Univers, science et technologie. Manuel de l'élève: 1er cycle du secondaire [1] 9782761308830

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science et technologie MANUEL DE L’ÉLÈVE 1er cycle du secondaire

J. Robert Lalonde Directeur de collection

Mélanie Bélanger Jean-Marc Chatel Benoit St-André

1

Directrice de l’édition Liette Mercier Chargées de projet et réviseures linguistiques Anne Melançon (chapitres 1 à 7) Sylvie Massariol (chapitre 8 et «La boîte à outils»)

Rédacteurs Annie Cloutier, journaliste-recherchiste («Dans votre univers», chapitres 1 et 3) Josée Nadia Drouin, journaliste-recherchiste («Dans votre univers», chapitres 4 et 7) Lise Laurence, conseillère pédagogique, commission scolaire de la Seigneurie-des-Mille-Îles («Carrefour • Mathématique»)

Correctrices d’épreuves Marthe Bouchard Lucie Bernard

Alain Parent, géographe («Carrefour • Géographie») Raynald Pepin, professeur de physique, collège Ahuntsic («Dans votre univers», chapitres 2, 5, 6 et 8)

Recherchiste (photos et droits) Pierre Richard Bernier Directrice artistique Hélène Cousineau

Réviseurs scientifiques Bruno Calveyrac, microbiologiste (chapitre 4)

Coordonnatrice graphique Denise Landry

Joanna Coleman, biologiste de la faune (chapitre 3) Richard Gagnon, physicien (chapitres 1, 2, 7 et 8)

Couverture Frédérique Bouvier

Donna Kirkwood, professeure de géologie, Université Laval (chapitre 5)

Conception graphique et édition électronique Frédérique Bouvier

Michel Picard, technicien en travaux pratiques, école secondaire Saint-Luc, commission scolaire de Montréal («La boîte à outils») Marc Séguin, professeur d’astrophysique, collège de Maisonneuve (chapitre 6) Consultants pédagogiques Isabelle Bouchard, enseignante, école secondaire Monseigneur-Parent, commission scolaire Marie-Victorin Éric Massé, enseignant, école secondaire Thérèse-Martin, commission scolaire des Samares

© ÉDITIONS DU RENOUVEAU PÉDAGOGIQUE INC., 2005 Tous droits réservés. On ne peut reproduire aucun extrait de ce livre sous quelque forme ou par quelque procédé que ce soit – sur une machine électronique, mécanique, à photocopier ou à enregistrer, ou autrement – sans avoir obtenu, au préa lable, la permission écrite des ÉDITIONS DU RENOUVEAU PÉDAGOGIQUE INC. Dépôt légal : 4e trimestre 2005 Bibliothèque nationale du Québec Bibliothèque nationale du Canada IMPRIMÉ AU CANADA ISBN 978-2-7613-0883-0

4567890 SO 2983 BCD

0987 OS12

REMERCIEMENTS Les auteurs et l’éditeur remercient les personnes suivantes pour leurs commentaires judicieux au cours de l’élaboration de cet ouvrage : Claude Artinian, Patrice Lévesque et Miguel Tremblay. L’éditeur remercie également la direction de l’école secondaire Saint-Luc, qui lui a donné accès à ses locaux ainsi qu’à son matériel et qui lui a permis de prendre des photos («La boîte à outils»), de même que Michel Picard, technicien en travaux pratiques, qui a préparé le matériel à cet effet.

Bienvenue dans votre Cette année, de nouveaux défis vous attendent ! Vous aurez à vous pencher sur les aspects scientifiques et technologiques du monde qui vous entoure.

Pour développer ces compétences, vous utiliserez les notions réparties dans les quatre univers de votre manuel, ainsi que différentes techniques et stratégies que vous trouverez dans « La boîte à outils », à la fin du manuel.

Mais pourquoi avoir réuni, dans un même cours, la science et la technologie ? Parce que ces deux disciplines sont étroitement liées. La science explique les phénomènes du monde dans lequel vous vivez. Quant à la technologie, elle étudie les techniques qui permettent de fabriquer un objet. Pour expliquer le monde, la science utilise les développements technologiques. Pour fabriquer des objets, la technologie utilise les principes scientifiques.

Les quatre univers explorés dans votre manuel sont : • l’univers matériel, qui vous fera découvrir les propriétés et les transformations de la matière. • l’univers vivant, qui vous fera prendre conscience de la diversité des êtres vivants et de la façon dont ils se reproduisent.

Le cours de science et technologie vous amènera à développer trois compétences.

1

Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique ou technologique.

• la Terre et l’espace, qui vous permettront de com prendre certains phénomènes géologiques, atmosphériques, astronomiques, etc.

Cette compétence vise la résolution de problèmes en science et en technologie.

2

• l’univers technologique, qui vous montrera que certains éléments sont essentiels à la réalisation de projets : documents, outils, connaissance des forces et des mouvements, etc.

Mettre à profit vos connaissances scientifiques et technologiques. Cette compétence vise l’utilisation de vos connaissances scientifiques et technologiques dans la vie quotidienne.

3

Communiquer à l’aide des langages utilisés en science et en technologie.

Le développement des compétences se fera, tout le long de l’année, par la résolution de problèmes qui font appel à des notions de science et de technologie. Mais on ne résout pas des problèmes de n’importe quelle façon. On utilise différentes démarches.

Cette compétence vise l’interprétation et la production de messages à caractère scientifique ou technologique.

III

La démarche utilisée en science La démarche d’investigation scientifique Le schéma ci-contre montre les différentes étapes que l’on peut suivre lorsqu’on cherche des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre scientifique. Ces étapes ne se font pas nécessairement les unes après les autres. Il est toujours possible de revenir, durant la résolution du problème, à une étape précédente.

Cerner le problème. • Formuler le problème qui est à résoudre,

c’est-à-dire reconnaître la nature exacte du problème.

Choisir un scénario d’investigation scientifique. • Envisager divers scénarios (façons de faire) et en

choisir un qui permettra de résoudre le problème. • Planifier des recherches, des explorations ou

des expérimentations.

Mettre en pratique le scénario choisi. • Effectuer les recherches, les explorations ou

les expérimentations qui ont été planifiées dans le scénario.

Analyser les résultats. • Analyser les résultats des recherches, des

explorations ou des expérimentations. • Revenir sur le travail fait et proposer des

améliorations, s’il y a lieu.

IV

Les démarches utilisées en technologie La démarche de conception technologique

Cerner le problème. Formuler le problème qui est à résoudre, c’est• à-dire cerner le besoin auquel il faut répondre.

Le schéma ci-contre montre les différentes étapes que l’on peut suivre lorsqu’on cherche des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre technologique. Ces étapes ne se font pas nécessairement les unes après les autres. Il est toujours possible de revenir, durant la résolution du problème, à une étape précédente.

Choisir un scénario de conception technologique. • Envisager divers scénarios (façons de faire) et en

choisir un qui permettra de résoudre le problème. • Planifier la fabrication d’un objet technique.

Mettre en pratique le scénario choisi. • Fabriquer l’objet technique, comme cela a été planifié dans le scénario.

Analyser les résultats. • Vérifier si l’objet technique fonctionne et s’il

répond au besoin. • Revenir sur le travail fait et proposer des améliorations, s’il y a lieu.

S’interroger sur le fonctionnement de l’objet technique ou sur la façon dont il a été fabriqué.

La démarche d’analyse technologique Le schéma ci-contre montre les différentes opérations que l’on peut effectuer lorsqu’on veut comprendre le fonctionnement d’un objet technique. La démarche d’analyse vient appuyer la conception d’un objet technique. On s’en sert aussi pour vérifier si un objet technique est bien conçu ou encore pour les besoins de la recherche.

Au besoin, démonter l’objet pour mieux comprendre son fonctionnement.

V

Reconnaître les mécanismes utilisés pour que l’objet fonctionne.

Identifier les pièces et les matériaux qui composent l’objet technique, et observer la façon dont les pièces sont liées.

Table des matières Votre

en un coup d’œil . . . . . . . . X

2.7 L’acidité et la basicité . . . . . . . . . . . 27 2.8 La conductibilité thermique . . . . . . . 30 2.9 Les autres propriétés caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . 31 Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

CHAPITRE 2 Les transformations de la matière . . . . . . . 41 1. Les changements de phase . . . . . . . . . . 43 1.1 La fusion et la solidification . . . . . . . 44 1.2 La vaporisation et la condensation liquide . . . . . . . . . . . . 44 1.3 La sublimation et la condensation solide . . . . . . . . . . . . 45

L’univers matériel . . . . . . . . . . . . 2 Qu’est-ce que… la matière ? . . . . . . . . . . . . 4

CHAPITRE 1

2. Les mélanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.1 Les mélanges hétérogènes . . . . . . . 47 2.2 Les mélanges homogènes . . . . . . . . 49

Les propriétés de la matière . . . . . . . . . . . . 5 1. Les propriétés non caractéristiques . . . . . 8 1.1 La masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Le volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 La température . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Les états de la matière . . . . . . . . . . 12

3. Des mélanges particuliers : les solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1 Les solutions en phase solide . . . . . 50 3.2 Les solutions en phase liquide . . . . . 51 3.3 Les solutions en phase gazeuse . . . . 51

2. Les propriétés caractéristiques . . . . . . . 16 2.1 Le point de fusion . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Le point d’ébullition . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 La conductibilité électrique . . . . . . . . 20 2.4 La masse volumique . . . . . . . . . . . . 22 2.5 La dureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6 La solubilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4. La séparation des mélanges . . . . . . . . . 52 Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

VI

6. L’habitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7. La niche écologique . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.1 Les producteurs . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Les consommateurs . . . . . . . . . . . . 97 7.3 Les décomposeurs . . . . . . . . . . . . . 98 Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

L’univers vivant

Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 . . . . . . . . . . . . . 64

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 105 Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Qu’est-ce que… la vie ? . . . . . . . . . . . . . . . 66

CHAPITRE 4

CHAPITRE 3

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces . . . . . . . . . . . . 109

La diversité de la vie . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 1. L’espèce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

1. Les caractéristiques d’un être vivant . . . 110

2. La taxonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.1 Les règnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.2 Les autres niveaux de classification . . . . . . . . . . . . . . . 78

