newton. Dans un premier temps, le tube contient de l’air ; dans un second temps, le vide a été fait dans le tube. Cette vidéo est indispensable à la réalisation des questions 3 à 5 de l’activité si l’expérience n’est pas faite en classe. 1 Exemple d’hypothèse : la feuille froissée en boule arrive avant la feuille non froissée. 2 On lâche simultanément, d’une même hauteur, la feuille froissée en boule et la feuille non froissée.



On observe que la feuille froissée en boule arrive au sol la première. 3 Lorsqu’il y a de l’air dans le tube, la plume est soumise à :



• l’action de la Terre (la plume et la Terre sont en interaction gravitationnelle) ; • l’action de l’air. Lorsqu’il n’y a pas d’air dans le tube, la plume est soumise à l’action de la Terre (la plume et la Terre sont en interaction gravitationnelle). 4 La plume tombe dans les deux cas, car elle est en interaction gravitationnelle avec la Terre. 5 Les frottements de l’air ralentissent la feuille et la plume. 6 Selon le doc. 1, la matière qui constitue la Lune a été éjectée avec suffisamment de vitesse (doc. 2) : cela lui a



permis de rester en orbite autour de la Terre. De plus, l’espace pouvant être considéré comme vide, il n’y a pas les frottements de l’air pour ralentir la Lune. On en conclut ainsi que la Lune peut tourner autour de la Terre sans s’arrêter. 7 La Lune tourne autour de la Terre, car elle a une vitesse suffisante et qu’elle ne rencontre pas de matière qui

freine son mouvement.

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Un pas vers le bilan L’interaction gravitationnelle est toujours présente à proximité de la Terre.

Module 5

197

AC TIV ITÉ

4 En rollers, pourquoi recule-t-on quand on pousse quelqu’un ?

p. 190 du manuel

Matériel • Siège à roulettes. • Paire de rollers (le professeur peut éventuellement remplacer les rollers par un deuxième siège à roulettes sur lequel le deuxième élève est assis, les deux sièges se situant alors l’un derrière l’autre). Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Deux démarches différentes sont proposées dans cette activité. En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés par l’enseignant, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée.

Démarche expérimentale 1 L’élève en rollers recule lorsqu’il pousse l’élève sur le siège à roulettes. 2 L’élève qui pousse et celui qui est poussé sont en interaction ; lorsque le premier agit sur le second, récipro-

quement, le second agit sur le premier. 3 La personne en rollers et la personne poussée sont en intéraction. La personne sur le siège pousse autant la

personne en rollers que la personne en rollers pousse celle sur le siège. Donc la personne en rollers recule.

Un pas vers le bilan Une interaction est un ensemble de deux actions qui s’exercent entre deux objets en contact ou non. Ces deux actions s’opposent : quand l’objet A agit sur l’objet B, l’objet B agit aussi en même temps sur l’objet A. C’est pourquoi on parle aussi d’actions réciproques.

Démarche de modélisation a

Personne qui pousse

Terre

Sol

Voiture

c La personne en rollers et la personne poussée sont en intéraction. La personne sur le siège pousse autant la

personne en rollers que la personne en rollers pousse celle sur le siège. Donc la personne en rollers recule.

Un pas vers le bilan Une interaction est un ensemble de deux actions qui s’exercent entre deux objets en contact ou non. Ces deux actions s’opposent : quand l’objet A agit sur l’objet B, l’objet B agit aussi en même temps sur l’objet A. C’est pourquoi on parle aussi d’actions réciproques.

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Thème 2

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b L’action de la voiture sur la personne contribue à faire reculer la personne.

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5 Pourquoi un bateau flotte-t-il ? p. 191 du manuel

Matériel • Balance. • Bécher 500 mL (1er protocole). • Bécher 250 mL (2nd protocole). • Petit agitateur en verre ou autre objet « léger » qui coule (au choix de l’enseignant). • Mini mortier en céramique ou autre objet « lourd » qui flotte (au choix de l’enseignant). • Eau. • Pâte à modeler. • Serviette. 1 a. Protocole :



• Mesurer la masse de chacun des objets choisis. • Verser l’eau dans un bécher de 500 mL. • Introduire chacun des objets dans le bécher. Observer.

Exemples d’observations avec un agitateur en verre et un petit mortier : • magitateur en verre = 1,8 g ; mmini mortier = 39,2 g • L’agitateur en verre coule. Le niveau de l’eau monte légèrement. • Le mini mortier flotte. Le niveau de l’eau monte d’environ 40 mL. Remarque : manipuler doucement pour ne pas mettre d’eau à l’intérieur du mortier. b. Dans la proposition IV d’Archimède, l’expression « plus léger » peut-être remplacée par « moins dense » : « Tout corps solide moins dense que le liquide… » 2 Exemples d’observations



Expérience réalisée avec 60 g de pâte à modeler du commerce : • La pâte à modeler sous la forme d’une boule coule et le niveau de l’eau monte d’environ 40 mL. • La pâte à modeler en forme de demi-sphère flotte et le niveau de l’eau monte d’environ 60 mL. 3 a. L’eau exerce sur le solide une action dirigée vers le haut. La Terre exerce sur le solide une action dirigée vers



le bas. b. L’action de l’eau sur le solide est répartie sur toute la surface du solide. C’est une action de contact. L’action de la Terre sur le solide est répartie. C’est une action à distance. 4 La pâte à modeler en forme de boule coule, alors que la pâte à modeler en forme de demi-sphère flotte.

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Donc, la pâte à modeler en forme de boule est moins repoussée vers le haut que celle en forme de demi-sphère. Or, le volume déplacé dans le premier cas est plus petit que le volume déplacé dans la deuxième expérience. On en déduit que plus un objet déplace de l'eau, plus il est repoussé vers le haut. Remarques : • Lorsque la pâte est en forme de boule et coule, alors le volume d’eau déplacé est égal au volume de la boule de pâte à modeler : la valeur de la poussée d’Archimède est inférieure à la valeur du poids. • Le volume d’eau déplacé est plus grand lorsque la pâte à modeler a la forme d’une demi-sphère. La valeur de la poussée d’Archimède est alors plus grande que précédemment. La demi-sphère s’enfonce jusqu’à ce que le volume immergé soit suffisant pour que la poussée d’Archimède soit égale à la valeur du poids. 5 Un bateau flotte, car l’action de l’eau qui le pousse vers le haut compense celle de la Terre qui l’attire vers le fond.

Un pas vers le bilan Exemple d’action localisée : action d’une main qui pousse une voiture pour la faire avancer. Exemple d’action répartie : action de l’eau sur la coque d’un bateau. Exemple d’action de contact : action d’une raquette qui frappe une balle. Exemple d’action à distance : action d’un aimant qui attire un trombone.

Module 5

199

AC TIV ITÉ

6 Comment une fusée décolle-t-elle ? p. 192 et 193 du manuel

Matériel • 2 bouteilles de soda en plastique. • Eau. • 4 baguettes de bois. • Ruban adhésif. • Entonnoir. • Bouchon. • Pompe à vélo munie d’une aiguille (préférer une pompe qui repose au sol). • Ciseaux. • Clou. • Carton. Vidéos et animations en lien avec l’activité Fusée à eau (doc. 1) Une vidéo en accès libre montre la réalisation d’une fusée à eau et son lancement dans la cour. La vidéo n’est pas indispensable pour l’activité, mais permet de l’illustrer, surtout si l’expérience n’est pas réalisée. 1 Construction de la fusée



200

Thème 2

Remarques sur le choix du matériel : • utiliser des ciseaux à bouts pointus pour transpercer la bouteille ; on pourra aussi pré-percer la bouteille pour les élèves afin d’éviter les risques ; • utiliser un ruban adhésif à bande large (5 cm) ; • utiliser un carton suffisamment rigide pour la réalisation des ailettes de stabilisation de la fusée ; • pour faciliter la fixation des baguettes au corps de la fusée et qu’elles puissent supporter le poids de la fusée, privilégier des baguettes un peu large comme des bouts morceaux de bambou/roseau ou des baguettes asiatiques (la longueur des baguettes est d’environ 30 cm) ; • il est possible d’utiliser un bouchon en caoutchouc à la place d’un bouchon en liège : sa souplesse permettra une fermeture facilitée de la bouteille, tout en offrant une résistance adaptée à la pression pour la propulsion de la fusée ; • le clou utilisé doit pouvoir traverser le bouchon de part en part sur sa longueur : veiller à ne pas prendre un clou trop large pour que l’aiguille de gonflage puisse être bloquée dans le bouchon et résister à la pression de l’air injecté pendant le gonflage ; • préférer une pompe qui repose au sol : – la pompe qui repose au sol évitera le risque de déstabilisation de la fusée ; – la longueur du tuyau de gonflage limitera les éclaboussures lors de l’envol de la fusée. • Découper l’une des deux bouteilles comme sur le doc. 2, étape 1 ; on n’utilisera pas la base de la bouteille découpée. La deuxième bouteille doit rester intacte pour servir de « réservoir » à la fusée. • Découper les ailettes de la fusée dans le carton en réalisant quatre triangles rectangles isocèles. La longueur des côtés adjacents à l’angle droit doit être inférieure à la longueur de la partie centrale de la bouteille découpée d’environ 2 cm pour faciliter la fixation de ces ailettes. • Retourner la bouteille « réservoir » pour avoir le goulot dirigé vers le sol. • À l’aide du ruban adhésif, fixer solidement : – la partie centrale de la bouteille découpée autour du goulot de la bouteille réservoir ; – le haut de la bouteille découpée à la base de bouteille réservoir.

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Lors de ces assemblages, veiller à garder l’alignement de l’axe longitudinal de la bouteille. Il est possible de garder le bouchon sur le haut de la bouteille découpée. • À l’aide du ruban adhésif, fixer les 4 ailettes en carton sur la partie centrale de la bouteille découpée. L’angle droit doit se situer à la base de la partie centrale découpée, du côté du goulot de la bouteille réservoir. Veiller à bien positionner les ailettes chacune à 90° de celles qui l’entourent comme sur la vue axiale de la fusée représentée ci-contre. Fixer fermement les ailettes pour qu’elles soient bloquées le plus rigidement possible à la partie centrale découpée. • Fixer les baguettes le long des ailettes, de telle sorte qu’il reste un espace d’environ 15 cm entre le sol et le goulot de la bouteille « réservoir ». Là encore, fixer fermement les baguettes à l’aide du ruban adhésif sur toute la longueur possible. • Percer en son centre le bouchon de part en part sur son axe longitudinal avec le clou : – commencer par centrer le clou à la base du bouchon ; – puis commencer à le transpercer doucement sur quelques millimètres sur son axe longitudinal à la main ; – enfin, en posant la tête du clou sur une surface solide, appuyer sur le bouchon pour finir de le transpercer de part en part sur son axe longitudinal. • Glisser l’aiguille à gonfler dans le trou réalisé. La fusée est prête. Lancement de la fusée • Repérer une aire dégagée pour le lancement de la fusée. Prévoir un rayon de sécurité de quelques mètres. • Retourner la fusée, ogive vers le bas. • Insérer l’entonnoir dans le goulot de la bouteille « réservoir ». • Verser environ un quart de litre d’eau dans la bouteille « réservoir ». • Reboucher la bouteille « réservoir » avec le bouchon et son aiguille de gonflage, l’embout de l’aiguille vers l’extérieur. Selon l’embout de gonflage de la pompe, il peut être judicieux de raccorder celle-ci à l’aiguille de gonflage avant de poser la fusée au sol sur ses baguettes. • Actionner la pompe… La fusée décolle. Remarque : pour limiter l’étendue de la flaque d’eau au sol, on peut positionner la fusée dans une grande bassine. 2 Posée au sol, la fusée est en interaction avec le sol (interaction de contact) et la Terre (interaction à distance). 3 a. Les gaz sont compressibles.



b. Les liquides sont incompressibles et ils n’ont pas de forme propre. 4 L’action de l’eau sur la fusée fait décoller la fusée. 5 On parle de propulsion par réaction, car le décollage est basé sur le principe des actions réciproques : lorsqu'une



certaine quantité d’eau est éjectée violemment de la fusée, il se crée une action dans le sens opposé. D’où le terme de « réaction ». 6 Une fusée décolle grâce à l’action exercée par le fluide éjecté sur la fusée.

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Un pas vers le bilan Une interaction est un ensemble de deux actions réciproques : si un objet A exerce une action mécanique sur un objet B, alors l’objet B exerce une action mécanique opposée sur l’objet A ; A et B sont alors en interaction. Exemples : • Interaction entre la Terre et la Lune : la Terre exerce une action sur la Lune et la Lune exerce une action opposée sur la Terre. • Interaction entre une table et un livre posé sur cette table : le livre exerce une action sur la table et la table exerce une action opposée sur le livre.

Module 5

201

AC TIV ITÉ

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

p. 194 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 ). 2 Fraquette/balle 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,

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. 202

Thème 2

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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.

AC TIV ITÉ

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

p. 195 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.

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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.

Module 5

203

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

204

Thème 2

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

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…

AC TIV ITÉ

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

p. 196 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

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

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).

Module 5

205

AC TIV ITÉ

10 Comment transformer un ressort en balance ?

p. 197 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





206

Thème 2

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 9).  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.

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3 Les



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



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



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. Module 5

207

AC TIV ITÉ

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

p. 198 du manuel

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

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

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

Gymnaste

Poids de la gymnaste

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

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



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

Ces deux forces ne constituent pas une interaction car il ne s’agit pas d’actions réciproques exercées entre le ballon et l’otarie : – Le poids du ballon est lié à l’interaction gravitationnelle : le ballon est attiré par la Terre et la Terre est attirée par le ballon (interaction ballon-Terre). – La force qu’exerce l’otarie sur le ballon est liée à l’interaction de contact entre le ballon et l’otarie : le ballon exerce une action sur l’otarie et l’otarie exerce une action sur le ballon (interaction otarie-ballon).

208

Thème 2

Poids

Fotarie/ballon

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Ces deux forces ont : – la même direction (en pointillés) ; – des sens opposés ; – la même valeur (représentée par des flèches de même longueur).

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12 Comment fonctionne un ludion ? p. 199 du manuel

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





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



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

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

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

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

A A P

P

A P

Module 5

209

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

sur le volume de l’air emprisonné. b. Lorsque le ludion est totalement immergé, la valeur de la poussée d’Archimède dépend du volume d’air emprisonné. Elle augmente ou diminue dans le même sens que lui (doc. 2). • Quand la poussée d’Archimède est inférieure au poids du ludion, le ludion se met à descendre. • Quand la poussée d’Archimède est supérieure au poids du ludion, le ludion se met à monter.



4 Au cours de l’expérience, le poids du ludion ne change pas (P = mtube × gTerre).

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



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

210

Thème 2

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

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

AC TIV ITÉ

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

p. 200 du manuel

Matériel • Une table. • Une balle. • Une caméra (avec supports pour la fixer au sol). • Un logiciel de pointage vidéo. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée En fonction de ses objectifs pédagogiques, l’enseignant pourra choisir une démarche ou une autre pour sa classe. Selon les besoins constatés par l’enseignant, la double démarche proposée lors de cette activité pourra aussi être l’occasion de mettre en œuvre une pédagogie différenciée. Vidéos et animations en lien avec l’activité Des vidéos présentent des balles qui roulent sur une table horizontale puis qui chutent de la table. Elles sont disponibles dans le manuel numérique ; elles permettent d’effectuer le pointage si l’expérience n’est pas filmée en classe. Compléments Le logiciel AviStep permet d’effectuer le pointage. Une version du logiciel AviStep est téléchargeable à l’adresse : http://mcpd.pagesperso-orange.fr/Avistep/Avistep.html Nous avons utilisé la version 2.1.1. La fiche 15 du livret présente le principe du pointage vidéo à l’aide du logiciel AviStep. Si la vidéo est réalisée en classe, il faut veiller à avoir un éclairage correct pour éviter les trainées.

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

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

l’introduction de l’activité.

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Position correspondant à l’extrémité de la table Trajectoire de la balle sur la table Trajectoire de la balle dans l’air

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



– poids de la balle ; – force qu’exerce la table sur la balle ; Ces forces sont celles prises en compte lors du mouvement de la balle sur la table et non celles à l’instant du lancer. Module 5

211



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



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



6 Galilée a expliqué le mouvement d’un projectile par la composition du mouvement horizontal uniforme et d’un

mouvement vertical accéléré.

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

Démarche expérimentale a Protocole :



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



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

212

Thème 2

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



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



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



La composante verticale de la vitesse :

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

mouvement vertical accéléré.

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

Un pas vers le bilan

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

Module 5

213

AC TIV ITÉ

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

p. 201 du manuel

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



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



214

Thème 2

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

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2 Protocole :







Hypothèse 2 : ➀ Sur une extrémité de table, positionner la poulie maintenue sur un statif. Veiller à la bonne stabilité du statif. ➁ Poser dans l’alignement de la poulie une plaque de support. ➂ Poser le solide étudié sur la plaque de support. Faire passer le fil sur la poulie et tendre le fil légèrement à la main (sans déplacer le solide). ➃ Accrocher une après l’autre des masses marquées à l’extrémité libre du fil jusqu’à ce que le solide étudié se mette en mouvement. Attention : Pour placer la première masse marquée, tenir le solide étudié quelques instants pour que la ficelle se tende. Ensuite, ajouter doucement les masses marquées successives, sans à coup ni mouvement de balancier pour ne pas induire d’autres forces que le poids des masses. ➄ Affiner la mesure de la masse qui met en mouvement le solide étudié en remplaçant la dernière masse ajoutée pour une ou plusieurs de valeur inférieure jusqu’à ce que le solide soit de nouveau mis en mouvement. ➅ Noter la valeur de la masse qui met en mouvement le solide étudié pour le support en place. ➆ Lester (ou alléger) le solide étudié et reprendre les étapes ➁ à ➅. ➇ Conclure sur la pertinence de l’hypothèse 2. Ces protocoles induisent implicitement que la poulie modifie la direction de la force de traction sans en changer son intensité. Cela peut être vérifié avec des dynamomètres. La force de traction étant alors égale au poids de l’ensemble des masses suspendues. Quand le solide étudié est mis en mouvement, le poids de l’ensemble des masses suspendues est alors supérieur (légèrement) aux forces de frottement. L’objectif de cette activité étant l’étude et la compréhension du principe des forces de frottement, il n’a pas été demandé le calcul du poids de l’ensemble des masses suspendues. 3 Le traîneau démarre :

Ffrottement



Le traîneau ralentit : Ffrottement



Ftraction

Ftraction

Il est à noter que dans cette situation, le traineau finit par s’arrêter si la valeur de la force de frottement reste supérieure à celle de la force de traction. Dans ces schémas, on n’a pas pris en compte le poids du traîneau et l’action verticale de la neige sur le traîneau. 4 Si les chiens ne le tirent plus, il n’y a plus de force de traction ; seule la force de frottement agit sur le traîneau

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

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

Module 5

215

AC TIV ITÉ

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

p. 202 du manuel

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

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



3

:

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

fortuites. En effet, dans le doc. 1 on peut lire : – « Il commence par étudier les travaux d’autres scientifiques … » – « Parallèlement, le scientifique britannique Robert Hooke » – « Il se base sur les recherches de l’astronome français Ismaël Boulliau ».



Ces extraits montrent que Newton s’est inspiré des recherches d’autres scientifiques qui avaient travaillé avant lui. On peut aussi lire dans le doc. 2 : – « Pourtant, jusqu’en 1682, la correspondance de Newton montre qu’il pensait que les planètes tournaient autour du Soleil dans un mouvement tourbillonnaire, telle l’eau s’écoulant dans un évier ».



La formulation de Newton est le fruit d’un cheminement : il avait formulé des hypothèses qu’il a révisées à la lumière des connaissances issues des travaux d’autres scientifiques, notamment ceux de Hooke qui avait formulé la même loi avant lui. 3 L’histoire de la pomme est une légende à la gloire de Newton. Il faut se méfier de ces histoires séduisantes. Les

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

Un pas vers le bilan

216

Thème 2

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

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

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les actions et les interactions

Les forces QCM

QCM 1  b. et c.

2  a. et c.

3  a. et c.

12  a.

13  b.

14  b. et c.

4  a. et c.

5  a. et c.

6  a. et b.

15  c.

16  a.

17  a., b. et c. 18  b.

7 

Comprendre un évènement

• L’action de la balle sur la raquette déforme la raquette. • L’action de la raquette sur la balle déforme la balle. 8 

Identifier une action • Photo A. L’action des mains du goal sur le ballon explique l’arrêt du ballon de football. • Photo B. L’action de la Terre qui attire la skieuse explique son accélération. • Photo C. L’action de la tête du footballeur sur le ballon explique le changement de direction du ballon. • Photo D. L’action du perchiste sur la perche explique la déformation de la perche. 9 

Déterminer l’effet d’une action Photo A : L’action exercée par l’archer sur la corde avant le tir déforme la corde. Photo B : L’action exercée par la corde sur la flèche au moment du lâcher de la corde met la flèche en mouvement. 10 

Choisir un diagramme objet-interaction Le diagramme objet-interaction B est celui dans lequel est engagé le chien, car le chien n’est pas en interaction avec l’homme, mais avec la laisse. 11 

Schématiser un diagramme objet-interaction Photo A Planche à voile

Eau Photo B

Air

19  c.

20 

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre au ralenti la déformation de la balle de tennis et de la raquette lors d’un contact.

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

p. 206 à 211 du manuel

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. 21 

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. 22 

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. 23 

Terre

Schématiser une force

3,9 cm

Planche à voile

Air

Terre

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 ; Module 5

217

EX ER CI CE S

Échelle Situation

1 cm

100 N

x

390 N

Donc la longueur de la flèche est x =

390 × 1 = 3,9 cm 100

autre astre) exerce sur un objet au voisinage de sa surface. Cette force est verticale et dirigée vers le bas, centre de l'astre.

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

24 

Déterminer la direction d’une force La force exercée par le crochet sur le canard a pour caractéristiques : • le point d’application : point de contact entre le crochet et le canard ; • la direction : verticale ; • le sens : vers le haut.

25 

Identifier des forces 1. La caisse est soumise à : – la force exercée par l’homme en chemise bleue placé à gauche ; – la force exercée par l’homme en chemise blanche placé à droite ; – son poids ; – la force exercée par le sol. 2. La caisse reste immobile car les forces se compensent : – la force exercée par l’homme en chemise bleue compense celle exercée par l’homme en chemise blanche ; – le poids de la caisse compense la force exercée par le sol sur la caisse.

26 

Identifier et schématiser une force 1. La force qui met en Fathlète/poids mouvement « le poids » est la force exercée par l’athlète sur «  le poids ». 2. a. Dans cette situation le mot «  poids  » désigne l’objet sphérique lourd lancé par l’athlète. b. En physique, le mot poids correspond à la force de pesanteur qui est la force d’attraction que la Terre (ou un 218

Thème 2

Situation

0,8 cm

360 N

2 cm

P

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

Donc la valeur du poids est P =

28 

Schématiser une force à l’échelle La valise est en l’équilibre. Les forces qui s’exercent sur elle se compensent. Ces forces sont : – le poids de la valise ; – l’action de la main du touriste sur la valise. La force qu’exerce la valise sur la main du touriste est opposée au poids de la valise. Cette force est donc verticale dirigée vers le haut. La valeur de la force qu’exerce la valise sur la main du touriste est égale à la valeur du poids de la valise. La masse de la valise est m = 12 kg, et l’intensité de la pesanteur gT = 9,8 N/kg. Comme le poids P d’un objet de masse m sur Terre s’exprime par la relation P = m × gT. On a P = 12 × 9,8 = 117,6 N. Donc Fmain/valise = 117,6 N. Fmain/valise La longueur de la flèche ­r eprésentant une force est proportionnelle à la valeur de la force : 3,9 cm Échelle

1 cm

30 N

Situation

L cm

117,6 N

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

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

• 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 :

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

L’interaction gravitationnelle et la force de pesanteur

Donc sur Vénus : P = m × gV La masse de la sonde spatiale Venera 14 s’exprime P donc par m = gv

QCM 29  a. et c.

30  a. et b.

31  b. et c.

32  a.

35  b.

36  a. et b.

D’où m = 33  a. et c.

34  b.

37  a. et c. 38  a. 39  b.

Définir l’interaction gravitationnelle 40  L’interaction gravitationnelle est l’interaction attractive qui s’exerce à distance entre deux objets. Exemples : • Le Soleil et la Terre sont en interaction gravitationnelle. • Un avion est en interaction gravitationnelle avec la Terre. • Un chat est en interaction gravitationnelle avec la Terre.

46  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

41 

Identifier des interactions 1. Le parachutiste descend, car la Terre exerce une action sur lui. 2. Cette action appartient à l’interaction gravitationnelle entre le parachutiste et la Terre. 42 

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. 43 

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.

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

44 

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 45 

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 

4 450 = 500 kg 8,9

1 cm

1,5 N

x

3N

Donc la longueur de la force est x =

3×1 = 2 cm. 1,5

47 

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 : Échelle Situation

1 cm

0,5 N

2

PN

Donc la valeur du poids est : 2 × 0,5 =1N P= 1 48 

Déterminer la valeur d’une force d’attraction gravitationnelle 1. La valeur de la force d’attraction gravitationnelle FS/T exercée par le Soleil sur la Terre est proportionnelle aux masses mS et mT de ces deux astres et inversement proportionnelle au carré de la distance d qui les sépare. m ×m Elle est donc de la forme FS/T = k × S 2 T  . d Dans cette relation, k est un coefficient de proportionnalité. 2. La valeur de la force d’attraction qu’exerce le Soleil sur la Terre est égale à la valeur de la force d’attraction qu’exerce la Terre sur le Soleil : FS/T = FT/S. Donc FT/S = 3,5 × 1022 N. 49 

Représenter les forces d’une interaction gravitationnelle Le satellite et la Terre étant en interaction gravitationnelle, la force d’attraction qu’exerce la Terre sur le Module 5

219

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

1 cm

2 × 104 N

Situation

L cm

6 × 104 N

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

3 cm

220

Thème 2

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

FTerre/satellite 3 cm

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

Fsatellite/Terre

50 

EX ER CI CE S

Se perfectionner 51 

56 

Science ou magie ?

p. 212 à 222 du manuel

Gravity

Une vidéo en accès libre pour les élèves illustre cet exercice.

Une vidéo en accès libre montre l’utilisation d’un dispositif de manœuvre dans l’espace.

1. Les deux actions exercées sur la boule de métal sont : • l’action de la Terre sur la boule en métal ; • l’action de la base magnétique sur la boule en métal. 2. Ces deux actions sont des actions à distance. 3. Si le socle perd ses propriétés magnétiques, alors la boule en métal chutera vers la Terre.

1. L’astronaute doit éjecter du gaz vers la gauche pour aller vers la droite. 2. L’astronaute, solidaire du dispositif de manœuvre, est en interaction avec le gaz éjecté : quand le dispositif de manœuvre éjecte du gaz, il exerce une action sur le gaz, et en même temps le gaz exerce une action sur le dispositif de manœuvre dans le sens opposé.

52 

57 

Balle de squash

Ils sont fous ces Romains 1. Quand Astérix frappe le Romain au visage :

1. Balle

Mur

Romain

Terre

Astérix

2. L’action du mur sur la balle permet à cette dernière de rebondir.

Sol

Terre

Quand le Romain est en l’air après le choc : Romain

53 

Nage L’action exercée par l’eau sur le nageur le propulse. Terre 54 

En escalade

1. Grimpeuse

Paroi rocheuse

Terre

Corde

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

2. L’action de la main (les doigts) de la grimpeuse sur la paroi rocheuse et l’action de la corde sur la grimpeuse expliquent qu’elle ne tombe pas.

55 

2. Lorsqu’Astérix frappe le Romain au visage, il est soumis à : • l’action du poing d’Astérix ; • l’action du sol ; • l’action de la Terre. Lorsque le Romain est en l’air après le choc, il est soumis à : • l’action de la Terre. 3. Quand il frappe le Romain, Astérix est soumis à : • l’action du visage du Romain sur son poing ; • l’action du sol ; • l’action de la Terre. 58 

Le lancer d’orange

1.

Un crash test

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre un crash test de voiture.

Homme 1. Orange

Sol

Voiture

Terre

2. Quand l’homme lance une orange, il exerce une action sur celle-ci. Mais étant en interaction avec l’orange, celle-ci exerce aussi une action sur l’homme. L’homme étant sur patins à roulettes, il part dans la direction opposée à son lancer.

Mur

Sol

Terre

2. L’action du mur sur la voiture permet d’expliquer sa déformation.

Module 5

221

EX ER CI CE S Le putt de golf 59  Les images 1 et 3 sont associées au diagramme objet-interaction B, car dans les deux cas, le club de golf n’est pas au contact de la balle. L’image 2 est associée au diagramme objet-interaction A, car le club frappe la balle de golf. 60 

Arrête ton char ! 1. Le char est soumis à l’action de la Terre : le char et la Terre sont en interaction gravitationnelle. 2. L’action de la Terre sur le char modifie son mouvement. Au judo 61  1. Pour les deux photos A et B : Judoka kimono blanc

Tapis de sol

Terre

Judoka kimono bleu

Terre

Pour la photo B : Judoka kimono bleu

Judoka kimono blanc

Tapis de sol

Terre

3. Les diagrammes objet-interaction sont identiques pour la photo B. 62 

Patinage artistique 1. La patineuse est engagée dans deux interactions : • l’interaction gravitationnelle avec la Terre ; • l’interaction avec son partenaire. 2. Si le patineur lâche sa partenaire, le mouvement de la patineuse sera modifié, car elle ne sera plus soumise qu’à la seule interaction gravitationnelle. 63 

Heave-ho!

Traduction : Ho Hisse ! L’haltérophilie est un sport dans lequel l’athlète essaie de soulever une barre chargée de « poids ». 222

Thème 2

Sol

Terre

64 

Graviton: un super-vilain Tâche complexe Question posée : Décrire les effets du pouvoir de Graviton sur lui-même et sur les objets qui l’entourent. 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qui est Graviton ? 2. Quel pouvoir possède-t-il ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Graviton est l’ennemi des Avengers ; une explosion a lié ses cellules à des gravitons (doc. 1). Les gravitons seraient des particules qui transmettent l’interaction gravitationnelle entre deux corps (doc. 2). 2. Graviton possède le pouvoir de contrôler les gravitons et ainsi de parvenir à inverser le sens de l’interaction gravitationnelle (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Que peut faire Graviton en contrôlant l’interaction gravitationnelle ?

2. Pour la photo A :

Judoka kimono blanc

Haltérophile

4e étape : Construire la réponse • Définir l’interaction gravitationnelle. • Préciser les effets de l’interaction gravitationnelle. • Expliquer les effets d’une modification de l’interaction gravitationnelle. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Graviton est un super-vilain. Son contrôle des gravitons, particules médiatrices de l’interaction gravitationnelle, lui donne des pouvoirs immenses. Que peut faire Graviton en contrôlant l’interaction gravitationnelle ? • Mettre en forme la réponse. L’interaction gravitationnelle est une interaction conduisant à l’attraction de corps entre eux. Les objets s’attirent mutuellement. Tout objet en interaction gravitationnelle avec la Terre est attiré vers le bas. En contrôlant l’interaction gravitationnelle, Graviton pourrait : • ne plus être attiré par la Terre et léviter ; • soulever facilement des objets très lourds, les déplacer ou au contraire les écraser au sol. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Une personne comme Graviton, qui possèderait le pouvoir d’inverser le sens de l’interaction gravitationnelle serait donc en capacité d’affecter largement notre monde. Mais ceci reste du domaine de la science-fiction. Grille d’évaluation en fin de module.

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

Judoka kimono bleu

Haltère

EX ER CI CE S 65  1.

Se perfectionner

Un sac trop lourd Table

Sol

Terre

69  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 :

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. 66 

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. 67 

La force magnétique

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

1.

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. 68 

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

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 = 4 cm x= 200 Échelle

1 cm

200 N

Cheval B

x’

700 N

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

3,5 cm

4 cm

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. 70  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. 71  1.

Bill ! Nom d’un chien !

Module 5

223

EX ER CI CE S 2. Le mouchoir restera immobile si les deux forces : • ont la même intensité ; • sont sur la même direction mais ont des sens opposés. De la Terre à la Lune

1. a.

Objet

Lanceur

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. 73 

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. 74 

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

1 cm

2 000 N

L

9 800 N

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

224

Thème 2

75  Tâche complexe 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. 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 ?

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

72 

4,9 cm

EX ER CI CE S

Se perfectionner

• 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 :

b. Ballon

Air 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.

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

1 cm

2N

L

4,2 N

Situation

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

Grille d’évaluation en fin de module. 2,1 cm

76 

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

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. 77 

Ballon

Sol

Pied

Terre

78 

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.

Un penalty

1. a.

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

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.

Module 5

225

EX ER CI CE S 2. La longueur de la flèche représentative d’une force est proportionnelle à la valeur de la force : Échelle Situation

1 cm

200 N

Échelle

L

900 N

Situation

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

4,5 cm

La longueur de la flèche représentative d’une force est proportionnelle à la valeur de la force : 1 cm

2 500 N

L

10 584 N

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

4,5 cm 4,2 cm

Fballe/raquette

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.

4,2 cm

79 

81 

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. 82 

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

Cocotier b. La noix chute vers le sol.

Noix de coco

80 

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. 226

Thème 2

Terre

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

Sol

Terre

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

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

EX ER CI CE S 2. ➀

Fcocotier/noix

Se perfectionner

➁

1.

➂

FJupiter/IO

Pnoix

Pnoix

Fsol/noix

IO

Jupiter

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

Pnoix

83 

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

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

84 

Poids et force d’attraction gravitationnelle 1. La masse de l’éléphant est méléphant = 6 000 kg, et l’intensité de la pesanteur gT = 9,8 N/kg. Comme le poids P sur Terre d’un objet de masse m s’exprime par la relation : P = m × gT. On a P = 6 000 × 9,8 = 58 800 N. m ×m 2. F = 6,67 × 10–11 × éléphant 2 Terre  . RT 24 6 000 × 5,97 × 10 F = 6,67 × 10–11 × = 58 881 N. 6 2 (6,37 × 10 ) 3. On constate que F est sensiblement égale à P : la force d’attraction gravitationnelle est égale au poids. 85 

Jupiter et ses satellites

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

86 

En route vers Jupiter

1.

B

FV/G A

2. La force d’attraction gravitationnelle FV/G exercée par Vénus sur Galileo est plus forte au point B qu’au point A car la force d’attraction gravitationnelle est inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare les deux objets, or en B la distance entre la sonde et la planète est plus petite qu’en A. 3. La force d’attraction gravitationnelle FV/G exercée par Vénus sur Galileo modifie la trajectoire de la sonde Galileo et elle augmente sa vitesse (doc. 1). 4. On parle d’assistance gravitationnelle car l’effet gravitationnel de la planète aide à la propulsion de la sonde. 87  1.

Gravity Actrice

Filins

Terre

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

Module 5

227

EX ER CI CE S Réparer une balle de ping-pong

Tâche complexe Question posée : Pourquoi suffit-il de plonger une balle de ping-pong écrasée dans l’eau chaude pour la réparer ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. La balle de ping-pong est-elle cassée ? 2. De quoi est constituée une balle de ping-pong ? 3. Que se passe-t-il quand on la plonge dans l’eau chaude ? 4. Pourquoi cette réparation est-elle effectuée avec de l’eau chaude et pas avec de l’eau froide ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La balle de ping-pong est simplement écrasée mais sa paroi n’est pas fendue (photographie et texte du doc. 1) 2. La constitution d’une balle de ping-pong n’est pas décrite dans les documents. L’élève doit la déduire de la lecture des divers documents. 3. Plongée dans l’eau chaude, la balle reprend sa forme sphérique (doc. 1). 4. Plonger la balle dans l’eau chaude permet d’augmenter la température de l’ensemble et notamment de l’air à l’intérieur (doc. 3). Les chocs des molécules d’air sur les parois sont alors plus nombreux (doc. 3). La force pressante exercée par l’air contenu dans la balle sur la paroi est alors plus intense (doc. 2).

La paroi interne de la balle est repoussée vers l’extérieur par la force pressante de l’air emprisonné dans la balle : la balle reprend sa forme sphérique. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Plonger la balle de ping-pong écrasée dans de l’eau bouillante permet donc de lui redonner sa forme sphérique initiale. Néanmoins, il ne faut pas que la balle de ping-pong soit trouée. Sinon, l’air interne chauffé s’échappe et la balle n’est pas réparée. Grille d’évaluation en fin de module.

89 

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

Uranus

3e étape : Dégager la problématique Pourquoi augmenter la température d’une balle de ping-pong lui rend-elle sa forme sphérique ? 4e étape : Construire la réponse • Détailler la constitution d’une balle de ping-pong. • Expliquer l’action de l’eau chaude, macroscopiquement puis microscopiquement. • Décrire les forces s’exerçant sur la balle. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une balle de ping-pong est fragile. Il peut arriver qu’elle s’écrase. Une technique pour réparer la balle et de la plonger dans de l’eau chaude. Elle reprend rapidement sa forme sphérique initiale. Mais pourquoi augmenter la température d’une basse de ping-pong lui rend-elle sa forme sphérique ? • Mettre en forme la réponse. Une balle de ping-pong est remplie d’air. Lorsque la balle est plongée dans l’eau chaude, la température du gaz augmente. Les particules de ce gaz sont plus agitées, le nombre de chocs des particules de gaz enfermées dans la balle contre la paroi de la balle augmentent. La valeur de la force pressante de l’air emprisonné dans la balle, contre la paroi de la balle augmente. 228

Thème 2

Soleil

Neptune

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

3. Cette force évolue au cours du déplacement des planètes sur leur orbite, car la distance qui les sépare change. 4. Les perturbations du mouvement d’Uranus proviennent de la variation de la force d’attraction qu’exerce Neptune sur Uranus au cours de sa rotation autour du Soleil. 90 

One-arm handstand

Traduction : Équilibre sur un bras Tout le monde sait que Luke Skywalker voyage vers Dagobah pour être initié aux secrets de la Force (comme son père avant lui). Il s’entraîne avec le maître Jedi Yoda.

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

88 

EX ER CI CE S

Se perfectionner

Peut-être vous souvenez-vous de la scène où Luke réalise un équilibre sur un bras alors qu’il maintient Yoda sur un pied. Bien sûr, pour une personne réelle, cela est plutôt impossible.

© Lucas Film / Walt Disney / Collection ChristopheL

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

Ces trois forces sont toutes verticales mais leurs points d’applications ne sont pas alignés ; les points d’application des deux forces dirigées vers le bas sont du même côté de la verticale passant par la main. Cela a pour conséquence de faire pivoter Luke. 91 

Poumon-ballast

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre le principe de la technique de plongée appelée poumon-ballast. 1. Les forces qui s’appliquent au plongeur immobile sont : – P : le poids du plongeur ; – A : la Poussée d’Archimède.

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

A

P

2. Pour qu’un système soumis à deux forces soit en équilibre, il faut que les deux forces se compensent (même direction, sens opposés, même valeur). 3. Quand les poumons du plongeur se remplissent d’air, le volume du plongeur augmente, le volume d’eau déplacé augmente, donc le poids de liquide déplacé augmente aussi. Ce qui implique que la valeur de la poussée d’Archimède augmente. 4. Quand les poumons du plongeur se vident, le volume du plongeur diminue.

Donc le volume et le poids de l’eau déplacée diminuent aussi. Ce qui implique que la valeur de la poussée d’Archimède diminue. 5. En gonflant ou dégonflant ses poumons, le plongeur modifie la poussée d’Archimède qui s’exerce sur lui. Si ses poumons se vident, alors la poussée d’Archimède diminue ; elle devient inférieure à son poids. Le plongeur descend. Au contraire, en gonflant ses poumons, il augmente la poussée d’Archimède. Celle-ci devient supérieure à son poids, il monte. 92  En escalade L’expression de la force d’attraction gravitationnelle exercée par un objet sur un autre montre que si la distance entre les deux objets en interaction augmente, alors la valeur de la force d’attraction diminue. La réflexion de l’alpiniste est pertinente puisqu’en s’élevant, l’alpiniste s’éloigne de la Terre avec laquelle il est en interaction. Mais, la variation de distance à prendre en compte quand un alpiniste escalade une montagne modifie-telle significativement la valeur de la force d’attraction de la Terre ? Raisonnement : L’escalade consiste à se déplacer le long d’une paroi haute de quelques mètres à quelques centaines de mètres, par exemple 100 m, soit 0,1 km. Le rayon de la Terre est d’environ 6 400 km. Une augmentation de 0,1 km de l’altitude de l’escaladeur correspond, en pourcentage, à une augmentation de 0,1 × 100 = 0,0015 %. Cette augmentation est très 6 400 faible. La diminution de l’influence de la gravitation sera donc très faible aussi : en pratique elle sera sans effet. Second raisonnement possible : Il est possible de comparer, par exemple, la force d’attraction exercée sur un alpiniste de 70 kg au niveau de la mer et cela à 100 mètres au-dessus d’elle. Pour cela, il faut donner l’expression de la force aux élèves. On obtient : Au niveau de la mer : 5,97 × 1024 × 70 • F0 = 6,67 × 10–11 × = 686,94 N. (6 370 000)2 À 100 m d’altitude : 5,97 × 1024 × 70 • F0 = 6,67 × 10–11 × = 686,91 N. (6 370 000 + 100)2 L’effet de la variation de la force de gravitation au cours d’une escalade de 100 m est de l’ordre du centième de newton. Ce n’est pas significatif. 93  Les corps révolvants selon Newton 1. En parlant de « la force de leur gravité », Newton fait référence à la force d’attraction gravitationnelle. 2. Avec l’exemple de la Terre et de la Lune, « toute attraction est mutuelle » signifie que la Terre attire la Lune et réciproquement la Lune attire la Terre. Module 5

229

EX ER CI CE S 3. Dans les extraits ➁ et ➂, « graviter » signifie « être attiré ». Le sens de ce verbe a évolué, signifiant maintenant « tourner autour de ». 4. Les planètes troublent le mouvement des autres car toutes les planètes sont en interaction avec les autres et donc s’attirent mutuellement, ce qui perturbe leur mouvement autour du Soleil. 5. Lorsque Newton écrit que le Soleil et la Lune troublent les mouvements de la mer, il fait référence au phénomène des marées.