2. La cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.1 Les parties de la cellule visibles au microscope . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.2 Les cellules végétales et animales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3. Les populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.1 L’influence du milieu sur une population . . . . . . . . . . . . . 80 3.2 Les cycles de population . . . . . . . . . 82

3. La reproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.1 La reproduction asexuée . . . . . . . . 118 3.2 La reproduction sexuée chez les végétaux . . . . . . . . . . . . . 121

4. Les adaptations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1 Les adaptations physiques . . . . . . . . 83 4.2 Les adaptations comportementales . . . . . . . . . . . . . 86 4.3 Comment se fait une adaptation ? . . . 86

3.3 La reproduction sexuée chez les animaux . . . . . . . . . . . . . . 125 Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5. L’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.1 Les fossiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2 Les étapes de l’évolution . . . . . . . . . 89

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 133 Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

VII

CHAPITRE 6 L’espace : les phénomènes astronomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 1. La lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 1.1 Les propriétés de la lumière . . . . . . 178 1.2 Le télescope : un instrument d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . 180

La Terre et l’espace . . . . . . . . 138

2. L’alternance du jour et de la nuit . . . . . 182 3. L’alternance des saisons . . . . . . . . . . . 184

Qu’est-ce que… la Terre ? . . . . . . . . . . . . 140

4. Les phases de la Lune . . . . . . . . . . . . . 186

CHAPITRE 5

5. Les éclipses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.1 Une éclipse de Soleil . . . . . . . . . . . 188 5.2 Une éclipse de Lune . . . . . . . . . . . 189

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 1. La structure interne de la Terre . . . . . . 142

Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

2. Les enveloppes de la Terre . . . . . . . . . 144 3. La lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 3.1 La tectonique des plaques . . . . . . . 145 3.2 L’orogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 3.3 Les tremblements de terre . . . . . . . 150 3.4 Les volcans . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3.5 Le relief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.6 L’érosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 196 Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

4. L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.1 La répartition de l’eau dans l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . 163 4.2 Le cycle de l’eau . . . . . . . . . . . . . . 164 5. L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Les couches de l’atmosphère . . . . . . . . 166 Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

L’univers technologique

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 172

. . . 200

Qu’est-ce que… la technologie ? . . . . . . . 202

Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

VIII

CHAPITRE 7

Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

L’ingénierie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

1. Les documents utiles en ingénierie . . . 205

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 242

1.1 Le cahier des charges . . . . . . . . . . 205

Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

1.2 Le schéma de principe . . . . . . . . . . 207 1.3 Le schéma de construction . . . . . . 208

La boîte à outils

2. Les matières et les outils utiles en ingénierie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

SECTION

. . . . . . 246

1

2.1 Les matières premières . . . . . . . . . 210

La sécurité au laboratoire de science et technologie . . . . . . . . . . . 248

2.2 Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . 211

SECTION

2.3 Le matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Le matériel scientifique . . . . . . . . . . . . . 253 SECTION

Investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

3

Comment mesurer ? . . . . . . . . . . . . . . . 259

Tout compte fait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 SECTION

Les secrets du métier . . . . . . . . . . . . . . . 215

4

Comment utiliser certains procédés en science ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Dans votre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

SECTION

CHAPITRE 8

5

Comment aménager de petits environnements artificiels ? . . . . . . . . . . 279

Les forces et les mouvements . . . . . . . . . 219

SECTION

1. Les forces et les effets des forces . . . . 220

6

Les outils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

1.1 Deux forces en action : la compression et la tension . . . . . 220

SECTION

7

Les techniques de fabrication . . . . . . . . 292

1.2 Les effets des forces . . . . . . . . . . . 223

SECTION

1.3 Les conséquences des effets des forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

8

Les tableaux et les diagrammes . . . . . . . 296 SECTION

2. Les mouvements . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 2.1 Les types de mouvements

2

9

Les dessins scientifique et technique . . . 303

. . . . . . 228 SECTION

10

2.2 Les mécanismes de transmission et de transformation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . 231

Les technologies de l’information et de la communication (TIC) . . . . . . . . . 309

3. Le contrôle du mouvement dans les objets techniques . . . . . . . . . 233

Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

3.1 La liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Sources des photographies . . . . . . . . . . . 330

3.2 Le guidage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

Sources des illustrations . . . . . . . . . . . . . 332

IX

Votre

en un coup d’œil

Les pages d’ouverture

Le titre de l’univers étudié.

Sommaire

l’

Une brève présentation de l’univers.

Qu’est-ce que... la matière? . . . 4

matériel

L’Univers est composé de tout ce qui existe : des galaxies aux fourmis, des étoiles aux grains de sable, de l’air que nous respirons à l’eau que nous buvons. Les images, les sons, les sculptures, en fait tout ce qui est matière ou énergie fait partie de l’Univers. Actuellement, on estime que l’Univers est apparu il y a environ 15 milliards d’années. Pourquoi est-il apparu tout d’un coup ? Les

CHAPITRE 1 Les propriétés de la matière . . 5 1. Les propriétés non caractéristiques . . . . . . 8 1.1 La masse . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Le volume . . . . . . . . . . . 10 1.3 La température . . . . . . . . 11 1.4 Les états de la matière . . 12 2. Les propriétés caractéristiques . . . . . . . . . 16 2.1 Le point de fusion . . . . . 18 2.2 Le point d’ébullition . . . . 19 2.3 La conductibilité électrique . . . . . . . . . . . . 20 2.4 La masse volumique . . . . 22 2.5 La dureté . . . . . . . . . . . . 24 2.6 La solubilité . . . . . . . . . . 25

2.7 L’acidité et la basicité . . . 27 2.8 La conductibilité thermique . . . . . . . . . . . 30 2.9 Les autres propriétés caractéristiques . . . . . . . 31 Investigations . . . . . . . . . . . . . . 32 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . 34 Les secrets du métier . . . . . . . . 36 Dans votre univers . . . . . . . . . . . 38

CHAPITRE 2 Les transformations de la matière . . . . . . . . . . . . 41 1. Les changements de phase . . 43 1.1 La fusion et la solidification . . . . . . . . . 44 1.2 La vaporisation et la condensation liquide . . . . 44 1.3 La sublimation et la condensation solide . . . . 45

2. Les mélanges . . . . . . . . . . . 47 2.1 Les mélanges hétérogènes . . . . . . . . . . 47 2.2 Les mélanges homogènes . . . . . . . . . . 49 3. Des mélanges particuliers : les solutions . . . . . . . . . . . . 50 3.1 Les solutions en phase solide . . . . . . . 50 3.2 Les solutions en phase liquide . . . . . . 51 3.3 Les solutions en phase gazeuse . . . . . 51 . . . . . . . . 36 4. La séparation D des mélanges . . . . . . . . . . . 52 Investigations . . . . . . . . . . . . . . 55 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . 57 Les secrets du métier . . . . . . . . 59 Dans votre univers . . . . . . . . . . . 61

scientifiques l’ignorent encore. Voyons comment l’Univers est fait en commençant par l’étude

3

. . . . . . . . 59

de la matière.

Qu’est-ce que...

D

la matière ? 2

La matière est partout dans l’Univers. Les planètes, les étoiles et les galaxies sont composées de matière. Les océans et l’air sont aussi constitués de matière. Non seulement les objets inanimés comme un livre, une table, un stylo à bille sont-ils faits de matière, mais également les êtres vivants comme les plantes, les animaux et… vous-mêmes ! Mais comment définir la matière ? Prenons comme exemple une lampe de poche. Celle-ci est composée d’une ampoule, d’un fil électrique et de piles, le tout assemblé dans un boîtier. L’énergie électrique qui est fournie par les piles circule dans le fil jusqu’à l’ampoule. Cette énergie électrique produit alors de l’énergie lumineuse ainsi que de l’énergie thermique (sous forme de chaleur).

L’organisation de l’univers.

Ampoule Fil électrique

On dit du boîtier de la lampe de poche, du fil électrique, des piles et de l’ampoule qu’ils sont de la matière parce qu’on peut mesurer à la fois leur masse et le volume qu’ils occupent. La matière, c’est tout ce qui a une masse et qui occupe un volume. Cependant, dans le monde qui nous entoure, il n’y a pas que la matière. Il y a aussi des formes d’énergie telles que l’énergie lumineuse et l’énergie thermique (produites, dans notre exemple, par la lampe de poche), de même que l’énergie électrique (qui circule dans le fil). Prenons comme autre exemple un baladeur ou un lecteur de disques compacts. Piles Le boîtier, les composantes électroniques, les piles, le disque compact, les écouteurs, tout cela a une masse et occupe un volume : c’est donc de la matière. Ce n’est pas le cas de l’énergie électrique qui circule dans le baladeur ou dans le lecteur, ni de l’énergie sonore qui en sort. Vous aurez l’occasion, au cours du secondaire, d’en apprendre un peu plus sur l’énergie.

Boîtier

1.1

Une lampe de poche est faite de matière.

Et la matière, de quoi est-elle composée ? La matière est composée de particules (atomes ou molécules) tellement petites qu’elles sont invisibles au microscope ordinaire. Ces particules sont au cœur même des propriétés de la matière et des transformations qu’elle subit.

L’ u n i v e r s

4

matériel

Quelques pages d’un chapitre Des mots soulignés, définis dans le glossaire (à la fin du manuel).

1.3 La température L’état plus ou moins chaud d’une substance ou d’un objet dépend de l’agitation des particules (atomes ou molécules) qui composent cette substance ou cet objet. Plus ses particules sont agitées et bougent rapidement, plus sa température est élevée (illustration 1.14).

La température est une propriété de la matière qui joue un rôle important dans nos vies. Nous pensons, bien sûr, à la température extérieure qui conditionne notre façon de nous vêtir et nos activités. La température est aussi importante en alimentation, que ce soit pour cuire les aliments ou pour les conserver. Enfin, notre température corporelle, par exemple quand nous faisons de la fièvre, nous avertit que nous sommes malades.

Comme la température ne nous permet pas d’identifier une substance ou un objet, on dira que c’est une propriété non caractéristique de la matière. Par exemple, la température de deux liquides différents et incolores, comme l’eau et l’alcool, placés dans des contenants identiques, peut être de 2 °C, de 25 °C ou de 70 °C. Ces températures ne nous permettent pas de distinguer l’eau de l’alcool.

Mais qu’est-ce que la température ?

Un texte d’introduction présente le contenu de l’univers.

Des définitions en couleur, reprises dans le glossaire.

La température d’une substance ou d’un objet est la mesure de l’état plus ou moins chaud de cette substance ou de cet objet.

Comment mesurer la température? Boîte à outils Particules d’eau

Particules d’eau Thé glacé 4 °C Thé chaud 80 °C

Des dessins techniques et des schémas vous aident à comprendre le phénomène étudié. 1.14

Dans le verre de thé glacé, les particules d’eau, représentées par des petites billes, bougent moins rapidement que dans la tasse de thé chaud.

Chapitre 1

X

11

Les propriétés de la matière

Pages 266 et 267

température d’un moteur d’automobile dépasse 100 °C, on ne peut pas y mettre uniquement de l’eau. Elle s’évaporerait. On ajoute donc de l’éthylène glycol, qui a un point d’ébullition de 197 °C.

Savez-vous que…

Le point d’ébullition permet aussi de distinguer l’alcool méthylique, qui a un point d’ébullition de 64,5 °C, de l’alcool éthylique, qui a un point d’ébullition de 78 °C. L’alcool méthylique est un alcool utilisé, par exemple, dans la fabrication du lave-glace : c’est un poison. L’alcool éthylique est la substance de base contenue dans toutes les boissons alcooliques. Une substance pure a un point d’ébullition qui lui est propre. Dans le tableau ci-dessous, nous présentons le point d’ébullition de quelques substances pures à température et à pression normales.

33 2.3 La conductibilitéLABO LABO électrique

Alcool méthylique

64,5 °C

Alcool éthylique

78,0 °C

Eau

100,0 °C

Térébenthine

157,0 °C

Éthylène glycol

Ce pictogramme indique qu’une activité de laboratoire, en lien avec la notion traitée, est donnée en document reproductible.

Si l’on observe une ligne électrique à haute tension, on remarque que les fils métalliques h qui conduisent l’électricité sont fixés à des isolateurs, à l’extrémité des bras des pylônes. Ces isolateurs sont en céramique.

LE POINT D’ÉBULLITION DE QUELQUES SUBSTANCES PURES Substances Point d’ébullition

Des tableaux, des photos et des illustrations viennent fréquemment appuyer le texte.

La rubrique Savez-vous que… ? présente de l’information surprenante et, parfois, amusante.

?

• Le point d’ébullition dépend de la pression atmosphérique, c’est-à-dire de la pression exercée par l’atmosphère terrestre. Plus la pression diminue, plus le point d’ébullition est bas. Au sommet du mont Everest, l’air est raréfié et la pression atmosphérique est faible. L’eau entre alors en ébullition à une température bien au-dessous de 100 °C. C’est nettement insuffisant pour faire cuire des pommes de terre !

197,0 °C

Mercure

356,0 °C

Plomb

1740,0 °C

Aluminium

2467,0 °C

Fer

2750,0 °C

Un mélange de différentes substances pures a un point d’ébullition qui dépend : • des substances qui composent le mélange ;

Des renvois précis sont faits à « La boîte à outils », où l’on traite de la notion étudiée.

• des proportions des substances dans le mélange.

Comment mesurer le point d’ébullition? Boîte à outils

Page 272

L’ u n i v e r s

Point de mire

1.40

20

Albert Einstein : un élève peu doué ?

Pour identifier les quatre substances, vous pourriez aussi les chauffer. Vous constateriez alors que deux d’entre elles (la farine et le sucre) brunissent à la chaleur ; elles peuvent même brûler. Si vous ajoutiez un acide faible ou dilué à chacune de ces substances, par exemple du vinaigre, vous noteriez qu’une seule substance réagit en faisant des bulles : le bicarbonate de sodium.

Né en 1879, en Allemagne, Albert Einstein était un enfant solitaire. Ses professeurs le voyaient comme un élève lent et moyennement doué. En 1902, après la mort de son père qui s’opposait à son mariage, Albert Einstein épousa Mileva Maric, une étudiante en mathématique et en physique.

1.6

matériel

La farine se distingue du bicarbonate de sodium par le fait qu’elle brunit à la chaleur et qu’elle ne réagit pas à l’acide.

LES PROPRIÉTÉS CARACTÉRISTIQUES DE QUATRE SUBSTANCES

En 1921, Albert Einstein reçut le prix Nobel de physique. Sa grande popularité lui permit de s’impliquer dans des actions politiques dans le but de promouvoir la paix. Juif et pacifiste, Einstein subit rapidement les foudres des nazis. En 1933, il fuit l’Allemagne et s’installa aux États-Unis. En 1939, aidé d’autres scientifiques, il convainquit Franklin Roosevelt, le président américain de l’époque, de développer le programme de la bombe nucléaire avant que l’Allemagne n’y parvienne. Ce furent pourtant les États-Unis qui larguèrent, le 6 août 1945, une bombe atomique sur Hiroshima, une ville du Japon. Einstein regrettera amèrement son geste et militera pour la paix de 1945 à sa mort, en 1955.

7

Le sucre a aussi des cristaux bien visibles. Par contre, il réagit à la chaleur mais non à l’acide. Le bicarbonate de sodium est le seul à réagir à l’acide.

Le tableau ci-dessous, où nous comparons trois propriétés caractéristiques du sel, du sucre, du bicarbonate de sodium et de la farine, nous permet de distinguer ces substances les unes des autres.

Après une période de chômage, Einstein obtint le poste d’expert auprès du Bureau des brevets de Berne (Suisse). En septembre 1905, il démontra la célèbre formule E = mc2, qui établit une équivalence entre la matière et l’énergie. Cette formule sera à l’origine du développement de l’utilisation de l’énergie nucléaire à des fins civiles ou militaires. Quelques années plus tard, il acheva sa théorie de la relativité, théorie qui le rendit célèbre.

Chapitre 1

Le sel est la seule substance à avoir des cristaux bien visibles et à ne pas réagir à la chaleur et à l’acide.

Substances Propriétés caractéristiques

Sel

Sucre

Bicarbonate de sodium

Farine

Présence de cristaux visibles

Oui

Oui

Non (cristaux réduits en poudre)

Non

Réaction à la chaleur (brunissement)

Non

Oui

Non

Oui

Réaction à l’acide (production de bulles)

Non

Non

Oui

Non

Les propriétés • Dans l’ensemble des quadrilatères, on peut

En mathématique, certains nombres, certaines

Les propriétés de la matière

figures planes ou certains solides possèdent

identifier rapidement les parallélogrammes :

une ou plusieurs propriétés qui permettent

ils possèdent au moins une paire de côtés

de les identifier rapidement dans un ensemble

parallèles. De plus, tout parallélogramme

donné.

qui affiche les deux propriétés suivantes,

Exemples:

4 angles droits et 4 côtés de même longueur,

• Dans l’ensemble des nombres naturels, tout

correspond à un carré.

nombre qui possède la caractéristique d’être divisible par 2 est un nombre pair.

Chapitre 1

La rubrique Point de mire présente, au fil des chapitres, des scientifiques et des technologues d’hier et d’aujourd’hui.

17

Les propriétés de la matière

La rubrique Carrefour établit des liens avec la mathématique et la géographie.

XI

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. La fabrication d’une balance Il existe plusieurs types de balances. Vous allez fabriquer une balance simple et efficace, qui devra répondre aux exigences suivantes : • Elle devra être en mesure de peser des objets usuels. • Elle devra avoir une précision satisfaisante. • Elle devra être construite avec des matériaux d’usage courant : une règle, un élastique, du carton, du papier, de la ficelle, un trombone, un verre en plastique ou en styromousse, etc.

Des pistes à explorer • Un élastique s’étire si l’on y suspend une masse. • Plus la masse est grande, plus l’élastique s’étire. • On peut mesurer l’allongement de l’élastique avec une règle. • Le zéro est toujours indiqué sur une balance. Comment sera-t-il indiqué sur votre balance ? • Une balance sert à indiquer la masse. Comment la masse sera-t-elle indiquée sur votre balance ?

La rubrique Investigations suggère des activités sur certaines notions traitées dans le chapitre.

2. La fabrication d’un thermomètre

La rubrique Tout compte fait propose des questions sur les notions présentées dans le chapitre.

Au fil du temps, divers types de thermomètres ont été conçus. Les thermomètres de messieurs Fahrenheit et Celsius comportaient même des échelles différentes, ce qui montre bien qu’il y a plusieurs façons de fabriquer un thermomètre. À votre tour de fabriquer un thermomètre. Vous aurez besoin d’un tube, d’un récipient et d’eau colorée. Votre thermomètre devra être gradué de 0 °C à 100 °C. Vous devrez vérifier sa précision.

Des pistes à explorer La fabrication du thermomètre • Pour faire un bon thermomètre, quel tube devrait être utilisé ? • Quel serait le récipient adéquat ? • Comment colorer l'eau pour faciliter la lecture ? La graduation du thermomètre • Comment a-t-on déterminé le 0 et le 100 sur l’échelle Celsius ?

• Comment utiliser la température de phénomènes connus (point de fusion, point d'ébullition) pour graduer votre thermomètre ? • De quelle façon allez-vous construire l’échelle de votre thermomètre ? • Quels tests vous permettraient de vérifier le bon fonctionnement de votre thermomètre ? (La chaleur du corps humain, par exemple.)

L’ u n i v e r s

32

TOUT 1.60

COMPTE

Les propriétés non caractéristiques

Voici un thermomètre étrange, conçu par Galilée il y a environ 400 ans, que l’on peut trouver dans plusieurs magasins aujourd’hui.

PAGES 8 À 15

FAIT

1 Pourquoi un appareil de radio est-il de la matière ? 2 Pourquoi dit-on que le son qui sort d’un appareil de radio n’est pas de la matière ?

matériel

3 Donnez des propriétés caractéristiques et des propriétés non caractéristiques de la styromousse (matériau dont on se sert pour fabriquer les gobelets pour boisson chaude ou pour boisson gazeuse). Dites pourquoi ces propriétés sont caractéristiques et non caractéristiques. 4 Comment vous y prendriez-vous pour comparer la masse de deux objets sans utiliser une balance ?