94 

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

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qui était Armstrong ? 2. Comment fonctionne la balance qui a pesé les échantillons lunaires ? 3. Quelle est la masse des échantillons sur la Terre ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Armstrong était un astronaute qui a aluni en 1969 avec la mission Apollo 11 (énoncé). 2. Les échantillons de sol lunaire ont été pesés avec une balance à compensation électrique (doc. 1). • Une masse posée sur le plateau le fait descendre avec son capteur de position (doc. 2). • Une force opposée au poids de la masse est créée dans la balance et relève le plateau de la balance et son capteur de position (doc. 2). • La mesure de l’intensité permet de déduire la force électrique créée et d’en déduire la masse dont la valeur s’affiche (doc. 2). 3. La masse d’échantillons de sol lunaire mesurée sur Terre est de 21,7 kg (doc. 1).

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

230

Thème 2

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

Grille d’évaluation en fin de module.

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet 95 

Fusée

Sol

Terre

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

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

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

Voyage spatial

1.

Poussée

6 cm

96 

Le triangle des Bermudes

1. a.

Bateau

Eau

3,1 cm Poids Sol

Échelle

1 cm

2 × 106 N

Poids P

Lp

P = 6,2 × 106 N

Poussée F

LF

F = 12 × 106 N

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

p. 223 du manuel

FS/V

Terre

b. La masse du bateau est de 18 460 kg et l’intensité de la pesanteur est égale à 9,8 N/kg. Le poids P sur Terre d’un objet de masse m s’exprime par la relation P = m × gT. On obtient P = 18 460 × 9,8 = 180 908 N. c. Le bateau est en équilibre, cela veut dire que le poids du bateau et la poussée d’Archimède qui s’exerce sur lui se compensent, d’où A = 180 908 N. d. P

PA

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

Module 5

231

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 97 

À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. « L’objet » que l’on étudie est la joggeuse. 2. et 3. Les « objets » présents dans l’environnement de la joggeuse sont : • le sol ; • l’air ; • la Terre.

p. 224 à 229 du manuel

• L’action qui pousse la fusée vers l’avant est l’action des gaz éjectés sur la fusée. 2. Le principe commun sur lequel repose le système de propulsion de l’avion et de la fusée est le principe des actions réciproques (interaction). 3. Pour qu’un avion à hélice puisse se déplacer, il faut que l’hélice soit en interaction avec l’air (doc. 1). Dans l’espace, il n’y a quasiment pas de matière (doc. 3) donc l’avion à hélice ne peut pas voler dans l’espace.

Coureuse

Air

2

3

Sol

Terre

4.

1  : Action de l’air sur la coureuse.  : Action du Sol sur la coureuse. 3  : Action de la Terre sur la coureuse. 2

98  Rédiger un compte rendu 1. Étape 1 : Les deux aimants, portés chacun par un chariot mobile, ont leurs pôles nord qui se font face. Ils sont maintenus par un fil. Étape 2 : Le fil est coupé. Étape 3 : Les deux aimants portés par des chariots s’éloignent l’un de l‘autre. 2. a. Les deux pôles nord des aimants sont face à face donc l’aimant n° 1 repousse l’aimant n° 2 et l’aimant n° 2 repousse l’aimant n° 1. b. Comme l’aimant n° 1 repousse l’aimant n° 2 et l’aimant n° 2 repousse l’aimant n° 1 alors les deux chariots s’éloignent l’un de l’autre. 99 

Analyser sa production 1. Le nageur exerce sur le mur une action dirigée vers la gauche de l’image. 2. Le nageur et le mur sont en interaction, ils exercent donc l’un sur l’autre des actions opposées. Le mur exerce donc sur le nageur une action dirigée vers la droite de l’image. 3. L’action du mur sur le nageur propulse le nageur vers la droite de l’image. 4. Le nageur parvient à faire la culbute en exerçant une action sur le mur. Le principe des actions réciproques (interaction) impose que le mur agisse sur le nageur avec une action de sens opposé à celle du nageur sur le mur. Comme le nageur exerce une action vers le mur, le mur exerce une action vers le nageur et propulse donc le nageur. 100 

Pour aller plus loin 1. • L’action qui pousse l’avion à hélice vers l’avant est l’action de l’air sur l’hélice.

232

Thème 2

101  Utiliser le vocabulaire Exemples de phrases possibles : • La danseuse de GRS est en interaction avec la Terre : elle est donc soumise à une action à distance l’attirant au sol. Cette action est répartie. • La danseuse de GRS maintient en équilibre la balle sur son doigt avec une action de contact. Cette action est localisée au point de contact avec le ballon. 102 

À chacun son rythme – Le calmar

Une vidéo en accès libre illustre le déplacement des calmars.

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Comment un calmar se propulse-t-il dans l’eau ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un calmar ? 2. Possède-t-il une particularité physique qui lui permette d’avancer différemment des poissons ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un calmar est un animal marin au corps allongé et garni de tentacules (photographie). 2. Le calmar possède deux nageoires sur les flancs qui servent aux déplacements lents (doc.). Pour les déplacements rapides, une enveloppe constituée de muscles (manteau) se dilate pour aspirer de l’eau puis se contracte pour la chasser brusquement par un siphon (doc.). L’orientation du jet permet des déplacements très précis (doc.). 3e étape : Dégager la problématique Sur quel principe scientifique repose le déplacement du calmar dans l’eau ? 4e étape : Construire la réponse • Détailler la constitution du calmar. • Déterminer les interactions dans lesquelles est engagé le calmar lorsqu’il se propulse.

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

1

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

• Préciser, en termes d’interaction, le rôle de l’eau dans ces déplacements lents et dans ses déplacements rapides. • Expliciter le rôle de l’orientation du jet d’eau dans les déplacements latéraux. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le calmar est un animal marin dont le système de propulsion ne dépend pas que de nageoires. Un dispositif supplémentaire constitué d’un siphon aspirant et éjectant de l’eau de mer lui permet de se propulser. Sur quel principe scientifique repose le déplacement du calmar dans l’eau ? • Mettre en forme la réponse. Dans le cadre des déplacements lents du calmar, les nageoires et l’eau sont en interaction : les nageoires exercent une action sur l’eau de mer et poussent cette eau en arrière. Une action de l’eau s’applique alors sur les nageoires, qui pousse le calmar vers l’avant. Dans le cadre des déplacements rapides du calmar, le calmar et l’eau de mer éjectée par le siphon du calmar sont en interaction. Le calmar, par l’intermédiaire de son siphon, éjecte de l’eau vers l’arrière. Une action de l’eau éjectée s’applique alors sur le calmar qui est poussé vers l’avant. L’orientation du jet d’eau éjecté par le siphon permet d’orienter la trajectoire du calmar. Par exemple, si l’eau est éjectée vers la gauche, le calmar se dirige vers la droite. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Que ce soit pour des déplacements lents ou pour des déplacements rapides, le déplacement des calmars dépend de son interaction avec l’eau de mer. Pour des déplacements lents, les nageoires du calmar et l’eau de mer sont en interaction. Pour des déplacements rapides, l’eau de mer éjectée et le calmar sont en interaction.

4. Que ce soit pour des déplacements lents ou pour des déplacements rapides, le déplacement du calmar dépend de son interaction avec l’eau de mer. Pour des déplacements lents, les nageoires du calmar et l’eau de mer sont en interaction. Pour des déplacements rapides, l’eau de mer éjectée et le calmar sont en interaction. L’eau agit sur le calmar dans les deux cas. 103  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 104 

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 ». 105  1. a.

Pour aller plus loin

Grille d’évaluation en fin de module.

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

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Calmar

Eau de mer

Eau éjectée par le siphon

Terre

2. L’interaction entre le calmar et l’eau éjectée par son siphon permet au calmar de se déplacer. 3. Le principe des actions réciproques (interaction) explique que si le calmar souhaite se déplacer vers la gauche, il doit éjecter l’eau du siphon vers la droite.

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.

Module 5

233

EX ER CI CE S c. Sur un terrain plat :

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.

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. 106 

À chacun son rythme

Tâche complexe

• Correction de l’énoncé compact 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 ? 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). 234

Thème 2

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.

• 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.

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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.

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé

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 = 294 107 

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

0 0

50 0,5

100 1

150 1,5

250 2,5

330 3,3

500 5

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

3e étape : Dégager la problématique Le bloc de béton exerce-t-il sur le crochet une force supérieure à 25 kN ? 4e étape : Construire la réponse • Déterminer les forces qui s’exercent sur le bloc de béton. • Préciser les conditions d’équilibre du bloc. • Déterminer la masse du bloc de béton. • Calculer le poids du bloc de béton. • À partir de la notion d’interaction, indiquer la relation qui existe entre la force exercée par le crochet sur le bloc et celle exercée par le bloc sur le crochet. • Comparer le poids du bloc de béton à la force maximale que le crochet peut supporter. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Que ce soit pour la construction ou la manutention de containers, les grues sont munies de crochets de levages. La force limite qui peut s’exercer sur ces crochets est précisée. Peut-on suspendre un bloc de béton de volume 1 400 L  à un crochet de levage qui porte l’indication « max 25 kN » ?

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. 108 

À chacun son rythme

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Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Peut-on suspendre sans risque le bloc de béton au crochet ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quel est le risque ? 2. Quelle est la masse du bloc de béton ? 3. Quelle masse le crochet peut-il supporter ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La réponse n’est pas dans les documents mais on peut imaginer que le crochet casse. 2. L’information n’est pas dans les documents. On sait que le volume du bloc de béton est de 1 400 L et que sa masse volumique est de 2,3 kg/L (énoncé). 3. L’information n’est pas dans les documents. On sait que le crochet de levage peut supporter une force maximale de 25 kN (énoncé).

• Mettre en forme la réponse. • Le bloc de béton est en équilibre : les deux forces qui s’exercent sur lui se compensent, donc le poids du bloc de béton et la force qu’exerce le crochet sur le bloc de béton sont opposées mais ont la même valeur. • La masse du bloc de béton se calcule à partir de la masse volumique du béton et du volume du bloc : m = ρ × V. Donc m = 1 400 × 2,3 = 3 220 kg. On en déduit ainsi le poids du bloc avec la relation : P = m × gT. On obtient P = 3 220 × 9,8 = 31 556 N. • La force qu’exerce le bloc de béton sur le crochet de levage est opposée à la force exercée par le crochet sur le bloc de béton (car il s’agit d’une interaction). Ainsi on en déduit que la valeur de la force que le bloc de béton exerce sur le crochet de levage est égale à la valeur de son poids : F = 31 556 N  25 000 N. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ce crochet qui porte l’indication « max 25 kN » ne peut donc pas supporter ce bloc de béton de 1 400 L. On peut se demander si le danger est réel ou si le constructeur a mis une tolérance qui permet d’avoir une marge de sécurité permettant de diminuer le risque. Remarque : L’étude est faite en statique, mais en dynamique, dans les phases d’accélération verticale, le même bloc peut exercer une force supérieure sur le crochet. Grille d’évaluation en fin de module.

Module 5

235

EX ER CI CE S

109  Comprendre le vocabulaire 1. L’apesanteur est un concept théorique car l’interaction gravitationnelle est présente partout, même si son action est faible à cause d’une grande distance ou de faibles masses. 2.Exemples de situations dans lesquelles un corps peut se trouver en impesanteur : – Astronaute dans la Station spatiale ISS ; – Passager lors de la phase de vol parabolique d’un « avion zéro g ». – Personne dans un ascenceur qui chute. 110 

Pour aller plus loin 1. Évolution de la vitesse du parachutiste au cours du temps. Phase ➀ : la vitesse augmente ; Phase ➁ : la vitesse diminue ; Phase ➂ : la vitesse est constante. 2. a. Dans chacune des trois phases : – la flèche orange représente le poids P du parachutiste ; – la flèche jaune représente les forces de frottements f dues à la résistance de l’air. b. La phase ➀ du graphique correspond à la modélisation A car P  f (le parachutiste tombe de plus en plus vite). La phase ➁ du graphique correspond à la modélisation C car P  f . (La force de frottement de l’air est prépondérante. Elle est de sens contraire au déplacement. Elle a pour effet de ralentir le mouvement.) La phase ➂ du graphique correspond à la modélisation B car P = f . (Les deux forces se compensent, la vitesse du parachutiste n’est pas modifiée.) 236

Thème 2

111 

À chacun son rythme

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre des astronautes poussant avec les pieds des roches lunaires. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Expliquer, par des calculs, pourquoi les astronautes ont pu déplacer facilement les blocs rocheux.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Sur quel astre se trouvent les astronautes ? 2. Quelle était la masse des blocs rocheux déplacés par les astronautes ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Les astronautes sont sur la Lune (énoncé). 2. L’information n’est pas dans les documents. Par contre il est indiqué que les roches lunaires ont une masse volumique de 3 300 kg/m3 (énoncé) et un volume comparable à celui d’un ballon de football. 3e étape : Dégager la problématique Comparer le poids d’un bloc de roche lunaire (de volume égal à celui d’un ballon de football) sur Terre et sur la Lune. 4e étape : Construire la réponse • Calculer le volume d’un ballon de football. • Calculer la masse d’une roche lunaire de même taille qu’un ballon de football. • Comparer le poids d’un bloc de roche lunaire, de volume égal à celui d’un ballon de football, sur Terre et sur la Lune. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Sur certains films rapportés des expéditions lunaires entre 1969 et 1972, on peut voir les astronautes se lancer des blocs rocheux de la taille d’un ballon de football. Mais une roche lunaire de la taille d’un ballon de football a une masse sûrement bien plus importante que celle d’un véritable ballon de football. En revanche, leur poids sur la Lune explique sans doute qu’ils ont pu déplacer facilement les blocs rocheux. On demande de comparer le poids d’un bloc de roche lunaire sur Terre et sur la Lune. • Mettre en forme la réponse. • Calculons le volume d’un ballon de football : Le volume d’une sphère de rayon R se calcule par : 4 V = × π × R3. 3 Le rayon du ballon considéré sphérique est : R = 11 cm = 0,11 m. Donc le volume du ballon est égal à : 4 V = × π × 0,113 = 0,005 58 m3. 3

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

EX ER CI CE S • Calculons maintenant la masse d’une roche lunaire :

La masse m se calcule à partir de la masse volumique du volume : m = ρ × V. Donc m = 3 300 × 0,005 58 = 18,4 kg. • Calculons ensuite le poids d’une roche lunaire sur Terre : Le poids PT sur Terre se calcule à partir de la relation P = m × gT. Donc PT = 18,4 × 9,8 = 180,3 N. • Calculons la force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur une roche lunaire : La force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire se calcule avec la relation suivante : m ×m FLune/roche = 6,67 × 10–11 × Lune 2 Roche  . rL 7,35 × 1022 × 18,4 Donc FLune/roche = 6,67 × 10–11 × (1 737 000)2 = 29,9 N.

• Comparons enfin le poids d’un bloc de roche Lunaire (de volume égal à celui d’un ballon de football) sur Terre et sur la Lune. Le poids d’une roche lunaire sur la Lune est égal à la force d’attraction gravitationnelle que la Lune exerce sur cette roche lunaire. PTerre PTerre 180,3 ≈ 6. = = 29,9 FLune FLune/roche • Conclure et introduire, quand cela est possible, une part d’esprit critique. Le poids des roches lunaires sur la Lune est six fois moins élevé que sur la Terre. Les astronautes ont ainsi pu déplacer facilement les blocs rocheux, puisqu’ils leur semblaient six fois moins lourds que sur Terre.

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

Grille d’évaluation en fin de module.

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

Accompagnement personnalisé

Donc FLune/roche = 6,67 × 10–11 ×

7,35 × 1022 × 18,4 (1 737 000)2

= 29,9 N.



6. Le rapport du poids de la roche lunaire sur Terre et de la force d’attraction gravitationnelle que la Lune 180,3 ≈ 6. exerce sur cette roche lunaire est égal à : 29,9 7. Le poids des roches lunaires sur la Lune est six fois moins élevé que sur la Terre. Les astronautes ont ainsi pu déplacer facilement les blocs rocheux, puisqu’ils leurs semblaient six fois moins lourds que sur Terre. 112 

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

1 cm Lp LT Lf

200 N P = 784 N T = 200 N f = 100 N

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

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

3,9 cm

1 cm

0,5 cm

3,9 cm

Module 5

237

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 64

Graviton : un super-vilain

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 : Graviton est l’ennemi des Avengers ; une explosion a lié ses cellules à des gravitons (doc. 1). Les gravitons seraient des particules qui transmettent l’interaction gravitationnelle entre deux corps (doc. 2). Graviton possède le pouvoir de contrôler les gravitons et ainsi de parvenir à inverser le sens de l’interaction gravitationnelle (doc. 2).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Que peut faire Graviton en contrôlant l’interaction gravitationnelle ?

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique • Compréhension du rôle du graviton. • Compréhension des pouvoirs de à une autre. Graviton sur les gravitons. 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.

238

Thème 2

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Définir l’interaction gravitationnelle. • Préciser les effets de l’interaction gravitationnelle. • Expliquer les effets qu’impliquerait la modification de l’interaction gravitationnelle. • 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. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 75

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 Cycle 4 – 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

239

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 88

Réparer une balle de ping-pong

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 2

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

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

240

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

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

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 94

Mission Apollo

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 5

241

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 102

À chacun son rythme – Le calmar

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 : Un calmar est un animal marin au corps allongé et garni de tentacules (photographie). Le calmar possède deux nageoires sur les flancs qui servent aux déplacements lents (doc.). Pour les déplacements rapides, une enveloppe constituée de muscles (manteau) se dilate pour aspirer de l’eau puis se contracte pour la chasser brusquement par un siphon (doc.). L’orientation du jet permet des déplacements très précis (doc.).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Sur quel principe scientifique repose le déplacement du calmar dans l’eau ?

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Passer d’une forme de langage scientifique Identification des interactions dans lesquelles est engagé le calmar. 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.

242

Thème 2

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Détailler la constitution du calmar. • Déterminer les interactions dans lesquelles est engagé le calmar. • Préciser, en termes d’interaction, le rôle de l’eau dans ces déplacements lents et dans ses déplacements rapides. • Expliciter le rôle de l'orientation du jet d'eau dans les déplacements latéraux. • 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. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 106

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.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer le 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.

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.

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

243

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 108

À chacun son rythme - Suspension d’un bloc de béton

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

244

Thème 2

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

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

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 111

Pour aller plus loin - Astronautes footballeurs

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

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

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 5

245

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

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

246

Thème 3

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

Connaissances Exemples de situations, et compétences associées d’activités et de resources pour l’élève Identifier différentes sources et connaître quelques conversions d’énergie

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 : ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ Attendu 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 Identifier les différentes formes d’énergie. Identifier les sources d’énergie. Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

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

Connaître la notion de puissance.

MF

MS

Activités TBM 1, 2, 4 2, 3 1, 2, 4 3

Identifier les différentes formes d’énergie.

5, 6, 7, 8

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

5, 6, 7, 8

Établir un bilan énergétique pour un système simple.

7, 8

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

9, 10

Identifier les transferts et les conversions d’énergie.

9, 10

Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.

11

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Compléments pédagogiques Nous avons choisi dans les activités 12 et 13 d’illustrer les pertes et les économies d’énergie au travers du développement durable et du coût énergétique d’Internet bien que cela n’apparaisse pas explicitement dans les attendus de fin de cycle. 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. Module 6

247

AC TIV ITÉ

1 Pourquoi la plupart des barrages sont-ils situés en hauteur ?

p. 233 du manuel

Matériel • Dispositif modélisant une centrale hydroélectrique : roue à aubes reliée à un alternateur. Plusieurs hauteurs de chute sont possibles. • Voltmètre • Fils de connexion Vidéos et animations en lien avec l’activité • Centrale hydraulique Une vidéo en accès libre pour les élèves montre le fonctionnement d’une centrale hydraulique. • Modélisation d’une centrale hydraulique (doc. 1) Une vidéo en accès libre pour les élèves présente le matériel puis permet d’observer l’influence de la hauteur de chute sur la tension délivrée par l’alternateur. Plus la tension obtenue est élevée, plus la production d’énergie électrique est importante. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. • Fonctionnement d’un alternateur (doc. 2) 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 L’alternateur et le dispositif de modélisation d’une centrale hydrauliques utilisés sont commercialisés par la société Jeulin. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée À ce stade, la tension n’a pas été abordée dans le module 6, le voltmètre sert alors uniquement de témoin de ce que l’on peut alors qualifier de « plus ou moins grande production d’électricité ». Cette activité aborde deux formes d’énergies (potentielle de position et électrique) et la conversion d’une forme d’énergie en une autre forme. Elle permet de montrer que plus la hauteur de la chute d’eau est importante et plus la « production d’électricité » est importante. 1 Les trois vidéos disponibles dans le doc. 1 permettent de schématiser le

Chute d’eau

2 Réaliser un circuit électrique avec l’alternateur en mouvement et observer

Roue à aubes

dispositif.

l’état de la lampe. Il y a aussi conversion en énergie thermique mais cela ne nous semble pas exigible en début de cycle. 4 L’eau immobile dans un barrage situé en hauteur contient de l’énergie poten-

V Voltmètre

tielle de position. 5 Les barrages sont situés en hauteur pour que l’eau possède de l’énergie potentielle. 6 Plus l’eau chute d’une grande hauteur, plus la production d’énergie électrique est importante. 7 L’eau convertit son énergie potentielle de position en énergie cinétique. Plus la hauteur est importante, plus

l’énergie cinétique sera grande et plus il y aura de production d’énergie électrique.

Un pas vers le bilan Au cours de la chute, il y a conversion de l’énergie potentielle de position en énergie cinétique. 248

Thème 3

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

Alternateur

3 L’alternateur convertit de l’énergie cinétique en énergie électrique.



AC TIV ITÉ

2 D’où provient l’électricité que nous utilisons ?

p. 234 et 235 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Sept vidéos en accès libre pour les élèves présentent les différentes sources d’énergies utilisées pour produire de l’énergie électrique et les centrales de production qui leur sont associées. Centrale thermique – Centrale éolienne – Centrale nucléaire – Centrale biomasse – Centrale solaire – Centrale géothermique – Centrale hydraulique Ces vidéos ne sont pas indispensables à l’activité mais illustrent les différents types de centrales. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Nous avons choisi une activité documentaire sur les principaux convertisseurs en fonctionnement aujourd’hui. Cela permet de revoir les sources renouvelables et les sources non renouvelables qui ont été étudiées au cycle 3. La notion de conversion d’énergie est présentée à l’aide d’une chaîne énergétique simple déjà vue au cycle 3.

1

Sources renouvelables

Sources non renouvelables.

SOURCE ÉOLIENNE SOURCE BIOMASSE SOURCE HYDRAULIQUE SOURCE SOLAIRE SOURCE GÉOTHERMIQUE 2

SOURCE FOSSILE SOURCE NUCLÉAIRE

Sources d’énergie

Formes d’énergies

SOURCE ÉOLIENNE SOURCE BIOMASSE SOURCE HYDRAULIQUE SOURCE SOLAIRE SOURCE GÉOTHERMIQUE SOURCE FOSSILE SOURCE NUCLÉAIRE

Énergie cinétique de l’air en mouvement Énergie chimique des végétaux Énergie cinétique de l’eau en mouvement Énergie lumineuse Énergie thermique Énergie chimique Énergie nucléaire

3 L’énergie électrique que nous utilisons provient de plusieurs sources, certaines sont renouvelables, d’autres



ne le sont pas : – les sources non renouvelables utilisées sont les sources fossiles et nucléaires ; – les sources renouvelables utilisées sont les sources éolienne, biomasse, solaire et géothermique.

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

Un pas vers le bilan Les trois convertisseurs choisis sont la centrale biomasse, la centrale nucléaire et la centrale hydraulique. Les chaînes énergétiques présentent les formes d’énergie converties.

Énergie exploitée

Énergie chimique

Énergie exploitée

Énergie nucléaire

Énergie exploitée

Énergie cinétique de l’eau

Convertisseur Centrale biomasse Convertisseur Centrale nucléaire Convertisseur Centrale hydraulique

Énergie utile

Énergie électrique

Énergie utile

Énergie électrique

Énergie utile

Énergie électrique

Module 6

249

AC TIV ITÉ

3 A-t-on toujours utilisé les mêmes sources d’énergie ?

p. 236 du manuel

Matériel • Deux bouilloires de puissances différentes • Grande éprouvette (250 mL ou 500 mL) • Deux grands béchers Vidéos et animations en lien avec l’activité • Sources d’énergie L’animation en accès libre pour les élèves est nécessaire pour réaliser cette activité. Elle présente les sources d’énergies utilisées au cours de l’histoire. Néanmoins, il est possible de proposer aux élèves des fiches comme celles présentées ci-dessous. • Puissance d’un convertisseur Une vidéo montre deux bouilloires de puissances différentes chauffant une même quantité d’eau jusqu’à ébullition. Elle 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 Des tableaux à compléter sont téléchargeables dans le manuel numérique. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité documentaire montre à l’élève que depuis toujours l’homme a exploité différentes formes d’énergie. Elle montre également que les sources d’énergie exploitées ont évolué au cours du temps. Nous avons choisi de présenter la notion de puissance par la capacité d’un convertisseur à convertir l’énergie rapidement. L’expérience d’ébullition de l’eau avec deux bouilloires de puissances différentes permet d’illustrer cette notion. Il peut être intéressant de faire travailler les élèves par groupe sur une ou deux périodes de l’histoire et ensuite d’échanger les résultats de l’activité.



250

Thème 3

textes apparaissant dans l’animation sont les suivants : La Préhistoire • Feu de bois Maîtrisé depuis 500 000 ans, le feu a permis à l’homme de se chauffer, de s’éclairer et de se protéger des animaux. L’énergie chimique stockée dans la biomasse (végétaux) est convertie en énergie lumineuse et énergie thermique. • Cueillette Ce personnage se déplace et cueille des fruits grâce à l’énergie chimique stockée dans ses muscles. Les fruits comme tous les aliments contiennent de l’énergie chimique que les muscles du personnage vont stocker. • Chasse Ce chasseur vient de tuer un animal avec sa lance. C’est l’énergie chimique contenue dans ses muscles qui a permis cela. Lors d’un travail physique, un homme peut fournir une puissance de 500 watts environ.

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

1 Les tableaux vierges peuvent être fournis aux élèves, ils sont disponibles dans le manuel numérique. Les

Le Moyen-Âge • Mouture du blé : le moulin à vent L’énergie cinétique de l’air (vent) met une meule de pierre en mouvement. Cette meule permet de moudre le blé pour fabriquer de la farine. • Mouture du blé : le moulin à eau L’énergie cinétique de l’eau met une meule de pierre en mouvement. Cette meule permet de moudre le blé pour fabriquer de la farine. • Travaux agricoles L’énergie chimique contenue dans les muscles des animaux permet au laboureur de travailler rapidement. Un bœuf lors d’un labour fournit une puissance de 4000 watts environ. • Navigation à voile L’énergie cinétique de l’air (vent) fait avancer le bateau. Le commerce par voie fluviale se développe.

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

Le xixe siècle • Navigation à vapeur La machine à vapeur convertit l’énergie chimique du charbon ou du bois en énergie thermique. Cette énergie thermique chauffe de l’eau dans une cuve et la transforme en vapeur. L’énergie cinétique de la vapeur d’eau est transférée au bateau qui peut alors de déplacer. • Travaux agricoles La machine à vapeur convertit l’énergie chimique du charbon ou du bois en énergie thermique. Cette énergie thermique chauffe de l’eau dans une cuve et la transforme en vapeur. L’énergie cinétique de la vapeur d’eau est transférée au tracteur qui peut alors de déplacer. Les premiers tracteurs à vapeur fournissent une puissance de 5000 watts environ. • L’activité industrielle Les machines à vapeur convertissent l’énergie chimique du charbon ou du bois en énergie cinétique. Elles permettent le développement d’industries comme la sidérurgie, la chimie, le textile. Elles fournissent une énergie bon marché. • Transports ferroviaires La machine à vapeur convertit l’énergie chimique du charbon ou du bois en énergie thermique. Cette énergie thermique chauffe de l’eau dans une cuve et la transforme en vapeur. L’énergie cinétique de la vapeur d’eau est transférée à la locomotive qui peut mettre le train en mouvement • Extraction du charbon Le charbon est la source fossile la plus utilisée au XIXème siècle. L’énergie chimique qu’il contient permet de faire fonctionner des machines à vapeur ainsi que de de fournir de l’énergie thermique pour chauffer les habitations. • Éclairage des rues Les rues sont éclairées par des réverbères à gaz. L’énergie chimique du gaz est convertie en énergie lumineuse. Aujourd’hui • Navigation maritime Les bateaux ne sont plus équipés de machines à vapeur mais de moteurs qui convertissent l’énergie chimique du pétrole en énergie cinétique. Ils sont de plus en plus puissants. D’énormes bateaux pétroliers sillonnent les océans. • Production d’énergie électrique : la centrale nucléaire La centrale nucléaire convertit l’énergie nucléaire de l’uranium en énergie thermique. Celle-ci permet de transformer de l’eau liquide en vapeur d’eau qui fait tourner un alternateur. L’énergie cinétique de l’alternateur est convertie en énergie électrique. • Production d’énergie électrique : l’éolienne L’énergie cinétique de l’air (vent) fait tourner les pales de l’éolienne reliées à un alternateur. L’énergie cinétique de l’alternateur est convertie en énergie électrique. • Production d’énergie électrique : la centrale hydraulique

Module 6

251

L’énergie cinétique de l’eau fait tourner un alternateur. L’énergie cinétique de l’alternateur est convertie en énergie électrique. L’énergie hydraulique est la source d’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde actuellement. • Production d’énergie électrique : les panneaux solaires Les panneaux solaires convertissent l’énergie solaire en énergie électrique ou en énergie thermique pour le chauffage par exemple. • Transports aériens Le transport aérien s’est développé au vingtième siècle. Il faut actuellement moins de huit heures pour effectuer le trajet Paris – New-York alors qu’il a fallu au quinzième siècle deux mois et demi à Christophe Colomb pour traverser l’Atlantique. Les moteurs des avions convertissent l’énergie chimique du pétrole en énergie cinétique notamment. • Travaux agricoles L’agriculture s’est mécanisée. Les engins agricoles utilisent des moteurs de plus en plus puissants qui convertissent l’énergie chimique du pétrole en énergie cinétique. La puissance d’un tracteur actuel est de l’ordre de 150 kilowatts (150 000 watts). Préhistoire Activité

Chasse

Cueillette

Chauffage et cuisson par le feu de bois

Source d’énergie

Humain

Humain

Biomasse

Forme d’énergie exploitée

Énergie chimique.

Énergie chimique

Énergie chimique

Forme d’énergie utile

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie thermique et énergie lumineuse.

Moyen-Âge Activité

Navigation à voile

Travaux agricoles par les bœufs

Mouture du blé par le moulin à eau

Mouture du blé par le moulin à vent

Source d’énergie

Air en mouvement

Animal

Eau en mouvement

Air en mouvement

Forme d’énergie exploitée

Énergie cinétique

Énergie chimique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Forme d’énergie utile

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

siècle

Activité

Navigation à vapeur

­Fonctionnement des machines à vapeur et chauffage

Activités ­industrielles

Transports ferroviaires (train)

Éclairage public

Travaux agricoles avec un tracteur

Source d’énergie

Biomasse ou charbon

Biomasse

Biomasse ou charbon

Charbon

Gaz

Charbon

Forme d’énergie exploitée

Énergie chimique.

Énergie chimique

Énergie chimique.

Énergie chimique.

Énergie chimique

Énergie chimique

Forme Énergie d’énergie utile cinétique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie lumineuse

Énergie cinétique

Aujourd’hui

252

Activité

Production d’énergie ­électrique par une centrale nucléaire

Travaux ­agricoles avec un tracteur

Navigation ­maritime

Production d’énergie ­électrique par une centrale hydraulique

Transports ­aériens

Source d’énergie

Uranium

Pétrole

Pétrole

Eau en mouvement

Pétrole

Forme d’énergie exploitée

Énergie nucléaire

Énergie chimique

Énergie chimique

Énergie cinétique

Énergie chimique

Forme d’énergie utile

Énergie électrique

Énergie cinétique

Énergie cinétique

Énergie électrique

Énergie cinétique

Thème 3

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

xixe

Aujourd’hui Activité

Production d’énergie électrique par une éolienne

Production d’énergie électrique par panneau solaire

Source d’énergie

Air en mouvement

Soleil

Forme d’énergie exploitée

Énergie cinétique

Énergie solaire

Forme d’énergie utile

Énergie électrique

Énergie électrique ou énergie thermique

2 Lors d’un travail physique, un homme peut fournir une puissance de 500 watts environ.



Un bœuf lors d’un labour fournit une puissance de 4 000 watts environ. Les premiers tracteurs à vapeur fournissaient une puissance de 5 000 watts environ. La puissance d’un tracteur actuel est de l’ordre de 150 kilowatts (150 000 watts). Les puissances des dispositifs utilisés en agriculture ont énormément augmenté depuis la préhistoire jusqu’à nos jours. 3 Placer le même volume d’eau dans chaque bouilloire. Allumer chaque bouilloire, puis mesurer la température



de l’eau après quelques minutes. La bouilloire la plus puissante chauffe l’eau le plus rapidement. 4 Plus un dispositif est puissant, plus il convertit l’énergie rapidement. 5 Les sources d’énergie utilisées ont évolué depuis la Préhistoire. Initialement, nous utilisions surtout des sources

d’énergie renouvelables. Puis à partir du xixe siècle, les sources d’énergie fossiles ont été les plus utilisées. Et au xxe siècle et notamment en France, c’est l’énergie nucléaire qui est utilisée.

Un pas vers le bilan

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Connaître la puissance d’un convertisseur permet de savoir s’il convertira l’énergie rapidement pour effectuer le travail demandé.

Module 6

253

AC TIV ITÉ

4 Comment une spirale magique fonctionne-t-elle ?

p. 237 du manuel

Matériel • Feuille de papier avec la spirale à découper (patron à télécharger, voir Compléments ci-dessous) • Fil à coudre • Bougie chauffe-plat et allumettes • Potence, noix, tige ou dispositif équivalent Vidéos et animations en lien avec l’activité • Spirale magique 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 Un plan de construction de spirale est disponible dans le manuel numérique. Le fil de suspension doit être suffisamment long pour qu’il puisse se vriller lors de l’expérience. Il faut tout de même garder une distance suffisante entre la flamme et la bougie. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée La spirale est un objet très simple à fabriquer. Lorsqu’elle fonctionne, cela permet à l’élève de mener une réflexion sur les transferts et conversions d’énergie à partir d’un objet concret et pas seulement à partir de modèles nécessairement plus abstraits. 1 Lorsque la spirale est au-dessus de la bougie enflammée, elle se met à tourner. 2 Dans la flamme d’une bougie, l’énergie chimique de la bougie est convertie en énergie thermique et énergie

lumineuse. 3 De l’énergie thermique est transférée de la flamme de la bougie à l’air. 4 L’air en mouvement possède de l’énergie cinétique qu’il transfère à la bougie qui se met en mouvement. 5 L’énergie chimique de la bougie est convertie en énergies lumineuse et thermique. L’énergie thermique de la

flamme est transférée à l’air. L’énergie thermique de l’air est convertie en énergie cinétique de l’air. Cette énergie cinétique de l’air est transférée à la spirale qui se met en mouvement.



Lors d’une conversion d’énergie, on passe d’une forme d’énergie à une autre. Lors d’un transfert d’énergie, la même forme d’énergie passe d’un objet à un autre.

254

Thème 3

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Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

5 Comment fonctionne une poche de gel froid instantané ?

p. 238 du manuel

Matériel • Béchers. • Eau. • Thermomètre. • Spatule. • Agitateur. • Balance. • Coupelle de pesée. • 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.

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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,

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

255

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6 Pourquoi un skateur dans un half-pipe

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

p. 239 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. 256

Thème 3

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

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

p. 240 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 © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

+ – Condensateur

+ – Cellule solaire

Condensateur

Moteur

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

257

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

p. 241 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.

température de la solution. 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

258

Thème 3

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6 Une partie de l’énergie transférée entre la pile et le moteur a été perdue puisqu’on observe une élévation de la

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

p. 242 du manuel

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

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a. Pointage vidéo de la chute d’une balle de tennis de 57 g La fiche 10 du livret présente le principe du pointage vidéo. • Ouvrir le fichier « M6-3Act3-C4Act9-balle-tennis ». L’échelle à utiliser est la règle noire de 1,50 m de longueur. • Effectuer le pointage avant de placer l’origine du repère. • Placer l’origine du repère sur la dernière position pointée de la balle. • Dans la barre de menu, choisir Résultats puis Tableau de valeurs. • Affichage du tableau de valeurs. • Dans la barre de menu, choisir Affichage puis sélectionner Vitesse. • Ensuite, choisir Edition et sélectionner Copier dans le presse-papier. • Ouvrir un logiciel-tableur. Nous utiliserons Open Office. • Coller le contenu du presse-papier dans le tableur (ne pas modifier les options d’Import de texte).

Module 6

259



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



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



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



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



La fiche 9 du livret présente la réalisation d’un graphique à partir du tableur LibreOffice Calc. • À l’aide de la souris et de la touche Ctrl du clavier, sélectionner les colonnes Date, Ec et Ep. • Dans la barre de menu, cliquer sur l’icône Diagramme puis XY (Dispersion). • Relier les points en cliquant sur l’icône Points et lignes. On obtient la représentation graphique suivante.



Le même travail est effectué pour les deux autres boules.



Nous proposons les fichiers vidéos : – de la chute d’une boule de pétanque (nommé M6-3Act3-C4Act9-boule-petanque) ; – de la chute d’une balle en plastique (nommé M6-Act3-C4Act9-boule-plastique).



260

Thème 3

b. Calcul de l’énergie cinétique Ec =

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

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



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

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

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

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



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



Un pas vers le bilan

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

Module 6

261

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

p. 243 du manuel

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

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

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

énergie cinétique.

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

dans lesquelles il est engagé. Luke Aikins

Terre

Air

b. L’action exercée par l’air sur Luke Aikins limite sa vitesse.

4 Au niveau du filet, il se produit une conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle élastique.

5 Compte-tenu de la vitesse à laquelle Luke Aikins arrive dans le filet son énergie importante se traduit par une

Un pas vers le bilan L’énergie de position et l’énergie élastique peuvent être qualifiées d’énergies potentielles car elles constituent des ressources énergétiques dont on peut disposer ultérieurement. En effet, l’énergie potentielle de position est une réserve d’énergie qui peut être convertie en énergie cinétique. De même l’énergie potentielle élastique peut être restituée sous une autre forme.

262

Thème 3

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déformation importante du filet. C’est pourquoi il est placé si haut pour lui éviter de toucher le sol lors de sa réception.

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11 Comment vérifier la puissance d’un sèche-cheveux ?

p. 244 du manuel

Matériel • Sèche-cheveux. • Compteur d’énergie. • Logiciel tableur. Vidéos et animations en lien avec l’activité Une vidéo présente le matériel aux élèves. La vidéo complète de l’activité expérimentale est disponible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Dans cette activité, la proportionnalité entre l’énergie consommée par le sèche-cheveux et sa durée d’utilisation est mise en évidence par le calcul du rapport des valeurs collectée dans un tableau. D’autres stratégies d’étude peuvent être utilisées, comme la représentation graphique à la main ou à l’aide d’un tableur, selon la progression choisie de façon coordonnée en mathématiques et en physique-chimie pour la mise en évidence de cette propriété. Bien que la valeur ne soit pas répertoriée dans le tableau, il est important de faire remarquer que si t = 0 min, E = 0 kWh.