Les secrets du métier

5 Supposons que l’on vous donne un morceau de pâte à modeler qui a une forme irrégulière. Comment feriez-vous pour déterminer son volume ? 6 Vous avez deux béchers : l’un contient de l’eau froide (10 °C) et l’autre, de l’eau chaude (80 °C). Décrivez le contenu des deux béchers en parlant du comportement des particules d’eau. 7 Pourquoi les solides ont-ils une forme définie alors que les liquides n’en ont pas ? 8 Qu’est-ce qui explique qu’un gaz n’a ni forme ni volume définis ? 9 Pourquoi un gaz est-il compressible alors que les liquides et les solides ne le sont pratiquement pas ?

1.61

1.62

La pharmacienne doit connaître les propriétés des médicaments.

Le technicien de laboratoire doit utiliser des mesures précises de volume et de masse.

10 Chacun des trois états de la matière a des particularités quant à la forme, au volume, à la compressibilité et aux possibilités qu’ont les particules d’une substance LES PARTICULARITÉS DES ÉTATS DE LA MATIÈRE de se déplacer les unes par Particularités Comportement Forme Volume Compressibilité rapport aux autres. Décrivez États de des particules la matière ce qui est propre à chacun Solide des états de la matière. Reproduisez le tableau Liquide ci-contre et remplissez-le.

Dans la vie de tous les jours, nous avons à estimer ou à mesurer certaines propriétés de la matière comme la masse, le volume, la température, la solubilité, etc. Plusieurs métiers font appel à une bonne connaissance de la matière, de ses propriétés caractéristiques et non caractéristiques, ainsi qu’aux mesures de ces propriétés. Par exemple, le métier de cuisinier nécessite la mesure de masses, de volumes et de températures précises. Les bijoutiers-joailliers doivent connaître les propriétés caractéristiques des pierres et des métaux précieux. Pour pratiquer ces métiers, un diplôme d’études professionnelles (D.E.P.) est requis.

1.63

Le soudeur doit connaître les propriétés des métaux.

Au cégep, plusieurs techniques demandent un usage constant des propriétés de la matière. Par exemple, les décorateurs étalagistes (personnes qui décorent les vitrines des magasins) et les décorateurs d’intérieurs doivent bien connaître les propriétés des matériaux qu’ils utilisent. Ils doivent harmoniser les masses, les volumes, les textures et les couleurs. À la suite de ces études, on obtient un diplôme d’études collégiales (D.E.C.).

Gaz

L’ u n i v e r s

34

matériel

Dans votre

À l’université, le domaine de la nutrition demande l’utilisation de mesures précises des masses, des volumes et des autres propriétés de la matière. Les domaines du génie civil et du génie de la construction amènent les ingénieurs à appliquer leurs connaissances des propriétés de la matière à toutes sortes de constructions.

L’ u n i v e r s

36

matériel

La rubrique Les secrets du métier présente divers métiers qui font appel aux notions vues dans le chapitre.

Pas dans ma cour ! 1.65

par Annie Cloutier

Les dépotoirs débordent.

Puisqu’il n’y a plus de place dans les grandes villes pour mettre les déchets, on agrandit les sites d’enfouissement qui sont à l’extérieur des zones urbaines. Mais les citoyens de petites villes comme Matane, Lachenaie et Sainte-Sophie s’y opposent vigoureusement. Ils refusent que leur ville devienne la poubelle du Québec ! Les gens qui habitent près des dépotoirs se plaignent des odeurs désagréables qui s’en dégagent, de la poussière soulevée par les bennes à ordures et du bruit constant qu’elles font. Ils craignent également que les dépotoirs contaminent les cours d’eau et aient des effets néfastes sur leur santé. Parce que les déchets polluent, les conseillers municipaux de la ville de Bonne-Volonté veulent trouver une façon écologique et économique de s’en débarrasser et de garder leur municipalité propre. Ils ont donc décidé de sillonner le Québec pour recueillir de l’information sur la gestion des déchets. Ils ont découvert qu’il y avait plusieurs façons de traiter les déchets, et que ces façons comportaient des avantages, mais aussi des inconvénients.

L’ u n i v e r s

XII

38

matériel

La rubrique Dans votre univers porte sur une problématique qui favorise la réflexion.

Sommaire SECTION

La boîte à outils

1

SECTION

SECTION

2

Le matériel scientifique . . . . . . . . . . . . . 253 2.1 Les instruments de laboratoire . . . . . . . . . 253 2.2 Le microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

L’organisation de « La boîte à outils », placée à la fin du manuel.

SECTION

3.6 Comment mesurer la température ? Il existe une très grande variété de thermomètres pour mesurer la température. Certains d’entre eux sont utilisés dans la vie de tous les jours. D’autres servent uniquement dans les laboratoires de recherche et l’industrie. Le fonctionnement des thermomètres est basé sur de nombreux principes scientifiques. Le plus courant est la dilatation d’un corps sous l’effet de l’augmentation de la température.

S3.9

Thermomètre extérieur (à alcool).

SECTION

SECTION

SECTION

10

Les technologies de l’information et de la communication (TIC) . . . . . . . . 309 10.1 Comment trouver de l’information dans Internet ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 10.2 Comment savoir si l’information trouvée dans Internet est valable ? . . . . . . . . . . . . 312 10.3 Les droits d’auteur et l’utilisation de l’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 10.4 D’autres TIC utiles en science et en technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

5

Comment aménager de petits environnements artificiels ? . . . . . . . . . . 279 5.1 Comment aménager un mini-aquarium ? . . 279 5.2 Comment aménager un vivarium ? . . . . . . 280 5.3 Comment aménager un milieu de compostage ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 5.4 Comment aménager un milieu de culture pour les protozoaires ? . . . . . . . . . . . . . . . 283

La boîte à outils

9

Les dessins scientifique et technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 9.1 Comment faire un dessin scientifique ? . . . 303 9.2 Comment faire un dessin technique ? . . . . 305

4

• On utilise également le thermomètre à cadran. Il est doté d’un élément métallique qui se dilate à la chaleur.

8

Les tableaux et les diagrammes. . . . . . 296 8.1 Comment construire un tableau ? . . . . . . . 296 8.2 Comment bâtir un diagramme ? . . . . . . . . 298

Comment utiliser certains procédés en science ? . . . . . . . . . . . . . . . . 271 4.1 Comment mesurer le point de fusion ? . . . 271 4.2 Comment mesurer le point d’ébullition ? . . 272 4.3 Comment déterminer si une substance conduit l’électricité ? . . . . . . . . . . . . . . . . 272 4.4 Comment séparer les mélanges ? . . . . . . . 273 SECTION

7 techniques de fabrication . . . . . . . . 292 Le mesurage et le traçage . . . . . . . . . . . . 292 L’usinage et le formage . . . . . . . . . . . . . . . 293 La finition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 L’assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Le démontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

247

Sommaire

• Les thermomètres électroniques sont munis, eux aussi, d’une composante sensible à la chaleur. Dans le thermomètre médical électronique, cette composante mesure en quelques secondes la température du corps. D’autres thermomètres électroniques sont dotés d’un capteur (ou sonde). Ils sont parfois reliés à un ordinateur qui enregistre automatiquement les températures.

3 S3.10

Thermomètre à cadran.

S3.11

Thermomètre médical électronique.

UNE MÉTHODE DE MESURE • Placer le réservoir du thermomètre en contact avec la substance ou l’objet. • S’assurer que le réservoir du thermomètre ne touche pas le fond ni les parois du contenant. • Observer le liquide du thermomètre quelques instants. Quand il se fixe de nouveau, lire la température indiquée. • Observer la graduation de l’instrument pour lire la température exacte. Utiliser la plus petite division.

S3.12

Thermomètre de laboratoire.

La boîte à outils

266

Section 3

Le glossaire

La boîte à outils présente différentes techniques en science et en technologie. On y trouve aussi des stratégies efficaces pour recueillir et traiter l’information.

UNE MÉTHODE

1 • Utiliser du papier quadrillé ou ligné.

3 • Diviser l’axe horizontal pour pouvoir

À l’aide d’une règle, tracer la ligne de l’axe horizontal et, à gauche, la ligne de l’axe vertical.

placer les bandes à égale distance les unes des autres. Toutes les bandes doivent avoir la même largeur. Graduer ensuite l’axe vertical en utilisant, par exemple, des multiples de 2, de 4, de 5 ou de 10 afin de simplifier la lecture. L’échelle dépend de l’écart entre les valeurs à placer.

2 • Déterminer quelle variable placer sur chacun des axes. On place généralement sur l’axe horizontal la variable qui s’exprime par des mots. On place ensuite sur l’axe vertical la variable qui s’exprime par des nombres. Identifier les axes en indiquant pour chacun la variable représentée et l’unité de mesure utilisée.

4 • Tracer avec une règle le bout de la première bande selon la valeur à représenter. Tracer ensuite les côtés de la bande. Répéter ces opérations pour chacune des bandes. Colorier les bandes, au besoin.

Par exemple, dans le diagramme à bandes de la page précédente, on a placé le nom des planètes sur l’axe horizontal et le rayon sur l’axe vertical, en indiquant l’unité de mesure utilisée (des milliers de kilomètres).

5 • Donner un titre qui résume le contenu du diagramme à bandes. Ce peut être le titre du tableau correspondant.

8 Le diagramme circulaire Le diagramme circulaire représente graphiquement des variables sous la forme d’un disque. Ce type de diagramme est particulièrement utile pour comparer des parties d’un tout, souvent présentées en pourcentages. Le diagramme circulaire suivant a été construit à partir des valeurs du tableau 3 de la page 297. Il permet de constater rapidement que le manteau occupe la majeure partie du volume terrestre.

LA PROPORTION DU VOLUME TERRESTRE DES PARTIES DE LA TERRE

2%

17 % Croûte terrestre Noyau

81 %

Manteau

REMARQUE À la fin de chaque définition, une flèche

renvoie à la page du manuel où le mot est défini ou souligné.

La boîte à outils

301

Section 8

A des levures et de certains animaux. Dans ce mode de reproduction, un nouvel individu se développe à partir d’une excroissance du corps d’un individu « parent ». p. 119

Acide Substance dont le pH est inférieur à 7. p. 28 Adaptation Processus par lequel certaines populations se transforment pour augmenter leurs chances de survie et de reproduction dans un milieu particulier. p. 86

Bouturage Mode de reproduction asexué qui consiste à planter une partie d’une plante dans la terre ou à la placer dans l’eau afin qu’elle forme des racines. p. 120

Adaptation comportementale Comportement qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. p. 86 Adaptation physique Structure (caractéristique physique) qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. p. 83

C

Allongement Augmentation de la longueur d’un corps sous l’effet de forces de tension. Synonyme : extension. p. 223

Cahier des charges Document qui contient la liste des besoins, des exigences et des contraintes qu’il faut respecter lors de la réalisation d’un projet. p. 204, 205

Anthère Petite masse recouverte de pollen, située au bout du filet de l’étamine. p. 122

Camouflage Adaptation physique au milieu qui vise à rendre l’animal presque invisible dans son environnement. p. 85

Atmosphère Couche de gaz qui entoure la Terre et qui contient l’air que nous respirons. p. 144, 166

Caractère héréditaire Caractéristique qui peut se transmettre des parents aux descendants (comme la couleur des yeux ou des cheveux). p. 91

B

Cellule Unité de base de tous les vivants. C’est la plus petite unité de vie. p. 110

Base Substance dont le pH est supérieur à 7. p. 28

Centrifugation Technique de séparation des mélanges. Cette technique permet de séparer les constituants (solides, liquides) d’un mélange hétérogène grâce à un appareil tournant à grande vitesse (une centrifugeuse). p. 53

Biosphère Enveloppe de la Terre qui contient toutes les formes de vie (végétale, animale, bactérienne, etc.). p. 144 Bouclier Partie très ancienne de relief qui a l’apparence d’un plateau légèrement bombé. p. 159

Changement de phase Passage d’une forme (solide, liquide ou gazeuse) à une autre. p. 43

Bourgeonnement Mode de reproduction asexué 318

Les tableaux et les diagrammes

Section

Les 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Section

Comment mesurer ?

• À la maison, on utilise souvent les thermomètres à liquide. Le liquide qui se dilate peut être du mercure (gris) ou de l’alcool (rouge). Comme le mercure devient solide à environ –39 °C, on choisit le thermomètre à alcool pour mesurer la température à l’extérieur.

SECTION

3

Comment mesurer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 3.1 Comment mesurer la longueur ? . . . . . . . . 259 3.2 Comment mesurer le volume des liquides ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 3.3 Comment mesurer le volume des solides ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 3.4 Comment mesurer le volume des gaz ? . . . 263 3.5 Comment mesurer la masse ? . . . . . . . . . 264 3.6 Comment mesurer la température ? . . . . . 266 3.7 Comment mesurer le pH d’une substance ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 3.8 Les unités de mesure du système international (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 SECTION

6

Les outils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 6.1 Les outils de mesurage et de traçage . . . . 284 6.2 Les serres et les étaux . . . . . . . . . . . . . . . 284 6.3 Les pinces et les cisailles . . . . . . . . . . . . . 284 6.4 Les couteaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 6.5 Les scies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.6 Les perceuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 6.7 Le fer à souder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 6.8 Les clous, les vis et les boulons . . . . . . . . 289 6.9 Le pistolet-colleur et les colles . . . . . . . . . 290 6.10 Les limes, les râpes et le papier émeri . . . 291

La sécurité au laboratoire de science et technologie . . . . . . . . . . . . 248 1.1 Les symboles de sécurité des produits de consommation . . . . . . . . 248 1.2 Les symboles du Système d’information sur les matières dangereuses utilisées au travail (SIMDUT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 1.3 Les règles de sécurité au laboratoire . . . . . 250

Les mots essentiels à la compréhension des notions abordées dans le manuel sont définis dans le glossaire.

l’

matériel

L’Univers est composé de tout ce qui existe : des galaxies aux fourmis, des étoiles aux grains de sable, de l’air que nous respirons à l’eau que nous buvons. Les images, les sons, les sculptures, en fait tout ce qui est matière ou énergie fait partie de l’Univers. Actuellement, on estime que l’Univers est apparu il y a environ 15 milliards d’années. Pourquoi est-il apparu tout d’un coup ? Les scientifiques l’ignorent encore. Voyons comment l’Univers est fait en commençant par l’étude de la matière.

2

Sommaire Qu’est-ce que... la matière? . . . 4

CHAPITRE 1 Les propriétés de la matière . . . 5 1. Les propriétés non caractéristiques . . . . . . 8 1.1 La masse . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Le volume . . . . . . . . . . . 10 1.3 La température . . . . . . . . 11 1.4 Les états de la matière . . 12 2. Les propriétés caractéristiques . . . . . . . . . 16 2.1 Le point de fusion . . . . . 18 2.2 Le point d’ébullition . . . . 19 2.3 La conductibilité électrique . . . . . . . . . . . . 20 2.4 La masse volumique . . . . 22 2.5 La dureté . . . . . . . . . . . . 24 2.6 La solubilité . . . . . . . . . . 25

2.7 L’acidité et la basicité . . . 27 2.8 La conductibilité thermique . . . . . . . . . . . 30 2.9 Les autres propriétés caractéristiques . . . . . . . 31 Investigations . . . . . . . . . . . . . . 32 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . 34 Les secrets du métier . . . . . . . . 36 Dans votre univers . . . . . . . . . . . 38

CHAPITRE 2 Les transformations de la matière . . . . . . . . . . . . 41 1. Les changements de phase . . 43 1.1 La fusion et la solidification . . . . . . . . . 44 1.2 La vaporisation et la condensation liquide . . . . 44 1.3 La sublimation et la condensation solide . . . . 45

3

2. Les mélanges . . . . . . . . . . . 47 2.1 Les mélanges hétérogènes . . . . . . . . . . 47 2.2 Les mélanges homogènes . . . . . . . . . . 49 3. Des mélanges particuliers : les solutions . . . . . . . . . . . . 50 3.1 Les solutions en phase solide . . . . . . . 50 3.2 Les solutions en phase liquide . . . . . . 51 3.3 Les solutions en phase gazeuse . . . . . 51 4. La séparation des mélanges . . . . . . . . . . . 52 Investigations . . . . . . . . . . . . . . 55 Tout compte fait . . . . . . . . . . . . 57 Les secrets du métier . . . . . . . . 59 Dans votre univers . . . . . . . . . . . 61

Qu’est-ce que...

la matière ? La matière est partout dans l’Univers. Les planètes, les étoiles et les galaxies sont composées de matière. Les océans et l’air sont aussi constitués de matière. Non seulement les objets inanimés comme un livre, une table, un stylo à bille sont-ils faits de matière, mais également les êtres vivants comme les plantes, les animaux et… vous-mêmes ! Mais comment définir la matière ? Prenons comme exemple une lampe de poche. Celle-ci est composée d’une ampoule, d’un fil électrique et de piles, le tout assemblé dans un boîtier. L’énergie électrique qui est fournie par les piles circule dans le fil jusqu’à l’ampoule. Cette énergie électrique produit alors de l’énergie lumineuse ainsi que de l’énergie thermique (sous forme de chaleur).

Ampoule Fil électrique

On dit du boîtier de la lampe de poche, du fil électrique, des piles et de l’ampoule qu’ils sont de la matière parce qu’on peut mesurer à la fois leur masse et le volume qu’ils occupent. La matière, c’est tout ce qui a une masse et qui occupe un volume. Cependant, dans le monde qui nous entoure, il n’y a pas que la matière. Il y a aussi des formes d’énergie telles que l’énergie lumineuse et l’énergie thermique (produites, dans notre exemple, par la lampe de poche), de même que l’énergie électrique (qui circule dans le fil). Prenons comme autre exemple un baladeur ou un lecteur de disques compacts. Piles Le boîtier, les composantes électroniques, les piles, le disque compact, les écouteurs, tout cela a une masse et occupe un volume : c’est donc de la matière. Ce n’est pas le cas de l’énergie électrique qui circule dans le baladeur ou dans le lecteur, ni de l’énergie sonore qui en sort. Vous aurez l’occasion, au cours du secondaire, d’en apprendre un peu plus sur l’énergie. Et la matière, de quoi est-elle composée ? La matière est composée de particules (atomes ou molécules) tellement petites qu’elles sont invisibles au microscope ordinaire. Ces particules sont au cœur même des propriétés de la matière et des transformations qu’elle subit.

L’ u n i v e r s

4

matériel

Boîtier

1.1

Une lampe de poche est faite de matière.

1

Chapitre

Les propriétés de la matière 1.2

Vous décidez d’acheter une bicyclette. En plus du prix de la bicyclette et de son apparence générale, sur quoi vous baserez-vous pour faire votre choix parmi les nombreux modèles qui sont offerts dans les magasins ? Choisirez-vous une bicyclette lourde ou légère ? De quelle couleur ? De quelle taille ? Avec un dérailleur à 5, à 10 ou à 21 vitesses ? Opterez-vous pour un vélo tout-terrain, de course ou de montagne ? Pour un cadre en acier, en aluminium ou en fibre de carbone ? Ce sont toutes ces qualités ou « propriétés » des bicyclettes qui vous aideront à faire votre choix.

Supposons que l’on vous montre, à l’épicerie, des contenants de formats variés sans aucune autre indication que le volume, par exemple des contenants de lait et de crème. Vous ne pourriez pas identifier leur contenu en vous fiant uniquement au volume indiqué sur les contenants.

Une bicyclette est de la matière. Et tout ce qui est matière possède, comme la bicyclette, des qualités qu’on appelle des « propriétés ». Voici quelques-unes des propriétés de la matière : la masse, le volume, la forme, la couleur, la dureté, la résistance, la température, l’inflammabilité, l’élasticité, etc. Une propriété est une qualité propre à une substance, à un objet, à un groupe de substances ou à un groupe d’objets. 1.3

Une propriété peut être non caractéristique ou caractéristique.

Chapitre 1

Lait ou crème ? Lait écrémé ou lait homogénéisé ? Crème à café ou crème à fouetter ?