1 et 2

t (en min)

3

6

9

12

t (en h)

0,05

0,10

0,15

0,20

E (en kWh)

0,066

0,133

0,200

0,266

E t (en kWh)

1,32

1,33

1,33

1,33

3 La puissance du sèche-cheveux utilisé est de 1300 W, soit 1,3 kW.

4 On constate que la puissance du sèche-cheveux et le rapport de l’énergie consommée par la durée d’utilisation

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sont sensiblement égaux.

5 On peut vérifier la puissance d’un sèche-cheveux en mesurant l’énergie consommée E pendant une durée t

E de ces deux valeurs. Pour une meilleure précision de l’estimation, on peut t réaliser une série de mesures pour différentes durées d’utilisation et faire une moyenne des rapports obtenus. donnée et en faisant le rapport

Un pas vers le bilan On calcule l’énergie E consommée (ou produite) par un appareil électrique en multipliant sa puissance 3 par sa durée de fonctionnement t : E = 3 × t. Si la puissance 3 est exprimée en kilowatt (kW) et la durée t est exprimée en heure (h), alors l’énergie E est exprimée en kilowattheure (kWh).

Module 6

263

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12 Quelles décisions durables prendre pour préserver l’avenir ?

p. 245 du manuel

Matériel En salle informatique : ordinateurs ou tablettes. Vidéos et animations en lien avec l’activité Lien vers : http://www.2020energy.eu/game Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Le jeu sérieux est une stratégie d’apprentissage ludique qui permet de modéliser des activités qui peuvent faire appel à des situations complexes. Un jeu sérieux bien conçu est un moyen d’apprendre rapidement et efficacement. 1 Les solutions durables doivent concilier :

– l’aspect écologique (prise en compte de l’environnement) ; – l’aspect social (prise en compte de la dimension humaine) ; – l’aspect économique (prise en compte des contraintes financières). Des solutions durables pour les situations proposées : Choix individuels • Aider Benjamin à organiser ses vacances : voyager à travers l’Europe en bus et une fois sur place, se balader à pied ou à vélo. • Aider Lisa à trouver une tenue pour son concert : apporter ses anciens vêtements chez une amie qui se lance dans une activité de styliste. • Aider Sarah à choisir une source d’énergie appropriée  : choisir avec soin un fournisseur d’énergie renouvelable.

Choix planétaires • Aider Éva à réduire les dépenses énergétiques liées à l’alimentation : soutenir les producteurs locaux et diversifier les modes de distribution de leurs produits. • Aider Julia à promouvoir l’efficacité énergétique : taxer les produits entrants en Europe qui ne répondent pas à des normes internationales élevées au niveau social, environnemental et en termes d’efficacité énergétique. • Aider Carl à définir les énergies du futur : développer des énergies renouvelables en fonction du contexte local.

Un pas vers le bilan Décisions à envisager au niveau énergétique dans le cadre du développement durable : • Réduire le besoin énergétique en améliorant l’efficacité énergétique des bâtiments et des dispositifs qui en consomment. • Privilégier les solutions les moins énergivores. • Développer des énergies renouvelables diversifiées en fonction du contexte local. 264

Thème 3

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Choix territoriaux • Aider Sam à réduire les embouteillages : réorganiser la ville et mettre dans tous les quartiers des commerces, des services publics et des habitats. • Aider Olivier à reconstruire le village : rénover les bâtiments en intégrant de nouvelles normes écologiques qui profiteront au village et à ses environs. • Aider Sofia à choisir une source d’énergie durable : améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments et combiner plusieurs énergies propres (éoliennes, solaire…)

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13 L’envoi de courrier électronique peut-il être écologique ?

p. 246 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’envoi d’un mail, comme l’utilisation d’Internet, est un geste quotidien que l’on peut penser non consommateur d’énergie. Nous avons choisi l’exemple du mail pour montrer que tout au long de la chaîne de transmission de nombreux dispositifs consomment de l’énergie.

1 Dans chaque étape de la communication par courriel, les postes de dépenses énergétiques sont l’alimentation

électrique des ordinateurs de l’expéditeur et du destinataire, l’alimentation électrique des dispositifs de transmission/réception, l’alimentation électrique des serveurs du fournisseur d’accès à Internet (FAI) de l’émetteur et du récepteur.

2 Plus il y a de destinataires et plus il y a d’ordinateurs et de serveurs concernés par le message. Ces équipements

représentent un coût énergétique pour leur fabrication et leur alimentation. Les pièces jointes les plus volumineuses en octets ont des durées de transmission plus longues, les dispositifs de transmission consomment donc davantage d’énergie. Ces documents occupent aussi davantage de place sur les serveurs. Leur stockage nécessite de multiplier le nombre de serveurs qu’il faut produire et alimenter.

3 L’envoi de courriels nécessite de l’énergie. La production d’énergie pour la fabrication et l’alimentation des

équipements informatiques n’est pas toujours écologique.

Un pas vers le bilan Le bilan énergétique d’un dispositif doit prendre en compte l’énergie de toutes les étapes : depuis la fabrication jusqu’au recyclage en passant par l’usage et l’entretien.

Prolongement

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Certains fournisseurs de messageries suggèrent aux usagers de supprimer régulièrement leurs courriels des serveurs. En limitant le volume de stockage nécessaire à chaque usager, cette action permet d’envisager la réduction du nombre de serveurs de stockage donc leur besoin en énergie. Cela contribue à réduire l’impact énergétique de la communication par courriel.

Module 6

265

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Les formes d’énergie

19 

QCM 1  a. et b.

2  c.

3  a. et b.

4  c.

5  b.

6  a.

p. 250 à 255 du manuel

7  b.

8 

Reconnaître une forme d’énergie L’énergie convertie par les panneaux photovoltaïques provient du Soleil. C’est l’énergie solaire. 9  Reconnaître une forme d’énergie L’énergie thermique permet la cuisson des aliments.

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre l’intérêt du four solaire lorsqu’il y a pénurie de sources d’énergie. 10 

Identifier des formes d’énergie L’eau située en hauteur dans le château d’eau possède de l’énergie potentielle de position. 11  Calculer une énergie cinétique 1. 1 mm/s = 0,001 m/s. 1 2. Ec = m × v 2, avec Ec en J si m est en kg et v en m/s. 2 11 0,025 ×0,00122 = 1,25 × 10–8 J. donc Ec = ××0,025 ×0,001 22  

Identifier des sources d’énergies renouvelables 1. La source utilisée est la biomasse. 2. Cette source est renouvelable car les végétaux peuvent être replantés après une exploitation. 20 

Proposer une explication Une source d’énergie hydraulique est une source renouvelable grâce au cycle de l’eau qui renouvelle l’eau dans les barrages par exemple. 21 

Identifier une source d’énergie renouvelable 1. Cette source d’énergie est la source géothermique. 2. Elle est qualifiée de renouvelable car elle ne s’épuisera pas à cause d’une exploitation sur une durée à l’échelle humaine. 22 

Émettre une hypothèse L’essence sans plomb provient du pétrole, c’est une source d’énergie non renouvelable car les réserves de pétrole ne sont pas inépuisables. 23  Classer les sources d’énergie Renouvelable : Source éolienne – Source géothermique – Source hydraulique – Biomasse – Source solaire Non renouvelable : Pétrole – Gaz – Charbon – Uranium

12 

Calculer une énergie cinétique 1 1 Ec = m × v 2 , donc Ec = × 80 ×152 = 9 000 J. 2 2 13 

Calculer une énergie cinétique 1 1 Ec = m × v 2 , donc Ec = × 60 ×102  = 3 000 J. 2 2

Les transferts et conversions d’énergie QCM 24  a.

25  a.

26  c.  27  a.  28  a.  29  a.  30  a.

Convertir une énergie

Une vidéo disponible pour les élèves montre la déformation d’une balle de tennis lors d’un rebond. 1. Avant le contact avec le sol, la balle possède de l’énergie cinétique. 1 1 2. Ec = m × v 2, donc Ec = × 57 ×10−3 × 82 = 1,8 J. 2 2

Les sources d’énergie QCM

266

Thème 3

15  a. et c.

16  b. et c.

17  b. et c.

18  a. et b.

31 

Repérer un transfert d’énergie Le forgeron craint un transfert d’énergie thermique le long de la barre de fer et donc de se brûler. 32 

Réaliser une chaîne énergétique Énergie exploitée

Énergie cinétique du vent

Énergie utile

Éolienne

Énergie électrique

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14 

Prendre un bon départ

33  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. 34  Reconnaître des formes d’énergie 1. La luciole possède de l’énergie chimique. 2. L’énergie chimique est convertie en énergie lumineuse. 35  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. 36 

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 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.

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

40  a.

39 

Compléter une chaîne énergétique Énergie utile Énergie exploitée Énergie consommée

Convertisseur

Énergie utile 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

41 

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). 42 

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

43 

Identifier des conversions d’énergie Énergie utile Énergie exploitée Énergie cinétique du vent

Énergie électrique Éolienne

Énergie dissipée Énergie thermique

44 

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

Énergie utilisable

Énergie exploitée

Énergie dissipée

Énergie cinétique de la manivelle

Énergie inutilisable

Énergie cinétique de la vapeur d’eau

Énergie exploitée

38 

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.

Schématiser des chaînes énergétiques

Énergie électrique Lampe à manivelle

Énergie dissipée Énergie thermique

Module 6

267

EX ER CI CE S 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 Énergie thermique

45  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

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie électrique Batterie

Énergie dissipée Énergie thermique

La puissance QCM 46  a.

47  b.

48  a. et b.  49  a.   50  b. et c. 51 

Repérer des puissances La puissance du sèche-cheveux B (2 400 W) est supérieure à celle du sèche-cheveux A (2 000 W). 52 

Comparer des puissances 1 200 MW est supérieur à 2 MW, donc le réacteur nucléaire est plus puissant que l’éolienne. Il mettra donc moins de temps que l’éolienne pour produire la même quantité d’énergie électrique.

55  Calculer une économie d’énergie 1. Le lecteur DVD fonctionne 4 heures par semaine donc en une année, il aura fonctionné : 4 × 52 = 208 heures. E = 3 × t, donc E = 10 x 208 = 2 080 wattheures. 2. a. Le lecteur DVD est en veille 24 × 7 – 4 = 164 heures par semaine donc en une année, il aura été en veille : 164 × 52 = 8 528 heures. E = 3 × t, donc E = 0,5 × 8 528 = 4 264 Wh. b. 4 264 Wh = 4,264 kWh. Le coût C est donné par la relation : C = 4,264 × 0,15 = 0,064 €, soit 6,4 centimes d’euros.

Remarque : Ce montant peut paraître faible, il est cependant important de remarquer que dans ces conditions d’utilisation le lecteur consomme plus d’énergie lorsqu’il est en veille que lorsqu’il fonctionne. 56  Calculer une consommation d’énergie 1. E = 3 × t, donc E = 3,8 × 1,5 = 5,7 Wh. La batterie stocke 5,7 wattheures au cours de la charge. 2. Les moteurs utilisent 5,7 Wh pour fonctionner 1 heure. 6 Leur puissance 3 est donnée par la relation : 5,7 E 3= = = 5,7 × 6 = 34,2 W. 1 t 6 57 

Calculer une puissance La puissance 3 de la bouilloire est donnée par la relation : 0,2 E 3= = = 2 kW. 0,1 t

53 

54 

Calculer une durée de fonctionnement E avec t en h si E est en kWh E = 3 × t, donc t = 3 et P en kW. 10000 = 1 250 heures. Donc t =  8 Le vendeur prévoit au minimum 1 250 heures de vent par an. 268

Thème 3

Le développement durable QCM 58  c.   59  a. et b. 60  Tirer des informations d’un diagramme

1. Quand on concilie les aspects environnemental et économique, on favorise un développement viable. 2. Le développement durable essaie de concilier les aspects environnemental, économique et social.

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Calculer une énergie à partir d’une puissance 1. E = 3 × t, donc E = 1 200 × 0,3 = 360 Wh = 0,36 kWh. 2. 360 Wh = 0,36 kWh. Le coût C est donné par la relation : C = 0,36 × 0,15 = 0,054 €, soit 5,4 centimes d’euros.

Se perfectionner 61  Soulager les douleurs 1. a. L’énergie est transférée sous forme d’énergie thermique. b. L’énergie thermique est transférée depuis le gel vers la zone douloureuse. c. L’énergie est transférée du corps qui en contient le plus vers celui qui en contient le moins, donc du gel chaud vers le corps plus froid. 2. En cryothérapie, il faut placer quelques minutes la poche de gel au réfrigérateur puis l’appliquer sur la zone douloureuse. L’énergie sous forme d’énergie thermique est alors transférée depuis la zone douloureuse vers le gel. 62 

Chauffe-eau solaire 1. L’énergie utilisée par le capteur solaire provient du Soleil. 2. Lors du fonctionnement du chauffe-eau, il y a transfert d’énergie thermique entre l’eau chaude qui circule dans le capteur et l’eau froide du réseau sanitaire de la maison. 63 

Les éoliennes 1. a. L’énergie cinétique du vent est convertie dans une éolienne. b. L’éolienne convertit l’énergie cinétique du vent en énergie électrique. 2. Le vent ne soufflant pas régulièrement, il n’est pas possible d’utiliser seulement les éoliennes pour produire de l’énergie électrique. 64 

L’hydroélectricité 1. L’eau immobile dans un barrage possède de l’énergie potentielle de position. 2. En arrivant à la turbine, l’eau possède de l’énergie cinétique. 3. L’alternateur convertit l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique.

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65 

Des grêlons dangereux 1. La chute des grêlons est due à l’interaction gravitationnelle. 2. Lorsque les grêlons sont en altitude, ils stockent de l’énergie potentielle de position. 3. Lorsqu’ils atteignent le sol, les grêlons possèdent de l’énergie cinétique. 66 

Entre deux wagons 1. Le wagon de gauche est en mouvement, il possède donc de l’énergie cinétique. 2. Il va y avoir un transfert d’énergie cinétique depuis le ressort du wagon de gauche vers le ressort du wagon de droite.

p. 256 à 266 du manuel

67  Le puits canadien 1. Un puits canadien est un dispositif de chauffage. 2. De l’énergie thermique est transférée lors du fonctionnement d’un puits canadien. 3. L’énergie est transférée depuis le sol vers l’air du conduit. 4. La source géothermique, soit une source d’énergie renouvelable, est utilisée par le puits canadien. 68 

Tâche complexe Descente en VTT Question posée : Expliquer en termes de transferts et de conversions d’énergie le problème qui peut intervenir lors d’un freinage à vélo.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment un vélo freine-t-il ? 2. Quel problème est survenu lors de ce freinage ? 3. Quelles formes d’énergie possède un cycliste en mouvement ? 4. Quelle conversion d’énergie a lieu lors d’un freinage ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Lors d’un freinage, le liquide de frein appuie sur des plaquettes. Celles-ci frottent contre des disques reliés à la roue (donnée). 2. Les freins ont chauffé, le liquide s’est mis à bouillir et le vélo ne freinait plus (doc. 1). 3. La descente est rapide, le cycliste possède de l’énergie cinétique (doc. 1). 4. Il y a eu conversion d’énergie cinétique en énergie thermique (doc. 1 et donnée). 3e étape : Dégager la problématique On demande de préciser pourquoi la conversion d’énergie cinétique en énergie thermique n’a plus permis de faire fonctionner les freins. 4e étape : Construire la réponse • Identifier la conversion d’énergie effectuée pendant le freinage. • Repérer quel problème cause le transfert d’énergie entre les plaquettes de freins et le liquide de frein. • Justifier le changement d’état du liquide. • Justifier que le changement d’état du liquide de frein empêche le freinage. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un freinage permet à un VTT de convertir son énergie cinétique en énergie thermique au niveau du système de freinage. Module 6

269

EX ER CI CE S

Grille d’évaluation en fin de module.

69  La centrale nucléaire 1. 1 Réacteur nucléaire : énergie nucléaire et thermique 2 Circuit primaire : énergie thermique et cinétique 3 Générateur de vapeur : énergie thermique 4 Circuit secondaire : énergie thermique et cinétique 5 Alternateur : énergie cinétique et énergie électrique 6 Pylône haute tension : énergie électrique 2. Il y a conversion d’énergie nucléaire en énergie thermique, puis d’énergie thermique en énergie cinétique puis d’énergie cinétique en énergie électrique. 3. Énergie exploitée Énergie utile Énergie nucléaire de l’uranium

70 

Centrale nucléaire

Énergie électrique

The Sea’s power

Traduction : Une nouvelle technologie qui exploite la puissance des courants marins pourrait fournir une forme propre et illimitée d’énergie renouvelable. Le vent et l’énergie solaire sont prometteurs mais ils sont limités par leur qualité et leur intermittence. Il est possible d’utiliser des courants marins pour produire de l’électricité. 1. Les courants marins sont la source d’énergie évoquée dans le texte. 2. Cette source est renouvelable car le courant ne disparaît pas après avoir été utilisé. 3. Les sources solaire et éolienne sont intermittentes. Il faut du Soleil ou du vent pour qu’elles fonctionnent, alors que les courants marins sont permanents. 270

Thème 3

71  Gaspillage énergétique 1. « Vivre à crédit » signifie utiliser de l’argent que l’on ne possède pas et que l’on a dû emprunter. Dans le contexte de l’exercice, cela signifie que chaque année, après le « jour du dépassement », l’humanité consomme des ressources d’énergie qu’elle puise dans les réserves d’énergie de la Terre. 2. Le « jour du dépassement » est de plus en plus tôt chaque année car la consommation de ressources non renouvelables augmente chaque année. 3. Afin de préserver la planète, il faut utiliser des sources d’énergies renouvelables. 4. Le risque est qu’il n’y aura plus assez de réserves de sources non renouvelables pour les générations futures. 5. Une proposition de légende pour l’image : La Terre pressée comme une orange. 72  Plus puissant qu’un cheval 1. 150 kW = 150 000 W et 1 CV = 735,5 W. La puissance en CV d’un tracteur est : 150 000 = 204 CV. 735,5 2. Énergie exploitée Énergie utile Énergie chimique

Tracteur

Énergie cinétique

73 

Économie d’énergie Les lampes halogènes à incandescence convertissent de l’énergie électrique en énergie lumineuse mais également en énergie thermique. En effet, il est marqué sur la notice que le risque de brulure est important. Les lampes DEL convertissent de l’énergie électrique en énergie lumineuse principalement. L’énergie thermique dissipée par les lampes halogènes à incandescence fait que ces lampes sont plus consommatrices d’énergie. 74 

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

75 

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.

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• Mettre en forme la réponse. Lorsqu’un cycliste agit sur les freins, le liquide de frein appuie sur des plaquettes. Celles-ci frottent contre des disques reliés à la roue (données). Ces frottements permettent de diminuer la vitesse du cycliste. Au niveau des freins, il y a une conversion de l’énergie cinétique du cycliste en énergie thermique. Cette énergie thermique est transférée depuis les freins vers tout le système de freinage et en particulier vers le liquide de frein. Ce dernier s’échauffe jusqu’à changer d’état et devient gazeux (doc. 1). À ce moment-là, lorsque le cycliste appuie sur le frein, il n’y a plus de pression exercée sur le frein car le gaz est compressible (module 1). Et donc, il n’est plus possible de freiner. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Il est dangereux de freiner de manière trop importante car l’énergie thermique dégagée au niveau des freins peut empêcher le VTT de s’arrêter ensuite. Il faut donc toujours maîtriser sa vitesse de façon à pouvoir s’arrêter sans dommage.

Se perfectionner

2. Le système de freinage, les roues, la route gagnent de l’énergie thermique. Ils s’échauffent. 76 

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.

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 :

77 

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 : Énergie utile

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie cinétique Muscles

Énergie dissipée Énergie thermique

78  Le boulet de démolition Tâche complexe 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 ? 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.

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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.

Grille d’évaluation en fin de module.

79 

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. 80 

La pile Volta

Une vidéo, en accès libre pour les élèves, montre la fabrication d’une pile Volta. 1.

papier imbibé

zinc

argent

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. 81 

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 Énergie lumineuse

Panneaux solaires photovoltaïques

Énergie électrique

Énergie dissipée Énergie thermique

Module 6

271

EX ER CI CE S Énergie exploitée Énergie lumineuse

Panneaux solaires thermiques

Énergie thermique

Énergie dissipée Énergie thermique

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

82 

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.

Énergie chimique

Énergie électrique Pile chimique

Énergie thermique

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

Énergie cinétique Moteur électrique

83 

Course à pied 1. Les muscles d’Eliud Kipchoge convertissent de l’énergie chimique en énergie mécanique. Énergie utile 2. Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie cinétique Muscles

Énergie dissipée Énergie thermique

84 

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. Énergie exploitée Énergie thermique souterraine

Système d’exploitation

Énergie thermique récupérée

Énergie dissipée Énergie thermique non utilisée

85  1.

Lampe de poche sans pile Énergie utile Énergie exploitée Énergie cinétique

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. 86 

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. 272

Thème 3

Énergie dissipée

Énergie dissipée Énergie thermique

87 

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. 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. 88 

Centrale nucléaire Énergie utile

1. 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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Énergie utile

Se perfectionner

89  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. Énergie exploitée Énergie cinétique du vent

Énergie électrique Alternateur

Énergie dissipée Énergie thermique

4. Énergie cinétique = Énergie électrique + Énergie thermique. 90  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.

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. 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=

Eutile × 100 Econsommée

R=

2,4 × 109 × 100 = 24 %. 9,7 × 109

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91 

L’énergie cinétique d’un bobsleigh 1 1. Ec1 = m × v 2 , avec Ec en J si m est en kg et v en m/s. 2 1 donc Ec = × 300 ×102 = 15 000 J. 2 1 2. Ec2 = m × v 2 , avec les mêmes unités. 2 1 donc Ec = × 390 ×102 = 19 500 J. 2 19 500 3. Rapport des énergies : = 1,3. 15 000 Le fait d’augmenter la masse du bobsleigh augmente son énergie cinétique. 4. Monter à deux dans un bobsleigh permet d’augmenter l’énergie du bobsleigh et donc de réaliser une course plus rapide.

92  Les météorites 1. La vitesse de la météorite diminue fortement à une vingtaine de kilomètres d’altitude donc son énergie cinétique diminue également. 2. L’énergie potentielle de position diminue lorsque la météorite se rapproche du sol car l’altitude diminue. 3. La météorite s’échauffe au cours de la descente, donc l’énergie perdue est dissipée sous forme d’énergie thermique. 93 

Cyclisme sur piste d La vitesse v est donnée par la relation v = , soit : t 200 = 18,4 m/s. v= 10,865 1 1 2 m × v 2 , donc Ec = × 58 ×18,4 = 9 818 J. 2 2 La vitesse du rugbyman se déduit de la relation : Ec =

Ec =

2EC 1 . m × v 2 , soit v = m 2

On obtient v =

2× 9818 = 14 m/s. 100

94 

Chasse de « haut vol » 1. Lorsque le faucon plonge vers la proie, son altitude diminue et donc son énergie potentielle de position diminue également. 2. Lors du piqué, l’énergie potentielle de position du faucon est convertie en énergie cinétique. 3. Du fait de l’altitude, le faucon pèlerin possède de l’énergie potentielle de position qui sera convertie en énergie cinétique lors qu’il plongera sur sa proie. Cela lui permettra d’augmenter sa vitesse pour atteindre rapidement sa proie et la surprendre. 95 

Chute de météorite 1. L’énergie cinétique de la météorite est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 Masse de la météorite : 10 000 tonnes, soit 1 × 107 kg. Vitesse de la météorite : 54 000 km/h, soit : 54 000 = 1,5 × 104 m/s. 3,6 2 1 On obtient donc Ec = × 1 × 107 × 1,5 ×104 , 2 soit Ec = 1,13 × 1015 J.

(

)

2. L’énergie potentielle de position de la météorite est donnée par la relation : Ep = m × g × h = 1 × 107 × 9,8 × 30 000 = 2,94 × 1012 J. 3. Pour calculer le nombre de tonnes de TNT, il faut 2,94 ×1012 effectuer le rapport  = 700 tonnes de TNT. 4,2×109 Module 6

273

EX ER CI CE S Le kilomètre vertical 1. Il faut tout d’abord écrire la durée en seconde : 36 minutes et 48 secondes = 36 × 60 + 48 = 2 208 s. La vitesse v de la coureuse est donnée par la relation : 1960 d = 0,89 m/s. v = , soit v = 2208 t 2. L’énergie cinétique de la coureuse est donnée par la 1 relation : Ec = m × v 2 . 2 1 On obtient Ec = × 46 × 0,892 = 18 J. 2 3. Au cours de cette ascension, les muscles convertissent de l’énergie chimique en énergie potentielle de position et en énergie cinétique. 97 

Energy transition

Traduction : Le Royaume-Uni est le troisième producteur européen d’énergie éolienne, après ­l’Allemagne et l’Espagne. C’est le premier pays au monde pour les éoliennes offshore. En 2015, la capacité totale des éoliennes installées au Royaume-Uni était de 13 855 MW, dont 5 105 MW au large. En décembre 2016, la production éolienne a atteint un sommet de 10 104 MW, soit 23% de la demande. Les promoteurs de l’énergie éolienne soulignent que cela pourrait être très utile pour relever les défis posés par le modèle énergétique actuel et ainsi répondre au changement climatique et à la disparition des combustibles fossiles. 1. L’éolien occupe une place importante au Royaume-Uni car c’est le troisième producteur d’énergie éolienne en Europe. 2. La production s’élevait à 13 855 MW. Le nombre de réacteurs nucléaires est donné par : 13 855 ×106 = 13,855. 109 Cette production correspond donc à environ 14 réacteurs nucléaires. 3. L’éolien n’a pas d’impact sur le réchauffement climatique et permet de compenser la disparition des combustibles fossiles. 98 

Lance-pierre 1. Le stockage d’énergie est possible grâce à l’élastique qui en se tendant stocke de l’énergie élastique. 2. Cette énergie est transférée au projectile sous forme d’énergie cinétique. 99 

Internet : un gouffre énergétique 1. Les data centers doivent être refroidis car ils dissipent de l’énergie thermique lors de leur fonctionnement. 274

Thème 3

2. Pour déterminer le nombre de centrales, il faut effectuer le rapport : Énergie consommée par les data centers 80 =  8 Énergie produite par une centrale = 10, il faudrait 10 centrales nucléaires. 3. Pour déterminer le nombre de familles, il faut effectuer le rapport : Énergie consommée par les data centers . Énergie consommée par une famille 80 millions de mégawattheures = 80  ×  106  ×  103 = 8 × 1010 kilowattheures Énergie consommée par les data centers 8 ×1010 = 104 Énergie consommée par une famille = 8 × 106, soit huit millions de familles. 100  Fusion de la glace 1. On introduit des glaçons à 0°C dans de l’eau à 25°C. Les glaçons fondent et la température finale est à 17°C. Si l’on ouvre le calorimètre, la température de l’eau remonte à 20°C. 2. Étapes 2 et 3 : L’eau à 25°C transfère de l’énergie aux glaçons qui fondent. Étapes 3 et 4 : Lorsqu’on ouvre le calorimètre, l’air ambiant à 20°C transfère de l’énergie à l’eau initialement à 17°C. Cette énergie est la cause du réchauffement de l’eau jusqu’à 20°C. 3. Si on met seulement de la glace dans le calorimètre, il ne lui sera pas possible d’échanger de l’énergie et de ce fait l’eau restera à l’état solide. Remarque : un calorimètre n’étant jamais totalement isolé, la glace finira par fondre, mais elle mettra beaucoup plus de temps qu’en présence d’eau. 101 

Thor, le dieu du Tonnerre 1. L’énergie potentielle de position du marteau est donnée par la relation Ep = m × g × h . Ep = m × g × h Ep = 4,5 × 1015 × 0,45 × 9,8 × 1,97 = 3,9 × 1026 J. 2. Au cours de la chute du marteau, son énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique. 3. Lorsqu’il touche le sol, son énergie cinétique est égale à 3,9 × 1016 J. 4. a. L’énergie cinétique de la météorite est donnée par 1 la relation : Ec = m × v 2 . 2 Masse de la météorite : 150 000 tonnes, soit 1,5 × 108 kg. Vitesse de la météorite : 12,8 km/s = 12 800 m/s. 1 On obtient Ec = × 1,5 × 108 × 12 8002 = 1,2 × 1016 J. 2 b. L’énergie cinétique du marteau de Thor et l’énergie cinétique de la météorite sont très proches. c. Si le marteau de Thor avait la même énergie que la météorite, lorsqu’il tombe au sol, les dégâts devraient être très importants.

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96 

Se perfectionner

102 

Un moulin énergétique

Une vidéo en accès libre pour les élèves illustre le fonctionnement d’un moulin à eau qui produit de l’énergie électrique. 1. Le moulin utilise de l’énergie hydraulique pour produire de l’énergie électrique. 2. L’aspect environnemental est valorisé dans l’utilisation du moulin. 3. Pour déterminer le nombre de familles, il faut effecÉnergie produite par le moulin tuer le rapport : . Énergie consommée par une famille L’énergie produite par le moulin est donnée par la relation : E = 3 × t. On considère que le moulin produit sans discontinuer toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t = 41 × 8 760 = 359 160 kWh. 359160 Énergie produite par le moulin = = 35,9. Énergie consommée par une famille 10 000 Il est possible d’alimenter environ 36 familles. Remarque : ce calcul est fait sur une moyenne, il ne tient pas compte des pics de consommation. En cas de forte demande énergétique le nombre de familles alimentées serait plus faible. 103 

Formule 1 1. L’énergie cinétique de la formule 1 est donnée par 1 la relation : Ec = m × v 2. 2 2. Il faut convertir la vitesse en m/s : 360 km/h =

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Ec =

360 000 = 100 m/s. 3 600

1 × 760 ×1002 = 3,8 × 106 J. 2

3. La vitesse du monospace se déduit de la relation 2Ec 1 Ec = m × v 2 , soit v = . m 2 2× 3,8 ×106 = 74 m/s, soit 266 km/h. 1400 Cette vitesse est bien sûr excessive. Aucun monospace ne peut rouler à cette vitesse.

On obtient v =

104 

Orage de grêle Erratum : on considère un grêlon de 5 cm de diamètre et d’une masse de 60 g possédant une vitesse de 31 m/s lorsqu’il touche le sol. 1. L’énergie cinétique d’un grêlon est donnée par la 1 relation : Ec = m × v 2. avec Ec en J si m est en kg et v 2 en m/s. Masse du grêlon en kilogramme : 60 g = 0,06 kg. 1 Ec = × 0,06  × 312 = 28,8 J. 2 2. a. L’énergie potentielle de position d’une boule de pétanque est donnée par la relation : Ep = m × g × h . Ep = 0,75 × 9,8 × 2,5 = 18 J. b. Au cours de la chute de la boule, son énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique. c. Lorsqu’elle touche le sol, son énergie cinétique est égale à 18 J. 3. Les résultats des questions 1. et 2. c. montrent que l’énergie cinétique d’un grêlon arrivant au sol est supérieure à l’énergie cinétique d’une boule de pétanque qui tombe d’une hauteur de 2,5 mètres, lorsqu’elle touche le sol. Les dégâts d’un orage de grêle peuvent donc être très importants.

Module 6

275

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet

Énergie cinétique

Énergie exploitée Énergie chimique

Énergie potentielle

de position Moteur de la fusée Énergie dissipée

Énergie thermique

276

Thème 3

106  L’énergie des vagues 1. a. L’énergie produite par le Pelamis est donnée par la relation : E = 3 × t. On considère que le Pelamis produit sans discontinuer toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t = 750 × 8 760 = 6,57 × 106 kWh. b. Il faut déterminer le nombre de familles pouvant être alimentées par le Pelamis. 6,57×106 Énergie produite par le Pelamis . = Énergie consommée par une famille 10 000 Il est possible d’alimenter 657 familles. Ce résultat est en accord avec la phrase en gras du doc. 1. Nous avons considéré une production maximale possible et trouvé 657 familles. La production dépend de la hauteur des vagues et est en réalité moins importante. Donc 500 familles est cohérent. 2. Énergie électrique Énergie cinétique des vagues

Pelamis Énergie thermique

3. Lors de son fonctionnement, le Pelamis utilise le mouvement des vagues qui est une source renouvelable. L’aspect environnemental est donc privilégié. Le Pelamis contribue donc au développement durable.

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105  En route vers l’ISS 1. L’énergie potentielle de position de la fusée est donnée par la relation Ep = m × g × h . a. Au niveau du sol, h = 0 m, donc Ep = 0 J. b. Après 30 secondes de vol, h = 2 000 m, donc : Ep = 627 000 × 9,8 × 2 000 = 1,23 × 1010 J. 2. L’énergie cinétique de la fusée est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 a. Au niveau du sol avant le décollage v = 0, donc Ec = 0 J. b. Après 30 secondes de vol, v = 190 m/s, donc : 1 Ec = × 627000 ×1902 =1,13 × 1010 J. 2 3. Pendant le vol, une partie de l’énergie se dissipe en énergie thermique. 4. La forme d’énergie contenue dans le carburant de la fusée est de l’énergie chimique. 5. Le carburant étant en partie issue du pétrole, la source d’énergie ne sera pas totalement renou­velable. Énergie utile 6.

p. 267 du manuel

Accompagnement personnalisé 107 

À chacun son rythme

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre quelques utilisations d’une caméra thermique. 1. Il y a transfert d’énergie thermique entre le bâtiment et l’air du milieu extérieur ainsi qu’entre les ouvriers et l’air. 2. La caméra thermique est sensible à l’énergie thermique. Elle fournit une image colorée telle que chaque plage de température est repérée par une couleur. L’échelle de température est repérée sur le côté de l’image. On voit que les zones rouges correspondent aux températures les plus élevées. Il y a un transfert d’énergie thermique quand deux objets côte à côte ont des températures différentes. 3. Les zones rouges de l’immeuble correspondent donc à des températures élevées qui montrent un transfert d’énergie thermique depuis l’immeuble vers le milieu extérieur. Ce sont donc les ponts thermiques. 108  À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Les pompes fournissent de l’énergie cinétique à l’eau pour l’amener au niveau supérieur. 2. L’eau immobile dans le bassin supérieur possède de l’énergie potentielle de position. 3. Lors de la production d’énergie électrique, l’énergie cinétique de l’eau est transférée à l’alternateur. 4. Une STEP permet de stocker de l’énergie sous forme d’énergie potentielle de l’eau et de pouvoir convertir cette énergie en énergie électrique si besoin.

• Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Quel est l’intérêt d’une STEP ?

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1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une STEP ? 2. Quel intérêt une STEP peut-elle présenter ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une STEP est un dispositif constitué d’une centrale hydroélectrique et de bassins situés en hauteur (doc. 1). 2. L’électricité ne se stocke pas. (Introduction de l’exercice) Lorsque la demande d’électricité est faible, l’électricité produite par les centrales thermiques ou nucléaires fait fonctionner des pompes de la STEP qui remontent de l’eau dans des bassins situés en hauteurs. Cela communique à l’eau de l’énergie cinétique convertie en énergie potentielle de position lorsque l’eau s’élève. Lorsque la demande est forte, cette eau redescend, son énergie cinétique est alors utilisée pour produire de l’énergie électrique (doc. 1).

p. 268 à 273 du manuel

3e étape : Dégager la problématique On demande de trouver l’intérêt que présente une STEP. 4e étape : Construire la réponse L’énergie électrique ne se stocke pas. Lorsque la demande d’électricité est faible, la nuit par exemple, l’électricité produite en surplus dans les centrales thermiques ou nucléaires permet de remplir, grâce à des pompes, des bassins situés en hauteur et reliés à une centrale hydraulique (doc. 1). Cela constitue un moyen de stockage d’énergie, l’énergie électrique étant alors convertie en énergie cinétique puis en énergie potentielle de position. Lorsque la demande d’électricité est forte, l’eau permet de faire tourner un alternateur et de produire de l’électricité (doc. 1). L’intérêt d’une STEP est la possibilité de stocker, après conversion, l’excédent d’énergie électrique pouvant être produit lorsque la demande d’énergie électrique est faible. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes Présenter le contexte et introduire la problématique. On cherche l’intérêt que présente une STEP. Mettre en forme la réponse. Une STEP permet de stocker l’excédent d’énergie électrique produit lorsque la demande est faible et de le restituer lorsque la demande est forte (doc. 1). L’énergie électrique ne se stockant pas, l’excédent est converti en énergie cinétique puis en énergie potentielle de position par des pompes qui remontent de l’eau dans un bassin situé en hauteur (doc. 1). Lorsque la demande d’électricité est forte, cette énergie potentielle de position est de nouveau convertie en énergie cinétique lorsque l’eau descend, puis en électrique par un alternateur (doc. 1). Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique.. Une STEP est donc un moyen de stockage de l’énergie électrique. Grille d’évaluation en fin de module.

109 

Analyser sa production

Une vidéo en accès libre pour les élèves montre des bateaux à aubes aux USA. 1. La combustion de la tablette d’alcool fournit de l’énergie lumineuse et de l’énergie thermique. 2. Énergie exploitée

Énergie chimique de l’alcool

Énergie utile

Couvercle sous boîte

Énergie thermique de l’air

3. Le transfert d’énergie thermique de l’air vers l’eau permet le changement d’état (vaporisation) de l’eau dans la boîte. Module 6

277

EX ER CI CE S 4.

Énergie exploitée Énergie thermique de la vapeur d’eau

Énergie utile Boîte

Énergie cinétique du bateau

113  1.

Utiliser le vocabulaire Force exercée par Obélix sur Pépé.

110 

111 

Pour aller plus loin 1. L’énergie thermique du Soleil est transférée à l’eau liquide de l’océan qui s’échauffe puis se vaporise. Ensuite, elle se liquéfie dans les nuages et tombe sur le sol lors des précipitations. Cette eau liquide ruisselle vers les lacs et fleuves avant de retourner à l’océan. 2. On parle de cycle de l’eau car l’eau part de l’océan puis y retourne. C’est une boucle. 3. Une source hydraulique comme l’eau d’un barrage ne peut exister que grâce au cycle de l’eau qui, avec les précipitations, permet de remplir le barrage. De même, la source biomasse ne peut exister que s’il y a des végétaux. Or les végétaux ont besoin d’eau et d’énergie solaire pour pousser. En conclusion, la source biomasse existe grâce à l’énergie solaire. 112 

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.

278

Thème 3

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). 114 

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. 115  1.

Analyser sa production

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. 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. 116 

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.

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Comprendre le vocabulaire « Il est sans énergie à la fin de la journée » signifie que la personne est fatiguée des efforts effectués pendant la journée. « Ils résistèrent avec l’énergie du désespoir » signifie que les soldats combattirent vaillamment, mettant toutes leurs forces dans la bataille, car ils n’avaient rien à perdre. « Ce chef d’état est un homme puissant » signifie que ses actions et ses décisions ont une influence importante sur les autres pays.

Accompagnement personnalisé

117  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 ?

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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. 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. Grille d’évaluation en fin de module.

118 

À chacun son rythme

Tâche complexe

• Corrigé de l’énoncé compact Question posée : À quelle vitesse le plongeur pénètre-t-il dans l’eau ? 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment calculer la vitesse ? 2. Quelles formes d’énergie possède un sportif durant son plongeon ? 3. Quelle conversion d’énergie a lieu lors d’une chute ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La vitesse peut être calculée à partir de l’énergie cinétique. 2. Un plongeur possède de l’énergie potentielle de position qui dépend de sa hauteur (doc.1). Le plongeur est initialement à 28 mètres de hauteur. (Introduction) Lors de sa chute, il a de l’énergie cinétique. 3. Lors d’une chute libre, l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique (doc.2). 3e étape : Dégager la problématique On demande d’utiliser la conversion d’énergie potentielle de position en énergie cinétique pour calculer la vitesse du plongeur après 28 mètres de chute. 4e étape : Construire la réponse • Repérer la valeur de l’énergie potentielle de position initiale. • Écrire la relation entre la valeur de l’énergie potentielle de position initiale et la valeur de l’énergie cinétique finale. • Rappeler l’expression de l’énergie cinétique. • En déduire l’expression de la vitesse. • En déduire la valeur de la vitesse. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique.