5

Les propriétés de la matière

Qu’un contenant ait un volume de 200 ml ou de 500 ml ne vous dit rien sur la nature exacte de son contenu. Cela pourrait être du lait écrémé, du lait partiellement écrémé, du lait entier ou encore de la crème. Comme vous ignorez ce qu’il y a dans les contenants, vous ne pouvez pas savoir ce qu’on peut en faire ni si leur contenu peut causer des problèmes à l’environnement. Comme toute matière a un volume, le volume ne permet pas, à lui seul, d’identifier une substance ou un objet. Le volume ne permet pas, non plus, de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet. Et le volume ne permet pas de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement. C’est pourquoi on dit que le volume est une propriété non caractéristique. Une propriété non caractéristique est une propriété qui ne permet :

1.5

Le pourcentage de gras inscrit sur les contenants nous permet de savoir s’il s’agit de crème ou de lait.

• ni d’identifier une substance ou un objet ; • ni de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet ;

Une propriété caractéristique est une propriété qui permet :

• ni de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement.

• ou d’identifier une substance ou un objet ; • ou de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet ;

Supposons que l’on vous montre, à l’épicerie, les mêmes contenants de lait et de crème mais, cette fois, avec l’indication du pourcentage de gras (1 %, 2 %, 3,25 %, 10 %, 15 %, 35 %). Vous pourriez identifier le contenu de chaque contenant ou déterminer l’usage qui peut en être fait. Le pourcentage de gras est donc une propriété caractéristique du lait et de la crème.

• ou de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement. Une propriété qui répond à une de ces conditions, à deux de ces conditions ou aux trois conditions est une propriété caractéristique. Les propriétés caractéristiques d’une substance, d’un objet, d’un groupe de substances ou d’un groupe d’objets ne changent pas : par exemple, dans des conditions normales, l’eau se mettra toujours à bouillir à 100 °C et elle gèlera toujours à 0 °C. La température à laquelle un liquide bout ou se solidifie est une propriété caractéristique de la matière.

1.4

L’ u n i v e r s

6

matériel

Point de mire

Albert Einstein : un élève peu doué ?

Né en 1879, en Allemagne, Albert Einstein était un enfant solitaire. Ses professeurs le voyaient comme un élève lent et moyennement doué. En 1902, après la mort de son père qui s’opposait à son mariage, Albert Einstein épousa Mileva Maric, une étudiante en mathématique et en physique.

1.6

Après une période de chômage, Einstein obtint le poste d’expert auprès du Bureau des brevets de Berne (Suisse). En septembre 1905, il démontra la célèbre formule E = mc2, qui établit une équivalence entre la matière et l’énergie. Cette formule sera à l’origine du développement de l’utilisation de l’énergie nucléaire à des fins civiles ou militaires. Quelques années plus tard, il acheva sa théorie de la relativité, théorie qui le rendit célèbre. En 1921, Albert Einstein reçut le prix Nobel de physique. Sa grande popularité lui permit de s’impliquer dans des actions politiques dans le but de promouvoir la paix. Juif et pacifiste, Einstein subit rapidement les foudres des nazis. En 1933, il fuit l’Allemagne et s’installa aux États-Unis. En 1939, aidé d’autres scientifiques, il convainquit Franklin Roosevelt, le président américain de l’époque, de développer le programme de la bombe nucléaire avant que l’Allemagne n’y parvienne. Ce furent pourtant les États-Unis qui larguèrent, le 6 août 1945, une bombe atomique sur Hiroshima, une ville du Japon. Einstein regrettera amèrement son geste et militera pour la paix de 1945 à sa mort, en 1955.

Chapitre 1

7

Les propriétés de la matière

1 Les propriétés non caractéristiques Les propriétés non caractéristiques sont donc des propriétés qui ne permettent :

Les cubes A et B de l’illustration 1.7 ne se mettront pas d’eux-mêmes en mouvement, sans qu’on les touche. Le cube A semble beaucoup plus difficile à mettre en mouvement que le cube B. Pourquoi ? Parce que le cube A contient plus de matière que le cube B. Sa masse est plus grande.

• ni d’identifier une substance ou un objet ; • ni de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet ; • ni de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement.

La masse, c’est la mesure de la quantité de matière qui compose un corps.

Voici quelques propriétés non caractéristiques de la matière.

1.1 La masse

La masse est une propriété non caractéristique de la matière, car elle ne permet pas d’identifier une substance ou un objet. Par exemple, même si le personnage qui pousse le cube A constate que ce cube est difficile à mettre en mouvement, il ne peut pas dire de quoi le cube est composé.

LABO 1

Toute matière a une masse.

Comment mesurer la masse? Boîte à outils

Pages 264 et 265

La masse et le poids: quelle différence? Que pensez-vous de cette cure miracle ?

VOUS VOULEZ MAIGRIR ? Allez dans l’espace ! Cet astronaute de 90 kg ne pèse rien dans l’espace, entre la Terre et la planète Mars. Sur Mars, son poids sera trois fois moindre que sur Terre, et sur la Lune… six fois moindre ! Vous vous trouvez au contraire trop maigre ? Allez faire un tour sur Jupiter, vous doublerez votre poids !

1.7

Selon vous, pourquoi le cube A est-il plus difficile à mettre en mouvement que le cube B ? 1.8 L’ u n i v e r s

8

matériel

Il est évident que l’astronaute ne maigrirait pas s’il changeait de planète. Il n’engraisserait pas non plus ! Il serait toujours constitué de la même quantité de matière. Sa masse n’aurait pas changé, même si la réclame prétend le contraire : sa masse serait toujours de 90 kg. Cependant, si l’on mettait cet astronaute sur un pèse-personne, à la surface de la Lune, le pèse-personne indiquerait une mesure six fois plus petite que sur Terre. Pourquoi ? Parce que la Lune, qui est beaucoup plus petite que la Terre, attire l’astronaute avec une force six fois plus petite. Le poids est la force avec laquelle un corps (ici, la Lune) attire un autre corps (ici, l’astronaute).

Par contre, la masse d’un objet ne change pas où que se trouve cet objet dans l’Univers : au sol, au sommet d’une montagne ou sur la Lune. La quantité de matière ou le nombre de particules (molécules ou atomes) qui forme un objet ne change pas d’un lieu à un autre.

Le même phénomène se produit sur la Terre. Par exemple, au sommet d’une montagne très élevée comme l’Everest, le poids d’une personne diminue par rapport au poids qu’elle a à la base de la montagne. En effet, plus on est éloigné du centre de la Terre, moins celle-ci exerce une attraction sur les objets. Le poids varie donc d’un lieu à un autre.

Savez-vous que…

Dans la vie de tous les jours, on dit : « Je pèse 45 kg », « Mon poids est de 45 kg ». Mais, pour parler plus scientifiquement, on devrait dire : « Ma masse est de 45 kg. »

• Les gaz, comme l’air qui nous entoure, sont de la matière. Ils ont donc une masse. Par exemple, 1 L d’air contenu dans un ballon en baudruche a une masse de 1,3 g.

? 1.10

1.9

L’Everest est la montagne la plus élevée du globe (environ 8850 m).

Chapitre 1

9

Les propriétés de la matière

1.2 Le volume

LABO 1

Toute matière occupe un volume. Les cadeaux représentés ci-dessous ont trois dimensions dans l’espace : la longueur, la largeur et la profondeur (ou la hauteur). Ils occupent un certain espace que l’on peut mesurer. Le volume, c’est la mesure de la place qu’un corps occupe dans l’espace, que ce corps soit à l’état solide, liquide ou gazeux. Il vous serait difficile de deviner la nature du cadeau contenu dans une boîte en vous fiant uniquement au volume de cette boîte. Comme le volume, à lui seul, ne permet pas d’identifier une substance ou un objet, on dira que c’est une propriété non caractéristique de la matière.

1.12

Ces deux objets occupent le même volume : 1 L ou 1000 cm3.

Savez-vous que…

?

• En Amérique du Nord, la tasse à mesurer utilisée en cuisine est souvent graduée en fonction des deux systèmes de mesure : le système métrique, qui est le système international en vigueur, et le système impérial, qui vient d’Angleterre. C’est pourquoi une tasse à mesurer est souvent graduée en millilitres (ml, système métrique) et en onces liquides (oz, système impérial).

1.11

Observez la photo 1.12. La bouteille d’huile a une forme et des dimensions différentes de la boîte. Elle a pourtant le même volume : 1 L, qui équivaut à 1000 cm3 ou 1 dm3. Des objets qui ont des formes différentes peuvent donc occuper le même volume.

Comment mesurer le volume? 1.13

Boîte à outils

Pages 260 à 263

L’ u n i v e r s

10

matériel

1.3 La température L’état plus ou moins chaud d’une substance ou d’un objet dépend de l’agitation des particules (atomes ou molécules) qui composent cette substance ou cet objet. Plus ses particules sont agitées et bougent rapidement, plus sa température est élevée (illustration 1.14).

La température est une propriété de la matière qui joue un rôle important dans nos vies. Nous pensons, bien sûr, à la température extérieure qui conditionne notre façon de nous vêtir et nos activités. La température est aussi importante en alimentation, que ce soit pour cuire les aliments ou pour les conserver. Enfin, notre température corporelle, par exemple quand nous faisons de la fièvre, nous avertit que nous sommes malades.

Comme la température ne nous permet pas d’identifier une substance ou un objet, on dira que c’est une propriété non caractéristique de la matière. Par exemple, la température de deux liquides différents et incolores, comme l’eau et l’alcool, placés dans des contenants identiques, peut être de 2 °C, de 25 °C ou de 70 °C. Ces températures ne nous permettent pas de distinguer l’eau de l’alcool.

Mais qu’est-ce que la température ? La température d’une substance ou d’un objet est la mesure de l’état plus ou moins chaud de cette substance ou de cet objet.

Comment mesurer la température? Boîte à outils Particules d’eau

Particules d’eau Thé glacé 4 °C Thé chaud 80 °C

1.14

Dans le verre de thé glacé, les particules d’eau, représentées par des petites billes, bougent moins rapidement que dans la tasse de thé chaud.

Chapitre 1

11

Les propriétés de la matière

Pages 266 et 267

Savez-vous que…

?

• Les dermatologues « brûlent » les verrues avec de l’azote liquide (un des gaz de l’air), qui a une température d’environ –180 °C.

• Dans une journée, la température du corps varie légèrement. Le soir, elle est plus élevée de 0,4 °C. • La fièvre est un mécanisme de défense contre les microbes. Elle augmente l’efficacité des moyens de défense de l’organisme. Cependant, une fièvre trop forte, de plus de 42 °C, peut causer des dommages au cerveau et même entraîner la mort.

1.15

1.4 Les états de la matière La matière peut se présenter sous plusieurs états.

Vapeur d’eau invisible

Bulles dans l’eau

1.16

1.17

1.18

L’eau à l’état solide.

L’eau à l’état liquide.

L’eau à l’état gazeux. Lorsque l’eau est chauffée suffisamment, il se forme de la vapeur d’eau, gaz invisible qui peut être « vu » seulement à cause de la présence des bulles dans l’eau. Ce qu’on appelle généralement « vapeur » est en réalité de fines gouttelettes comme celles qui forment la brume et les nuages.

L’ u n i v e r s

12

matériel

1.19

1.20

1.21

L’air qui nous entoure, refroidi à une température de –200 °C, devient un liquide d’un blanc laiteux.

Le CO2 est un des gaz que vous expirez. C’est le même gaz qui produit les bulles dans les boissons gazeuses. Ce gaz, refroidi à –78 °C, devient solide. On l’appelle alors « glace sèche ». La glace sèche est utilisée, entre autres, pour la conservation de produits périssables pendant leur transport.

L’or est un métal solide. Chauffé suffisamment, il fond et devient liquide. Refroidi dans un moule, il redevient solide.

Les exemples présentés ici (photos 1.16 à 1.22) montrent que plusieurs substances peuvent exister à l’état solide, à l’état liquide ou à l’état gazeux. L’eau, par exemple, peut passer de l’état solide (la glace) à l’état liquide ou gazeux. La matière existe donc généralement sous trois états : solide, liquide ou gazeux. L’état de la matière est une propriété non caractéristique, car toute matière peut exister sous l’un ou l’autre de ces trois états. Si la matière existe sous ces trois états, qu’estce qui les distingue les uns des autres ?

1.22

Le mercure est un métal qui est liquide à la température ambiante. Il ne sera solide qu’au-dessous de –39 °C.

Chapitre 1

13

Les propriétés de la matière

Les solides Chaque solide a une forme bien à lui.

sans changer de volume. C’est ce qui se produit, par exemple, avec un morceau de pâte à modeler qu’on écrase. De plus, comme les particules qui composent le bloc de métal sont très près les unes des autres, le bloc ne peut être comprimé de façon significative. Il gardera donc pratiquement le même volume quelle que soit la pression qu’on exercera sur lui.

1.23

1.24

Un solide a un volume défini et une forme qu’il a tendance à garder, mais qui peut être modifiée. Il est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative).

1.25

Un bloc fait de matière solide, par exemple un bloc de métal, changera-t-il de forme selon le contenant où il sera placé ? Et si son volume est de 125 cm3, changera-t-il de volume d’un contenant à un autre ? Non, il conservera sa forme et son volume quel que soit le contenant dans lequel on le placera.

Les liquides Les liquides prennent des formes diverses.

1.26

Les particules (atomes ou molécules, représentés ici par des billes bleues) qui composent le bloc de métal sont solidement liées les unes aux autres. Elles n’ont donc pas la possibilité de se déplacer les unes par rapport aux autres. Le bloc de métal gardera pratiquement la même forme quelle que soit la pression qu’on exercera sur lui.

1.27

Si vous versez 125 cm3 d’un liquide, par exemple de l’eau, dans des contenants de formes diverses, quelle forme le liquide prendra-t-il ? Son volume changera-t-il ? Le liquide prendra la forme du contenant dans lequel il sera versé et son volume ne changera pas.

Par contre, dans certains cas, si la pression qu’on exerce sur un solide est très grande ou si le solide se déforme facilement, il pourra alors changer de forme

L’ u n i v e r s

14

matériel

1.28

1.30

L’eau (ou tout autre liquide) épousera la forme du contenant dans lequel elle sera versée, car les particules (les billes bleues) qui la composent sont faiblement liées entre elles. Elles peuvent donc glisser les unes sur les autres.

Un gaz prendra la forme du contenant dans lequel il sera placé parce les particules (les billes bleues) qui le composent ne sont pas liées entre elles. Ces particules se déplacent donc rapidement les unes par rapport aux autres.

Cependant, si l’on exerce une pression sur un liquide, son volume ne changera pratiquement pas parce que ses particules sont très près les unes des autres. Un liquide ne peut donc être comprimé de façon significative.

De plus, comme les particules d’un gaz sont éloignées les unes des autres et bougent dans tous les sens, le gaz aura tendance à occuper tout le volume disponible. Si l’on exerce une pression sur lui, son volume diminuera. Un gaz peut donc être comprimé.

Un liquide a un volume défini, mais il n’a pas de forme déterminée. Il est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative).

Un gaz n’a pas de volume défini ni de forme déterminée. Il est compressible (il peut être comprimé).

Les gaz Savez-vous que…

Les gaz changent de forme.

• Pour fabriquer des miroirs,

?

on place des plaques de verre dans de grands cylindres. On fait ensuite le vide dans ces cylindres en y aspirant l’air, et l’on y chauffe de fins rubans d’aluminium jusqu’à ce que l’aluminium devienne gazeux. L’aluminium se dépose alors sur les 1.29

plaques de verre et se refroidit pour y former une mince couche métallique

Si l’on remplit différents contenants d’un gaz, celui-ci prendra la forme de chacun des contenants. De plus, il aura tendance à occuper tout le volume disponible. Pourquoi ?

Chapitre 1

qui réfléchit la lumière.

15

Les propriétés de la matière

2 Les propriétés caractéristiques Les propriétés caractéristiques sont des propriétés qui permettent :

Pour identifier chacune de ces substances, vous pourriez les examiner au microscope.

• ou d’identifier une substance ou un objet ; • ou de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet ; • ou de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement. Une propriété qui répond à une de ces conditions, à deux de ces conditions ou aux trois conditions est une propriété caractéristique. La température à laquelle un liquide bout est une propriété caractéristique de la matière. Par exemple, disons que l’on a deux liquides incolores dont l’un bout à 78 °C et l’autre à 100 °C. On saura que le premier est de l’alcool éthylique et le deuxième, de l’eau. Le point d’ébullition est une propriété caractéristique de la matière, car il permet de distinguer les substances : ici, l’eau et l’alcool éthylique. Voici quatre substances que l’on utilise fréquemment dans nos cuisines (photo 1.31). Seriez-vous capable de les identifier sans y goûter et sans voir leur emballage d’origine ? L’ensemble des propriétés caractéristiques de chacune de ces substances vous permettra de les distinguer les unes des autres.

1.32

1.33

Sel vu au microscope.

Farine vue au microscope.

1.34

1.35

Sucre vu au microscope.

Bicarbonate de sodium vu au microscope.

Vous constateriez que le sel et le sucre ont des cristaux de formes géométriques caractéristiques. Vous ne verriez pas les cristaux du bicarbonate de sodium acheté à l’épicerie, parce qu’ils ont été réduits en poudre. Quant à la farine, vous remarqueriez qu’elle n’a pas de forme cristalline.

1.31

L’ u n i v e r s

16

matériel

Pour identifier les quatre substances, vous pourriez aussi les chauffer. Vous constateriez alors que deux d’entre elles (la farine et le sucre) brunissent à la chaleur ; elles peuvent même brûler. Si vous ajoutiez un acide faible ou dilué à chacune de ces substances, par exemple du vinaigre, vous noteriez qu’une seule substance réagit en faisant des bulles : le bicarbonate de sodium.

Le sel est la seule substance à avoir des cristaux bien visibles et à ne pas réagir à la chaleur et à l’acide. Le sucre a aussi des cristaux bien visibles. Par contre, il réagit à la chaleur mais non à l’acide. Le bicarbonate de sodium est le seul à réagir à l’acide. La farine se distingue du bicarbonate de sodium par le fait qu’elle brunit à la chaleur et qu’elle ne réagit pas à l’acide.

Le tableau ci-dessous, où nous comparons trois propriétés caractéristiques du sel, du sucre, du bicarbonate de sodium et de la farine, nous permet de distinguer ces substances les unes des autres.

LES PROPRIÉTÉS CARACTÉRISTIQUES DE QUATRE SUBSTANCES Substances Propriétés caractéristiques

Sel

Sucre

Présence de cristaux visibles

Oui

Réaction à la chaleur (brunissement) Réaction à l’acide (production de bulles)

Bicarbonate de sodium

Farine

Oui

Non (cristaux réduits en poudre)

Non

Non

Oui

Non

Oui

Non

Non

Oui

Non

Les propriétés • Dans l’ensemble des quadrilatères, on peut

En mathématique, certains nombres, certaines figures planes ou certains solides possèdent

identifier rapidement les parallélogrammes :

une ou plusieurs propriétés qui permettent

ils possèdent au moins une paire de côtés

de les identifier rapidement dans un ensemble

parallèles. De plus, tout parallélogramme

donné.

qui affiche les deux propriétés suivantes,

Exemples:

4 angles droits et 4 côtés de même longueur,

• Dans l’ensemble des nombres naturels, tout

correspond à un carré.

nombre qui possède la caractéristique d’être divisible par 2 est un nombre pair.

Chapitre 1

17

Les propriétés de la matière

2.1 Le point de fusion Croyez-vous que tous les métaux peuvent être fondus ? que toutes les substances fondent si on les chauffe ? Pensez-vous qu’un métal donné, comme le plomb, fond toujours à la même température ? Tous les métaux fondent si on les chauffe à une température suffisante. Le plomb fond à 327 °C, l’argent à 962 °C, le fer à 1535 °C et le tungstène, qui sert à faire les éléments d’une cuisinière électrique, à 3410 °C. Tous les métaux fondent à une température précise, qui ne varie pas. Cette température est donc une propriété caractéristique de chaque métal. Tout comme les métaux, beaucoup de substances fondent, elles aussi, à des températures déterminées. La glace fond à 0 °C. Certaines substances ne fondent pas si on les chauffe. Elles changent plutôt d’apparence ou elles brûlent sans devenir des liquides (par exemple, le papier, la farine, le bois, etc.).