Lors d’un plongeon, l’énergie potentielle de position du plongeur est convertie en énergie cinétique. Comment utiliser cette conversion d’énergie pour calculer la vitesse du plongeur lorsqu’il entre dans l’eau ? • Mettre en forme la réponse. Le graphique du document 1 permet de déterminer l’énergie potentielle initiale du plongeur lorsqu’il est à 28 mètres de hauteur. On lit Ep initiale = 21 000 J. Le plongeur étant en chute libre, son énergie potentielle de position initiale est totalement convertie en énergie cinétique (doc.2). Donc son énergie cinétique finale vaut Ec finale = 21 000 J. L’énergie cinétique du plongeur est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2 . 2 Module 6

279

EX ER CI CE S La vitesse est donc égale à : v =

2Ec m

2× 21000 = 23,7 m/s. 75

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part

d’esprit critique. La vitesse v, lorsque le plongeur entre dans l’eau, est égale à 23,7 m/s. Cela correspond à une vitesse de 85 km/h. En réalité, la vitesse est inférieure car une partie de l’énergie potentielle de position est dissipée en énergie thermique car il y a des frottements entre le plongeur et l’air. Ce type de plongeon ne peut être exécuté que par des sportifs entrainés car une mauvaise position lors de l’entrée dans l’eau peut causer des blessures. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L’énergie potentielle de position du plongeur à une altitude de 28 mètres est déterminée graphiquement. 25 000

Énergie potentielle (en J)

21 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0

5

10

15

20

25 2830

35

Hauteur (en m)

On lit Ep = 21 000 J. 2. Lors du plongeon, il y a conversion totale de l’énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique, donc Ec plongeur = 21 000 J. 3. L’énergie cinétique du plongeur est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 4. La vitesse du plongeur se déduit de la relation :

120  Pour aller plus loin 1. L’hydrolienne utilise l’énergie cinétique des courants marins. C’est une source d’énergie renouvelable. 2. Les hydroliennes convertissent l’énergie cinétique des courants marins en énergie électrique. 3. Il faut comparer le potentiel hydrolien (entre 2 000 MW et 3 000 MW) avec la puissance de l’ensemble des réacteurs nucléaires français (58 × 1 = 58 GW). 58 GW = 58 × 109 W = 58 000 MW. Le potentiel hydrolien ne permettra pas de remplacer l’ensemble des réacteurs nucléaires. 4. La puissance des hydroliennes est 500 kW. On considère que les hydroliennes produisent en continu toute l’année. t = 365 × 24 = 8 760 heures. E = 3 × t avec E en kWh si P est en kWh et t en h . Donc E = 500 × 8760 = 4,38 × 106 kWh.

Ec =

Énergie produite par les hydroliennes 4,38 ×106 = Énergie consommée par une famille 10 000 = 438 familles. Plus de 400 familles pourraient être alimentées par les hydroliennes.

2Ec 2× 21000 , soit v = = 23,7 m/s. 75 m En convertissant en km/h, on trouve 85 km/h.

Remarque : Ce calcul est fait sur une moyenne, il ne tient pas compte des pics de consommation. En cas de forte demande énergétique le nombre de familles alimentées serait plus faible.

2Ec 1 . m × v 2 , soit v = m 2 On obtient :

v=

280

1 m × v2 , 2 1 soit Ec finale = × 87× 702 = 213 150 J. 2 2. L’énergie potentielle de position du skieur est donnée par la relation Ep = m × g × h . a. Ep initiale = 75 × 9,8 × 2 720 = 1 999 200 J. b. Ep finale = 75 × 9,8 × 2 285 = 1 679 475 J. c. La variation d’énergie potentielle vaut : Ep initiale – Ep finale = 1 999 200 – 1 679 475 = 319 725 J. 3. La variation d’énergie potentielle du skieur est plus importante que son énergie cinétique finale. 4. Toute l’énergie potentielle n’est pas convertie en énergie cinétique car les frottements du skieur avec l’air et avec la piste dissipent de l’énergie sous forme thermique. b. Ec finale =

Thème 3

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soit v =

119  Analyser sa production 1. a. L’énergie cinétique du skieur est donnée par la relation : 1 Ec = m × v 2 . 2 L’énergie cinétique est en joule, la masse en kilogramme et la vitesse en mètre par seconde.

Accompagnement personnalisé

121 

À chacun son rythme • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : La cloche va-t-elle tinter ?

Tâche complexe

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quand est-ce que la cloche tinte ? 2. Pourquoi l’ascenseur va-t-il monter ? 3. Quelle conversion d’énergie a lieu dans ce jeu ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La cloche tinte lorsque l’ascenseur la touche (Introduction). La cloche va tinter si l’ascenseur atteint ou dépasse 1,5 m de hauteur (Données). 2. L’ascenseur va monter car le choc du maillet lui communique de l’énergie (Introduction). 3. Il y a conversion d’énergie cinétique du maillet en énergie potentielle de position de l’ascenseur. 3e étape : Dégager la problématique On demande d’utiliser la conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle de position pour calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur.

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

4e étape : Construire la réponse • Rappeler l’expression de l’énergie cinétique. • Calculer la valeur de l’énergie cinétique du maillet lorsqu’il frappe le clou. • En déduire l’énergie cinétique initiale de l’ascenseur en admettant que l’énergie cinétique du maillet est entièrement transférée à l’ascenseur. • En déduire l’énergie potentielle de position maximale de l’ascenseur en admettant que son énergie cinétique est entièrement convertie en énergie potentielle de pesanteur. • Calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur en utilisant l’expression de l’énergie potentielle de position donnée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le but du jeu de la mailloche est de faire tinter une cloche située à 1,5 mètre de haut. Il faut donc déterminer la hauteur atteinte par l’ascenseur lorsque le clou qui lui communique son énergie cinétique est frappé à une vitesse donnée.

L’énergie cinétique initiale de l’ascenseur vaut donc 16 J. Lors de la montée de l’ascenseur le long de la colonne, toute son énergie cinétique est convertie en énergie potentielle de position. La hauteur maximum est atteinte lorsque Ep = 16 J. La relation Ep = m × g × h (données) permet de calculer la hauteur h . Ep On obtient h = . m× g 16 Avec les données, on calcule : h = = 1,6 m. 1× 9,8 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La hauteur atteinte par l’ascenseur (1,6 m) est supérieure à la hauteur de la cloche (1,5 m). La cloche va donc tinter. En réalité, la hauteur atteinte par l’ascenseur est inférieure à la hauteur calculée (1,6 m) car il y a des frottements de l’ascenseur le long de la colonne. Une partie de l’énergie cinétique initiale va être dissipée en énergie thermique. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. L’énergie cinétique du maillet est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2 . 2 1 On obtient : Ec = × 2× 42 = 16 J. 2 2. L’énergie cinétique de l’ascenseur est 16 J car le transfert est total. 3. Lorsque l’ascenceur monte le long de la colonne, son énergie cinétique est convertie en énergie potentielle de position. 4. Lorsque toute l’énergie cinétique de l’ascenseur aura été convertie en énergie potentielle de position, l’altitude maximum sera atteinte. On calcule donc l’altitude h pour Ep = 16 J. 16 = 1,63 m. h= 1× 9,8 5. La cloche est située à 1,5 mètre. Comme l’ascenseur peut monter jusqu’à 1,63 mètre, soit plus haut, il fera donc tinter la cloche.

• Mettre en forme la réponse.

Lors du choc sur le clou, l’énergie cinétique du maillet est transférée à l’ascenseur. L’énergie cinétique du maillet est donnée par la rela1 tion : Ec = m × v 2 . 2 1 Avec les données, on calcule : Ec = × 2× 42 . 2 On obtient Ec = 16 J. Module 6

281

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 68

Descente en VTT

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 : Lors d’un freinage, le liquide de frein appuie sur des plaquettes. Celles-ci frottent contre des disques reliés à la roue. Doc. 1 : Les freins ont chauffé, le liquide s’est mis à bouillir et le vélo ne freinait plus. Doc. 1 : La descente est rapide, le cycliste possède de l’énergie cinétique. Doc. 1 et donnée : Il y a eu conversion d’énergie cinétique en énergie thermique.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Préciser pourquoi la conversion d’énergie de nature scientifique. cinétique en énergie thermique n’a plus permis de faire fonctionner les freins.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

282

Thème 3

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Identifier la conversion d’énergie effectuée pendant le freinage. • Repérer quel problème cause le transfert d’énergie entre les plaquettes de freins et le liquide de frein. • Justifier le changement d’état du liquide. • Justifier que le changement d’état du liquide de frein empêche le freinage. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement.

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

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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 78

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.

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 : • 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 de position. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à 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.

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Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 6

283

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 108

À chacun son rythme – STEP

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Introduction : L’électricité ne se stocke pas. Doc. 1 : Une STEP est un dispositif constitué d’une centrale hydroélectrique et de bassins situés en hauteur. Doc 1 : Lorsque la demande d’électricité est faible, l’électricité produite par les centrales thermiques ou nucléaires fait fonctionner des pompes de la STEP qui remontent de l’eau dans des bassins situés en hauteurs. Cela communique à l’eau de l’énergie cinétique convertie en énergie potentielle de position lorsque l’eau s’élève. Lorsque la demande est forte, cette eau redescend, son énergie cinétique est alors utilisée pour produire de l’énergie électrique.

Le problème est formulé en termes scientiIdentifier des questions fiques. Par exemple : de nature scientifique. On demande de trouver l’intérêt que présente une STEP.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

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

Les informations de l’introduction et du document sont converties en informations scientifiques. Lecture du schéma.

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. 284

Thème 3

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 : • Présenter l'impossibilité de stockage de l'énergie électrique. • Présenter la conversion d'énergie électrique en énergie potentielle de position lorsque la demande d'énergie électrique est faible, et le stockage d'énergie alors possible. • Présenter la conversion d'énergie potentielle de position en énergie électrique lorsque la demande d'énergie électrique est forte. • Conclure en revenant sur la problématique.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 117

À chacun son rythme – Étoiles filantes

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 Cycle 4 – 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 : 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.

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 : • 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 répondre à 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 6

285

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 118

À chacun son rythme – Plongeon de haut vol

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 3

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Introduction : Le sportif plonge depuis une hauteur de 28 m. Doc. 1 : L’énergie potentielle de position initiale vaut 21 000 J. Doc. 2 : Toute l’énergie potentielle de position est convertie en énergie cinétique.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Préciser comment la conversion d’énergie de nature scientifique. potentielle de position en énergie cinétique permet de calculer la vitesse à l’entrée dans l’eau.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Repérer la valeur de l’énergie potentielle de position initiale. • Écrire la relation entre la valeur de l’énergie potentielle de position initiale et la valeur de l’énergie cinétique finale. • En déduire la valeur de la vitesse. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Lecture du graphique. • Utilisation de la relation : 1 Ec =  × v2 2 • Calcul de la racine carrée.

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

286

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

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

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 121

À chacun son rythme – La mailloche

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

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

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 : Introduction : • La cloche tinte lorsque l’ascenseur la touche. • L’ascenseur va monter car le choc du maillet lui communique de l’énergie. Données : • La cloche est à une hauteur de 1,5 m. • Le maillet de 2 kg frappe le clou à la vitesse de 4 m/s. • L’ascenseur de 1 kg se déplace vers le haut de la colonne.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Préciser comment la conversion d’énergie de nature scientifique. cinétique en énergie potentielle de position permet de calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la valeur de l’énergie cinétique du maillet lorsqu’il frappe le clou. • En déduire l’énergie cinétique initiale de l’ascenseur. • En déduire l’énergie potentielle de position maximale de l’ascenseur. • Calculer la hauteur atteinte par l’ascenseur. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations de l’introduction et du document sont converties en informations scientifiques. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation : 1 Ec = m × v2 2 • Utilisation de la relation : Ep = m × g × h

Pratiquer des langages.

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique. Module 6

287

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. • 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.

Les activités proposées permettent de sensibiliser les élèves aux économies d’énergie pour développer des comportements responsables et citoyens.

Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine. Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante. • Puissance électrique P = U × I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

Rappel du programme du cycle 3

288

Thème 3

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

Le thème de l’électricité, abordé au cycle 2, ne fait pas l’objet d’un apprentissage spécifique au cycle 3. Certains aspects auront pu être abordés par les élèves au travers de l’étude d’une chaîne d’énergie simple ou du fonctionnement d’un objet technique. Des notions, telles que la conductivité des matériaux, peuvent avoir été abordées dans le cadre de l’étude des propriétés de la matière.

Progression curriculaire retenue dans les manuels Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité

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

• Dipôles en série, dipôles en dérivation.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité.

Exploiter les lois de l’électricité.

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).

• Dipôles en série, dipôles en dérivation. • L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série. • Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille). • Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles). • Relation tension-courant : loi d’Ohm. • Loi d’unicité des tensions.

• Loi d’unicité des tensions.

Mettre en relation les lois de l’électricité Mettre en relation les lois de l’électricité Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine. et les règles de sécurité dans ce domaine. et les règles de sécurité dans ce domaine. Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante.

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

• Puissance électrique P = U × I. • Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.

Module 7

289

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.

9, 10, 11, 12, 13, 14

Exploiter les lois de l’électricité : lois de l’intensité du courant dans un circuit électrique.

9, 10, 11

Exploiter les lois de l’électricité : lois de la tension électrique dans un circuit électrique.

12, 13, 14

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

10, 12

Réaliser un circuit simple et effectuer des mesures pour exploiter les lois de l’électricité.

15, 18, 19, 20

Comprendre la notion de puissance électrique.

15

Exploiter la relation entre la puissance électrique et l’énergie électrique.

16, 17, 18

Comprendre l’influence d’un conducteur ohmique dans un circuit électrique.

19

Exploiter la loi d’Ohm.

20

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

18

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Compléments pédagogiques

290

Thème 3

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

La notion de tension électrique et sa mesure au voltmètre sont abordées dès la 5e pour comprendre la différence entre un générateur et un récepteur électrique. La notion de puissance est abordée dès la 5e, de manière qualitative, en relation avec la tension aux bornes d’un générateur. La relation P = U × I est abordée en 3e. De la même manière, si le concept d’énergie électrique est abordé dès la 5e, la relation E = P × t est vérifiée en 3e.

AC TIV ITÉ

1 Comment une carte musicale fonctionne-t-elle ?

p. 275 du manuel

Matériel • Une carte musicale. • Une pile plate. • Un buzzer. • Un interrupteur poussoir. • Des fils de connexion et des pinces crocodile. Vidéos et animations en lien avec l’activité Fonctionnement de la carte musicale (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente la carte musicale aux élèves permettant de voir le rôle de la languette en tant qu’interrupteur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Certaines cartes musicales comportent plusieurs piles. Nous avons choisi volontairement d’utiliser des cartes simples ne possédant qu’une seule pile pour ne pas complexifier l’activité. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde le fonctionnement d’un circuit électrique simple. Elle permet à l’élève de comprendre la notion de boucle tout en revenant sur les notions de matériau conducteur ou isolant abordées au cycle 3. Elle permet également d’aborder la notion de dipôle. L’élève est ainsi amené à construire un circuit simple fonctionnant sur le même principe que celui de la carte de vœux musicale. Pour les élèves qui feront le prolongement, le professeur pourra donner le symbole normalisé du buzzer, que nous n’avons pas placé dans les fiches. 1 En retirant la languette, les deux parties métalliques conductrices qui l’entourent rentrent en contact et la

musique retentit. 2 a. On réalise un circuit avec les dipôles suivants : une pile ; un buzzer ; un interrupteur.



Lorsqu’on agit sur l’interrupteur, le buzzer émet un son. b. Le buzzer et la pile sont des composants électriques possédant deux bornes. Ce sont donc des dipôles. 3 Lorsqu’on appuie sur le bouton-poussoir, une lame métallique entre en contact avec deux autres lames

reliées au reste du circuit. Le courant circule alors dans le circuit électrique. 4 Lorsque le buzzer émet un son, les lames métalliques de l’interrupteur sont reliées : le circuit forme alors

une boucle fermée allant d’une borne à l’autre de la pile. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

5 L’énergie électrique provient de la pile qui est un générateur. 6 Une carte musicale comprend une pile, un buzzer et un interrupteur. En ouvrant la carte, la languette

plastifiée permet à deux lames conductrices d’entrer en contact. Le courant circule et la carte génère une mélodie.

Un pas vers le bilan Le circuit électrique doit comporter obligatoirement un composant fournissant de l’énergie électrique au circuit, comme une pile. Il doit former une boucle fermée allant d’une borne à l’autre du générateur.

Prolongement Le schéma du circuit réalisé est le suivant :

+ –

Module 7

291

AC TIV ITÉ

2 Pourquoi une pile s’use-t-elle ? p. 276 du manuel

Matériel • Deux piles, l’une neuve, l’autre usagée. • Un citron. • Des lames de métaux différents (cuivre et zinc par exemple) – deux de chaque métal. • Une petite calculatrice dont on enlève la pile. • Un voltmètre. • Des fils de connexion et des pinces crocodile. Vidéos et animations en lien avec l’activité Fonctionnement de la pile au citron (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente une pile au citron faisant fonctionner une calculatrice. Compléments La calculatrice utilisée fonctionne normalement avec une pile LR1130 de tension 1,5 V. Pour pouvoir l’alimenter correctement et obtenir un écran lisible, nous avons dû utiliser deux lames de zinc et deux lames de cuivre connectées en série. Lorsque l’on enfonce les lames dans le citron, il faut veiller à les espacer suffisamment pour qu’elles ne soient pas en contact l’une avec l’autre dans le citron. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de reprendre les notions du module 2 relatives aux transformations chimiques, de manière spiralaire. Elle peut cependant être abordée avant d’avoir étudié les transformations chimiques : le doc. 4 donne des informations sur les transformations chimiques. À la fin de l’activité, l’élève doit aussi avoir compris que la tension électrique est une grandeur caractéristique d’une pile, s’exprimant en volt. La mesure de la tension en 5e n’est abordée que pour les piles et en dehors de tout circuit. 1 On mesure la tension aux bornes des différentes piles. Par exemple :

Tension (V)



Pile neuve

4,5 V

Pile usagée

0,4 V

L’inscription sur la pile est 4,5 V. Elle est différente de la tension aux bornes de la pile usagée et très proche ou identique de celle de la pile neuve. 2 La lampe brille normalement lorsqu’on la branche aux bornes de la pile neuve. Elle brille très faiblement, voire 3 La tension mesurée est de 2,2 V dans le cas de la pile au citron (valeur obtenue avec deux lames de cuivre et

deux lames de zinc). 4 D’après le doc. 4, la circulation d’un courant électrique peut être le signe d’une transformation chimique. Lorsque

l’écran de la calculatrice fonctionne, un courant électrique, généré par la pile au citron, circule. Il y a donc transformation chimique. 5 La pile s’use car une transformation chimique a lieu lorsque la pile est placée dans un circuit électrique. Au

cours la transformation chimique, la tension aux bornes de la pile diminue.

Un pas vers le bilan Un courant électrique circule à condition qu’il existe une tension suffisante aux bornes du générateur (la pile).

292

Thème 3

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

pas du tout si elle est branchée aux bornes de la pile usagée.

AC TIV ITÉ

3 Comment a-t-on produit de l’électricité ?

p. 277 du manuel

Matériel • Des pièces de monnaie. • Une feuille d’aluminium. • Une feuille de papier buvard (ou papier filtre). • Des ciseaux. • Une soucoupe. • Une DEL. • Du sel et de l’eau. • Un aimant et une bobine. • Un voltmètre. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité • L’histoire de la pile de Volta (doc. 1) Un lien internet permet de prolonger l’étude documentaire sur la pile de Volta. • Fonctionnement de la pile de Volta (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente les éléments constituant une pile de Volta et le fonctionnement de celle-ci à l’aide d’une DEL. 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 Pour pouvoir faire fonctionner la DEL de la vidéo, nous avons réalisé la pile de type Volta avec treize feuilles d’aluminium et treize pièces de cinquante centimes. On peut tout autant utiliser des pièces de vingt centimes. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Le programme place la notion de circuit électrique dans la thématique de l’énergie. Cette activité permet d’inscrire le module 7 dans la continuité du module 6 en abordant les conversions d’énergie susceptibles de fournir de l’énergie électrique. Elle présente une approche historique de la « production » d’énergie électrique. Nous avons préféré le terme « électricité » dans le titre, moins juste scientifiquement, mais plus parlant pour l’élève. Comme pour l’activité 2, la tension électrique n’est abordée que pour le générateur en circuit ouvert au niveau 5e. 1 Pour vérifier la présence d’une tension électrique entre les bornes de la pile de Volta et la génératrice, on



connecte la pile de Volta aux bornes d’un voltmètre. On fait de même pour la génératrice. On constate que la tension aux bornes de la pile de Volta est permanente. Dans la génératrice, il n’y a une tension que lorsqu’il y a un mouvement.

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

2 On réalise un circuit simple avec la pile et la génératrice (que l’on schématisera par



+ –

une pile). La DEL s’éclaire, dans les deux cas. Un courant peut donc circuler. 3 a. L’énergie électrique fournie par la pile de Volta provient de l’énergie chimique qu’elle contient.



b. L’énergie électrique fournie par la génératrice provient de l’énergie cinétique de l’aimant dans la bobine. 4 On a produit de l’électricité avec un empilement de disques de métaux différents ou en mettant en mouve-

ment un aimant à l’intérieur d’une bobine de fil métallique.

Un pas vers le bilan Il doit y avoir une tension électrique aux bornes d’un générateur, placé dans un circuit électrique, pour qu’un courant électrique circule.

Module 7

293

AC TIV ITÉ

4 D’où provient la puissance qui permet à une grue de soulever une charge ?

Matériel • Un générateur de tension réglable. • Un mètre à ruban. • Un chronomètre. • Un moteur pouvant soulever une charge.

p. 278 du manuel

• Une masse adaptée au moteur. • Du fil pour suspendre la masse à l’axe du moteur. • Des fils de connexion.

Vidéos et animations en lien avec l’activité Moteur électrique soulevant un objet (doc. 1) Une vidéo présente le fonctionnement d’un moteur électrique soulevant un objet pour différentes tensions aux bornes du moteur. Elle est disponible en intégralité dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet de poursuivre l’activité. Complément Le moteur utilisé dans la vidéo provient de la société Equascience. Celui de la photo du manuel provient de la société Jeulin. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Le programme place la notion de circuit électrique dans la thématique de l’énergie. Cette activité permet d’inscrire le module 7 dans la continuité du module 6 en réinvestissant la notion de puissance. Le terme de « puissance » est connu des élèves. Nous introduisons ici ce concept de manière plus scientifique. Cette activité réinvestit la vitesse dans une approche spiralaire (module 4). Elle peut cependant être abordée avant le module 4, la relation donnant la vitesse étant explicitée dans le doc. 2. 1 Le schéma du circuit est le suivant :

G

M 2 On utilise un chronomètre afin de mesurer la durée nécessaire à la grue pour faire monter un objet toujours

identique sur une hauteur connue. Le rapport entre la distance parcourue d et la durée t permet de déterminer la vitesse. 3 On recueille les résultats dans un tableau.

Par exemple, pour une masse de 200 g et une distance de 39 cm, on a obtenu : Tension (V)



3

4,5

6

7.5

9

Durée (s)

10,3

5,8

4,2

3,3

2,4

Vitesse (m/s)

0,038

0,067

0,093

0,12

0,16

On constate que lorsque la tension délivrée par le générateur augmente, la vitesse à laquelle la charge monte augmente. 4 Lorsqu’on augmente la tension du générateur, la vitesse de l’objet augmente. Or plus la vitesse est élevée, plus

la puissance du moteur est élevée. Donc la tension du générateur a une influence sur la puissance du moteur. 5 La puissance qui permet à une grue de soulever une charge provient de la puissance électrique fournie

par le générateur.

Un pas vers le bilan Pour augmenter la puissance d’un générateur électrique, il faut augmenter sa tension électrique. 294

Thème 3

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



AC TIV ITÉ

5 Pourquoi doit-on respecter le sens de branchement des piles ?

p. 279 du manuel

Matériel • Une pile. • Un moteur à courant continu. • Une diode ou une DEL. • Des fils de connexion et des pinces crocodile. Vidéos et animations en lien avec l’activité Jeu de bille électrique (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente le fonctionnement du jeu de bille électrique. Elle permet d’illustrer l’activité. Complément La diode peut être remplacée par une DEL en parlant de témoin de fonctionnement. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité est centrée sur la réalisation d’un circuit électrique simple permettant de répondre à un cahier des charges. Elle permet aux élèves de faire la connaissance de nouveaux dipôles, dont le fonctionnement dépend du sens de branchement. La notion de sens du courant n’étant plus au programme du cycle 4, nous nous sommes limités dans notre approche au sens de branchement des dipôles par rapport aux bornes du générateur. Dans la continuité du module 6 sur l’énergie, cette activité réinvestit les notions de formes et de conversions d’énergie. 1 Lorsqu’on change le sens de branchement de la pile, le moteur tourne dans le sens opposé. 2 La bille acquiert de l’énergie potentielle de position si elle s’élève.



En observant la forme du godet (doc. 1), on remarque que la bille ne peut pas être hissée en haut du jouet si le moteur tourne à l’envers. Elle ne peut donc pas acquérir d’énergie potentielle de position. 3 D’après le doc.2, la diode ne permet la circulation du courant que pour un sens de branchement. On ajoute

une diode au circuit et on vérifie que le moteur ne tourne que pour un sens de branchement. + –

M

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

4 Quel que soit l’ordre des dipôles dans le circuit, le fonctionnement du moteur est le même. 5 Certains dipôles ont un fonctionnement qui dépend du sens de branchement dans le circuit électrique. C’est

le cas de la diode. Si on connecte les piles dans un autre sens, le circuit ne fonctionne plus.

Un pas vers le bilan Selon le sens de branchement du générateur, le sens de rotation du moteur change. Selon le sens de branchement du générateur, une diode laisse ou non circuler le courant.

Module 7

295

AC TIV ITÉ

6 Pourquoi une guirlande lumineuse continue-t-elle d’éclairer lorsque certaines lampes sont éteintes ?

p. 280 du manuel

Matériel • Un générateur. • Deux lampes. • Des fils de connexion. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité est centrée sur la réalisation d’un circuit électrique simple permettant de répondre à un cahier des charges. Elle permet d’aborder, au cours d’une démarche d’investigation, les différents types de circuits électriques (série et dérivation). 1 Les dipôles fonctionnent de manière indépendante les uns des autres dans le circuit. 2 Pour qu‘une lampe brille, la boucle de circuit doit être fermée. 3 On peut émettre l’hypothèse que le circuit électrique de la guirlande lumineuse comporte plusieurs boucles. 4 Le schéma du circuit réalisé est le suivant : + –

5 Les dipôles fonctionnent de manière indépendante car le circuit contient plusieurs boucles : lorsqu’une

boucle est ouverte, le courant circule encore dans les autres boucles.

Un pas vers le bilan

296

Thème 3

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

Lorsque les dipôles sont associés en série, le fonctionnement d’un dipôle dépend du bon fonctionnement des autres dipôles, car ils sont dans la même boucle. Ce n’est pas le cas lorsque les dipôles sont associés en dérivation.

AC TIV ITÉ

7 Quel est le risque d’un court-circuit ? p. 281 du manuel

Vidéos et animations en lien avec l’activité Vidéo d’un court-circuit (doc. 2) Une vidéo en accès libre permet à l’élève de visualiser une conséquence du court-circuit d’une pile. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Complément L’expérience peut être réalisée par le professeur à l’aide de papier chewing-gum (type Hollywood Chewing-gum) et d’une pile de 1,5 V. Il est nécessaire de se protéger les mains de la chaleur. Le papier doit être découpé comme sur la vidéo, avec une zone centrale plus étroite. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’activité documentaire propose ici de faire un lien avec la sécurité électrique. Elle aborde les dangers d’un court-circuit. Volontairement, nous avons choisi de limiter la notion de court-circuit au court-circuit du générateur. Cette activité permet également de revenir sur les conversions d’énergie, notion déjà abordée dans le module 6. 1 Lors de cette expérience, il y a conversion d’énergie électrique en énergie thermique et en énergie

lumineuse. 2 L’expérience est un court-circuit, car les deux bornes de la pile sont directement reliées par la face externe

du papier de chewing-gum qui est en aluminium, un excellent conducteur électrique. 3 Les deux bornes ont été reliées l’une avec l’autre de manière accidentelle par un conducteur. 4 Un court-circuit peut provoquer un incendie.

Un pas vers le bilan

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

Un générateur est en court-circuit lorsque ses deux bornes sont reliées directement par un très bon conducteur comme par exemple un fil de connexion.

Module 7

297

AC TIV ITÉ

8 Le corps humain conduit-il le courant électrique ?

p. 282 du manuel

Matériel • Une pile ou un générateur. • Une lampe. • Un dispositif testeur de courant (voir ci-dessous). • Des fils de connexion et des pinces crocodile. Vidéos et animations en lien avec l’activité Détecteurs de faibles courants électriques (doc. 2) Une vidéo présente le circuit électrique permettant de détecter de faibles courants électriques. Elle est disponible en intégralité dans le manuel numérique du professeur. Si le matériel n’est pas disponible en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Complément Le dispositif permettant de tester les faibles courants électriques a été réalisé et sera commercialisé par la société JCL Électronique (Électrome www.electrome.fr/). Le montage peut être réalisé à l’aide de trois transistors type BD135 associés en montage Darlington.

+ –

Matériau à tester

Boîtier testeur de courant

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’activité propose ici de faire un lien avec la sécurité électrique tout en revenant sur la notion de matériau conducteur ou isolant ayant pu être abordée en cycle 3. Elle propose de montrer aux élèves que le corps humain conduit le courant électrique. 1 On réalise l’expérience avec différents matériaux des objets d’une trousse par exemple.

Objet

Gomme

Partie métallique des ciseaux

Pointe de crayon de papier

Papier

Isolant/ conducteur

Isolant

Conducteur

Conducteur

Isolant

2 Le corps humain ne semble pas conduire le courant, car la lampe reste éteinte.



Objet

Gomme

Partie métallique des ciseaux

Pointe de crayon de papier

Papier

Corps humain

Isolant/ conducteur

Isolant

Conducteur

Conducteur

Isolant

Conducteur

Avec le corps humain, la lampe brille. On constate que le corps humain conduit le courant électrique. 4 Une lampe éteinte ne signifie pas qu’aucun courant électrique ne circule. Elle peut ne pas briller si le courant

électrique est trop faible. 5 Le corps humain conduit le courant électrique.

Un pas vers le bilan Les dangers d’une électrisation sont des séquelles allant jusqu’à la mort par électrocution.

298

Thème 3

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

3 On réalise l’expérience avec le testeur de courant.

AC TIV ITÉ

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

p. 283 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 Cycle 4 – 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

299

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

300

Thème 3

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

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

AC TIV ITÉ

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

p. 284 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.

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

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.

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

301

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.

302

Thème 3

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

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

AC TIV ITÉ

11 Les appareils électriques

« consomment-ils du courant » ?

p. 286 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.

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

Un pas vers le bilan 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

303

AC TIV ITÉ

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

p. 287 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.

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.

304

Thème 3

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

Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

13 Pourquoi la voiture d’un circuit

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

p. 288 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 Cycle 4 – 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

305

AC TIV ITÉ

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

p. 289 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 :



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

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.

306

Thème 3

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

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

AC TIV ITÉ

15 Que signifie l’indication de puissance sur un appareil électrique ?

p. 290 du manuel

Matériel • Un générateur. • Deux lampes de même tension nominale, mais de puissances différentes. • Un voltmètre, un ampèremètre. • Des fils de connexion. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la notion de puissance électrique et de puissance nominale d’un dipôle récepteur. Elle permet de réinvestir les mesures de tension électrique et d’intensité du courant. Le prolongement de l’activité permet, à l’aide des mesures réalisées, de réinvestir les lois des tensions et de l’intensité dans un circuit comportant des dipôles associés en série. 1 On réalise un circuit électrique comprenant une lampe, un générateur et un ampère-

mètre. Pour que la lampe fonctionne correctement, la tension fournie par le générateur doit être égale à la tension nominale de la lampe. On mesure l’intensité du courant qui circule dans la lampe. Connaissant la tension aux bornes de la lampe et l’intensité du courant qui circule, on calcule alors la puissance reçue par la lampe. Pour une lampe 12 V ; 5 W on obtient les résultats suivants : U = 12 V ; I = 0,4 A. Ainsi 3 = U × I = 12 × 0,4 = 4,8 W. La puissance reçue par la lampe est proche de la puissance inscrite sur le culot.

G A

2 On constate que la lampe dont la puissance inscrite sur le culot est la plus faible brille davantage que l’autre. 3 • On reprend le circuit du doc. 3. Pour chaque lampe, on mesure la tension



à ses bornes à l’aide d’un voltmètre et l’intensité du courant qui circule à l’aide d’un ampèremètre. • Exemples de résultats obtenus avec une lampe de puissance nominale 5 W et une seconde de puissance nominale 10 W. La tension délivrée par le générateur est de 12 V. Lampe

L1

L2

Puissance inscrite

5W

10 W

Normal

Inexistant

10,7 V

1,5 V

373 mA

373 mA

4W

0,56 W

Aspect de l’éclairage Tension aux bornes de la lampe (V) Intensité du courant circulant (A) Puissance reçue (W)

G A

V1

V2

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

4 La puissance électrique reçue par la lampe la moins puissante est plus proche de la puissance inscrite sur le

culot de celle-ci. La puissance électrique reçue par la lampe la plus puissante est très éloignée de la puissance inscrite sur le culot de celle-ci. 5 La puissance inscrite sur un appareil électrique est la puissance reçue lorsque cet appareil est soumis à sa

tension nominale.

Un pas vers le bilan Pour calculer la puissance électrique reçue par un appareil, on multiplie la tension aux bornes de l’appareil par l’intensité du courant électrique qui le traverse.

Prolongement L’intensité qui circule dans un circuit est la même en tout point du circuit. On le retrouve expérimentalement en plaçant l'ampèremètre en différents points du circuit. La tension aux bornes du générateur est égale à la tension aux bornes des dipôles placés en série. On a bien UG = UL1 + UL2 = 10,7 + 1,5 = 12,2  V.

Module 7

307

AC TIV ITÉ

16 De quoi dépend l’autonomie d’un véhicule électrique ?

p. 291 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder les notions de puissance et d’énergie par le biais d’une activité documentaire sur les véhicules électriques. Elle permet de réinvestir de manière spiralaire les notions de conversions énergétiques abordées dans le module 6. 1 Dans le doc. 2, il est dit que la Renault ZOE n’émet pas de dioxyde de carbone. Dans le doc. 1, on constate qu’un

véhicule électrique émet tout de même du dioxyde de carbone. Ceci est dû aux émissions indirectes liées à la fabrication du véhicule, à son transport depuis l’usine jusqu’au magasin de vente, à la production de l’énergie électrique nécessaire à son fonctionnement ou à la fabrication des pièces de rechange (pneus…). 2 On dresse un tableau pour les avantages et les inconvénients :

Avantages

Inconvénients

Moins d’émission de gaz à effet de serre

Plus faible autonomie

Pas de nuisances sonores Coût d’utilisation réduit 3 La chaîne énergétique traduisant les conversions d’énergie réalisées par le moteur est la suivante :

Énergie électrique

Énergie cinétique Moteur Énergie thermique

4 On utilise la relation donnant l’énergie en fonction de la puissance et de la durée d’utilisation :

E = 3 × t, donc t = E = 27 = 0,45 h, soit 27 min. 3 65 Ce résultat est différent de l’autonomie annoncée dans le doc. 2 (environ 2 h 30). La puissance utilisée par le véhicule n’est pas toujours maximale.



5 L’autonomie d’un véhicule électrique dépend de l’énergie que contiennent ses batteries et de la puissance

électrique utilisée par le moteur.

Un pas vers le bilan

308

Thème 3

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

L’énergie dépend de la puissance utilisée (ou fournie) et de la durée d’utilisation.

AC TIV ITÉ

17 Est-il plus économique de faire bouillir de l’eau avec une bouilloire ou avec une plaque chauffante ?

p. 292 du manuel

Matériel • Une plaque chauffante. • Un bec électrique. • Des béchers. • Un chronomètre. • Une éprouvette graduée. Compléments Lors de la manipulation, il faut veiller à ce que le bec électrique fonctionne à pleine puissance. Si ce n’est pas le cas, le thermostat va couper le chauffage par intermittence et fausser les résultats. Par ailleurs, le bec électrique doit être chaud avant de commencer l’expérience (la bouilloire atteint sa température maximale dès le début de l’expérience). Les puissances pourront être mesurées au préalable à l’aide d’un compteur d’énergie ou lues sur les appareils (ou leurs notices). Les résultats pourront être exprimés en joule, mais les élèves accepteront davantage qu’il y a très peu de différence entre les deux énergies mesurées si elles sont exprimées en wattheure. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet de revenir sur la différence entre puissance et énergie. Elle permet d’interroger les élèves sur ces notions par le biais d’une démarche d’investigation. Elle montre que bien que l’énergie pour chauffer l’eau soit la même dans les deux cas, la puissance est la vitesse à laquelle est transmise ou convertie cette énergie. 1 C’est l’énergie qui est facturée au consommateur. Elle s’exprime en kilowattheure (kWh) sur la facture. 2 Par exemple, la bouilloire a une puissance nominale de 2 000 W et le bec électrique a une puissance nominale

de 450 W. 3 On attend des élèves des réponses variées :



« La bouilloire coûte plus cher car elle nécessite plus de puissance. » « La bouilloire est plus puissante, elle va chauffer plus vite et va coûter moins cher. » 4 On chauffe un même volume d’eau avec le bec électrique à pleine puissance. On mesure la durée nécessaire



pour que l’eau se mette à bouillir. Exemple de résultats (les puissances ont été mesurées avec un compteur d’énergie) : Matériel Puissance (W) Durée (s) Énergie électrique consommée (J)

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

Énergie électrique consommée (Wh)

Bouilloire électrique

Bec électrique

1 950

454

48

200

93 600

90 800

26

25,2

5 Il n’est pas plus économique de faire chauffer l’eau par l’un des deux moyens. L’énergie nécessaire pour porter

l’eau à ébullition est la même.

Un pas vers le bilan L’énergie électrique reçue par un appareil dépend de sa puissance et de sa durée d’utilisation.

Module 7

309

AC TIV ITÉ

18 Pourquoi les fils électriques d’une habitation sont-ils plus ou moins gros ?

p. 293 du manuel

Matériel • Un générateur. • Des fils de connexion. • Des lampes de puissances nominales différentes. • Un dispositif permettant de mesurer la température des fils de connexion. • Un ampèremètre. Vidéos et animations en lien avec l’activité Évolution de la température dans les fils de connexion (doc. 2) Deux vidéos montrent l’évolution de la température dans un fil de connexion : la première montre l’influence de la section, la deuxième l’influence de l’intensité du courant. Les vidéos complètes sont disponibles dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, ces vidéos permettent à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Le dispositif que nous avons utilisé, permettant d’évaluer la température du fil de connexion, est commercialisé par la société Equascience. Il comporte un thermomètre en bande souple placé sur un conducteur. Diverses sections de conducteurs sont disponibles. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée L’objectif de cette activité est d’aborder l’effet Joule par le biais de la sécurité électrique. Cette activité réinvestit de manière spiralaire les formes d’énergie (Module 6). 1 Il y a risque d’incendie si l’effet Joule est trop important dans un fil de connexion. 2 On met en œuvre l’expérience du doc. 2. La température est plus élevée dans le cas du fil de petite section.

L’effet Joule est donc plus important avec un fil de petite section pour une même intensité de courant. 3 Si on remplace la lampe par une lampe de plus grande puissance nominale, on constate que l’intensité du

courant est plus élevée. La température est également plus élevée. Ainsi, lorsque l’intensité du courant augmente, l’effet Joule augmente également. 4 En fonction de la puissance des appareils que l’on souhaite brancher, l’intensité du courant qui va circuler va

être plus ou moins grande. Il convient donc d’utiliser des fils de plus ou moins grande section pour limiter l’effet Joule. En effet, si celui-ci est trop important, il y a risque d’incendie.

Un dipôle possédant une résistance électrique dissipe de l’énergie thermique lorsqu’il est parcouru par un courant électrique : c’est l’effet Joule.

310

Thème 3

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

Un pas vers le bilan

AC TIV ITÉ

19 Comment modifier le volume sonore d’un ampli ?

Matériel • Un générateur de tension. • Un buzzer. • Un ampèremètre.

p. 294 du manuel

• Des conducteurs ohmiques de résistances différentes. • Des fils de connexion.

Vidéos et animations en lien avec l’activité Un variateur de lumière (doc. 3) Une vidéo en accès libre montre qu’une mine de crayon se comporte comme un conducteur ohmique de résistance variable. Elle est accessible dans son intégralité aux élèves. Elle permet de réaliser le prolongement de l’activité. Compléments Le buzzer utilisé dans cette activité provient de la société Jeulin. Il est à noter que le buzzer a un sens de connexion dans le circuit. Il est possible d’utiliser une application, téléchargeable sur les téléphones portables, permettant de mesurer le niveau sonore pour réaliser la question 1. La définition du niveau sonore et son unité, le décibel, devront dans ce cas avoir été traitées au préalable. Si le niveau sonore n’a pas été vu au préalable, on peut se contenter d’une observation qualitative du niveau sonore. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder le rôle d’un conducteur ohmique dans un circuit. Elle sert ainsi à introduire l’activité qui suit sur la loi d’Ohm. 1 On place en série le buzzer, le générateur et le conducteur ohmique.





Le schéma du circuit électrique est le suivant : Exemple de résultats : Résistance (Ω)

10 Ω

100 Ω

1 000 Ω

Niveau sonore

Fort

Moyen

Faible

G

Lorsque la résistance du conducteur ohmique augmente, le niveau sonore du buzzer diminue. 2 Lorsque la résistance augmente, le son est plus faible, on peut donc émettre l’hypothèse que l’intensité du

courant est plus faible. 3 On place l’ampèremètre dans le circuit pour mesurer l’intensité du courant électrique



pour les différents conducteurs ohmiques. Le schéma du circuit est alors celui-ci : Exemple de résultats : Résistance (Ω)

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

Intensité du courant (mA)

10 Ω

100 Ω

1 000 Ω

21 mA

12 mA

3 mA

G A

4 En tournant la molette de réglage du volume de l’ampli, on modifie la résistance du conducteur ohmique réglable.

Ainsi, lorsque cette résistance diminue, l’intensité du courant circulant dans le buzzer augmente : le niveau sonore augmente.

Un pas vers le bilan Un conducteur ohmique possède une résistance. Plus la valeur de cette résistance est grande et plus l’intensité du courant électrique qui le traverse est faible.

Prolongement 1. La mine de crayon possède une résistance électrique car l’intensité du courant varie en fonction de sa longueur. 2. Lorsque la longueur de la mine de crayon augmente, la lampe brille moins. Ainsi la résistance augmente car l’intensité du courant électrique diminue. Donc, plus la longueur de la mine de crayon est grande, plus la résistance est élevée. Module 7

311

AC TIV ITÉ

20 Peut-on brancher n’importe

quel appareil sur une multiprise ?

Matériel • Un générateur réglable. • Un conducteur ohmique.

p. 295 du manuel

• Un ampèremètre, un voltmètre. • Des fils de connexion.

Compléments Pour mesurer la résistance de la bouilloire électrique, il ne faut pas oublier de fermer l’interrupteur de celle-ci. On peut mesurer la résistance au niveau du connecteur de socle. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la loi d’Ohm. L’activité présentant le conducteur ohmique peut avoir été traitée au préalable. Les élèves sont amenés à réfléchir sur l’intensité du courant qui peut circuler dans une prise électrique. La proportionnalité entre tension et intensité peut être abordée par le calcul du quotient de la tension électrique U par l’intensité du courant I ou par une représentation graphique donnant U en fonction de I. La méthode est à choisir en fonction de l'avancée du programme de mathématiques à ce sujet. 1 La relation donnant la loi d’Ohm est : U = R × I. On en déduit la relation permettant de calculer la résistance du

conducteur ohmique :

R = U  . I La résistance R s’exprime en ohm (Ω), la tension électrique U s’exprime en volt (V) et l’intensité du courant s’exprime en ampère (A).



2 • On propose de modifier la tension aux bornes d’un conducteur ohmique à l’aide

d’un générateur de tension réglable. Pour chacune des valeurs, on mesure la tension aux bornes du conducteur ohmique (à l’aide d’un voltmètre placé en dérivation aux bornes de celui-ci) et l’intensité du courant qui circule dans le circuit (à l’aide d’un ampèremètre associé en série avec le conducteur ohmique). Le conducteur ohmique à notre disposition a une résistance de 470 Ω. • Exemple de résultats :





Tension (V)

3,39

4,76

6,37

7,77

9,37

12,48

Intensité (A) U I

0,0072

0,0101

0,0136

0,0166

0,0200

0,0267

470

471

468

468

468

467

G A

V

• Le quotient de la division de U par I a toujours sensiblement la même valeur. La loi d’Ohm est donc bien vérifiée pour le conducteur ohmique utilisé. 4 La tension aux bornes de la résistance de la bouilloire est de 230 V. Dans ces conditions, l’intensité du courant

qui circulera se calcule par application de la loi d’Ohm : I = U = 230 = 7,4 A. R 31 5 Si l’on branche la bouilloire sur la multiprise, l’intensité du courant qui circule est inférieure à 16 A. Il faut veiller

cependant à ne pas utiliser trop d’appareils en même temps pour ne pas dépasser cette intensité du courant.

Un pas vers le bilan La tension U aux bornes d’un conducteur ohmique est égale au produit de sa résistance R exprimée en ohm par l’intensité I du courant qui le traverse, exprimée en ampère.

312

Thème 3

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

3 Exemple de résultat : la résistance mesurée est de 31 Ω.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ Le circuit électrique QCM

1  b. et c.

2  a.

3  b. et c.

4  c.

5  a. et c.

6  c.

7 

Comprendre un schéma 1. Les dipôles présents dans le circuit électrique sont la pile, le moteur et l’interrupteur. 2. La pile fournit l’énergie électrique au circuit. Le moteur tourne en recevant l’énergie électrique (il convertit l’énergie électrique en énergie cinétique). L’interrupteur ouvre ou ferme le circuit électrique.

12  Comprendre la notion de courant électrique Dans le circuit électrique présenté, la lampe brille car un courant électrique circule. 13 

Savoir quand le courant pourra circuler Lorsqu’aucun courant ne circule, la boucle constituant le circuit électrique est ouverte.

Les différents types de circuits QCM

8 

Schématiser un circuit électrique 1. La pile fournit l’énergie électrique au circuit électrique. 2. Le circuit électrique est le suivant. + –

p. 300 à 305 du manuel

14  a. et c.

15  b.

16  c.

17 

Schématiser un circuit en dérivation Le schéma du circuit électrique est le suivant.

G M

9 

Comprendre la notion de boucle 1. Le circuit forme une boucle car il existe le chemin allant de la borne + de la pile à sa borne – en passant par les dipôles récepteurs du circuit. 2. Si le moteur fonctionne, alors un courant électrique circule, donc la boucle est fermée.

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

10  Comprendre la notion de boucle 1. Le schéma du circuit électrique correspondant au batteur est le suivant.

18 

Schématiser un circuit en série Le schéma du circuit électrique est le suivant. + –

M

+ –

Remarque : l’interrupteur peut être représenté ouvert ou fermé.

M

19  Comprendre des propriétés des circuits 1. Les DEL sont associées en série. Ainsi, si une DEL grille, la boucle est ouverte et la lampe s’éteint. 2. Il faudrait que les DEL soient associées en dérivation pour éviter cet inconvénient.

2. La position de l’interrupteur n’a pas d’importance dans le circuit. 11 

Associer dipôle et forme d’énergie Pile  Moteur électrique   Énergie électrique DEL   Énergie cinétique Générateur du collège   Énergie thermique Fer à repasser   Énergie lumineuse Ventilateur 

La sécurité électrique QCM 20  a.

21  c. Module 7

313

EX ER CI CE S 22 

Comprendre le court-circuit

Une vidéo en accès libre montre la réalisation d’un court-circuit d’une pile plate de 4,5 V à l’aide de paille de fer. 1. La pile est en court-circuit car ses deux bornes sont directement reliées par un très bon conducteur (la paille de fer). 2. Le danger d’un court-circuit est l’incendie.

L’intensité du courant électrique

32  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. 33  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.

QCM



23  a.

24  c.

26  c.

27  a. et b.

La tension électrique

25  b.

QCM 34  b.

28 

Distinguer une grandeur électrique L’intensité indiquée est de 4,74 ampères. 29 

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.

35  c.

36  a.

37  Mesurer une tension Le voltmètre se branche en dérivation aux bornes du conducteur ohmique. + –

30 

+ –

A

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

A

V 38 

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. 39 

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. 40 

2. L’intensité du courant dans la branche principale augmente lorsqu’on ajoute des dipôles en dérivation. 314

Thème 3

Distinguer tension et intensité du courant

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.

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

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.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

La puissance et l’énergie électriques QCM

41  b.

42  c.

43  b. et c.

44  b.

45  b. et c.

46  a.

47  c.

48 

Calculer une puissance électrique On calcule la puissance maximale fournie par le chargeur : 3 = U × Imax = 5 × 0,7 = 3,5 W. La puissance maximale délivrée par le chargeur est de 3,5 W. 49 

Calculer une tension électrique On applique la relation : 3 = U × I, donc U = 3 avec U en V si 3 est en W et I en A. I 1 500 Donc U = = 230 V. 6,5 La cafetière est bien alimentée par une tension de 230 V. 50 

Calculer l’intensité du courant électrique L’intensité maximale du courant supportée par le conducteur ohmique se déduit de la puissance maximale qu’il peut supporter. 1 = 0,083 A, soit 83 mA. 3 = U × I, donc I = 3 = 12 U Pour cette tension, le conducteur ohmique ne pourra pas supporter une intensité du courant supérieure à 83 mA.

54  Calculer une puissance 1. On calcule la puissance : E 15 = 0,625 kW. E = 3 × t, soit 3 = = t 24 La puissance électrique fournie par les panneaux photovoltaïques sur 24 heures vaut 0,625 kW. 2. La différence vient du fait que les panneaux ne fonctionnent que s’il y a de la lumière. Sur une journée, la puissance électrique fournie varie, et la nuit, ils ne fonctionnent pas.

Le conducteur ohmique et la loi d’Ohm QCM 55  a.

56  a., b. et c.

57  c.

58 

Connaître l’unité de mesure d’une résistance électrique La résistance électrique s’exprime en ohm, de symbole Ω. 59 

Choisir un conducteur ohmique 1. Le schéma du circuit électrique associant une pile, une DEL et un conducteur ohmique associés en série est le suivant : + –

51 

Calculer une énergie en joule 1. La relation liant l’énergie, la puissance et la durée est : E = 3 × t. 2. On applique la relation précédente pour le cas du sèche-cheveux : E = 2 200 × 100 = 220 000 J. L’énergie reçue par le sèche-cheveux est de 220 000 joules.

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52  Calculer une énergie en kilowattheure La puissance électrique de l’éolienne vaut 4 kW, soit 4 000 W. Ainsi l’énergie maximale fournie durant deux heures vaut : E = 3 × t = 4 × 2 = 8 kWh. L’énergie maximale fournie durant deux heures vaut 8 kilowattheure. 53 

Calculer une durée de fonctionnement On calcule la durée minimale pour monter l’ascenseur : E E = 3 × t, donc t = avec t en s si E est en J et 3 en W. 3 2,5 × 105 Donc  t = = 36 s. 7 000 La durée minimale pour monter en ascenseur vaut 36 secondes.

2. Plus la résistance est importante et plus l’intensité du courant qui circule dans la boucle est faible. On doit donc choisir le conducteur ohmique de plus grande résistance, soit R3 = 150 Ω. 60 

Comparer deux conducteur ohmiques 1. Plus la résistance est importante et plus l’intensité du courant circulant dans la boucle est faible. L’intensité du courant sera plus faible dans le circuit 2 . 2. Plus l’intensité du courant électrique est importante et plus la lampe brille. La lampe brillera davantage dans le circuit 1 . 61 

Utiliser la loi d’Ohm En utilisant la loi d’Ohm, la tension électrique aux bornes du grille-pain vaut : U = R × I avec U en V si R est en Ω et I en A. Donc U = 60 × 3,83 = 230 V. Le grille-pain est bien soumis à une tension de 230 V.

Module 7

315

EX ER CI CE S

Se perfectionner 62 

Gadget USB 1. Le circuit permettant de modéliser le gadget est le suivant.

G

p. 306 à 317 du manuel

1. Lorsque le circuit électrique du couteau est fermé, une « résistance chauffante » permet de chauffer la lame du couteau. Il est alors possible de couper le beurre plus facilement. 2. Le circuit modélisant le fonctionnement du couteau est le suivant. + –

63  Éclairage d’une voiture 1. Les feux de croisement sont associés en dérivation, car l’un est défectueux alors que l’autre continue d’éclairer. Ils sont donc placés dans deux boucles différentes du circuit électrique. 2. On les associe en dérivation pour éviter d’avoir à les tester tous si l’un est défectueux et pour que le véhicule continue d’éclairer tout de même en partie (raison de sécurité). 64 

Pompe vide-cave 1. Le flotteur à bille sert d’interrupteur dans le circuit électrique de la pompe, car la bille permet d’ouvrir ou de fermer le circuit électrique. 2. La matière qui constitue la bille est conductrice. 3. Il y a un courant électrique lorsque le flotteur est immergé. La bille entre en contact avec les deux bornes métalliques. Ainsi, le circuit électrique est fermé. 65 

Hoverboard

Une vidéo en accès libre décrit le fonctionnement d’un hoverboard. 1. D’après le texte, les deux moteurs sont associés en dérivation, car ils fonctionnent indépendamment. 2. C’est donc le schéma 1 qui convient car les deux moteurs sont dans deux boucles différentes. 3. 30 minutes = 0,5 heure La vitesse de l’hoverboard est v = d = 6 = 12 km/h. t 0,5 66  A special butter knife Traduction : Un couteau à beurre particulier Il est très difficile de couper du beurre qui sort juste du réfrigérateur ! Un boulanger anglais a inventé un couteau électrique chauffant. Lorsque l’interrupteur est fermé, la lame chauffe jusqu’à 41,8 °C. Le circuit électrique se compose de deux piles et d’une « résistance chauffante » connectées en série. 316

Thème 3

3. La « résistance chauffante » reçoit de l’énergie électrique et la convertit en énergie thermique. 67 

Rotation du moteur 1. Le circuit peut être schématisé de la façon suivante. + –

M 2. La diode a un sens de branchement : elle ne laisse passer le courant électrique que pour un seul sens de branchement, elle ne le laisse pas passer si on inverse le sens de branchement de la pile. 3. La position de la diode dans le circuit n’a pas d’importance. 68 

Brosse à dents électrique 1. L’indication portée sur la pile est la tension électrique délivrée par la pile lorsqu’elle est neuve. 2. Lorsque la pile est usée, la tension délivrée par la pile est plus faible que lorsqu’elle est neuve. L’énergie électrique fournie n’est plus suffisante pour faire fonctionner la brosse à dents. 69 

Fabrication d’une pile

Une vidéo en accès libre montre la fabrication d’une pile et l’incidence de son fonctionnement sur les électrodes. 1. Dans la photographie du doc. 1, le moteur fonctionne. Il reçoit donc de l’énergie électrique. On peut donc affirmer que l’ensemble constitué des deux électrodes et de la solution est une pile. 2. L’électrode de zinc change d’aspect au cours du fonctionnement de la pile. On peut alors affirmer qu’il se produit une transformation chimique lorsque la pile fonctionne. 3. La pile convertit de l’énergie chimique en énergie électrique. 4. Le moteur convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique.

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

2. La lampe convertit de l’énergie électrique en énergie lumineuse. Remarque : On pourra demander à l’élève de citer également «  énergie thermique  » si la notion d’énergie dissipée a été abordée par le professeur au préalable.

EX ER CI CE S 70 

Un cube lumineux

Une vidéo en accès libre illustre le fonctionnement du cube lumineux avec les différentes couleurs possibles, ainsi que le fonctionnement des différentes DEL. Tâche complexe Question posée : Rédiger un court texte expliquant comment un cube lumineux peut être de différentes couleurs.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un cube lumineux ? 2. Quel élément du cube produit de la lumière ? 3. Comment peut-on avoir différentes couleurs ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un cube lumineux et un dispositif d’éclairage décoratif dont la couleur varie au cours du temps. (doc. 1). 2. L’éclairage est assuré par des DEL qui sont associées en dérivation (doc. 1). 3. Les différentes couleurs du cube sont obtenues par éclairement simultané de DEL de différentes couleurs. (doc. 3). Le cerveau analyse la superposition de couleur comme une nouvelle couleur (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Comment le circuit électrique du cube lumineux permet-il d’obtenir différentes couleurs ?

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

4e étape : Construire la réponse • Déterminer le typer de circuit utilisé. • Expliquer comment le circuit fonctionne. • Expliquer comment les couleurs sont perçues par le cerveau. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le cube lumineux est un dispositif décoratif permettant de produire des lumières de différentes couleurs. La lumière est produite par des DEL associées en dérivation. Comment le circuit électrique du cube lumineux permet-il d’obtenir différentes couleurs ? • Mettre en forme la réponse. Comme le dispositif est un circuit en dérivation, chaque DEL est placée dans une boucle de courant qui comprend le générateur, un interrupteur et la DEL. En fermant l’interrupteur de la boucle, la DEL éclaire. Ainsi, en actionnant les différents interrupteurs, il est possible d’éclairer les différentes DEL colorées. La superposition des lumières colorées en provenance des DEL est comprise par le cerveau comme une nouvelle couleur. Par exemple, si K2 et K3 sont fermés, alors les DEL rouges et verte sont allumées. Le cube paraît jaune comme le montre le doc. 2.

Se perfectionner

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Trois DEL de couleurs différentes permettent de produire les lumières du cube. Pour cela, elles sont associées en dérivation et allumées à l’aide de différents interrupteurs. Grille d’évaluation en fin de module.

71 

Un modèle réduit de sous-marin 1. Les moteurs fonctionnent de manière indépendante d’après le texte. Il s’agit donc d’un circuit en dérivation. Le bon circuit schématisé est le 2 . 2. Lorsqu’il se remplit d’eau, le sous-marin devient plus dense que l’eau, donc il coule. 72  Taille-crayon électrique 1. Le circuit ne comporte qu’une seule boucle, car, d’après le texte, les dipôles sont tous associés en série. 2. Le schéma du circuit est le suivant. + –

M 3. Il y a circulation d’un courant électrique dans le moteur lorsque l’interrupteur ferme la boucle électrique. 73 

Un circuit « hors-série »

Une vidéo en accès libre illustre l’exercice. 1. Le circuit schématisé est un circuit en série, car il ne comporte qu’une boucle. 2. Cette vidéo est truquée car pour que les DEL fonctionnent, il faut fermer tous les interrupteurs. Dans un tel circuit, les dipôles ne fonctionnent pas de manière indépendante. Remarque : Le lien proposé aux élèves ne donne pas la solution. La vidéo d’origine postée sur Internet propose en complément l’explication électronique à ce tour de magie. Le lien est disponible dans le manuel numérique de l’enseignant. 74 

Projecteur de scène 1. La DEL et le conducteur ohmique sont associés en série, car ils sont sur la même boucle. 2. Le moteur doit être associé en dérivation avec l’ensemble (DEL + conducteur ohmique) pour que son fonctionnement soit indépendant de la DEL.

Module 7

317

EX ER CI CE S 78 

G

Ruban à LED

Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en présentant le montage d’un ruban à LED dans une habitation.

M 75  Un hélicoptère 1. Si l’interrupteur est ouvert, la DEL est allumée et le moteur ne tourne pas. 2. Si l’interrupteur est fermé, la DEL est allumée et le moteur tourne. 3. L’ordre des dipôles n’a pas d’importance dans une boucle, donc on ne verra pas de changement si le conducteur ohmique est placé de l’autre côté. 4. Le circuit est le suivant. + –

M

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. 79 

5. Si on inverse le sens de branchement de la batterie, le moteur va tourner dans l’autre sens et la DEL restera éteinte car ces dipôles ont un sens de branchement. 76 

Un stylo magique

Une vidéo en accès libre montre la réalisation d’un circuit électrique à l’aide du stylo. 1. L’encre est conductrice. Elle permet au courant électrique de circuler. 2. Il s’agit d’un circuit en dérivation deux boucles sont schématisées. 3. Le schéma du circuit est le suivant. + –

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. 80 

Une horloge très éclairante

1.

G M

77  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.

318

Thème 3

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.

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

Une vidéo, en accès libre, illustre l’exercice en montrant le fonctionnement de l’horloge.

EX ER CI CE S 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. 81 

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. 82  La guirlande de guinguette Tâche complexe Question posée : Quel(s) fil(s) de connexion choisir pour alimenter la guirlande lumineuse du doc. 1 ?

Se perfectionner

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.

83 

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

G

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 ?

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

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. • 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.

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. 84 

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. Module 7

319

EX ER CI CE S 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. 86 

Intensité du courant dans un luminaire

1.

+ –

Branche principale

Branches dérivées

L1 L2 L3

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. 87 

88 

Risque électrique Il y a risque d’arrêt cardiaque à partir d’une intensité du courant d’environ 40 mA. 89 

I1 I2

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).

Voiture anti-gravité

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 .

Voltage’s law in series circuit

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. 90  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.

+

–

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 320

Thème 3

91  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.

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

85 

EX ER CI CE S 92 

Se perfectionner

L’énergie d’une centrale thermique

Un lien Internet propose une explication du fonctionnement d’une centrale thermique à flamme. 1. La combustion est une transformation chimique car des espèces chimiques disparaissent (fioul, gaz ou charbon dans une centrale thermique) et d’autres apparaissent (dioxyde de carbone). 2. Si la centrale fonctionne à la moitié de sa puissance alors sa puissance est de 0,5 GW. On calcule alors l’énergie fournie par la centrale thermique : E=3×t avec E en GWh si t est en h et 3 en GW. Donc E = 0,5 × (365 × 24) = 4 380 GWh. L’énergie fournie par la centrale thermique fonctionnant pendant un an à moitié de sa puissance est de 4 380 GWh. 93 

Le skate-board gyroscopique

Un lien internet propose une démonstration du fonctionnement d’un skate-board gyroscopique. 1. Connaissant la vitesse du skate-board ainsi que son autonomie, il est possible d’en déduire la durée de fonctionnement : d v =  , t d 20 = 1,1 h, soit 1 heure et 6 minutes. donc t = = v 18 2. La puissance du moteur est de 500 W, soit 0,5 kW. On en déduit : E = 3 × t = 0,5 × 1,1 = 0,55 kWh. L’énergie maximale consommée est de 0,55 kWh. 94 

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

Une multiprise 1. On calcule l’intensité du courant à partir de la relation entre la puissance, l'intensité du courant et la tension électrique : 3 = U × I, donc I = 3  . U Les résultats sont proposés dans le tableau qui suit : Appareil électrique

Puissance (W)

Intensité du courant (A)

850

3,7

Grille-pain

1 100

4,8

Cafetière électrique

1 200

5,2

Théière

2. Les trois appareils fonctionnant indépendamment, ils sont associés en dérivation. On peut donc appliquer la loi d'additivité des intensités. L’intensité du courant circulant dans le câble est la somme des intensités calculées précédemment. I = 3,7 + 4,8 + 5,2 = 13,7 A. 3. La multiprise peut supporter cette intensité du courant car elle ne dépasse pas 16 A.

95  Le parasol chauffant 1. On parle de gaspillage car le parasol chauffant chauffe l’air extérieur. 2. Connaissant la puissance du parasol chauffant et la tension à ses bornes, on peut calculer l’intensité du courant qui le traverse : 1 200 3 = U × I, donc I = 3 = = 5,2 A. 230 U L’intensité du courant est de 5,2 A. 96 

La batterie de téléphone portable 1. La chaîne énergétique de la batterie en charge est la suivante : Énergie électrique

Batterie en charge

Énergie chimique Énergie thermique

2. La charge de la batterie est de 2 600 mAh d’après la photographie. 3. L’énergie en joule pouvant être fournie par la batterie est donc : E = 2 600 × 13,7 = 35 620 J. 4. La tension électrique délivrée par la batterie est de 3,8 V d’après la photographie. 5. Connaissant la tension de fonctionnement de la pile, on calcule alors la puissance électrique pouvant être fournie par la pile : 3 = U × I avec 3 en W si U est en V et I en A. Donc 3 = 3,8 × 0,200 = 0,76 W. 6. Connaissant l’énergie pouvant être fournie par la pile et la puissance associée, on en déduit alors l’autonomie, c’est-à-dire la durée de fonctionnement de la batterie. E E = 3 × t, donc t = avec t en s si E est en J et 3 en W. 3 35 620 Donc t = = 46 868 s, soit 13 heures environ. 0,76 L’autonomie de cette batterie en fonctionnement est d’environ 13 heures pour la puissance de fonctionnement calculée. 97 

Choix de la section d’un fil conducteur 1. Pour un radiateur de puissance 2 500 W, connaissant la tension à ses bornes, l’intensité du courant circulant est : 2 500 3 = U × I, donc I = 3 = = 10,9 A. 230 U D’après le tableau, il est possible d’utiliser toutes les sections de fils de connexions présentés. 2. L’intensité du courant supportée par le disjoncteur est plus faible que celle supportée par le fil pour avoir une marge de sécurité supplémentaire. 3. Dans ces conditions, les sections de 2,5 mm2 et 6 mm2 sont utilisables. Module 7

321

EX ER CI CE S Choisir la bouilloire la plus économique

Tâche complexe Question posée : Quelle bouilloire choisir pour faire le plus d’économies ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Quelles sont les caractéristiques qui peuvent permettre de réaliser des économies ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Une bouilloire économique est une bouilloire qui consomme le moins d’énergie lorsqu’elle fonctionne. Sur le doc., il faut aussi prendre en compte le prix d’achat. 3e étape : Dégager la problématique Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? 4e étape : Construire la réponse • Comparer le prix d’achat des deux bouilloires. • Calculer l’énergie électrique consommée par chacune des bouilloires pour faire bouillir le même volume d’eau. • Comparer ces énergies consommées. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Deux bouilloires sont proposées, l’une, blanche à 40 € et l’autre, rouge à 55 €. Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? • Mettre en forme la réponse. La bouilloire la plus économique sera : – soit celle qui coûte le moins cher à l’achat ; – soit celle qui coûte le moins cher en utilisation. Pour le coût en utilisation, c’est l’énergie consommée qui est facturée au client. On calcule dans un premier temps l’énergie électrique consommée pour chauffer un litre d’eau. Pour la bouilloire de 1 500 W : E = 3 × t = 1 500 × (2 × 60) = 180 000 J. Pour la bouilloire de 2 000 W : E = 3 × t = 2 000 × (1,5 × 60) = 180 000 J. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Les bouilloires consomment autant d’énergie en fonctionnement l’une que l’autre. La plus économique est donc celle qui est la moins chère. On devra donc choisir la bouilloire blanche. Grille d’évaluation en fin de module.

99  Résistance d’une plaque électrique 1. Connaissant la puissance de la plaque électrique et la tension à ses bornes, on peut calculer l’intensité du courant qui la traverse : 1 500 3 = U × I, ainsi I = 3 = = 6,5 A. 230 U 322

Thème 3

2. La loi d’ohm permet d’en déduire la résistance du conducteur ohmique de la plaque chauffante : U 230 U = R × I, ainsi R = = = 35,3 Ω. I 6,5 100  La sécurité électrique dans la salle de bain 1. D’après le doc. 1, lorsque l’humidité de la peau augmente, la résistance du corps humain diminue. 2. D’après le doc. 1, la résistance du corps humain mouillé soumis à une tension de 230 V est de 1,1 kΩ. 3. Pour une même durée de contact, l’électrisation dépend de l’intensité du courant traversant le corps humain. 4. Pour une tension de 230 V, en milieu humide, la résistance du corps est de 1,1  kΩ, soit 1 100  Ω. L’intensité du courant qui peut traverser le corps est alors d’après la loi d’Ohm : U 230 U = R × I, ainsi I = = = 0,209 A, soit 209 mA. R 1 100 D’après le doc. 2, pour cette intensité, il y a fibrillation cardiaque irréversible pouvant entraîner la mort. 5. Les précautions sont nécessaires car la peau mouillée possède une résistance plus faible qu’une peau sèche. L’intensité du courant pouvant circuler dans le corps en cas de contact avec une source d’énergie électrique est plus importante et le risque d’électrocution plus grand. 101 

Les panneaux photovoltaïques

Le site internet mis en lien propose une présentation du fonctionnement des panneaux solaires. Tâche complexe Question posée : Quelle somme une personne habitant la Corse et ayant installé des panneaux photovoltaïques en 2016 peutelle espérer gagner chaque année ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment fonctionne un panneau photovoltaïque ? 2. D’où provient la somme que reçoit le propriétaire des panneaux photovoltaïques ? 3. La zone géographique d’installation des panneaux photovoltaïques est-elle importante ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Les panneaux photovoltaïques convertissent de l’énergie lumineuse en énergie électrique (doc. 1). 2. L’énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques est facturée au distributeur (doc. 3). 3. La production dépend de l’emplacement des panneaux photovoltaïques (doc. 2). Plus La zone géographique a un ensoleillement annuel moyen élevé, plus la production d’énergie électrique est importante. 3e étape : Dégager la problématique Quelle énergie électrique peut être fournie par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme facturée correspondante ?

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

98 

EX ER CI CE S 4e étape : Construire la réponse • Trouver la durée d’ensoleillement annuelle en Corse. • Calculer l’énergie électrique pouvant être fournie par les panneaux photovoltaïques. • Déduire par un calcul la somme à facturer. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les panneaux photovoltaïques fournissent de l’énergie électrique à partir de l’énergie lumineuse provenant du Soleil (doc. 1). La production d’énergie électrique peut être facturée à E.D.F. par le propriétaire des panneaux photovoltaïques (doc. 3). Quelle énergie électrique peut être fournie par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme facturée correspondante ? • Mettre en forme la réponse. En Corse, la durée d’ensoleillement est estimée à au moins 2 750 heures par an (doc. 2). La puissance de l’installation est de 1,3 kW (doc. 1). L’énergie électrique que peut fournir l’installation vaut : E = 3 × t = 1,3 × 2 750 = 3 575 kWh. Pour la bouilloire de 2 000 W : La somme versée au propriétaire est donc : S = E × 0,25 = 893,8 €. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Un propriétaire qui installe des panneaux photovoltaïques en 2016 en Corse peut espérer recevoir près de 900 € par an. Grille d’évaluation en fin de module.

102 

Ohm’s Law

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

Traduction : Le courant dans un circuit comportant un conducteur ohmique est directement proportionnel à la tension. Parce que le courant électrique dans un circuit est modifié par la résistance, les conducteurs ohmiques sont souvent utilisés dans les circuits d’appareils électriques pour réduire le courant électrique. 1. La formule de la loi d’Ohm est U = R × I. 2. Le terme utilisé dans le texte pour parler de la tension est « voltage ». 3. Lorsqu’on double la tension, l’intensité du courant double également et lorsque la tension est multipliée par trois, l’intensité du courant triple. Donc la tension aux bornes d’un conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité du courant qui circule dans le conducteur ohmique. 103  Le scooter électrique 1. On exploite la relation entre la vitesse, la distance et d la durée : v =  . t d Cela conduit à t = avec t en h si d est en km et v en m/s. v

Se perfectionner

50 = 1,1 h, soit 1 h 06 min. 45 La durée de parcours du scooter électrique est d’une heure et six minutes. 2. La puissance maximale du scooter est de 2 000 W soit 2 kW. Sachant que la durée est de 1,1 heure, l’énergie consommée est de : E = 3 × t = 2 × 1,1 = 2,2 kWh. L’énergie consommée est de 2,2 kWh. 3. D’après le texte, l’énergie contenue dans la batterie de charge C est : E = U × C avec E en Wh si U est en V et # en Ah. Donc E = 72 × 20 = 1 440 Wh = 1,44 kWh. Cette énergie est moins importante que celle annoncée pour réaliser les 50 kilomètres. L’autonomie est calculée pour une puissance inférieure à la puissance maximale.

Donc t =

104 

Les téléviseurs à LED

Tâche complexe Question posée : Quelle économie annuelle réalise-t-on sur sa facture d’électricité si on change son téléviseur plasma par un téléviseur à LED ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qui différencie un téléviseur à LED d’un téléviseur à plasma ? 2. Qu’est-ce qui est facturé sur la facture d’électricité ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le téléviseur plasma est une ancienne technologie plus énergivore que celle des téléviseurs LED d’après le doc. 1. 2. C’est l’énergie électrique, exprimée en kilowattheure qui est facturée au client (doc. 3). 3e étape : Dégager la problématique Quelle économie d’énergie électrique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED ? En déduire l’économie financière correspondante. 4e étape : Construire la réponse • Déduire de la durée de fonctionnement journalière, la durée de fonctionnement du téléviseur sur un an. • Calculer l’énergie consommée par chaque téléviseur connaissant leur puissance de fonctionnement. • La différence entre ces deux énergies correspond à l’économie d’énergie réalisée sur un an. • Connaissant le prix d’un kilowattheure, on peut en déduire l’économie financière correspondante. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Les téléviseurs à LED ont remplacé les téléviseurs plasma plus énergivores (doc. 1). En un an, quelle économie d’énergie électrique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED et quelle est la somme facturée correspondante ? Module 7

323

EX ER CI CE S • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. En optant pour un téléviseur LED, l’économie annuelle réalisée est de 72,3 €. L’économie est assez importante. Grille d’évaluation en fin de module.

Se préparer pour le brevet 105 

Mesurer une température avec une thermistance 1. La résistance de la CTN dépend de la température. 2. La tension aux bornes de la résistance se déduit de la loi d’Ohm : U = R × I = 50 × 0,050 = 2,5 V. La tension vaut 2,5 volts. 3. Il s’agit d’un circuit en série donc on peut appliquer la loi d’additivité des tensions Uthermistance + UR = Ug. Donc Uthermistance = Ug – UR = 6 – 2,5 = 3,5 V. La tension aux bornes de la CTN est de 3,5 volts. 4. Les dipôles sont en série, on peut donc appliquer la loi d’unicité de l'intensité : l’intensité est la même en tout point du circuit en série. On applique la loi d’Ohm : Uthermistance = R × I. U 3,5 = 70 Ω. Donc R = thermistance = I 0,050 La résistance de la thermistance vaut 70 Ω. 5. D’après le graphique du doc. 2, on trouve une température T = 32 °C. 106 

Transfert de puissance électrique dans un circuit électrique 1. Les deux radiateurs peuvent fonctionner de manière indépendante l’un de l’autre. Ils sont donc associés en dérivation. 2. Le schéma du circuit élecG trique est représenté ci-contre. (On accepte les solutions plus complexes avec les interrupteurs sur chaque radiateur.) 324

Thème 3

p. 318 du manuel

3. Le circuit est en dérivation. La tension aux bornes de chacun des dipôles placés en dérivation est identique. La tension sera donc de 230 V. 4. Pour le radiateur de 1 000 W, l’intensité I1 du courant électrique vaut : 31 = U × I1. 3 Donc I1 = 1 U 1 000 = 4,3 A. I1 = 230 Pour le radiateur de 1 500 W fonctionnant à pleine puissance, l’intensité I2 du courant électrique vaut : 32 = U × I2. 3 Donc I2 = 2 U 1 500 = 6,5 A. I2 = 230 5. Les dipôles sont associés en dérivation, on peut donc appliquer la loi d’additivité des intensités : I = I1 + I2 I = 4,3 + 6,5 = 10,8 A. Le disjoncteur supporte une intensité de 16 A, il n’y a donc pas de surintensité. 6. Si le radiateur fonctionne à plein régime durant 3 heures, l’énergie consommée sera alors : E = 32 × t E = 1 500 × 3 = 4 500 Wh = 4,5 kWh. La somme S facturée sera alors : S = E × 0,15 = 4,5 × 0,15 = 0,68 €.

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

• Mettre en forme la réponse. La puissance électrique de fonctionnement des téléviseurs plasma est supérieure à celle des téléviseurs LED (doc. 1). Il faut donc déterminer la différence de consommation énergétique entre les deux. La puissance économisée est : 3 = 360 – 30 = 330 W (doc. 1). La durée d’utilisation annuelle est de 4 heures par jour sur 365 jours, soit : t = 365 × 4 = 1 460 h (doc. 2). L’énergie économisée est donc : E = 3 × t = 330 × 1 460 = 4,82 × 105 Wh = 482 kWh. C’est l’énergie qui est facturée 0,15 € TTC au client (doc. 3). La somme S économisée est alors : S = 482 × 0,15 = 72,3 €.

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 107 

À chacun son rythme – Le gyropode

Une vidéo en accès libre montre le fonctionnement d’un gyropode. 1. La batterie du gyropode contient de l’énergie chimique qu’elle peut convertir en énergie électrique. 2. Le circuit électrique du gyropode permet le transfert de l’énergie électrique jusqu’aux moteurs. 3. Le schéma du circuit électrique fonctionnant sur le principe du gyropode est le suivant :

p. 319 à 325 du manuel

2. Les lampes doivent être associées en dérivation, car si l’une est défectueuse, l’autre continue d’éclairer. 3. L’interrupteur doit se situer dans la branche principale, car cette branche est commune aux deux boucles du circuit. Il permet donc de commander les deux lampes. 4. Le schéma du circuit est le suivant.

G

+ –

M 111 

4. La batterie du gyropode contient de l’énergie chimique qu’elle convertit en énergie électrique. Celle-ci est transférée aux moteurs par l’intermédiaire du circuit électrique. Elle est alors convertie en énergie cinétique par les moteurs.

Comprendre le vocabulaire 1. Dans un circuit électrique, une boucle  « fait un tour » allant d’une borne à l’autre de la pile. 2. Voici quelques mots et expressions utilisant le mot circuit dans d’autres domaines : court-circuiter une personne (ne pas tenir compte d’un intermédiaire) ; circuit automobile, circuit de bille, circuit touristique…

108 

112 

M

Expliquer une expérience

1. Étape 1

On dispose d’un circuit électrique avec une pile, une lampe et un interrupteur.

Étape 2

On ferme l’interrupteur.

Étape 3

La lampe brille.

2. a. Lorsque l’interrupteur est ouvert, le courant ne circule pas, donc la lampe ne brille pas. b. Si on ferme l’interrupteur, le courant circule, donc la lampe brille.

Analyser sa production 1. La batterie au lithium fournit l’énergie électrique à la visseuse. 2. Le moteur et l’interrupteur sont dans la même boucle, car l’interrupteur permet d’ouvrir ou fermer la boucle et ainsi d’alimenter le circuit électrique. 3. Le moteur fonctionne si l’interrupteur est fermé, donc si le courant circule. L’ensemble des conducteurs constitue alors une boucle fermée. 4. Le circuit électrique est le suivant. + –

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

109 

Décrire une expérience 1. Dans la situation 1, on branche un moteur aux bornes d’une pile, il tourne dans un sens. Dans la situation 2, les bornes de la pile sont inversées et le moteur tourne dans l’autre sens. 2. Entre les deux situations, on a inversé le sens de branchement de la pile. 3. Le moteur électrique a un sens de branchement. Selon son sens de branchement dans le circuit, il tourne dans un sens ou dans l’autre. 110 

À chacun son rythme – Lampes de plafonnier 1. Il est nécessaire d’avoir un générateur, deux lampes et un interrupteur.

M 113 

Pour aller plus loin Tâche complexe Question posée : Rédiger un court texte, assorti d’un schéma, expliquant quel circuit électrique peut faire fonctionner le ventilateur à piles. 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment le ventilateur à piles fonctionne-t-il ? 2. De quels dipôles son circuit électrique est-il constitué ? Module 7

325

EX ER CI CE S

3e étape : Dégager la problématique Comment associer les dipôles qui constituent le ventilateur pour que celui-ci fonctionne comme décrit dans le doc. 1 ? 4e étape : Construire la réponse • Citer les dipôles qui constituent le ventilateur à piles et détailler pour chacun son rôle dans le circuit du ventilateur à pile. • Expliquer comment sont associés ces dipôles dans le circuit électrique. • Schématiser le circuit électrique. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le ventilateur à pile est un accessoire de camping. Comment sont associés les dipôles qui composent le circuit électrique du ventilateur à pile? • Mettre en forme la réponse. Cet appareil électrique comporte une lampe et un moteur (doc. 1). Le moteur joue le rôle de ventilateur et peut être mis en fonctionnement à l’aide d’un interrupteur. La lampe permet d’éclairer et peut être allumée à l’aide d’un second interrupteur. Une diode (doc. 2) permet d’empêcher le fonctionnement du circuit électrique si les piles sont branchées dans le mauvais sens. Le moteur et la lampe fonctionnent de manière indépendante et sont donc associés en dérivation. Chaque boucle du circuit en dérivation comprend un interrupteur. La diode est placée dans la partie du circuit commune aux deux boucles pour ouvrir l’ensemble des deux boucles si les piles sont branchées dans le mauvais sens. Au final, on peut proposer ce type de circuit pour expliquer le fonctionnement du ventilateur de camping. Le circuit est le suivant. + –

M

326

Thème 3

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique.

Dans ce circuit, le moteur et la lampe sont associés en dérivation. La diode empêche le fonctionnement du ventilateur si les piles sont branchées dans un sens différent. Grille d’évaluation en fin de module.

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

G 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 ? 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).

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2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le ventilateur à piles fonctionne avec un éclairage et une ventilation indépendante. Le circuit nécessite un dipôle qui ne fonctionne que dans un seul sens (doc. 2). 2. Le circuit électrique du ventilateur de camping comprend une lampe, une pile, un moteur et une diode. Comme le moteur peut fonctionner lorsque la lampe est éteinte, il faut ajouter deux interrupteurs, l’un pour le moteur et l’autre pour la lampe (doc. 1 et 2).

EX ER CI CE S 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. • 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.

Accompagnement personnalisé

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. 116 

Vocabulaire 1 3 2 D É R I

V A T O

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes

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• 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. Grille d’évaluation en fin de module.

115  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

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

117  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. 118 

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. Module 7

327

EX ER CI CE S

+ –

+ –

M A

120 

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 ? 328

Thème 3

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. 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. Grille d’évaluation en fin de module.

121  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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119  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 .

EX ER CI CE S 122 

À chacun son rythme

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Quelle durée est nécessaire pour chauffer de 20 °C à 60 °C les 200 litres d’eau contenus dans le chauffe-eau ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment fonctionne un chauffe-eau électrique ? 2. Quelle est la puissance électrique de fonctionnement du chauffe-eau? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un chauffe-eau électrique convertit de l’énergie électrique en énergie thermique qui permet de chauffer de l’eau (énoncé). 2. La puissance de fonctionnement du chauffe-eau est donc de 2 400 W (énoncé). 3e étape : Dégager la problématique Quelle sera la durée t nécessaire pour augmenter la température de 40 °C des 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ?

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4e étape : Construire la réponse • On détermine l’énergie nécessaire pour porter 200 L d’eau de 20 °C à 60 °C, soit augmenter la température de 40 °C. • On en déduit alors la durée de fonctionnement t à partir de la relation : E = 3 × t. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un chauffe-eau comporte une résistance chauffante qui convertit l’énergie électrique qu’elle reçoit en énergie thermique. Quelle sera la durée nécessaire pour chauffer les 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ? • Mettre en forme la réponse. Pour élever la température de 1 litre d’eau de 1 °C, il faut fournir 4 180 joules (donnée). Pour l’élever de 20 °C à 60 °C soit de 40 °C, il faudra : E = 4 180 × 40 = 167 200 J. Pour 200 L, il faudra fournir 200 fois plus d’énergie soit E = 167 200 × 200 = 33 440 000 J = 3,34 × 107 J. On utilise la relation entre la puissance et l’énergie pour déterminer la durée nécessaire (énoncé) : E = 3 × t. E 3,34 × 107 Donc t = = = 13 933 s = 3 h 52 min. 2 400 3 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Il faut 3 heures et 52 minutes pour élever la température des 200 litres d’eau contenue dans le chauffe-eau de 20 °C à 60 °C.

Accompagnement personnalisé

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. La résistance chauffante convertit l’énergie électrique qu’elle reçoit en énergie thermique nécessaire pour chauffer l’eau. 2. Pour élever la température de 1 litre d’eau de 1 °C, il faut fournir 4 180 joules. Pour l’élever de 20 °C à 60 °C soit de 40 °C, il faudra : E = 4 180 × 40 = 167 200 J. 3. Pour 200 L, il faudra fournir 200 fois plus d’énergie soit : E = 167 200 × 200 = 33 440 000 J = 3,34 × 107 J. 4. On utilise la relation entre la puissance et l’énergie : E = 3 × t. E 3,34 × 107 Donc t = = 2 400 3 t =13 933 s = 3 h 52 min. Il faudra 3 heures et 52 minutes pour élever la température de 200 litres d’eau de 20 °C à 40 °C. 123  Analyser sa production 1. On trace le graphique représentant la tension U en fonction de l’intensité du courant I. 7 6 5 4 3 2 1 0

U (en V)

0,02

0,04 0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

I (en A)

2. Ce graphique montre que les points sont alignés sur une droite passant par l’origine. La tension aux bornes du fil est donc proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse. Le fil se comporte donc comme un conducteur ohmique. 3. On utilise un point de la courbe pour déterminer la résistance : par exemple, pour une tension de 5 V, l’intensité du courant est de 0,1 A. On applique la loi d’Ohm : U = R × I. U Donc R = avec R en Ω si U est en V et I en A. I 5 Donc R = = 50 Ω. 0,10 La résistance est de 50 Ω. 124 

Comprendre le vocabulaire La phrase n’est pas exacte car le journaliste confond le pic de puissance avec la consommation électrique qui est en fait de l’énergie.

Grille d’évaluation en fin de module.

Module 7

329

EX ER CI CE S À chacun son rythme

Une vidéo en accès libre montre l’inauguration des illuminations des Champs-Élysées. Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : L’affirmation en italique du doc. 2 est-elle exacte ?

1re étape : Bien comprendre la question posée Que dit l’affirmation en italique ? 2e étape : Lire et comprendre les documents Il est dit que la consommation électrique des illuminations de Noël de l’avenue des Champs-Élysées en 2016 a été équivalente à celle d’une famille de quatre personnes en un an (doc. 2).

1. La puissance électrique utilisée pour illuminer les Champs-Élysées est de 25 kW. La durée est de 9 heures par jour durant 49 jours. L’énergie électrique consommée est donc de 11 025 kWh : E = 3 × t = 25 × (9 × 49) = 11 025 kWh. L’éclairage des Champs-Élysées consomme une énergie électrique de 11 025 kWh. 2. On calcule l’énergie consommée par une famille de quatre personnes : E = 30 × 365 = 10 950 kWh. Une famille de quatre personnes consomme 10 950 kWh sur un an. 3. Ces deux valeurs sont sensiblement les mêmes. L’affirmation est exacte. 126 

3e étape : Dégager la problématique L’énergie électrique consommée par les illuminations des Champs-Élysées est-elle identique à la consommation électrique de quatre familles sur un an ?

Pour aller plus loin 1. La puissance électrique que génère la foudre est : 3 = U × I = 30 000 × 100 000 000 3 = 3 × 1012 W.

4e étape : Construire la réponse • On calcule l’énergie consommée par les illuminations de Noël des Champs-Élysées. • On calcule dans un second temps la consommation électrique d’une famille de quatre personnes durant un an. • On compare les valeurs trouvées.

2. On calcule l’énergie générée par un impact de foudre : E = 3 × t = 3 × 1012 × 0,0002 = 6 × 108 J. Sachant qu’il y a environ 400 000 impacts de foudre par an, cela constitue une énergie totale de : Etot = 6 × 108 × 400 000 = 2,4 × 1014 J. L’énergie générée par l’ensemble des impacts de foudre est de 2,4 × 1014 joules.

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. L’éclairage de Noël des Champs-Élysées consomme moins d’énergie électrique que les années précédentes (doc. 1). L’énergie électrique consommée par les illuminations des Champs-Élysées est-elle identique à la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an ? • Mettre en forme la réponse. La puissance électrique de fonctionnement de cet éclairage est de 25 kW (doc. 1). La durée est de 9 heures par jour durant 49 jours (doc. 1). L’énergie électrique consommée est donc : E = 3 × t = 25 × 9 × 49 = 11 025 kWh. Une famille de quatre personnes consomme 30 kWh par jour (doc. 3) soit : E = 30 × 365 = 10 950 kWh en un an. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Ces deux valeurs sont sensiblement les mêmes. L’affirmation en italique est donc exacte. Grille d’évaluation en fin de module.

330

• Corrigé de l’énoncé détaillé

Thème 3

3. Il est possible de convertir l’énergie précédente en kilowattheure : 14 Etot = 2,4 × 10 6 = 6,67 × 107 kWh. 3,6 × 10 Le nombre de foyers consommant 10 000 kWh que représente une telle énergie est : 7 N = 6,67 × 10 = 6 670. 10 000 Environ 6 700 foyers consomment une telle énergie. 4. Il n’est pas possible de prévoir où tombe la foudre. Il paraît donc impossible de récupérer une telle énergie qui représente la consommation électrique de seulement 6 700 foyers.

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

125 

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 70

Le cube lumineux

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.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Lire et comprendre des documents scientifiques.

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 : Un cube lumineux et un dispositif d’éclairage décoratif dont la couleur varie au cours du temps (doc. 1). L’éclairage est assuré par des DEL qui sont associées en dérivation (doc. 1). Le cerveau analyse la superposition de couleur comme une nouvelle couleur (doc. 2). Les différentes couleurs du cube sont obtenues par éclairement simultané de DEL de différentes couleurs (doc. 3).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Comment le circuit électrique du cube lumineux permet-il d’obtenir différentes couleurs ? 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 : • Déterminer le type de circuit utilisé. • Expliquer comment le circuit fonctionne. • Conclure en revenant sur la problématique. Les informations des documents sont traduites en informations scientifiques. Compréhension 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 7

331

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 82

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 : Identifier des questions Déterminer quelle section minimale du de nature scientifique. fil de connexion alimentant la guirlande utiliser pour que l’intensité du courant ne dépasse pas l’intensité maximale supportée par ce fil. Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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.

332

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.

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 98

Choisir la bouilloire la plus économique

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. : Une bouilloire économique est une bouilloire qui consomme le moins d’énergie lorsqu’elle fonctionne. Il faut aussi prendre en compte le prix d’achat.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Quelle bouilloire consomme le moins d’énergie électrique ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Comparer le prix d’achat des deux bouilloires • Calculer l’énergie électrique consommée par chacune des bouilloires pour faire bouillir le même volume d’eau. • Comparer ces énergies consommées. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 7

333

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 101

Les panneaux photovoltaïques

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 3

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1  : Les panneaux photovoltaïques convertissent de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Doc. 3 : L’énergie électrique fournie par les panneaux photovoltaïques est facturée au distributeur. Doc. 2 : La production dépend de l’emplacement des panneaux photovoltaïques. Plus La zone géographique a un ensoleillement annuel moyen élevé, plus la production d’énergie électrique est importante.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle énergie électrique peut être fournie de nature scientifique. par des panneaux photovoltaïques placés en Corse et quelle est la somme versée correspondante ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Trouver la durée d’ensoleillement annuelle en Corse. • Calculer l’énergie électrique pouvant être fournie par les panneaux photovoltaïques. • Déduire par un calcul la somme à verser. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Exploitation de la carte. • Utilisation de la relation : E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer le montant reçu.

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

334

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

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

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 104

Les téléviseurs à LED

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1  : Le téléviseur plasma est une ancienne technologie plus énergivore que celle des téléviseurs LED. Doc. 3 : C’est l’énergie électrique, exprimée en kilowattheure qui est facturée au client.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions En un an, quelle économie d’énergie élecde nature scientifique. trique est réalisée par un téléviseur plasma comparé à un téléviseur à LED ? En déduire l’économie financière correspondante.

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déduire de la durée de fonctionnement journalière, la durée de fonctionnement du téléviseur sur un an. • Calculer l’énergie consommée par chaque téléviseur connaissant leur puissance de fonctionnement. • La différence entre ces deux énergies correspond à l’économie d’énergie réalisée sur un an. • Calculer le montant correspondant. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer le montant facturé.

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 7

335

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 1 13

Pour aller plus loin – Le ventilateur à piles

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 scientifiques.

Thème 3

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Un ventilateur de camping est un petit ventilateur qui permet également d’assurer l’éclairage dans la tente (doc. 1). Il fonctionne avec un éclairage et une ventilation indépendante. Le circuit nécessite un dipôle qui ne fonctionne que dans un seul sens (doc. 2). Le circuit électrique du ventilateur de camping comprend une lampe, une pile, un moteur et une diode. Comme le moteur peut fonctionner lorsque la lampe est éteinte, il faut ajouter deux interrupteurs, l’un pour le moteur et l’autre pour la lampe (doc. 1 et 2).

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. • Comment associer les dipôles qui constituent le ventilateur pour que celui-ci fonctionne comme décrit dans le doc. 1 ? Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Citer les dipôles qui constituent le ventilateur à piles et détailler pour chacun son rôle dans le circuit du ventilateur à pile. • Expliquer comment sont associés ces dipôles dans le circuit électrique. • Schématiser le circuit électrique. • Conclure en revenant sur la problématique.

Les informations des documents sont Passer d’une forme traduites en informations scientifiques. de langage scientifique Schématisation du circuit. 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.

336

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 Cycle 4 – Livre du professeur

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 114

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

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 : • 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

337

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 120

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. 338

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.

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 122

À chacun son rythme – Chauffe-eau électrique

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Un chauffe-eau électrique convertit de l’énergie électrique en énergie thermique qui permet de chauffer de l’eau. Doc. 2 : La puissance de fonctionnement du chauffe-eau est donc de 2 400 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle sera la durée t nécessaire pour de nature scientifique. augmenter la température de 40 °C des 200 litres d’eau du chauffe-eau de puissance 2 400 W ? 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 l’énergie nécessaire pour porter 200 L d’eau de 20 °C à 60 °C, soit augmenter la température de 40 °C. • En déduire la durée de fonctionnement t à partir de la relation E = 3 × t. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer l’énergie nécessaire. • Utilisation de la relation E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 7

339

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 125

À chacun son rythme – Illumination des Champs-Élysées

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Thème 3

L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Il est dit que la consommation électrique des illuminations de Noël de l’avenue des Champs-Élysées a été équivalente à celle d’une famille de quatre personnes en un an.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : L’énergie électrique consommée par les Identifier des questions illuminations des Champs-Élysées en 2016 de nature scientifique. est-elle identique à la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an ? Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’énergie consommée par les illuminations de Noël des Champs-Élysées. • Calculer dans un second temps la consommation électrique d’une famille de quatre personnes sur un an. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Utilisation de la relation E = 3 × t. • Utilisation de la proportionnalité pour calculer l’énergie consommée en un an.

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

340

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

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

Domaines du socle

MO DU LE

8

Les signaux lumineux et les signaux sonores

Programme du cycle 4 Des signaux pour observer et communiquer Attendus de fin de cycle • Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…). • Utiliser les propriétés de ces signaux.

Connaissances et compétences associées Exemples de situations, d’activités et d’outils pour l’élève Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…) Utiliser les propriétés de ces signaux Signaux lumineux 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.

342

Thème 4

Introduire de façon simple la notion de signal et d’information en utilisant des situations de la vie courante : feux de circulation, voyant de charge d’un appareil, alarme sonore, téléphone… Élément minimum d’information (oui/non) et représentation par 0,1.

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

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

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

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

343

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.

6

Décrire les conditions de propagation d’un son.

6

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

11

Définir et utiliser l’année-lumière.

3

Savoir que certains rayonnements lumineux sont invisibles par l’Homme.

4

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.

7, 12 8 5, 10

Caractériser un son audible et un son inaudible (ultrasons, infrasons).

9

Savoir que des rayonnements invisibles, de même nature que la lumière, permettent de transmettre une information.

13

344

Thème 4

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

AC TIV ITÉ

1 Peut-on observer une éclipse solaire depuis n’importe où sur la Terre ?

p. 329 du manuel

Matériel • Un pointeur laser. • Un brumisateur. Vidéos et animations en lien avec l’activité • Propagation de la lumière (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, présente les éléments permettant de réaliser l’expérience. 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. • Une éclipse solaire (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, présente le phénomène d’éclipse solaire abordé également dans le module 3. Compléments Nous avons souhaité que la mise en œuvre du protocole expérimental soit validée par le professeur pour respecter les consignes de sécurité liées à la manipulation d’une source de rayonnement laser. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité propose d’aborder la notion de propagation rectiligne de la lumière en travaillant sur un phénomène également abordé dans le module 3 : l’éclipse solaire. Les élèves sont amenés à émettre une hypothèse sur la propagation de la lumière. Cette hypothèse les amène à réfléchir sur les endroits éclairés ou non à la surface de la Terre, lors d’une éclipse de Soleil.



1 a. Hypothèse pouvant être formulée : la lumière émise par le laser se propage en ligne droite dans l’air.

b. On utilise le brumisateur d’eau pour voir le trajet de la lumière dans l’air. Après avoir allumé le laser, on « vaporise » de l’eau le long du trajet de la lumière. c. La propagation de la lumière est rectiligne. L’hypothèse est validée.

2 a. Une personne située au point A reçoit de la lumière en provenance du point 1, mais pas du point 2 :

Soleil

Lune

1

Terre A B

2



b. Une personne située au point B ne reçoit pas de lumière en provenance du Soleil : Soleil

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

C

Lune

1

Terre A B

2



C

Une personne au point C reçoit de la lumière en provenance du point 2 du Soleil, mais pas du point 1 : Soleil 1

Lune

Terre A B

2

C

Module 8

345

3 On n’observe pas une éclipse solaire depuis n’importe où sur la Terre, car une partie de la lumière du Soleil

peut parvenir jusqu’à la Terre. Le Soleil ne sera pas entièrement masqué.

Un pas vers le bilan La lumière se propage en ligne droite dans le vide ou dans l’air.

Prolongement La zone en rouge à la surface de la Terre bénéficie d’une éclipse solaire totale. Soleil

Lune

Terre

346

Thème 4

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

En rouge la zone d’éclipse totale

AC TIV ITÉ

2 La nuit, tous les points lumineux dans le ciel sont-ils des étoiles ?

p. 330 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde les notions de source primaire de lumière et d’objet diffusant. Elle permet de réinvestir la notion de propagation rectiligne de la lumière déjà rencontrée lors de l’activité 1. L’élève est également amené à comprendre la condition de visibilité d’un objet. Complément La schématisation en deux dimensions de la pleine Lune dans le doc. 2 peut laisser croire à l’élève que les trois astres sont alignés. Il est important de faire comprendre que, lors d’une pleine Lune, les trois astres ne sont pas alignés. 1 Le schéma présentant la Terre, le Soleil ainsi que la lumière en provenance du Soleil est réalisé ci-dessous. Un

seul rayon lumineux en provenance du Soleil est tracé. Terre

Soleil

2 Depuis la Terre, pour observer le Soleil, il faut qu’une partie de la lumière issue du Soleil arrive sur la Terre. 3 L’aspect de la Lune dans le ciel dépend de sa position par rapport à la Terre et au Soleil. 4 La Lune et Vénus ne produisent pas de lumière, contrairement au Soleil. Le terme d’étoile n’est pas scientifi-

quement exact pour Vénus car elle ne produit pas sa propre lumière : c’est un objet diffusant. 5 La nuit, tous les points lumineux dans le ciel ne sont pas des étoiles car certains, comme Vénus ou la Lune, sont

des objets diffusants.

Un pas vers le bilan

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

Une source primaire émet sa propre lumière, ce qui n’est pas le cas d’un objet diffusant qui renvoie une partie de la lumière qu’il reçoit. Une lampe, un lampadaire, les phares d’une voiture sont des sources primaires de lumière lorsqu’ils sont allumés. Tout objet n’émettant pas sa propre lumière est un objet diffusant.

Module 8

347

AC TIV ITÉ

3 La lumière des étoiles nous parvient-elle instantanément ?

p. 331 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 : 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=

348

Thème 4

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

d=

AC TIV ITÉ

4 Comment détecter

une lumière invisible ?

p. 332 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.

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



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. Module 8

349

AC TIV ITÉ

5 La mesure de la distance Terre-Lune a-t-elle toujours été précise ?

p. 333 du manuel

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde la mesure de distance en utilisant la lumière. Elle montre comment la connaissance de la vitesse de la lumière (ainsi que la pose de réflecteur sur la Lune) a permis d’améliorer la précision de la distance Terre-Lune. L’hypothèse d’Aristarque fait l’objet de coups de pouce qui pourront être utilisés par les élèves. 1 La distance Terre-Lune d a été parcourue deux fois par le faisceau laser durant la durée t = 2,56 s, ainsi :

v = 2d  , donc d = v × t = 300 000 × 2,56 = 384 000 km. t 2 2 2 D’après le doc. 2, la Lune met une heure pour disparaître complètement, passage de la position 1 à la position 2 sur le schéma ci-dessous. Lune Sens de déplacement de la Lune



1 2

Terre

Soleil

Elle met donc une heure pour parcourir une distance égale à son diamètre. Elle passe donc de la position 2 à la position 3 en une heure. Lune Sens de déplacement de la Lune



1 2 3

Terre

Soleil

La Lune restant durant deux heures dans l’ombre de la Terre avant de réapparaître, elle met encore une heure pour passer de la position 3 à la 4 . Lune Sens de déplacement de la Lune



1 2 3

Terre

Soleil

4

Elle a donc parcouru une distance égale à trois fois son diamètre dans l’ombre de la Terre. 3 D’après le schéma et la réponse à la question précédente, le diamètre de la Terre dT est trois fois plus grand

4 Le doc. 2 nous fournit la valeur suivante :

d dT – L = 29 × dL = 29 × T  . 3 5 On peut calculer la distance à partir de l’évaluation d’Aristarque : d 12 740 dT – L = 29 × dL = 29 × T = 29 × = 123 153 km. 3 3 La distance Terre-Lune connue aujourd’hui est de 384 000 kilomètres. La mesure faite par Aristarque n’est pas précise, mais elle a été faite avec de simples observations astronomiques. Un pas vers le bilan La distance d parcourue par la lumière durant une durée t connaissant sa vitesse de propagation s’exprime par : d = v × t. 350

Thème 4

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

que le diamètre de la Lune dL. dT = 3 × dL.

AC TIV ITÉ

6 Pourquoi les indiens plaçaient-ils une oreille sur le sol ?

p. 334 du manuel

Matériel • Une cloche à vide. • Un buzzer. Vidéos et animations en lien avec l’activité Expérience de la cloche à vide (doc. 2) Une vidéo, en accès libre, présente l’expérience consistant à placer un buzzer dans une cloche à vide. L’intégralité de la vidéo est accessible dans le manuel numérique du professeur. Elle permet de réaliser l’activité dans son intégralité si le matériel nécessaire n’est pas disponible. Nous avons fait le choix à ce niveau de ne pas utiliser de sonomètre pour éviter de définir le niveau sonore. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité aborde les caractéristiques des sons. Elle permet aux élèves de comprendre qu’un son a besoin d’un milieu matériel pour se propager d’une part et que la vitesse de propagation du son dépend du milieu de propagation. L’expérience de la cloche à vide réalisée ou visualisée semble incontournable pour faire passer la nécessité d’un milieu matériel pour la propagation d’un son. 1 Le son émis par le buzzer est plus faible, voire inaudible, lorsqu’on aspire l’air contenu dans la cloche à vide.

Le niveau sonore augmente à mesure qu’on remet de l’air dans la cloche à vide. 2 Le son se propage de proche en proche grâce aux molécules qui composent l’air. S’il n’y a plus d’air, le son ne

peut plus se propager. Le son ne peut donc pas se propager dans le vide. 3 D’après le doc. 3, l’observateur situé au bout du tuyau en acier perçoit d’abord un son en provenance du tube,



puis celui en provenance de l’air. Hypothèse : la vitesse de propagation du son est plus grande dans le métal que dans l’air. 4 La durée mise par le son pour se propager dans les 950 mètres de métal est de 0,2 seconde. Dans ces condi-

tions, la vitesse de propagation vaut : d 950 = = 4 750 m/s. t 0,2 Cette vitesse de propagation est supérieure à celle du son dans l’air qui est de 340 m/s d’après le doc. 1. Le résultat confirme l’hypothèse faite à la question 3. v=



5 Les indiens plaçaient une oreille sur le rail de chemin de fer pour percevoir l’arrivée du train plus rapidement.

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Un pas vers le bilan Un son nécessite un milieu matériel pour se propager. Sa vitesse de propagation dépend de la nature de ce milieu matériel.

Module 8

351

AC TIV ITÉ

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

p. 335 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.





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.

352

Thème 4

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

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

AC TIV ITÉ

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

p. 336 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

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

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

Module 8

353

AC TIV ITÉ

9 L’être humain entend-il comme les animaux ?

p. 337 du manuel

Matériel • Un G.B.F. (générateur de basses fréquences). • Un haut-parleur. • Des fils de connexion. Vidéos et animations en lien avec l’activité Matériel (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente le matériel nécessaire pour réaliser l’expérience. La totalité de la vidéo présentant l’expérience est accessible sur le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Il faut veiller à avoir un haut-parleur présentant une large gamme de réponse en fréquence. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Dans cette activité, nous revenons sur la notion de fréquence d’un son, déjà abordée en classe de quatrième. Nous introduisons les termes d’ultrasons et d’infrasons pour la première fois. L’élève doit comprendre qu’un son n’est audible par l’Homme que si fréquence est comprise dans une certaine plage de fréquences et que cette plage est différente de celle de nombreux animaux. Le prolongement permet de comprendre que la gamme des sons audibles par l’Homme varie également avec l’âge. 1 Les fréquences des sons audibles par l’Homme vont de 20 Hz à 20 kHz, soit 20 000 Hz. 2 Il faut brancher le haut-parleur au générateur de basses fréquences. En faisant varier la fréquence du son

produit, on constate que l’on n’entend plus de son pour des fréquences inférieures à 20 Hz et supérieures à 20 000 Hz environ. 3 Les animaux comme les éléphants, les chats, les chiens, les dauphins entendent des sons inaudibles par

l’Homme. Nous n’entendons donc pas comme les animaux.

Un pas vers le bilan Sons graves

Sons inaudibles

0

Sons audibles

20

Sons aigus

Ultrasons Sons inaudibles

20 000

Fréquence (en Hz)

Prolongement Sur le schéma donné, on constate que ce sont les sons aigus, sons audibles de plus grande fréquence, qui deviennent inaudibles pour l’être humain lorsqu’il vieillit.

354

Thème 4

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

Infrasons

AC TIV ITÉ

10 Comment une chauve-souris repère-t-elle ses proies ?

p. 338 du manuel

Matériel • Un télémètre à ultrasons. Vidéos et animations en lien avec l’activité Le télémètre à ultrasons (doc. 3) Une vidéo en accès libre présente une mesure de distance à l’aide d’un télémètre à ultrasons. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Compléments Les télémètres à ultrasons se trouvent facilement dans le commerce à des prix abordables. Le fonctionnement des télémètres laser n’est pas basé sur le même principe. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Nous abordons dans cette activité la mesure de distance à l’aide d’un signal sonore ou ultrasonore par le biais d’une analogie entre la chauve-souris et le télémètre à ultrasons. Les élèves sont ainsi amenés à utiliser la relation entre la vitesse de propagation d’un son v, la distance d qu’il parcourt et sa durée de propagation t. La difficulté réside ici dans le fait que le son parcourt un aller-retour entre le télémètre et l’obstacle. 1 Exemple d’hypothèse : la chauve-souris pousse un cri sous forme d’ultrasons et attend l’écho. En fonction de

la durée de l’aller-retour, elle en déduit la distance la séparant de sa proie. 2 Par exemple, les dimensions de la pièce avec le télémètre sont de 10,20 m de long, 6,50 m de large et 2,50 m

de haut. 3 Le télémètre mesure la durée t entre l’émission d’ultrasons et leur réception. La distance d entre le télémètre

et l’obstacle a été parcourue deux fois, soit une distance 2 d par courue par les ultrasons. Connaissant la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air, il est possible de calculer la distance d. v = 2d  , donc d = v × t  . t 2 4 À l’instar d’un télémètre, la chauve-souris émet des ultrasons. À partir de la durée mise pour réceptionner l’écho, elle déduit la distance qui la sépare de sa proie.

Un pas vers le bilan

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

La distance d parcourue par un son se propageant à la vitesse v durant une durée t vaut : d = v × t.

Module 8

355

AC TIV ITÉ

11 Comment communiquer

avec des pots de yaourt ?

p. 339 du manuel

Matériel • Des pots de yaourt nettoyés. • De la ficelle de cuisine. • Des ciseaux. • Un G.B.F. • Un haut-parleur. • Une bougie et des allumettes. Vidéos et animations en lien avec l’activité Propagation du son (doc. 1) Une vidéo, en accès libre, présente les éléments nécessaires à la réalisation de l’expérience consistant à placer un haut-parleur en fonctionnement devant une bougie. L’intégralité de la vidéo 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. Complément Pour voir la bougie osciller, il est préférable d’utiliser des sons de basse fréquence à un volume sonore assez élevé. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la notion de chaîne de transmission de l’information. Elle permet également à l’élève de revoir expérimentalement le fait que la propagation d’un son est la propagation d’une vibration. Les notions de signal et d’information ont par ailleurs déjà été abordées en cycle 3.



1 a. En réalisant l’expérience du doc. 1, on constate que la flamme vibre sur le tempo du haut-parleur.

b. Le mouvement de l’air est identique à celui de la bougie. Il vibre autour d’une même position.

2 a. Pour pouvoir communiquer correctement, il faut tendre le fil.

b. Lorsqu’on effleure le fond du pot de yaourt, on ressent une vibration. Pour le pot de yaourt de celui qui écoute, c’est la vibration du son, transmise par le fil au fond du pot de yaourt, qui en vibrant restitue le son.



3 Dans les deux cas, le signal est transmis entre un émetteur et un récepteur par le biais d’un fil. Dans le cas

du téléphone, le signal sonore est converti en signal électrique pour être transmis. Dans le « yaourtophone », le son se propage directement dans le fil. 4 Pour communiquer avec des pots de yaourt, il faut les relier à l’aide d’un fil tendu qui permet la transmission

Un pas vers le bilan Émetteur

356

Thème 4

Transmission de l’information

Récepteur

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du signal sonore.

AC TIV ITÉ

12 Comment un SMS est-il transmis ? p. 340 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 Cycle 4 – Livre du professeur

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

Module 8

357

AC TIV ITÉ

13 Comment une information est-elle transmise depuis l’espace ?

p. 341 du manuel

Matériel • Un dispositif permettant de transmettre une information sonore par le biais d’un signal lumineux. Vidéos et animations en lien avec l’activité Texte d’introduction Une vidéo en accès libre présente les premiers pas de l’Homme sur la Lune. Transmission d’une information sonore (doc. 1) Une vidéo en accès libre présente le dispositif permettant de transmettre un signal lumineux à l’aide d’un faisceau laser. La totalité de la vidéo est accessible dans le manuel numérique du professeur. Si l’expérience n’est pas réalisée en classe, cette vidéo permet à l’élève de poursuivre l’activité. Le son est produit par le téléphone relié à l’émetteur laser. Le seul son entendu est celui émis par le haut-parleur relié au récepteur qui reçoit le faisceau lumineux. Lorsque l’on coupe le faisceau lumineux il n’y a plus de son transmis. Rosetta et Philae (doc. 2) Un lien en accès libre par les élèves pointe vers la page internet du CNES, qui permet de prolonger l’étude du voyage de la sonde Rosetta jusqu’à la comète Tchourioumov-Guérassimenko. Compléments Le dispositif présenté dans le manuel est commercialisé par la société Sciencéthic. Il est possible de réaliser soit même un dispositif équivalent pour une somme modique. Pour réaliser le dispositif d’émission, on utilise un générateur de mélodie, une alimentation à pile et une DEL haute luminescence. Le dispositif de réception est quant à lui composé d’un phototransistor, d’une alimentation et d’un haut-parleur. Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée Cette activité permet d’aborder la transmission d’une information de nature sonore ou lumineuse à travers l’espace, donc à travers le vide. L’élève sait déjà, au travers des diverses activités réalisées, que l’information sonore ne peut pas être transmise dans le vide ni sur un grande distance. Nous n’abordons pas ici les contraintes techniques, qui ne sont pas de niveau Cycle 4. Cette activité permet à l’élève de vérifier que l’information transmise depuis l’espace est de même nature que la lumière car elle en a la même vitesse. 1 Lorsqu’on interpose un obstacle sur le faisceau laser, le son n’est plus transmis. Le son produit par le téléphone

est donc transmis par la lumière du laser. 2 Les informations de Rosetta sont reçues sur Terre à condition que l’on réceptionne le signal de même nature

que la lumière. Il ne faut donc pas d’obstacle entre Rosetta et la Terre. La durée de parcours est de 28 minutes, soit : t = 28 × 60 = 1 680 s. Ainsi, la vitesse de propagation des ondes vaut : 6 v = d = 500 × 10 = 2,98 × 105 km/s, soit environ 300 000 km/s. t 1 680 Les ondes radio voyagent à la vitesse de la lumière, ce qui confirme qu’elles sont de même nature que la lumière. 4 Depuis l’espace, une information est transmise depuis l’émetteur à l’aide d’un signal de même nature que la

lumière. Parvenu sur Terre, il est réceptionné pour être traité.

Un pas vers le bilan La communication, donc la transmission d’informations, est réalisée depuis l’espace à l’aide d’ondes radio, de même nature que la lumière.

358

Thème 4

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3 D’après le doc. 2, la distance parcourue par les ondes radio est de 500 millions de kilomètres, soit 500 × 106 km.

EX ER CI CE S

Prendre un bon départ

soit 5 × 108 années-lumière. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour convertir cette distance :

Les signaux lumineux QCM

1  a.

2  b. et c.

3  a. et c.

4  a. et b.

5  b.

6  b.

7  a.

8  a. et b.

9  b. et c.

11  a.

12  c. 13  a. 14  b.

15  c.

10  c. 16  a.

17 

Identifier une source lumineuse Les sources primaires et les objets diffusants sont classés dans le tableau ci-dessous. Source primaire Flamme d’une bougie Soleil Écran de télé allumé Étoile

Objet diffusant Livre Terre Lune Yeux de chat

18  Repérer les conditions de visibilité La situation dans laquelle la pomme est visible par l’œil est la situation B . 19 

Identifier des sources lumineuses 1. Les sources primaires de lumière sont les spots lumineux et les écrans géants. 2. Pour qu’un spectateur voit l’artiste, il faut que la lumière provenant de l’écran ou diffusée par l’artiste parvienne à ses yeux. 20  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.

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

21  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=

22 

p. 344 à 349 du manuel

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

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. d=

23 

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. 24 

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. 25 

Calculer une distance 1. La relation permettant de calculer la distance est : d = v × t. 2. On utilise la relation précédente pour calculer la distance entre la Terre et le Soleil : d = v × t avec d en km si t est en s et v en km/s. Donc d = 3 × 105 × 500 = 150 × 106 km. Le Soleil est situé à 150 millions de kilomètres de la Terre. 26 

Comparer des distances L’étoile la plus éloignée est Mirzam car sa lumière met 500 ans pour parvenir sur Terre. Elle est donc située à 500 années-lumière. Sirius est quant à elle située à 8,6 années-lumière. 27 

Calculer une durée On calcule la durée t de parcours : 14 v = d ; donc t = d = 1,08 × 105 = 3,6 × 108 s. t v 3 × 10 La lumière met 3,6 × 108 secondes pour parvenir de Procyon sur Terre. 28 

Maîtriser l’année-lumière 1. L’année-lumière représente la distance parcourue par la lumière en un an. 2. Alphae Minoris est située à 431 années-lumière de la Terre. Ainsi, la lumière émise par Alphae Minoris met 431 ans pour parvenir sur Terre. Module 8

359

EX ER CI CE S QCM 29  a. et b. 30  b. et c.

31  b.

32  c.

33  c.

34  a. et c.

35  b.

36  a.

37  c.

38  c.

39  a.

40 

Identifier une source sonore Les sources sonores sont les objets 2 (le piano), 4 (le véhicule lorsque le moteur est allumé) et 5 (le casque sonore). 41  Identifier un milieu de propagation Lorsque les dauphins communiquent entre eux, le milieu de propagation du son est l’eau. 42 

Calculer une vitesse Dans l’eau, le son parcourt 4 500 mètres en 3 secondes. La vitesse de propagation du son se calcule à l’aide de la relation : d 4 500 v= = = 1 500 m/s. t 3 Dans l’eau, les signaux sonores se propagent à la vitesse de 1 500 m/s. 43 

Comparer des vitesses 1. a. À une altitude de 5 000 m, la vitesse de propagation du son vaut : d 160 v= = = 320 m/s. t 0,5 b. À une altitude de 10 000 m, la vitesse de propagation du son vaut : d 1 500 v= = = 300 m/s. t 5 2. La vitesse de propagation du son diminue avec l’altitude, du sol jusqu’à 10 000 mètres d’altitude. 44  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.

47  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. 48  Comparer les fréquences 1. L’éléphant est capable d’entendre des sons de plus basses fréquences que les sons audibles par l’Homme. Il est capable d’entendre des infrasons. 2. Les chiens et chats sont capables d’entendre des sons de plus hautes fréquences que ceux audibles par l’Homme. Ce sont des ultrasons. 49 

Calculer une distance à l’aide d’un son 1. La distance parcourue par les ultrasons vaut : d = v × t = 340 × 0,06 = 20,4 m. Les ultrasons parcourent une distance de 20,4 mètres en 0,06 seconde. 2. La distance parcourue correspond à un aller-retour. La pièce a donc une longueur ¯ égale à : ¯ = d = 20,4 = 10,2 m. 2 2 50 

Calculer une durée On calcule la durée nécessaire pour entendre le son après l’illumination : v = d ; donc t = d = 400 = 1,2 s. t v 340 La personne perçoit le son 1,2 s après l’illumination.

La transmission d’informations QCM

45 

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. 46 

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. 360

Thème 4

51  a., b. et c.

52  a. et c.

53  a. et b.

54  a. et c.

55  a., b., c.

56  b.

57 

Repérer la nature d’un signal 1. Le signal transmis par le bateau est un signal lumineux. 2. Si le navigateur voit les deux signaux, c’est qu’il se trouve en face du bateau. Le bateau se dirige donc vers lui. 58  Identifier un milieu de transmission 1. Le signal transmis aux athlètes est un signal sonore. 2. L’émetteur est l’officiel. Les récepteurs sont les athlètes. 3. Cette information sonore se propage dans l’air.

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Les signaux sonores

EX ER CI CE S 59 

Identifier un moyen de transmission Les signaux utilisés par les Gaulois étaient sonores. 60 

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. 61  Identifier un mode de transmission

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1. Les ondes radio sont de même nature que la lumière. La vitesse de propagation de la lumière est nettement plus grande que celle du son. L’information est donc transmise plus rapidement. Les ondes radio permettent aussi une transmission sur une grande distance.

Prendre un bon départ

2. Les ondes radio transmettent ici des informations de nature sonore et lumineuse (télévision). 3. L’antenne située sur le toit d’une maison représente le récepteur dans la chaîne de transmission d’informations. 62  Repérer la transmission d’informations a. L’envoi d’un sms se fait par le biais de rayonnements invisibles de même nature que la lumière. b. L’appui sur la touche de la télécommande permet d’envoyer une information par rayonnement invisible de même nature que la lumière au poste de télévision. c. La prise d’un selfie ne constitue pas une transmission d’informations. d. Les ultrasons ne sont pas des rayonnements lumineux.

Module 8

361

EX ER CI CE S

Se perfectionner Observer la Lune 1. La Lune est un objet diffusant car elle n’émet pas sa propre lumière. 2. La Lune tourne autour de la Terre qui elle-même est en mouvement par rapport au Soleil. L’aspect de la Lune, appelé phase de la Lune, dépend des positions de la Lune, du Soleil et de la Terre. La Lune n’a donc pas toujours le même aspect dans le ciel. 3. La lumière se propage depuis la Lune dans le vide, puis dans l’air, puis dans le verre des jumelles, puis enfin dans l’air jusqu’aux yeux de l’observateur. 4. La trajectoire de la lumière entre la Lune et la Terre est rectiligne. 64  Guider les bateaux 1. La lampe du phare convertit de l’énergie électrique en énergie lumineuse. 2. La lumière issue du phare se propage dans l’air. 3. La lumière se propage de manière rectiligne entre le phare et le bateau. 65 

Un ver luisant

Une vidéo, en accès libre, présente la lumière émise par un ver luisant.

© Stoelwinder / Biophoto

1. Le lampyre émet sa propre lumière. C’est une source primaire de lumière. 2. On modélise le trajet de la lumière par un rayon lumineux. Le rayon lumineux est schématisé par une demi-droite dont la flèche indique le sens de propagation de la lumière.

3. Le lampyre utilise de l’énergie chimique pour produire de la lumière. 66 

Spectacle son et lumière

Traduction : Un orage produit l’éclair et le tonnerre. Ces deux phénomènes sont causés par le même évènement, mais nous observons un délai entre eux car la lumière et le son ne se propagent pas à la même vitesse. La lumière se propage plus rapidement que le son. 1. Un orage produit des signaux sonores et lumineux. 362

Thème 4

2. Les signaux ne sont pas reçus en même temps car ils n’ont pas la même vitesse de propagation dans l’air. 3. La vitesse de propagation de la lumière est supérieure à celle du son. Les signaux lumineux sont donc reçus en premier. 67 

Le mur du son

Une vidéo, en accès libre, présente le passage du mur du son par un avion de chasse. 1. Il se produit une déflagration (un son important) quand l’avion dépasse la vitesse de propagation du son. 2. Le son produit par l’avion se propage dans l’air. Tâche complexe Question posée : À quelle altitude le Rafale se trouve-t-il lorsqu’il vole à sa vitesse maximale ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la vitesse maximale de cet avion ? 2. Quel lien existe-t-il entre l’altitude et la vitesse de l’avion ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La vitesse maximale de l’avion est mach 1,80 (doc. 4). Mach 1,80 signifie que l’avion vole à 1,8 fois la vitesse de propagation du son (doc.  2). On peut calculer cette vitesse en m/s à l’aide des données. L’avion parcourt 1 000 mètres en 1,74 s (doc. 4). 2. La vitesse de propagation du son dépend de l’altitude (doc. 3). Ainsi, la vitesse de l’avion exprimée en Mach dépend de l’altitude. 3e étape : Dégager la problématique Quelle est la vitesse du son à l’altitude où se trouve l’avion et en déduire la valeur de l’altitude ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse du Rafale à partir de la distance d que parcourt cet avion durant une durée t. • Sachant que cette vitesse correspond à 1,80 Mach, en déduire la vitesse du son. • Déterminer l’altitude à laquelle se trouve l’avion connaissant la vitesse du son à cette altitude. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le Rafale est un avion de chasse capable de voler à une vitesse supersonique de 1,80  Mach, c’est-à-dire à 1,8 fois la vitesse de propagation du son. Quelle est la vitesse du son à l’altitude où se trouve l’avion ? En déduire l’altitude de vol du Rafale.

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63 

p. 350 à 356 du manuel

EX ER CI CE S

Se perfectionner

• Mettre en forme la réponse. On calcule la vitesse de l’avion  à partir des données du doc. 4. d 1 000 v= = = 575 m/s. t 1,74 L’avion vole à Mach 1,80 : cela signifie que sa vitesse est 1,8 fois celle du son à l’altitude à laquelle il se trouve. La vitesse du son est 1,8 fois plus faible ; ainsi : v 575 vson = avion = = 319 m/s. 1,8 1,8 D’après le tableau du doc. 3, l’avion se trouve à une altitude de 5 000 m. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique.

L’avion se situe à une altitude de 5 000 m. Cette altitude est facilement atteinte par un avion. Grille d’évaluation en fin de module.

70 

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. 71  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 :

68 

Le yaourtophone 1. Le son parcourt un mètre en 0,001 s. La vitesse de propagation dans le fil est donc : d 1 v= = = 1 000 m/s. t 0,001 2. Cette vitesse est plus importante que celle de la propagation du son dans l’air qui a pour valeur 340 m/s. 3. 1 B fil

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2

A

air

Le milieu 1 est un milieu ordonné : c’est donc un solide. Cela représente le fil du yaourtophone. Le milieu 2 est un milieu dispersé : c’est donc l’air qui est représenté. 4. Dans les solides, les particules sont plus proches les unes des autres. La transmission de la vibration du son est donc plus rapide que dans les gaz. 69 

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.

La sonnerie « des jeunes »

Distance en al

Distance en km

1

9,5 × 1012

170 000

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. d=

72  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 v= = = 1 484 m/s t 9,1 73 

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. Module 8

363

EX ER CI CE S 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. 75 

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. 76 

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. 77 

Le sonar pour pêcher 1. Les sons émis par le sonar ont des fréquences allant de plusieurs dizaines de kilohertz à plusieurs centaines de kilohertz. L’Homme n’entend pas les sons dont la fréquence est supérieure à 20 kilohertz. Les sons émis par le sonar ne sont donc pas audibles par l’Homme. 2. Ces sons sont inaudibles et de grandes fréquences : on les nomme des ultrasons. 3. La distance d entre le bateau et le banc de poissons a été parcourue deux fois par les ultrasons. Ainsi : 2d = v × t ; –3 donc d = v × t = 1 500 × 43 × 10 = 32 m. 2 2 Le banc de poisson se trouve à 32 mètres du bateau.

364

Thème 4

78  Rayons X et toiles de maîtres 1. Les rayons X sont des rayonnements de même nature que la lumière, mais ils ne sont pas visibles par l’Homme. 2. Par exemple, le scanner ou la radiographie sont des techniques médicales utilisant des rayons X. 3. La nature morte est composée d’une peinture colorée ne comportant pas de plomb, contrairement à la peinture représentant les deux lutteurs. Les rayons X traversent la peinture, sauf celle contenant du plomb, ils révèlent ainsi le tableau original. 79 

Mesure de la vitesse de la lumière par Galilée 1. Dans l’expérience décrite par Galilée, chaque expérimentateur doit dévoiler la lumière de sa lanterne lorsqu’il détecte la lumière émise par la lanterne de l’autre expérimentateur. Plus ils s’éloigneront l’un de l’autre, plus la durée entre l’émission et la réception de la lumière devrait augmenter. 2. a. Lorsque les expérimentateurs sont éloignés de 0,50 mille, la lumière parcourt 1 mille pour effectuer un aller-retour. d = 1 609 m = 1,609 km. La durée vaut ainsi : t = d = 1,6095 = 5,4 × 10–6 s v 3 × 10 = 5,4 μs. b. Lorsque les expérimentateurs sont éloignés de 10 milles, la lumière parcourt 20 milles pour effectuer un aller-retour. d = 1 609 × 20 = 32 180 m = 32,18 km. La durée vaut ainsi : t = d = 32,185 = 1,07 × 10–4 s = 0,107 ms. v 3 × 10 3. Ces deux durées sont petites et non mesurables à l’époque de Galilée. L’expérience n’a pas été concluante pour cette raison. 80 

Danger des sons 1. Pour évaluer le danger d’un son, il est nécessaire de prendre en compte la durée d’exposition, la distance à la source sonore et le niveau sonore. 2. Si la distance à la source sonore augmente, le danger diminue. Si la durée d’exposition augmente, le danger augmente. Si le niveau sonore augmente, le risque augmente également. 3. À chaque fois que la distance double, on perd 6 dB (doc. 3). De plus, pour être en sécurité, il faut être soumis à un niveau sonore inférieur à 80 dB. Dans le cas étudié, le niveau sonore est de 98 dB à 2 mètres. Il est donc de 92 dB à 4 mètres, puis de 86 dB à 8 mètres, et enfin de 80 dB à 16 mètres. La distance minimale doit être supérieure à 16 mètres.

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74 

EX ER CI CE S 81 

Se perfectionner

Vitesse du son et contrôle de qualité Tâche complexe

Question posée : L’huile d’argan dont le test est décrit dans le doc. 2 est-elle pure ou mélangée ? 1re étape : Bien comprendre la question posée Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’une huile mélangée ? 2. De quel test est-il question ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une huile mélangée est une huile qui n’est pas à 100 % constituée d’huile d’olive ou d’huile d’argan, qui sont des huiles onéreuses. Une huile mélangée contient de l’huile de table, ce qui permet d’augmenter les profits et trompe le client (doc. 1). 2. La vitesse de propagation du son dans l’huile dépend du pourcentage en huile d’argan (doc. 1). Un dispositif permet de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile. Pour l’huile considérée, les ultrasons sont réfléchis à une distance de 4,12 mm de l’émetteur, pour une durée de parcours de 5,2 μs (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique La vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan testée est-elle la même que la vitesse de propagation des ultrasons dans une huile d’argan pure ?

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4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’huile testée en utilisant les données du doc. 2. • Repérer sur le graphique du doc. 3, le pourcentage d’huile d’argan. • Conclure quant à la pureté de l’huile. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. L’huile d’olive ou l’huile d’argan sont onéreuses. Pour tromper le client, il arrive parfois que l’une ou l’autre soit mélangée à de l’huile de table moins chère (doc. 1). Pour évaluer la pureté d’une huile, on peut utiliser un dispositif qui mesure la vitesse de propagation d’ultrasons dans cette huile. La vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan testée est-elle la même que celle mesurée dans une huile d’argan pure ? • Mettre en forme la réponse. Le doc. 2 permet de recueillir les données suivantes : • La distance émetteur – surface de l’huile de 4,12 mm est parcourue deux fois par les ondes ultrasonores. • La durée de l’aller-retour vaut 5,2 μs. La vitesse de propagation des sons dans l’huile vaut : –3 v = 2d = 2 × 4,12 × 10 = 1 585 m/s. –6 t 5,2 × 10 En utilisant le graphique du doc. 3, on détermine le pourcentage de pureté de l’huile d’argan.

Vitesse de propagation du son (en m/s)

1 595 1 590 1 585 1 580 1 575 1 570

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Pureté de l’huile (en %)

L’huile est pure à 50 % environ. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. L’huile d’argan ne possède pas un degré de pureté de 100 %, elle est donc mélangée. Grille d’évaluation en fin de module.

82 

Satellite phone

Traduction : Dans ce schéma, plusieurs satellites gravitent autour de la Terre à plusieurs milliers de miles par heure. Dans cet exemple, un téléphone communique avec un téléphone satellite. L’appel téléphonique est acheminé vers le satellite. Le satellite retransmet le signal sur Terre. Le téléphone satellite reçoit le signal radio et le convertit en signal audio d’origine. 1. Le satellite tourne autour de la Terre à 11 000 mph, soit : v = 11 000 × 1,609 = 17 699 km/h. On peut également utiliser un tableau de proportionnalité pour réaliser la conversion en se basant sur une durée d’une heure. Distance (en mile)

Distance (en km)

1

1,609

11 000

d

d = 10 000 × 1,609 = 17 699. 1 Le satellite parcourt 17 699 kilomètres en une heure ; il se déplace donc à une vitesse de 17 699 km/h. 2. Le signal est un signal radio, de même nature que la lumière. 3. La distance minimale parcourue par le signal de transmission est deux fois la distance entre la Terre et le satellite, soit deux fois 6 000 miles. La durée de transmission est minimale quand le satellite se trouve à la verticale dans le ciel, soit : t = d = 6 000 × 2 × 1,609 = 0,064 s. v 3,0 × 105 Le texte indique une durée d’environ 0,1 seconde. L’ordre de grandeur est le même. 4. L’information transmise est de nature sonore.

Module 8

365

EX ER CI CE S

Se préparer pour le brevet Échographie 1. Les fréquences des sons émis par la sonde de l’échographe vont de 1,5 MHz à 7 MHz. Ces fréquences sont supérieures à celle des fréquences les plus hautes, audibles par l’Homme, soit 20 000 kHz. On peut donc parler d’ultrasons pour qualifier ces sons. 2. Lors d’une échographie : a. La sonde est l’émetteur d’ultrasons. b. Les ultrasons se propagent dans le corps humain. c. Le récepteur est également la sonde. 3. Les ultrasons ont parcouru deux fois la distance d qui sépare la sonde de la partie réfléchissante du corps humain. On a donc 2 d = v × t ; –5 soit : d = v × t = 1 500 × 2,4 × 10 = 0,018 m = 1,8 cm. 2 2 Les ultrasons se sont réfléchis à 1,8 cm de la sonde. 84  La mission Rosetta 1. Rosetta transmet des informations grâce à des ondes radio, de même nature que la lumière. 2. Les informations transmises se déplacent dans le vide.

366

Thème 4

3. Les ondes radio étant de même nature que la lumière, elles se déplacent à la vitesse de la lumière, soit 3 × 105 km/h. On calcule alors la durée t pour parcourir la distance de 510 millions de kilomètres : 6 t = d = 510 × 10 = 1,7 × 103 s, soit 28 min et 20 s. 5 v 3 × 10 La durée mise par les ondes radio pour parcourir 510  millions de kilomètres est de 28  minutes et 20 secondes. 4. La durée de parcours des ondes radio entre Rosetta et la Terre confirme le délai de communication qui est de 28 minutes et 20 secondes. 5. On calcule la force d’attraction gravitationnelle avec la formule donnée : F = 6,67 × 10–11 × mP ×2mT d  100 × 1,0 × 1013 = 1,67 × 10–4 N. –11 = 6,67 × 10 × (20 000)2 Lorsqu’il est largué de Rosetta, Philae est soumis à une force d’attraction gravitationnelle exercée par Tchouri de 1,67 × 10–4 N. 6. Rosetta a parcouru 20 kilomètres en 7 heures. Sa vitesse de déplacement est donc : v = d = 20 = 2,86 km/h. t 7

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

83 

p. 357 du manuel

EX ER CI CE S

Accompagnement personnalisé 85 

À chacun son rythme – Lampe Aldis • Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Le signal transmis par la lampe Aldis est un signal lumineux. 2. Le milieu de transmission est l’air. 3. C’est l’œil qui permet de recevoir les signaux lumineux. 4. La chaîne de transmission est la suivante : Lampe Aldis

Signal lumineux transmis dans l’air

Les yeux du récepteur

86 

Connaître le vocabulaire 1 La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent. 2 Le signal sonore est la propagation d’une vibration. 3 Une chaîne de transmission d’une information comprend un émetteur, un récepteur et un milieu de transmission. 4 Une étoile est une source primaire de lumière. 5 La vitesse de propagation, par exemple du son, se calcule à partir de la distance parcourue par ce son connaissant la durée t de propagation à l’aide de la d relation v =  . t 87 

À chacun son rythme – Attaque du train

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Pourquoi coller son oreille sur les rails permet-il à Averell de déceler l’arrivée du train plus tôt ?

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1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Dans quels milieux se propage le son émis par le train ? 2. Quelle matière constitue le rail de chemin de fer ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le son se propage dans l’air et dans les rails de chemins de fer (doc. 1). 2. Le rail de chemin de fer est en acier (doc. 1). 3e étape : Dégager la problématique Quelle est la vitesse de propagation du son dans l’air et dans les rails ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’air. • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’acier. • En comparant les deux vitesses de propagation, expliquer pourquoi Averell pose son oreille sur le rail.

p. 358 à 363 du manuel

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Averell Dalton pose son oreille sur le rail de chemin de fer pour détecter l’arrivée du train. Le son en provenance du train se propage dans le rail de chemin de fer et dans l’air. Quelle est la vitesse de propagation du son dans chacun des milieux ? • Mettre en forme la réponse. Dans l’air, le son parcourt 6 800 mètres en 20 s (doc. 2). Sa vitesse de propagation dans l’air est : d 6 800 vair = = = 340 m/s. t 20 Dans l’acier du chemin de fer, le son parcourt 100 000 mètres en 20 secondes (doc. 2). La vitesse de propagation du son dans l’acier est : d 100 000 = 5 000 m/s. vacier = = t 20 La vitesse de propagation du son est plus importante dans le rail de chemin de fer. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Averell colle son oreille sur le rail de chemin de fer pour entendre le son plus rapidement car la vitesse de propagation du son est plus rapide dans l’acier (5 000 m/s) que dans l’air (340 m/s). Il détecte donc plus tôt l’arrivée du train. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Le son émis par le train se propage dans l’air et dans l’acier des rails de chemin de fer. 2. Dans l’air, le son parcourt 6 800 mètres en 20 s (doc. 2). Sa vitesse de propagation dans l’air est : d 6 800 vair = = = 340 m/s. t 20 Dans l’acier du chemin de fer, le son parcourt 100 000 mètres en 20 secondes (doc. 2). Sa vitesse de propagation dans l’acier est : d 100 000 = 5 000 m/s. vacier = = t 20 3. En collant son oreille sur le rail du train, Averell entend alors l’arrivée du son plus rapidement. Il détecte donc plus tôt l’arrivée du train. 88 

Analyser sa production 1. Le pointeur laser émet sa propre lumière : c’est une source primaire de lumière. Le joueur renvoie une partie de la lumière qu’ils reçoivent : ce sont des objets diffusants. 2. La propagation de la lumière sortant des armes factices est rectiligne. 3. La fumée dispersée dans le labyrinthe permet de diffuser la lumière en provenance des pointeurs laser. Module 8

367

EX ER CI CE S

89 

Rédiger un compte rendu d’expérience

Une vidéo, en accès libre, présente l’ensemble de l’expérience. Remarque : Les valeurs affichées sur le sonomètre dans la vidéo sont légèrement différentes de celles de la photographie car la disposition du matériel et le temps d’aspiration ne sont pas exactement les mêmes. Il est important de faire comprendre aux élèves que ce ne sont pas les valeurs en elles-mêmes qui sont intéressantes mais leur évolution. Dans la première étape, on place un buzzer et un sonomètre dans une cloche à vide. Le niveau sonore est de 94 dB. Dans la deuxième étape, on enlève une partie de l’air dans la cloche à vide. On constate que le niveau sonore baisse et descend jusqu’à 26,9 dB. On peut conclure que moins il y a d’air, moins le son émis par le buzzer se propage jusqu’au sonomètre. Le son ne se propage donc pas dans le vide. 90 

Pour aller plus loin 1. a. Plus le niveau sonore est important et plus le danger l’est également. b. Plus la durée d’exposition à un son important est grande et plus le danger l’est également. 2. Pour un son de 80 dB, la limite de durée d’exposition est de 2 h. Il existe donc une limite de temps. 3. La législation impose un maximum de 105 dB. Lors d’un concert de rock, le niveau sonore est égal à cette valeur. Il est nocif de supporter ce niveau sonore pendant plus de deux minutes. Par conséquent, il peut être dangereux de suivre un concert de rock pendant 2 heures sans protection. 91 

À chacun son rythme

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 ? 368

Thème 4

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 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.

• 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.

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On peut ainsi voir le rayon lumineux produit par l’arme factice. 4. On modélise le trajet par un rayon lumineux représenté par une demi-droite fléchée. 5.

EX ER CI CE S 92  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.

Accompagnement personnalisé

• 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 :

93 

Tâche complexe 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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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 ?

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=

• 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.

94 

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. 95 

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.

Module 8

369

EX ER CI CE S

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. • 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

370

Thème 4

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. Grille d’évaluation en fin de module.

• 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 Donc v =

1 = 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. 96 

À chacun son rythme

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Peut-il y avoir un phénomène d’écho lors de la représentation d’un chanteur sur cette scène ?

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que le phénomène d’écho ? 2. Quand se manifeste-t-il ? 3. De quelle scène est-il question ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions (doc. 1). 2. On perçoit un écho lorsque le décalage de temps entre le son émis directement et le son réfléchi est supérieur à 100 millisecondes (doc. 1). 3. Le doc. 2 indique les dimensions de la scène ainsi que la distance qui sépare l’artiste du spectateur. 3e étape : Dégager la problématique Comparer le décalage temporel entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 millisecondes.

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d où la vitesse de t propagation s’exprime en mètre par seconde (m/s), la On applique ensuite la relation v =

EX ER CI CE S

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4e étape : Construire la réponse • Déterminer les distances parcourues par le son pour atteindre le spectateur, directement d’une part, et après réflexion sur l’arrière de la scène d’autre part (doc. 2). • Pour chaque distance, déterminer la durée nécessaire au son pour parvenir au spectateur depuis l’artiste. • Calculer le décalage temporel et le comparer à la durée de 100 millisecondes. • Conclure. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions. On perçoit un écho lorsque le décalage de temps est supérieur à 100 millisecondes (doc. 1). Comparons le décalage temporel entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 millisecondes. • Mettre en forme la réponse. Le son émis par l’artiste sur scène peut parvenir de deux manières au spectateur : soit directement, soit indirectement après une réflexion sur l’arrière de la scène. La distance d2 entre l’artiste et le spectateur vaut 15 mètres (doc. 2). La durée mise par ce son pour parvenir directement au spectateur vaut : d t1 = 2 = 15 = 0,044 s. v 340 Un son qui est réfléchi par l’arrière de la scène parcourt deux fois la distance d1 et une fois la distance d2 pour parvenir indirectement au spectateur (doc. 2). d = d1 × 2 + d2 = 2 × 10 + 15 = 35 m. La durée mise par ce son pour parvenir indirectement au spectateur vaut : t2 = d = 35 = 0,103 s. v 340 Le décalage temporel t entre le son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène vaut : c t = t2 – t1 = 0,103 – 0,044 = 0,059 s, soit 59 ms. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Cette durée est inférieure à 100 millisecondes. Il n’y a donc pas de phénomène d’écho perceptible par le spectateur. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. Sur le schéma, la distance parcourue par un son émis par l’artiste pour atteindre directement le spectateur est d2 qui vaut 15 mètres. 2. Un son qui est réfléchi par l’arrière de la scène parcourt deux fois la distance d1 et une fois la distance d2. d = d1 × 2 + d2 = 2 × 10 + 15 = 35 m.

Accompagnement personnalisé

3. La distance supplémentaire vaut : d ' = 35 – 15 = 20 m. 4. La durée correspondante est de : t = d ' = 20 = 0,059 s = 59 ms. v 340 5. La durée t est inférieure à 100 ms, il n’y a donc pas de phénomène d’écho lors de la représentation du chanteur. 97 

Pour aller plus loin 1. Le signal ultrasonore parcourt deux fois la distance D, ainsi d = 2 × D. 2. Sur le schéma, on constate qu’il y a deux carreaux d’écart entre le signal émis et le signal reçu. La durée correspondante est donc deux fois celle correspondant à un carreau, soit : tD = 2 × 1 = 2 μs. 3. On peut déterminer la distance séparant l’émetteur et le défaut : d = v × t avec d en m si t est en s et v en m/s. Donc d = 5 000 × 2,0 × 10–6 = 0,01 m. La distance D vaut donc : D = d = 0,01 = 0,005 m = 5 mm. 2 2 Le défaut se trouve à 5 mm de la surface du support. 98 

À chacun son rythme

Tâche complexe • Corrigé de l’énoncé compact Question posée : Calculer la durée nécessaire pour communiquer avec Curiosity lorsque la Terre et Mars sont les plus éloignées l’une de l’autre.

1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce que Curiosity ? 2. Comment Curiosity communique-t-il avec la Terre ? 3. Quelles sont les trajectoires de la Terre et de Mars par rapport au Soleil ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Curiosity est un robot autonome placé par la NASA sur la planète Mars en 2012 (doc. 1). 2. Curiosity communique avec la Terre grâce aux ondes radio, de même nature que la lumière. Les ondes radio voyagent donc à 3 × 105 km/s (doc. 2). 3. Le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil est de 1,5  × 108 km. Celui de l’orbite de Mars autour du Soleil est de 2,28 × 108 km (données). 3e étape : Dégager la problématique Quelle distance sépare les planètes Terre et Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire alors la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre. Module 8

371

EX ER CI CE S 4e étape : Construire la réponse • Déterminer cette distance d séparant Mars à la Terre à l’aide d’un schéma. • Calculer alors la durée de propagation des ondes radio. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Curiosity est un robot placé sur Mars par la NASA en 2012. Il communique des informations précieuses qu’il envoie à l’aide d’ondes radio, de même nature que la lumière (doc. 1). Quelle distance sépare les planètes Terre et Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre. • Mettre en forme la réponse. Lorsque Mars et la Terre sont le plus éloignées l’une de l’autre, elles sont de part et d’autre du Soleil sur leurs orbites respectives, comme le montre le schéma ci-après.

Mars

RM

RT

Terre

Elles sont alors de part et d’autre du Soleil sur leurs orbites respectives.

Mars

RM

RT

Terre

3. Ce sont des ondes radio, de même nature que la lumière, qui sont transmises par Curiosity. 4. La distance la plus éloignée entre la Terre et Mars est la somme des deux rayons des orbites : d = RT + RM = 1,50 × 108 + 2,28 × 108 = 3,78 × 108 km. Ainsi, on peut en déduire la durée de transmission de l’information par Curiosity : 8 t = d = 3,78 × 10 = 1 260 s, soit 21 min. 5 v 3 × 10 Un message informatif envoyé par le robot Curiosity sur Terre met 21 minutes à parvenir jusqu’à la Terre lorsque la Terre et Mars sont le plus éloignées l’une de l’autre. 99 

• Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Un message informatif envoyé par le robot Curiosity sur Terre met 21 minutes à parvenir jusqu’à la Terre lorsque la Terre et Mars sont le plus éloignées l’une de l’autre. Grille d’évaluation en fin de module.

• Corrigé de l’énoncé détaillé 1. et 2. On représente la trajectoire, ainsi que les deux planètes lorsqu’elles sont les plus éloignées l’une de l’autre.

372

Thème 4

100 

Comprendre le vocabulaire D’après le doc. 1, Écho est condamnée à répéter ce que les autres ont dit avant elle. Son nom est à l’origine du mot « écho » qui désigne un phénomène sonore durant lequel le son se répète après réflexion sur un obstacle (voir l’exercice 96). De même, lors d’une échographie, les ultrasons émis par la sonde sont reçus en écho après réflexion sur certaines parties du corps humain. On obtient donc une image qui dépend des parties constituant la zone inspectée.

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

Cette distance d est donc égale à : d = RT + RM = 1,50 × 108 + 2,28 × 108 = 3,78 × 108 km. Ainsi, on peut en déduire la durée de transmission de l’information par Curiosity connaissant la vitesse de propagation des ondes radio (doc. 2) : 8 t = d = 3,78 × 10 = 1 260 s, soit 21 min. 5 v 3 × 10

Analyser sa production 1. La durée en seconde correspondant à une année est : t = 60 × 60 × 24 × 365 = 31 536 000 s. 2. La distance d est exprimée en fonction de la durée t et de la vitesse de propagation v par la relation : d = v × t. La distance d est exprimée en kilomètres (km), la vitesse de propagation v est exprimée en kilomètres par seconde (km/s) et la durée t est exprimée en seconde (s). 3. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an, soit : d = 3,0 × 105 × 31 536 000 = 9,5 × 1012 km. Une année-lumière vaut 9,5 × 1012 km.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 67

Le mur du son

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Pratiquer des démarches scientifiques.

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. 4 : La vitesse maximale de l’avion est mach 1,80. Doc. 2 : Mach 1,80 signifie que l’avion vole à 1,8 fois la vitesse de propagation du son. Doc. 4 : On peut calculer cette vitesse en m/s à l’aide des données. L’avion parcourt 1 000 mètres en 1,74 seconde. Doc. 3 : La vitesse de propagation du son dépend de l’altitude. Ainsi, la vitesse de l’avion exprimée en Mach dépend de l’altitude.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Calculer la vitesse du son à l’altitude où se trouve l’avion et en déduire la valeur de l’altitude.

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 de l’avion. En déduire la vitesse du son. • Déterminer l’altitude à laquelle se trouve l’avion. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Lecture du tableau. d • Utilisation de la relation v =  . t v • Utilisation de la relation Ma = va  .

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s

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

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

373

CO M PL ÉM EN T Grille d‘évaluation par compétence d’une tâche complexe 81

Vitesse du son et contrôle de qualité

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.

Pratiquer des démarches scientifiques.

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 : Doc. 1 : Une huile mélangée est une huile qui n’est pas à 100% constituée d’huile d’olive ou d’huile d’argan. Elle contient de l’huile de table, ce qui permet de duper le client. Doc. 2 : Un dispositif permet de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile. Pour l’huile considérée, les ultrasons sont réfléchis à une distance de 4,12 mm de l’émetteur, pour une durée de parcours de 5,2 μs. Doc. 1 : La vitesse de propagation du son dans l’huile dépend du pourcentage en huile d’argan.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions La vitesse de propagation des ultrasons de nature scientifique. dans l’huile d’argan testée est-elle la même que la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan pure ?

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’huile d’argan. • Repérer sur le doc. 3, le pourcentage d’huile d’argan. • Conclure ne revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

374

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

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

Domaines du socle

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 87

À chacun son rythme – Attaque du train

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 rail de chemin de fer est en acier (fer). Doc. 1 : Le son se propage dans l’air et dans les rails de chemins de fer.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Identifier des questions Par exemple : de nature scientifique. Quelle est la vitesse de propagation du son dans chacun des milieux ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’air. • Calculer la vitesse de propagation du son dans l’acier. • En comparant les deux vitesses de propagation, conclure en expliquant pourquoi Averell pose son oreille sur le rail.

Pratiquer des langages.

Passer d’une forme de langage scientifique à une autre. Lire et comprendre des documents scientifiques.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement pour répondre à la problématique. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes et les unités sont cohérentes. • Lecture du tableau. 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.

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 8

375

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 91

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.

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. 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

376

Thème 4

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 Cycle 4 – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 93

Pour aller plus loin – La distance de l’orage

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 Cycle 4 – 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 : 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.

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

377

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 95

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.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme 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.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

378

Thème 4

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.

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 Cycle 4 – Livre du professeur

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 96

À chacun son rythme – L’écho sur une scène de théâtre

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 : Le phénomène d’écho est un décalage temporel entre la perception directe du son et sa perception après une ou plusieurs réflexions. Doc.1 : On perçoit un écho lorsque le décalage de temps entre le son émis directement et le son réfléchi est supérieur à 100 ms. Le doc. 2 indique les dimensions de la scène ainsi que la distance qui sépare l’artiste du spectateur.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Comparer le décalage temporel entre le de nature scientifique. son reçu directement par le spectateur et le son réfléchi sur le fond de la scène à la durée de 100 ms. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la distance parcourue par le son jusqu’au spectateur, directement d’une part et après réflexion sur l’arrière de la scène d’autre part (doc. 2). • Pour chaque distance, déterminer la durée nécessaire au son pour parvenir au spectateur depuis l’artiste. • Comparer les durées et conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. • Lecture du schéma. d • Utilisation de la relation : t = v

Pratiquer des langages.

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Module 8

379

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe 98

À chacun son rythme – Curiosity sur Mars

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.

Pratiquer des démarches scientifiques.

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 : Doc. 1 : Curiosity est un robot autonome placé par la NASA sur la planète Mars en 2012. Doc. 2 : Curiosity communique avec la Terre grâce aux ondes radio, de même nature que la lumière. Les ondes radio voyagent donc à 300 000 km/s. Données : Le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil est de 1,5 × 108 km. Celui de l’orbite de Mars autour du Soleil est de 2,28 × 108 km.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Quelle distance sépare les planètes Terre et de nature scientifique. Mars lorsqu’elles sont le plus éloignées ? En déduire alors la durée nécessaire aux ondes radio pour voyager d’une planète à l’autre.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la distance d séparant Mars à la Terre à l’aide d’un schéma. • Calculer la durée de propagation des ondes radio. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

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

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. d • Utilisation de la relation t = v

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

380

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

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

Domaines du socle

SU JET

Réviser pour le brevet

1 L’acidification des océans

p. 383 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires les aident à construire ce paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1. Pour la première équation : Élément

Avant la transformation

Après la transformation

Carbone (C)

1×1=1

1×1=1

Oxygène (O)

1×2+1×1=3

1×3=3

Hydrogène (H)

1×2=2

1×2=2

Élément

Avant la transformation

Après la transformation

Calcium (Ca)

1×1=1

1×1=1

Oxygène (O)

1×3+1×3=6

2×3=6

Hydrogène (H)

1×2=2

2×1=2

Carbone (C)

1×1+1×1=2

2×1=2

Charge électrique

Avant la transformation

Après la transformation

+

0

1×2=2

–

0

2×1=2

Bilan

0

0

Pour la seconde équation de réaction :

Conservation de la charge électrique :

Il y a donc conservation des éléments et de la charge électrique. 2. La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau forme de l’acide carbonique. Le pH va donc diminuer. 3. D’après le doc. 2, lorsque le pH est plus faible, la dissolution de carbonate de calcium est plus importante. L’équation de réaction 2 indique que le carbonate de calcium réagit avec l’acide carbonique, présent dans une eau acidifiée par dissolution du dioxyde de carbone.



Tâche complexe

Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre (doc. 1). Plus il y a de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, plus l’eau s’acidifie en formant de l’acide carbonique (doc. 1 et 3). Or le carbonate de calcium constituant les coquilles des mollusques et des Grille d’évaluation page suivante.

382

Réviser pour le brevet

coraux réagit avec l’acide carbonique (doc. 2 et 3). Les coquilles sont alors plus fragiles (doc. 1). L’accroissement des rejets de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone est donc néfaste pour les animaux à coquille marins.

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

4.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

1 L‘acidification des océans

Classe : �������������������������� 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 : Plus il y a de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, plus l’eau s’acidifie. Cela fragilise les coquilles des mollusques marins. Doc. 2 : Lorsque le pH est plus faible, la dissolution de carbonate de calcium est plus importante. Doc. 3 : La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau forme de l’acide carbonique. L’acide carbonique réagit avec le carbonate de calcium.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment les modifications de de nature scientifique. pH de l’océan détruisent le carbonate de calcium des coquillages ou des coraux. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit revenir sur la problématique. Par exemple : • Relier l’accroissement des émissions de dioxyde de carbone et l’acidification des océans. • Expliquer la conséquence de l’acidification des océans sur les organismes marins à coquille en argumentant à l’aide des équations de réaction. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

383

SU JET

Réviser pour le brevet

2 Sécurité routière

p. 384 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 3. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 4. Questions préliminaires 1. D’après le doc. 2, c’est l’action mécanique des plaquettes de freins sur les disques qui permet à la voiture de s’arrêter. 2. Plaquettes Énergie Énergie cinétique thermique de frein 3. a. L’expression de l’énergie cinétique d’un objet en fonction de sa vitesse et de sa masse est : 1 E = × m × v 2. 2 b. Plus la vitesse est importante et plus l’énergie cinétique à convertir en énergie thermique par les plaquettes de frein est importante. Cela prend plus de temps. La distance de freinage est donc plus grande. 4. • Corrigé succinct L’automobiliste roule à une vitesse de 90 km/h. Cette vitesse, exprimée en m/s vaut : 90 v= = 25 m/s. 3,6 Son temps de réaction est de 1 seconde. La distance parcourue pendant cette durée est : d = v × t = 25 × 1 = 25 m. À partir de cet instant, le véhicule freine. La distance de freinage se déduit de la courbe du doc. 3. En utilisant la courbe rouge (route mouillée) et une vitesse de 25 m/s, on lit une distance de freinage de 85 m sur le graphique. La distance d’arrêt vaut donc : d = 25 + 85 = 110 m. Le conducteur n’a pas le temps d’arrêter son véhicule sur sol mouillé. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Sur quelle route l’automobiliste circule-t-il ? 2. La pluie a-t-elle une conséquence sur la distance de freinage ? 3. Que doit faire l’automobiliste lorsque le feu passe à l’orange ? 4. Qu’est-ce que le temps de réaction ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Cette information n’est pas présente dans les documents mais n’est pas nécessaire pour répondre. L’idée est de montrer aux élèves que toutes leurs questions sont acceptées et le rôle du professeur est de discuter avec les élèves de la pertinence de leurs questions. 2. La pluie augmente la distance de freinage d’un véhicule (doc. 3). 3. Lorsque le feu passe à l’orange le conducteur doit freiner (doc. 1). 4. C’est la durée qui s’écoule entre l’instant où l’automobiliste voit le risque et l’instant où il décide d’agir (doc. 1). Grille d’évaluation page suivante. 384

Réviser pour le brevet

3e étape : Dégager la problématique La distance d’arrêt est-elle suffisamment petite pour stopper le véhicule avant d’arriver au feu de signalisation ? 4e étape : Construire la réponse • Calculer la distance de réaction. • Déterminer graphiquement la distance de freinage. • En déduire la distance d’arrêt. • Comparer cette distance à la distance séparant le véhicule du feu de signalisation. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un automobiliste route à 90 km/h sur une route. Un feu passe à l’orange et il doit freiner. On nous demande si la distance d’arrêt est suffisante pour stopper le véhicule à temps. • Mettre en forme la réponse. L’automobiliste roule à une vitesse de 90 km/h. Cette vitesse, exprimée en m/s vaut : 90 v= = 25 m/s. 3,6 Son temps de réaction est de 1 seconde. La distance parcourue pendant cette durée est : d = v × t = 25 × 1 = 25 m. À partir de cet instant le conducteur appuie sur la pédale du frein. La distance de freinage se déduit de la courbe du doc. 3 : d’ = 85 m. La distance d’arrêt est donc égale à : D = d + d’ = 25 + 85 = 110 m. On constate que cette distance est plus grande que la distance séparant le feu du véhicule à l’instant où le feu est passé à l’orange : D . 100 m. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le conducteur n’a pas le temps d’arrêter son véhicule. Il n’aurait jamais dû rouler en excès de vitesse.

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

Tâche complexe

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

2 Sécurité routière

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 : La pluie augmente la distance de freinage d’un véhicule. Doc. 1 : L’automobiliste doit freiner en urgence. Doc. 1 : Le temps de réaction est la durée qui s’écoule entre l’instant où l’automobiliste voit le risque et l’instant où il décide d’agir.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions La distance d’arrêt est-elle suffisante de nature scientifique. pour stopper le véhicule avant d’arriver au feu orange ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer la distance de réaction. • Déterminer graphiquement la distance de freinage. • En déduire la distance d’arrêt. • Comparer cette distance à la distance séparant le véhicule du feu de signalisation. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme les calculs sont justes, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Utilisation de la relation d = v × t. • Lecture du graphique pour trouver la distance de freinage.

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

385

SU JET

Réviser pour le brevet

3 La formule 1 et la formule E

p. 385 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. Les questions préliminaires les aident à construire la réponse à cette tâche complexe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1.

Énergie utile

Énergie cinétique

Énergie exploitée

Énergie électrique

Moteur

Énergie dissipée

Énergie thermique

2. Le moteur de la formule E a une puissance de 170 kW. S’il fonctionne à pleine puissance, l’énergie consommée par le moteur de la formule E vaut : E = 3 × t = 170 × 1 = 170 kWh. Soit E = 170 × 103 × 3 600 = 6,12 × 108 J. 3. Il y a disparition de certaines espèces chimiques et apparition d’autres espèces (CO2, H2O). C’est donc une transformation chimique. 4. Le réservoir contient 100 kg d’essence. m La masse volumique est donnée par la relation ρ =  . V m 100 Donc V = = = 133 L. ρ 0,75 Tâche complexe

• Corrigé succinct Les 133 L d’essence contenus dans le réservoir sont consommés en une heure pour la formule 1 (doc. 3). 1 L d’essence fournit 36 000 kJ = 3,6 × 107 J. L’énergie consommée en une heure vaut donc : E = 133 × 36 000 × 103 = 4,8 × 109 J, soit 48 × 108 J. La formule 1 nécessite plus d’énergie pour fonctionner en une heure. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Quelle est la différence entre une formule 1 et une formule E ? 2. Quel type d’énergie une formule 1 ou une formule E utilisent-elles ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. La formule E est un véhicule de course électrique alors que la formule 1 est à essence (doc. 1). 2. Le moteur de la formule E convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique et en énergie thermique (doc. 1). La formule 1 fournit de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique grâce à la combustion de l’essence (doc. 3). 386

Réviser pour le brevet

3e étape : Dégager la problématique Calculer l’énergie consommée lorsqu’un plein d’essence est consommé par la formule 1 et la comparer à l’énergie électrique consommée par la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure. 4e étape : Construire la réponse • Calculer l’énergie électrique consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance pendant une heure. • Déterminer le volume du réservoir de la formule 1. • Calculer l’énergie consommée en une heure par la formule 1. • Comparer les deux valeurs. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Des courses de voiture sont organisées avec des formules E, véhicule électrique, ou des formules 1, véhicules à essence. On cherche à calculer l’énergie consommée lorsqu’un plein d’essence est consommé par la formule 1 pour la comparer à l’énergie consommée par le moteur électrique de la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure.

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5.



• Mettre en forme la réponse. Calculons l’énergie consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance (doc. 2 et données) : E = 3 × t = 170 × 1 = 170 kWh. Soit E = 170 × 103 × 3 600 = 6,12 × 108 J. Déterminons le volume d’essence contenue dans un réservoir de formule 1 (doc. 2 et données) : m m 100 ρ =   donc V = = = 133 L. V ρ 0,75

Pour la formule 1, le plein est consommé en une heure (doc. 3), donc l’énergie consommée en une heure vaut : E’ = 133 × 36 000 × 103 = 4,8 × 109 J ; soit 48 × 108 J. On constate que E’ . E. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. La formule 1 nécessite donc plus d’énergie pour fonctionner en une heure que la formule E.

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Grille d’évaluation page suivante.

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387

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

3 La formule 1 et la formule E

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

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

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 1 et 3 : La formule E est un véhicule de course électrique alors que la formule 1 est à essence. Doc. 1 : Le moteur de la formule E convertit de l’énergie électrique en énergie cinétique et en énergie thermique. Doc. 3 : La formule 1 fournit de l’énergie cinétique et de l’énergie thermique grâce à la combustion de l’essence.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Calculer l’énergie consommée lorsqu’un Identifier des questions plein d’essence est consommé et la de nature scientifique. comparer à l’énergie consommée par la formule E si elle fonctionne à pleine puissance pendant une heure.

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Utilisation de la relation : E = 3 × t. à une autre. • Utilisation de la relation : ρ = m  . V • Calcul de l’énergie consommée en une heure par la formule 1.

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique. 388

Réviser pour le brevet

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Calculer l’énergie consommée par le moteur de la formule E s’il fonctionne à pleine puissance pendant une heure. • Déterminer le volume du réservoir de la formule 1. • Calculer l’énergie consommée en une heure par la formule 1. • Comparer les deux valeurs. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

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D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

SU JET

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4 Vénus, une planète sèche

p. 386 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires les aident à construire le paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir les questions préliminaires en aides partielles.

Questions préliminaires 1. Il y a 4,5 milliards d’année, l’eau pouvait se trouver sous forme liquide sur Vénus. 2. Le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau. 3. Il est possible d’en déduire que la majorité du dioxyde de carbone était stocké par l’eau se trouvant sur Vénus. 4. La température a augmenté et l’eau n’a plus été présente sous forme liquide. L’eau s’est vaporisée : elle est passée à l’état gazeux en formant de la vapeur d’eau. 5. L’eau s’est retrouvée dans l’atmosphère de la planète sous forme gazeuse. 6. Le dioxyde de carbone ne pouvant plus être dissous dans l’eau liquide s’est également accumulé dans l’atmosphère de la planète. 7.



Tâche complexe

Vénus est une planète située à proximité du Soleil. Elle contenait de l’eau à l’état liquide il y a 4,5milliards d’années. Cette eau permettait de stocker le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère de la planète. Peu à peu, le Soleil fournissant davantage d’énergie, la température a augmenté sur la surface de Vénus. L’eau s’est alors vaporisée libérant du dioxyde de

carbone dans l’atmosphère. L’eau et le dioxyde de carbone étant des gaz à effet de serre, une partie de l’énergie thermique a été retenue dans l’atmosphère de la planète. La température a alors encore augmenté, accélérant l’assèchement de la planète et la libération de gaz à effet de serre.

390

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Grille d’évaluation page suivante.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

4 Vénus, une planète sèche

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 : Il y a 4,5 milliards d’années, l’eau pouvait se trouver sous forme liquide sur Vénus. Doc. 1 : Le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau. Doc. 1 : L’énergie thermique produite par le Soleil s’est accrue. Doc. 1 : L’eau s’est vaporisée. Doc. 2 : L’eau et le dioxyde de carbone sont des gaz à effet de serre.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment l’évolution de de nature scientifique. l’énergie thermique produite par le Soleil a été à l’origine de l’assèchement de la planète Vénus. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

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D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des langages.

Pratiquer des langages.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Expliquer que l’énergie thermique produite par le Soleil a évolué au cours du temps. • Décrire l’évolution des états physiques de l’eau et du dioxyde de carbone. • Expliquer le mécanisme de l’effet de serre. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

391

SU JET

Réviser pour le brevet

5 Mission vers Mars

p. 387 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. La question préliminaire 4 les aide à construire la résolution. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir cette question préliminaire en aide partielle. La tâche est complexe car l’élève doit mobiliser ses connaissances et les mettre en lien avec la situation proposée afin de construire le raisonnement. Le doc. 2 ne suffit pas pour répondre.

Questions préliminaires 1. a. Sur Mars, l’eau se trouve à l’état solide, liquide ou gazeux. b. Le dioxyde de carbone se trouve à l’état solide ou gazeux 2. Il se produit une sublimation dans la calotte Sud. 3.

Élément



Avant la transformation

Après la transformation

Azote (N)

4×1=4

2×2=4

Hydrogène (H)

4 × 4 = 16

6 × 2 + 4 × 1 = 16

Chlore (Cl)

4×1=4

4×1=4

Oxygène (O)

4 × 4 = 16

6 × 1 + 5 × 2 = 16

L’équation de la réaction vérifie la conservation des éléments. 4. Lorsque la fusée quitte le sol, la poussée des moteurs, dirigée vers le haut, est supérieure au poids, dirigé vers le bas :

Poussée

Poids

Tâche complexe

• Corrigé succinct Poids de la fusée : P = m × g = 500 × 1 000 × 9,8 = 4,9 × 106 N. Une fusée décolle si la force de poussée est supérieure au poids de la fusée. La force de poussée doit donc être supérieure à 4,9 × 106 N. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Comment une fusée décolle-t-elle ? 2. Qu’est-ce que la force de poussée d’une fusée ? 3. La force de poussée est-elle la seule force exercée sur la fusée ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Une partie de cette information n’est pas présente dans les documents. Elle demande à l’élève de mobiliser ses connaissances. 392

Réviser pour le brevet

La fusée utilise le principe des actions réciproques éjectant derrière elle de la matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur(s). Les gaz sont produits par une succession de réactions chimiques (doc. 2). La force exercée par la fusée sur les gaz éjectés est égale à la force exercée par les gaz sur la fusée. 2. La force de poussée est la force exercée par les gaz sur la fusée. 3. La fusée est également soumise au poids de la fusée. Cette information est donnée indirectement par les données  ; elle peut également être issue des connaissances des élèves. L’aide partielle issue de la question 4. peut être fournie. 3e étape : Dégager la problématique Comparer la valeur du poids de la fusée à la force de poussée.

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5.

4e étape : Construire la réponse • Établir un bilan des forces exercées sur la fusée. • Schématiser la situation. • Calculer le poids de la fusée. • Comparer sa valeur à celle de la force de poussée. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Une fusée, pour décoller, produit des gaz par une succession de réactions chimiques (doc. 2). Éjectés par le moteur, ils agissent réciproquement sur la fusée pour la faire décoller. On nous demande de calculer le poids de la fusée et de comparer sa valeur à celle de la force de poussée.

Calculons le poids de la fusée : P = m × g = 500 × 103 × 9,8 = 4,9 × 106 N. Une fusée décolle si la force de poussée est supérieure au poids de la fusée. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Afin que la fusée décolle, la force de poussée doit donc être supérieure à 4,9 × 106 N.

• Mettre en forme la réponse. La fusée est soumise à deux forces :

Poussée

Poids



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Grille d’évaluation page suivante.

Réviser pour le brevet

393

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

5 Mission vers 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 : Connaissances et données : La fusée utilise le principe des actions réciproques, éjectant derrière elle de la matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs) moteur(s). La force exercée par la fusée sur les gaz éjectés est égale à la force exercée par les gaz sur la fusée. Doc. 2 : Les gaz sont produits par une succession de réactions chimiques. Connaissances et données : La fusée est soumise à son poids et à la poussée des moteurs.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer le poids de la fusée et de de nature scientifique. comparer sa valeur à celle de la force de poussée.

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. Passer d’une forme Les expressions littérales sont données, de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont à une autre. cohérentes. Utilisation de la relation : P = m × g.

Pratiquer des langages.

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

394

Réviser pour le brevet

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Établir un bilan des forces exercées sur la fusée. • Schématiser la situation. • Calculer le poids de la fusée. • Comparer sa valeur à celle de la force de poussée. • Conclure en revenant sur la problématique.

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

SU JET

Réviser pour le brevet

6 Production et distribution de l’énergie électrique

p. 388 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 3. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 4.

Questions préliminaires 1. Du charbon, du gaz naturel ou du fioul sont brûlés dans la centrale thermique (doc. 1) : la source d’énergie est non renouvelable. 2. La combustion est une transformation chimique. Lorsque l’eau entre en ébullition, elle subit une transformation physique. 15 = 0,25 h. L’énergie électrique consommée par la friteuse pendant 15 minutes 3. La durée est de 15 minutes, soit 60 est donc : E = 3 × t = 2 000 × 0,25 = 500 Wh. Tâche complexe

• Corrigé succinct 3 2 000 + 2 300 3 = U × I donc I = = = 18,7 A. U 230 On constate que I . 16 A : le disjoncteur se déclenche (doc. 2) • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un disjoncteur ? 2. Pourquoi un disjoncteur se déclenche-t-il ? 3. Quelle est la puissance d’une friteuse ? d’un four ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un disjoncteur est placé en début de l’installation électrique. Il peut être assimilé à un interrupteur (doc. 2). 2. Un disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité qui circule dans le circuit est supérieure à une certaine valeur. Cette valeur est de 16 A dans l’installation décrite (doc. 2). 3. La friteuse a une puissance de 2 000 W. Le four a une puissance de 2 300 W (doc. 2). 3e étape : Dégager la problématique Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse et un four en même temps, l’intensité qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ?



4e étape : Construire la réponse • Déterminer la puissance totale des deux appareils électriques. Grille d’évaluation page suivante.

396

Réviser pour le brevet

• Calculer l’intensité traversant le circuit électrique. • Comparer cette valeur à l’intensité maximale supportée par le disjoncteur. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Dans une installation domestique, un disjoncteur coupe le circuit lorsque l’intensité atteint une valeur de 16 A. Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse et un four en même temps, l’intensité qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ? • Mettre en forme la réponse. Déterminons la puissance des deux appareils lorsqu’ils fonctionnent en même temps (doc. 2) : 3 = 2 000 + 2 300 = 4 300 W. Calculons l’intensité circulant dans le circuit (doc. 2 et connaissances) : 3 4 300 3 = U × I donc I = = = 18,7 A. U 230 Le disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité atteint 16 A (doc. 2). On constate que I . 16 A. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le disjoncteur va donc se déclencher. Il faudrait sans doute revoir l’installation électrique car il n’est pas envisageable, au quotidien, qu’un disjoncteur coupe l’alimentation avec si peu d’appareils électriques en fonctionnement.

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4.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

6 Production et distribution de l’énergie électrique

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 : Un disjoncteur se déclenche lorsque l’intensité du courant qui circule dans le circuit est supérieur à 16 A. Doc. 2 : La friteuse a une puissance de 2 000 W. Le four a une puissance de 2 300 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Lorsqu’on fait fonctionner une friteuse de nature scientifique. et un four en même temps, l’intensité du courant qui circule dans le circuit est-elle plus petite que 16 A ? D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 : • Déterminer la puissance totale des deux appareils électriques. • Calculer l’intensité du courant traversant le circuit électrique. • Comparer cette valeur à l’intensité du courant maximale supportée par le disjoncteur. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. à une autre. • Calcul de la puissance totale. • Utilisation de la relation 3 = U × I.

Pratiquer des langages.

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

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

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

397

SU JET

Réviser pour le brevet

7 Le drone

p. 389 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 4. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 5.

Questions préliminaires 1. Le poids vaut : P = m × gT = 1,280 × 9,8 = 12,5 N (donnée et doc. 4). Direction : verticale. Sens : vers le bas. 2. D’après le doc. 3, un objet soumis à deux forces est en équilibre si les deux forces sont égales en valeur, de même direction et de sens opposés. La portance est donc opposée au poids. Direction : verticale. Sens : vers le haut. Valeur : F = P = 12,5 N. 3. D’après le doc. 2, le mouvement du drone est rectiligne et accéléré lors de sa phase d’envol. 4. Il y a 4 moteurs de 40 W chacun, donc 3 = 4 × 40 = 160 W (doc. 4). P 160 3 = U × I donc I = = = 10,5 A. U 15,2 Tâche complexe

• Corrigé succinct Puissance totale des quatre moteurs (doc. 4) : 3 = 40 × 4 = 160 W. Calculons la durée de fonctionnement (doc. 4 et connaissances) : E 68 E = 3 × t donc t = = = 0,425 h. 3 160 • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’un drone ? 2. Comment fonctionne-t-il ? 3. Quelle est la puissance des quatre moteurs du drone ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Un drone est un engin capable de voler comme un hélicoptère (doc. 1). 2. Il fonctionne grâce à quatre moteurs alimentés par une batterie. Chaque moteur entraîne une hélice qui tourne (doc. 1 et 4). 3. Chaque moteur a une puissance de 40 W (doc. 4).



3e étape : Dégager la problématique Calculer la durée maximale de vol lorsque les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. Grille d’évaluation page suivante.

398

Réviser pour le brevet

4e étape : Construire la réponse • Déterminer la puissance totale des quatre moteurs. • Calculer la durée maximale de fonctionnement. 5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un drone est un engin volant à quatre hélices entraînées par quatre moteurs de 40 W chacun, alimentés par une batterie de 15,2 V. On nous demande de calculer la durée maximale de vol lorsque les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. • Mettre en forme la réponse. Déterminons la puissance totale des quatre moteurs (doc. 4) : 3 = 40 × 4 = 160 W. Calculons la durée de fonctionnement (doc. 4 et connaissances) : E 68 E = 3 × t donc t = = = 0,425 h. 3 160 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le drone pourra fonctionner au maximum 0,425 h, soit 25 minutes et 30 secondes.

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

5.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

7 Le drone

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 : Un drone fonctionne grâce à quatre moteurs alimentés par une batterie. Doc. 4 : La batterie a une tension de 15,2 V. Doc. 4 : Chaque moteur a une puissance de 40 W.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer la durée maximale de vol lorsque de nature scientifique. les quatre moteurs fonctionnent à pleine puissance. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

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

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

Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la puissance totale des quatre moteurs. • Calculer la durée maximale de fonctionnement. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme de langage scientifique les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. à une autre. • Calcul de la puissance totale. • Utilisation de la relation : E = 3 × t.

Pratiquer des langages.

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

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

399

SU JET

Réviser pour le brevet

8 Rosetta, une mission assistée

p. 390 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à construire un paragraphe argumenté. Les questions préliminaires peuvent les aider à s’approprier les documents mais elles ne sont pas nécessaires à la rédaction du paragraphe. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe de la question 4.

Questions préliminaires 1. D’après le schéma du doc. 1, les trajectoires de Vénus, la Terre et Mars sont circulaires. 2. Les ondes radio mettent 28 minutes pour effectuer le trajet entre Rosetta et la Terre, et elles se déplacent à la vitesse de la lumière (doc. 3). d v = ;  donc d = v × t = 3 × 105 × (28 × 60) = 5 × 108 km. t 3. a.

Rosetta

b. FTerre sur Rosetta = 6,67 × 10–11 ×

Terre

mT × mR

d2 24 3 FTerre sur Rosetta = 6,67 × 10–11 × 6 × 10 × 3 × 10 (5 × 108 × 103)2 FTerre sur Rosetta = 4,8 × 10–6 N.



Tâche complexe

La sonde Rosetta a été envoyée dans l’espace depuis la Terre pour étudier la comète Tchouri. Pour se libérer de l’attraction gravitationnelle exercée par la planète sur la sonde, il faut dépenser beaucoup d’énergie. Comme il n’existe pas de lanceur suffisamment puissant, la technique de l’assistance gravitationnelle a été utilisée (doc. 1). Cette méthode consiste à faire s’approcher la sonde d’une planète, comme la Terre (doc. 1 et 2) ou Mars. La planète attire la sonde qui voit sa vitesse augmenter (doc. 1 et 2). Grille d’évaluation page suivante.

400

Réviser pour le brevet

Cependant, sa trajectoire a été définie de telle sorte qu’elle ne s’écrase pas sur la planète. La vitesse atteinte est suffisante pour qu’elle s’arrache à l’influence de la planète et permette à la sonde de poursuivre sa route vers sa destination, avec une vitesse plus grande que lors de son approche. En passant de planète en planète, la sonde a ainsi pu accélérer pour atteindre des vitesses suffisantes. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

4.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

8 Rosetta, une mission assistée

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 Cycle 4 – 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 : Rosetta est une sonde envoyée pour étudier la comète Tchouri. Doc. 1 : Il n’existe pas de lanceur suffisamment puissant. Doc. 1 : La sonde est passée près des planètes Terre et Mars. Doc.1 et 2 : La vitesse de la sonde augmente et sa trajectoire est modifiée.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Expliquer comment l‘attraction de nature scientifique. gravitationnelle d’une planète sur la sonde peut permettre d’économiser de l’énergie. Pratiquer des démarches scientifiques. Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Expliquer le problème que rencontrent les ingénieurs pour lancer une sonde. • Relier la modification de la vitesse de la sonde à l’attraction gravitationnelle. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les calculs sont justes, les unités sont cohérentes. Passer d’une forme de langage scientifique • Lecture du schéma pour mettre en évidence l’augmentation de la vitesse. à une autre. • Utilisation de l’expression de la force d’attraction gravitationnelle.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

401

SU JET

Réviser pour le brevet

9 Tri des déchets

p. 391 du manuel

Ce sujet permet aux élèves de se confronter à une résolution de tâche complexe. Les questions 1. à 4. peuvent être traitées indépendamment de la tâche complexe proposée en question 5.

Questions préliminaires 1. Transformation physique : l’eau se vaporise. Transformation chimique : le combustible est brûlé (combustion). 2.

a



b

 : État gazeux : molécules espacées et désordonnées.  : État liquide : molécules proches les unes des autres.

3. Énergie thermique

Chaudière

Énergie cinétique

Alternateur

Énergie électrique

4. On devrait remplacer « poids » par « masse » car les valeurs sont exprimées en tonne et 1 tonne = 1 000 kg. Tâche complexe

• Corrigé succinct Masse maximale du chargement : m = PTAC – PV = 32,000 – 14,200 = 17,800 t = 17 800 kg. Le volume maximal de fer que le camion peut transporter est : m m 17 800 ρ =  donc V = = = 2,25 m3. V ρ 7 900 • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. De quel camion s’agit-il ? 2. Quelle particularité présente le fer ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Il s’agit d’un camion destiné à recevoir des métaux recyclés. On dispose d’indications sur la masse maximale qu’il peut transporter (doc. 2). 2. On sait que le fer a une masse volumique de 7 900 kg/m3 (données). 3e étape : Dégager la problématique Calculer le volume de fer que le camion peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. 4e étape : Construire la réponse • Déterminer la masse du chargement. • En déduire le volume de fer. Grille d’évaluation page suivante.

402

Réviser pour le brevet

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. Un camion peut transporter un « poids » maximal de marchandises. On nous demande de calculer le volume de fer que le camion peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. • Mettre en forme la réponse. Déterminons la masse maximale du chargement (doc. 2) : m = PTAC – PV = 32,000 – 14,200 = 17,800 t = 17 800 kg. Calculons le volume maximal de fer correspondant (données) : m m 17 800 ρ = donc V = = = 2,25 m3. V ρ 7 900 • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Le volume de fer maximal que le camion peut transporter est égal à 2,25 m3. Il faudrait néanmoins vérifier que ce chargement peut être contenu dans le camion en calculant le volume du camion. On dispose de la surface du total camion : S = 21,5 m2. La surface utile pour le chargement est plus petite, on peut prendre par exemple 15 m2. La hauteur de la benne du camion devrait alors être 2,25 supérieure à = 0,15 m = 15 cm ; ce qui doit être 15 vraisemblablement le cas.

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

5.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

9 Tri des déchets

Classe : �������������������������� Nom de l’élève : ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� Domaines du socle

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

D1.3 Langages mathématiques scientifiques et informatiques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

D1.1 Langue française à l’oral et à l’écrit

MI

Capacités attendues

MF MS TBM Compétences

Pratiquer des langages.

Lire et comprendre des documents.

Critères de réussite permettant ­d’attribuer le niveau de maîtrise « TBM » L’élève a su trouver les informations pertinentes lui permettant de répondre aux questions qu’il a posées dans la première étape. Par exemple : Doc. 2 : Le camion dispose d’indications sur la masse maximale qu’il peut transporter. Données : Le fer a une masse volumique de 7 900 kg/m3.

Le problème est formulé en termes scientifiques. Par exemple : Identifier des questions Calculer le volume de fer que le camion de nature scientifique. peut transporter connaissant la masse maximale qu’il peut supporter. Pratiquer des démarches scientifiques.

Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences.

La stratégie est détaillée et correcte. L’élève doit discuter la valeur et revenir sur la problématique. Par exemple : • Déterminer la masse du chargement. • En déduire le volume de fer. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, Passer d’une forme les calculs sont justes, les unités sont de langage scientifique cohérentes. à une autre. • Calcul de la masse maximale du chargement. m • Utilisation de la relation : ρ =  . V

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

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403

SU JET

Réviser pour le brevet

10 Voyager, une mission sans limite

p. 392 du manuel

Ce sujet permet aux élèves d’apprendre à résoudre une tâche complexe de type résolution de problème. La question préliminaire 2 les aide à construire la résolution. Le professeur pourra donner uniquement la tâche complexe et prévoir cette question préliminaire en aide partielle.

Questions préliminaires 1. Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager, ce qui n’est pas le cas de la lumière. Or, entre la sonde et la Terre il n’y a pas de milieu matériel : la sonde est « dans le vide ». Le son ne peut donc pas se propager de la sonde à la Terre. 2. L’unité astronomique correspond à la distance entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. 3. Le doc. 2 donne la durée de l’aller-retour entre la sonde Voyager 1 et la Terre. La durée pour atteindre la Terre est donc deux fois plus petite : 38 h 14 min 44 s t= = 19 h 07 min 22 s. 2 d 20 638 312 409 = 3 × 105 km/s. 4. v = = t 19 × 3 600 + 7 × 60 + 22 On retrouve approximativement la vitesse de la lumière qui est de 3 × 105 km/s. Tâche complexe

• Corrigé succinct Au début de l’année 2017, la distance entre la sonde Voyager 1 et le Soleil était de 20 527 020 241 km (doc. 2). Convertissons cette distance en unité astronomique (données) : 20 527 020 241 d= = 137 ua. 1,5 × 108 Cela est supérieur au rayon du Système solaire qui est de 50 ua, puisque son diamètre est de 100 ua (données). La sonde est donc sortie du Système solaire. • Corrigé détaillé 1re étape : Bien comprendre la question posée 1. Qu’est-ce qu’est Voyager 1 ? 2. Où est Voyager 1 ? 3. Quelle est la taille du Système solaire ? 2e étape : Lire et comprendre les documents 1. Voyager 1 est une sonde envoyée par la NASA pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire (doc. 1). 2. Début 2017 la sonde Voyager était à une distance de 20 527 020 241 km du Soleil (doc. 2). 3. Le Système solaire a un diamètre de 100 ua (données) soit un rayon de 50 ua. 3e étape : Dégager la problématique Déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique.



4e étape : Construire la réponse • Convertir la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. • Comparer cette distance au rayon du Système solaire. Grille d’évaluation page suivante.

404

Réviser pour le brevet

5e étape : Rédiger la réponse en trois paragraphes • Présenter le contexte et introduire la problématique. La sonde Voyager 1 a été envoyée dans l’espace pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire (doc. 1). On nous demande de déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique et de la comparer cette distance à la taille du Système solaire. • Mettre en forme la réponse. Début 2017, la sonde Voyager 1 était à 20 527 020 241 km du Soleil (doc. 2). Convertissons cette distance en unité astronomique (données) : 20 527 020 241 d= = 137 ua. 1,5 × 108 Pour savoir si la sonde est dans le Système solaire, il faut comparer cette distance au rayon du Système solaire. Ce rayon est de 50 ua puisque le diamètre est de 100 ua (données). La distance entre la sonde est le Soleil était donc supérieure au rayon du Système solaire. • Conclure et introduire, quand c’est possible, une part d’esprit critique. Début 2017 la sonde était à une distance du Soleil supérieure au rayon du Système solaire ; elle était donc sortie du Système solaire. Comme elle a été expédiée depuis la Terre, qui se trouve dans le Système solaire, et qu’elle en est sortie en éloignant du Soleil, il est probable qu’elle s’en éloigne encore et soit donc toujours en dehors du Système solaire.

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

5.

CO M PL ÉM EN T Grille d’évaluation par compétence d’une tâche complexe SUJE T

10 Voyager, une mission sans limite

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 : Voyager 1 est une sonde envoyée par la NASA pour explorer les planètes les plus éloignées du Système solaire. Doc. 2 : Début 2017, la sonde Voyager 1 était à une distance de 20 527 020 241 km du Soleil. Données : 1 ua = 1,5 × 108 km. Données : Le Système solaire a un diamètre de 100 ua.

Le problème est formulé en termes Identifier des questions scientifiques. Par exemple : de nature scientifique. Déterminer la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. D4 Les systèmes naturels et les systèmes techniques

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – 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 : • Convertir la distance entre Voyager 1 et le Soleil en unité astronomique. • Comparer cette distance au rayon du Système solaire. • Conclure en revenant sur la problématique.

Pratiquer des langages.

Les informations issues des documents sont interprétées correctement. Les expressions littérales sont données, les calculs sont justes, les unités sont Passer d’une forme de langage scientifique cohérentes. • Comprendre le tableau donnant les à une autre. distances. • Convertir la distance de km en ua. • Calculer le rayon du Système solaire.

Pratiquer des langages.

Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.

La consigne est reformulée dans un langage scientifique. Les phrases sont concises ; il n’y a pas de paraphrase des documents ; les connecteurs logiques sont correctement employés. Le vocabulaire employé est adapté, rigoureux et scientifique. Les documents sont cités pour appuyer l’argumentaire.

Fichier modifiable disponible dans le manuel numérique.

Réviser pour le brevet

405

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

1 Collision d’une comète Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

Une représentation du Système solaire

éroïdes Ceinture d’ast

Doc. 2 La comète Shoemaker-Levy 9

Doc. 3 La bombe d’Hiroshima

• Shoemaker-Levy 9 est une comète qui a été découverte en mars 1993, alors qu’elle était en orbite autour de Jupiter. Elle a été très probablement «  capturée  » par la planète dans les années 1970. Jupiter est une planète 2,5 fois plus massive que toutes les autres planètes du Système solaire réunies. • En juillet 1994, lors de la traversée de l’atmosphère, la comète a ralenti et s’est échauffée au contact des gaz de l’atmosphère. Elle s’est ensuite fragmentée. © Everett Historical-shutterstock

Le bombardement sur la ville d’Hiroshima a eu lieu le 6 août 1945. Ce fut la première fois qu’une bombe nucléaire était employée à des fins militaires. L’énergie libérée fut égale à 6,3 × 1013 joules.

Questions préliminaires 1. Proposer une hypothèse permettant d’expliquer pourquoi la température de surface de Jupiter est si différente de celle de la Terre (doc. 1). 2. Quelle force a provoqué la « capture » de la météorite ShoemakerLevy 9 par Jupiter et sa chute vers Jupiter (doc. 2) ?

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 3, 5 et 6. Compétences évaluées

3. Qu’est-ce qui a provoqué le ralentissement et l’échauffement de la comète lorsqu’elle a traversé l’atmosphère (doc. 2) ?

1. Domaine 4 : Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique

4. Rappeler l’expression de l’énergie cinétique d’un objet en fonction de sa masse m et de sa vitesse v.

2. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

5. À combien de bombes de même type que celle d’Hiroshima correspond l’énergie cinétique du fragment au moment de l’impact  ? Commenter le résultat. 406

Notions abordées

Réviser pour le brevet

4. Restituer ses connaissances 5. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

• Un fragment, dont la masse a été évaluée à 1,3  × 1013 kg est alors entré en collision avec Jupiter à une vitesse de 60 km/s. Il s’est alors produit une boule de feu atteignant un pic de température d’environ 24 000 °C alors que la température moyenne de surface de Jupiter est de –160 °C environ.

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

Réviser pour le brevet

2 Deux comètes proches de la Terre

Doc. 1

Les comètes P/2016 BA14 et 252P/Linear

En mars 2016, les comètes P/2016 BA14 et 252P/ Linear sont passées à quelques millions de kilomètres de la Terre. Les astronomes ont étudié leur composition afin de poursuivre l’étude de notre Système solaire. En effet, les comètes ont retenu sous une forme quasi intacte la matière présente dans le nuage de gaz à partir duquel le Système solaire s’est formé. Doc. 3 Aux origines de la vie

Des chercheurs ont réalisé en laboratoire, dans des conditions proches de celles régnant sur les comètes, la synthèse d’un sucre : le ribose. Ce sucre est fabriqué à partir d’eau, de méthanol et d’ammoniac, présents sur les comètes. Ce sucre est à la base de l’ARN, molécule présente chez pratiquement tous les êtres vivants.

Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 2 La trajectoire des comètes

Les comètes sont constituées essentiellement de glaces et de roches. Elles se déplacent sur des orbites très excentriques* qui les emmènent à de très grandes distances du Soleil. Lorsqu’une comète se rapproche du Soleil, ses glaces passent à l’état gazeux. Le nuage de gaz formé contient majoritairement de l’eau mais aussi du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2), de l’ammoniac (NH3), etc. La production de vapeur d’eau est d’autant plus importante que la comète est proche du Soleil. Comète Périhélie

Aphélie Soleil Orbite

*Le long d’une orbite excentrique, la comète n’est pas toujours à la même distance du Soleil. L’aphélie est le point le plus éloigné.

Structure de la molécule de ribose.

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Notions abordées

Questions préliminaires 1. D’où proviennent les molécules présentes dans les comètes (doc. 1) ? 2. a. Pourquoi une comète tourne-t-elle autour du Soleil (doc. 2) ? b. Quelle conséquence la forme de son orbite a-t-elle sur la transformation que subissent les glaces (doc. 2) ?

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1, 2, 3 et 5. Compétences évaluées

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques 2. Domaine 4 : Proposer une ou des hypothèses

3. Pourquoi peut-on dire que la synthèse du ribose est une transformation chimique (doc. 3) ?

3. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

4. Domaine 4 : Interpréter des résultats expérimentaux

4. En s’aidant des réponses aux questions 1. à 3., rédiger un texte expliquant comment l’étude des comètes permet d’imaginer une étape de l’apparition de la vie sur Terre.

5. Domaine 1 : Utiliser la langue française pour rendre compte des observations Réviser pour le brevet

407

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

3 L’équipement des plongeurs Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

La « stab » et la ceinture de plomb

• Un gilet de stabilisation (« stab ») est indispensable au plongeur qui l’utilise pour ajuster sa profondeur : il le gonfle pour remonter et il le dégonfle pour descendre. • Une ceinture lestée de plomb permet d’augmenter la masse du plongeur afin qu’il puisse descendre.

© Eyüp Alp ERMIS/shutterstock

Doc. 2 Un plongeur en interaction

• Un plongeur reçoit, de la part de l’eau, une force ­v erticale dirigée de bas en haut, appelée poussée ­d’Archimède FA :

Poussée d’Archimède

FA = ρeau × Vplong. × g

avec FA en N, ρeau en kg/L et Vplong en L. • Un plongeur est toujours soumis à son poids P : P = m × g avec P en N, m en kg et g en N/kg.

Poids

• Le poids a tendance à faire descendre le plongeur et la poussée d’Archimède a tendance à le faire remonter. Si la poussée d’Archimède est inférieure au poids alors le plongeur descend ; si elle est supérieure au poids il remonte. Données • g = 9,8 N/kg. • Volume du plongeur : Vplong. = 104 L. • Masse volumique de l’eau salée : ρsalée = 1,03 kg/L.

2. a. Lorsque le plongeur reste à la même profondeur, comparer son poids et la poussée d’Archimède à laquelle il est soumis. b. Dans cette situation, en déduire que la masse volumique ρplong. du plongeur est égale à la masse volumique ρeau de l’eau. 3. Comparer les masses volumiques ρplong. et ρeau dans le cas où le plongeur descend. Tâche complexe 4. Quelle doit être la masse minimale du plongeur et de son équipement pour que celui-ci ne remonte pas à la surface lorsqu’il plonge dans de l’eau salée? 408

Réviser pour le brevet

Notions abordées

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1 et 5. Compétences évaluées

1. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique. 2. Domaine 4 : Développer des modèles simples pour expliquer des faits d’observations 3. Domaine 4 : Mettre en œuvre des démarches propres aux sciences. 4. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique.

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Questions préliminaires 1. Exprimer la masse m du plongeur en fonction de sa masse volumique ρplong. et de son volume Vplong.

Réviser pour le brevet

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

4 Un saut record Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

Un record du monde de plongeon

Le 4 août 2015, Laso Schaller a établi un nouveau record du monde de plongeon de haut vol dans la région de Tessin en Suisse italienne. Le sportif suisse, né au Brésil, s’est élancé d’une plate-forme à 58,80 mètres de hauteur au-dessus d’une cascade, la Cascata del Salto, pour plonger dans le petit bassin de celle-ci […]. Un exploit qui l’a vu entrer dans l’eau à la vitesse de 122 km/h après presque 4 secondes de chute. Un saut d’une hauteur équivalente à celle d’un immeuble de 19 étages.

Doc. 2 Pointage vidéo du saut

Le pointage est effectué à intervalles de temps égaux.

France soir, édition du 20 août 2015.

Doc. 3 Énergie potentielle (de position)

L’énergie potentielle de position Ep d’un objet dépend de sa masse m et de son altitude par rapport à la surface de l’eau h : kilogramme (kg) joule ( J )

Ep = m × g × h

mètre (m)

© Lukas Pilz

newton par kilogramme (N/kg)

Données • Le sauteur a une masse de 75 kg. • 1 m/s = 3,6 km/h. • g = 9,8 N/kg.

Notions abordées

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 4, 5 et 6.

Questions préliminaires 1. Décrire le mouvement du sauteur lors de son saut (doc. 2). 2. a. Calculer la vitesse du plongeur sur l’ensemble du parcours (doc. 1). b. Comparer cette vitesse à la vitesse lors de son entrée dans l’eau, puis expliquer la différence observée.

Compétences évaluées

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques.

3. Identifier la force à laquelle est soumis le sauteur lors du saut et calculer sa valeur.

2. a. Domaine 4 : Mesurer des grandeurs physiques de manière directe ou indirecte. b. Domaine 4 : Interpréter des résultats expérimentaux

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Identifier des questions de nature scientifique.

4. La conversion d’énergie potentielle de position en énergie cinétique est-elle totale ? Argumenter la réponse.

4. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques. Réviser pour le brevet

409

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

5 La formation de la vie sur Terre Durée de l’épreuve : 30 min.

Doc. 1

La soupe primitive

Doc. 3 Les transformations chimiques

Au xxe siècle, le biochimiste soviétique Alexandre Ivanovitch Oparin (1894-1980) et le biochimiste anglais John Haldane (1892-1964), développent l’idée que sous l’action des rayons ultraviolets du Soleil ou d’éclairs, des composés chimiques de l’atmosphère primitive de la Terre (méthane, dioxyde de carbone, ammoniac, eau, etc..) auraient formé des molécules plus grosses qui ont rejoint ensuite les océans. Cette « soupe primitive » de molécules organiques serait à l’origine des premières cellules vivantes. Radiation UV

CO2 NH3

eau

méthanal glycine (acide aminé)

NH3 CO2

CH4 H20

Plusieurs transformations chimiques peuvent être envisagées pour produire des acides aminés à partir des constituants de l’atmosphère primitive :

méthane

CH4

Pluie Soupe primitive

acide cyanhydrique adénine (acide aminé) ammoniac

Données Atome

En 1953, Stanley Miller, jeune chercheur américain, met au point un dispositif amenant une vapeur d’eau enrichie en méthane, ammoniac et dihydrogène jusqu’à des électrodes, dans le but de reproduire l’action des éclairs sur l’atmosphère primitive. Il obtient alors cinq acides aminés, c’est-à-dire cinq espèces chimiques du même type que celles que l’on retrouve dans les protéines des êtres vivants.

C

N

O

Modèle

Doc. 4 Équations de réactions

Synthèse du méthanal : H2O + CH4 → CH2O + 2 H2 Synthèse de l’acide cyanhydrique : CH4 + NH3 → HCN + 3 H2

Doc. 5 Le ribose

Le ribose est une espèce chimique très présente qui joue un rôle important pour les êtres vivants, ­notamment dans la transcription de l’information génétique dans les cellules. Il peut être obtenu par réaction chimique entre plusieurs molécules de méthanal. 410

Réviser pour le brevet

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Doc. 2 Une expérience historique

H

Réviser pour le brevet Questions préliminaires 1. Quelle indication dans le doc. 1 permet d’affirmer que les molécules citées sont solubles dans l’eau ? 2. Quels phénomènes ont permis de déclencher la transformation chimique dans l’atmosphère primitive (doc. 1) ? dans l’expérience de Miller (doc. 2) ?

Compétences évaluées

3. Vérifier que les atomes sont bien redistribués dans les deux réactions du doc. 4.

1. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

4. Combien de molécules d’acide cyanhydrique sont nécessaires pour synthétiser une molécule d’adénine (doc. 3) ? Justifier.

2. Domaine 1 : Lire et comprendre des documents scientifiques

Tâche complexe

3. Domaine 1 : Passer d’une forme de langage scientifique à une autre

5. En s’aidant des documents, rédiger un court texte expliquant comment des espèces chimiques comme les acides aminés ou le ribose, présentes dans les organismes vivants, ont pu apparaitre sur Terre.

© Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

Notions abordées

Ce sujet permet de réviser des notions des modules 1 et 2.

4. Domaine 1 : Passer d’une forme de langage scientifique à une autre 5. Domaine 4 : Identifier des questions de nature scientifique.

Réviser pour le brevet

411

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

Corrigés des sujets supplémentaires

1 Collision d’une comète

1. Jupiter est sur une orbite beaucoup plus éloignée du Soleil que celle de la Terre (doc. 2). Cela peut expliquer sa température moyenne plus basse que celle de la Terre. 2. C’est la force d’attraction gravitationnelle qui a provoqué la « capture » de la météorite Shoemaker-Levy 9 par Jupiter. 3. Les frottements lors du contact du fragment avec les gaz de l’atmosphère ont provoqué le ralentissement et l’échauffement de la comète lorsqu’elle a traversé l’atmosphère (doc. 1). 4. L’expression de l’énergie cinétique est : Ec = 5.

1 × m × v2. 2

Tâche complexe

La vitesse de la comète est de 60 km/s soit 60 000 m/s.



L’énergie cinétique du fragment de météorite vaut : 1 1 Ec = × m × v2 = × 1,3 × 1013 × (60 000)2 2 2

SU JET SU PP LÉ ME NTAI RE

Soit Ec = 2,34 × 1022 J. Cela correspond à : 2,34 × 1022 3,71 × 108 bombes. 6,3 × 1013

Deux comètes proches

2 de la Terre

1. Les molécules présentes dans les comètes proviennent du nuage de gaz à partir duquel le Système solaire s'est formé (doc. 1). 2. a. Une comète tourne autour du Soleil à cause de l’attraction gravitationnelle qu’exerce sur elle le Soleil. b. Les glaces passent à l’état gazeux lorsque la comète est suffisamment proche du Soleil (doc. 2). 3. La synthèse du ribose est une transformation chimique car cette molécule est produite à partir de méthanol, d’eau et d’ammoniac (doc. 3).



412

Tâche complexe

Les comètes contiennent des molécules présentes depuis la formation du Système solaire (doc. 1). Lorsque les comètes s’approchent du Soleil, les glaces contenant ces molécules se subliment (doc. 2). Les molécules présentes permettent de former du

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ribose, sucre à la base de l’ARN et molécule présente chez pratiquement tous les êtres vivants (doc. 3). L’étude de la composition des comètes permet donc d’imaginer une des étapes de l’apparition de la vie sur Terre. © Hachette Livre, Physique-Chimie Cycle 4 – Livre du professeur

4.

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Corrigés des sujets supplémentaires

3 L’équipement des plongeurs

1. La masse du plongeur s’exprime par la relation : mplong = ρplong × Vplong. 2. a. Lorsque le plongeur reste à la même profondeur, il est en équilibre. Les forces qui s’exercent sur lui se compensent (doc. 2). Le poids est égal en intensité à la poussée d’Archimède à laquelle il est soumis. P = FA. b. Le poids P du plongeur s’exprime par : P = mplong × g = ρplong × Vplong × g. Or, le plongeur est en équilibre, donc P = FA. Ainsi, on peut écrire que : ρplong × Vplong × g = ρeau × Veau × g. Sachant que Vplong = Veau, on en déduit que : ρplong = ρeau. Lorsque le plongueur est en équilibre, sa masse volumique avec son équipement est égale à celle de l’eau. 3. Comparer les masses volumiques ρplong et ρeau dans le cas où : a. Si le plongeur descend, le poids est supérieur à la poussée d’Archimède, donc : P . FA ; ρplong . ρeau. b. Si le plongeur remonte, le poids est inférieur à la poussée d’Archimède donc : P , FA ; ρplong , ρeau. 4.

Tâche complexe

Pour que le plongeur ne remonte pas à la surface, il faut que son poids soit supérieur ou égal à la poussée d’Archimède, soit P > FA. On déduit des questions précédentes que : m ρplong > ρeau. Or, ρplong = plong . Vplong

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mplong  > ρeau, alors mplong > ρeau × Vplong ; Vplong mplong > 1,03 × 104 ; soit mplong > 107,1 kg.

Donc

Avec son équipement, le plongueur doit avoir une masse supérieure à 107,1 kg pour ne pas remonter à la surface.

4 Un saut record

1. Le mouvement du sauteur est rectiligne accéléré (doc. 2).

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2. a. Lors de son saut, le sauteur parcourt 58,8 mètres en 4 secondes (doc. 1). d 58,8 Sa vitesse est : v = = = 14,7 m/s, soit 14,7 × 3,6 = 52,9 km/h. t 4 b. La vitesse est plus faible sur l’ensemble du parcours car elle évolue : c’est un mouvement accéléré. 3. Le sauteur est soumis à son poids qui vaut : P = m × g = 75 × 9,8 = 735 N. 4.

Tâche complexe

Lors de son saut, le sauteur convertit de l’énergie potentielle de position en énergie cinétique. En haut de la falaise, son énergie potentielle de position vaut (doc. 1 et 3) : E = m × g × h = 75 × 9,8 × 58,8 = 43 218p. Arrivé au niveau du niveau de l’eau, la vitesse du 122 sauteur est de 122 km/h, soit = 33,9 m/s. 3,6

Il n’a alors que l’énergie cinétique (doc.1). 1 1 Ec = × m × v2 = × 75 × 33.92 + 43 067 1. 2 2 Lors de son saut, le sauteur ne convertit pas intégralement l’énergie potentielle de position en énergie cinétique. Une partie de l’énergie est dissipée par les frottements avec l’air.

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413

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Corrigés des sujets supplémentaires

5 La formation de la vie sur Terre

1. Dans le doc. 1, le passage qui permet d’affirmer que les molécules citées sont solubles dans l’eau est le solvant : « les molécules formées ont rejoint ensuite les océans ». 2. Dans l’atmosphère primitive, c’est l’action des rayons ultraviolets du Soleil ou d’éclairs qui permettent de déclencher la transformation chimique. Dans l’expérience de Miller, ce sont des électrodes. 3. Pour l’équation de réaction de synthèse du méthanal : Élément

Avant la transformation

Après la transformation

C

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

H

1 × 2 + 1 × 4 = 6

1 × 2 + 1 × 4 = 6

O

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

Pour l’équation de réaction de synthèse de l’acide cyanhydrique : Élément

Avant la transformation

Après la transformation

C

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

H

1 × 4 + 1 × 3 = 7

1 × 1 + 3 × 2 = 7

N

1 × 1 = 1

1 × 1 = 1

Dans les deux équations, les atomes sont bien redistribués. 4. L’adénine contient 5 atomes d’azote, 5 atomes d’hydrogène et 5 atomes de carbone. Il est donc formé par 5 molécules d’acide cyanhydrique. Tâche complexe

Sous l’action de rayons UV ou d’éclairs, des molécules présentes sur Terre comme l’eau, l’ammoniac et le méthane ont réagi pour former du méthanal et de l’acide cyanhydrique (doc. 1 et 3). Ces molécules

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ont formé par la suite des acides aminés et du ribose (doc. 2 et 5). Ces espèces chimiques sont présentes dans les organismes vivants.

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5.