1.37

La fusion des métaux est un procédé très utilisé dans la fabrication de plusieurs objets qui nous entourent.

La température à laquelle une substance fond est la même que celle à laquelle cette substance se solidifie en refroidissant. Par exemple, si la glace fond à 0 °C, l’eau gèle à 0 °C.

Le point de fusion est une propriété caractéristique de la matière, car il permet d’identifier une substance, de déterminer l’usage qui peut en être fait ou de prévoir son effet sur l’environnement.

Le point de fusion est la température à laquelle une substance passe de l’état solide à l’état liquide.

Par exemple, pour fabriquer des plats en plastique utilisables dans le four à micro-ondes, on choisira des plastiques qui ont un point de fusion élevé. Pour faire des soudures, on utilisera un métal qui a un point de fusion peu élevé, comme le plomb (point de fusion de 327 °C), l’étain (point de fusion de 232 °C) ou le bismuth (point de fusion de 271 °C). À l’inverse, pour fabriquer des casseroles, on utilisera un métal qui a un point de fusion élevé, comme le cuivre ou l’acier (qui est un mélange de fer et de carbone).

1.36

Le fer fondu est versé dans un moule.

L’ u n i v e r s

Une substance pure, c’est-à-dire une substance dont toutes les particules sont semblables, a un point de fusion qui lui est propre. Dans le tableau de la page suivante, nous présentons le point de fusion de quelques substances pures.

18

matériel

2.2 Le point d’ébullition

LE POINT DE FUSION DE QUELQUES SUBSTANCES PURES Substances Point de fusion Oxygène

–219 °C

Alcool éthylique

–114 °C

Mercure Eau Étain

Est-il possible d’obtenir des frites en faisant cuire des pommes de terre dans l’eau ?

–39 °C 0 °C 232 °C

Bismuth

271 °C

Plomb

327 °C

Aluminium

660 °C

Cuivre

1083 °C

Fer

1535 °C

Tungstène

3410 °C

Un mélange de différentes substances pures a un point de fusion qui dépend : • des substances qui composent le mélange ; • des proportions des substances dans le mélange.

1.38

Savez-vous que…

Page 271

?

• Les premiers métaux qui furent fondus ont été le cuivre et l’étain, vers 2500 av. J.-C. Le bronze, résultat du mélange de ces deux métaux, servait à fabriquer des vases, des épées et d’autres objets. On a appelé cette époque « l’âge du bronze ». Le fait que l’on trouve le cuivre et l’étain à l’état naturel et que leur point de fusion soit relativement bas a facilité leur usage. Vers l’an 1100 av. J.-C., on a réussi à faire fondre le fer, un métal plus dur, qui a un point de fusion plus élevé. On a appelé cette époque « l’âge du fer ».

Chapitre 1

1.39

Non. Pourquoi ? Tout simplement parce que l’eau n’atteindra jamais la température qui est nécessaire pour rendre les pommes de terre dorées et croustillantes. En effet, la température de cuisson dans l’eau est de 100 °C au maximum. Au-dessus de cette température, l’eau devient gazeuse. Or, pour obtenir des frites, il faut porter la température de cuisson à près de 180 °C, ce qu’on peut faire avec de l’huile. La température à laquelle l’huile entre en ébullition est d’environ 200 °C. La température d’ébullition de l’huile peut varier selon le type d’huile.

Comment mesurer le point de fusion? Boîte à outils

LABO 2

Des substances différentes peuvent donc avoir un point d’ébullition différent. Le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux. Le point d’ébullition est une propriété caractéristique de la matière, car il permet d’identifier une substance, de déterminer l’usage qui peut en être fait ou de prévoir son effet sur l’environnement. Par exemple, quel liquide peut-on mettre dans le radiateur d’une voiture pour refroidir le moteur ? L’eau a un point d’ébullition de 100 °C. Comme la 19

Les propriétés de la matière

température d’un moteur d’automobile dépasse 100 °C, on ne peut pas y mettre uniquement de l’eau. Elle s’évaporerait. On ajoute donc de l’éthylène glycol, qui a un point d’ébullition de 197 °C.

Savez-vous que…

Le point d’ébullition permet aussi de distinguer l’alcool méthylique, qui a un point d’ébullition de 64,5 °C, de l’alcool éthylique, qui a un point d’ébullition de 78 °C. L’alcool méthylique est un alcool utilisé, par exemple, dans la fabrication du lave-glace : c’est un poison. L’alcool éthylique est la substance de base contenue dans toutes les boissons alcooliques. Une substance pure a un point d’ébullition qui lui est propre. Dans le tableau ci-dessous, nous présentons le point d’ébullition de quelques substances pures à température et à pression normales.

2.3 La conductibilité électrique

64,5 °C

Alcool éthylique

78,0 °C

Eau

100,0 °C

Térébenthine

157,0 °C

Éthylène glycol

197,0 °C

Mercure

356,0 °C

Plomb

1740,0 °C

Aluminium

2467,0 °C

Fer

2750,0 °C

Un mélange de différentes substances pures a un point d’ébullition qui dépend : • des substances qui composent le mélange ; • des proportions des substances dans le mélange.

Comment mesurer le point d’ébullition? Boîte à outils

Page 272

L’ u n i v e r s

LABO 3

Si l’on observe une ligne électrique à haute tension, on remarque que les fils métalliques qui conduisent l’électricité sont fixés à des isolateurs, à l’extrémité des bras des pylônes. Ces isolateurs sont en céramique.

LE POINT D’ÉBULLITION DE QUELQUES SUBSTANCES PURES Substances Point d’ébullition Alcool méthylique

?

• Le point d’ébullition dépend de la pression atmosphérique, c’est-à-dire de la pression exercée par l’atmosphère terrestre. Plus la pression diminue, plus le point d’ébullition est bas. Au sommet du mont Everest, l’air est raréfié et la pression atmosphérique est faible. L’eau entre alors en ébullition à une température bien au-dessous de 100 °C. C’est nettement insuffisant pour faire cuire des pommes de terre !

1.40

20

matériel

Pourquoi les fils qui conduisent l’électricité sontils fixés à des isolateurs au lieu d’être directement fixés aux pylônes de métal ? Pourquoi ces fils sontils en métal ?

Le plastique est un isolant. Il empêche l’électricité de sortir des fils, protégeant ainsi les gens d’un danger d’électrocution. Les matériaux qui conduisent l’électricité sont des conducteurs électriques et ceux qui ne la conduisent pas sont des isolants électriques. Certains matériaux conducteurs résistent davantage que d’autres au passage de l’électricité. Ils transforment ainsi une plus grande partie de l’électricité en chaleur. On utilise ces matériaux pour faire des appareils qui chauffent comme des grille-pain, des radiateurs ou des éléments de cuisinière.

Les métaux sont généralement de bons conducteurs d’électricité. C’est pourquoi on les utilise pour faire des fils électriques. Comme les pylônes sont aussi en métal, si les fils conducteurs y étaient directement reliés, l’électricité passerait dans les pylônes et, de là, dans le sol. Cela entraînerait un court-circuit, des dommages aux équipements et il y aurait un danger d’électrocution. Comme la céramique ne conduit pas l’électricité, les isolateurs en céramique empêchent l’électricité de passer dans les pylônes métalliques et de se rendre au sol.

La conductibilité électrique est la capacité qu’a une substance de conduire l’électricité. La conductibilité électrique est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet d’identifier une substance et de déterminer l’usage qui peut en être fait (un conducteur ou un isolant).

Si l’on observe une lampe de table, on remarque que le cordon d’alimentation (dont l’intérieur est fait de fils de cuivre) est recouvert de plastique. Pourquoi, selon vous ?

Dans le tableau ci-dessous, nous présentons quelques isolants et quelques conducteurs électriques. DES ISOLANTS ET DES CONDUCTEURS ÉLECTRIQUES Isolants Plastique, céramique, verre, bois, porcelaine, amiante

Conducteurs Cuivre, argent, or, aluminium, fer, eau salée

Fils de cuivre

Comment déterminer si une substance conduit l’électricité? Boîte à outils Pages 272 et 273

1.41

Chapitre 1

21

Les propriétés de la matière

2.4 La masse volumique

LABO 1

Tous les blocs représentés ici ont le même volume.

1.42

Des blocs de substances différentes.

Si vous pesiez ces blocs, vous constateriez que certains ont une masse plus grande que d’autres : ils ont donc des masses différentes pour un même volume. Ce rapport entre la masse et le volume est caractéristique de chaque substance.

Pouvez-vous dire quel métal a une masse volumique de 19,300 g/cm3 ? La réponse est donnée dans le tableau ci-dessous. La masse volumique est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet d’identifier une substance et de déterminer l’usage qui peut en être fait.

La masse volumique d’une substance est sa masse par unité de volume.

Dans le tableau ci-dessous, nous présentons la masse volumique de diverses substances à température et à pression normales.

On calcule la masse volumique (␳) d’une substance en divisant sa masse (m) par son volume (V ) :

LA MASSE VOLUMIQUE DE DIVERSES SUBSTANCES

␳= m V

Substances

(␳ est la lettre grecque rho, qui se prononce « ro ».)

On exprime la masse volumique d’une substance en kilogrammes par mètre cube (kg/m3) ou en grammes par centimètre cube (g/cm3). Par exemple, si un bloc de métal a une masse de 237 g et un volume de 12,28 cm3, on calculera sa masse volumique de la façon suivante : ␳ = 237,00 g 3 = 19,300 g/cm3 12,280 cm

L’ u n i v e r s

22

Masse volumique

Bois de cèdre

0,500 g/cm3

500 kg/m3

Bois d’érable

0,700 g/cm3

700 kg/m3

Alcool éthylique

0,807

g/cm3

807 kg/m3

Huile végétale

0,920 g/cm3

920 kg/m3

Eau

1,000 g/cm3

1 000 kg/m3

Eau de mer

1,030 g/cm3

1 030 kg/m3

Aluminium

2,700

g/cm3

2 700 kg/m3

Fer

7,860 g/cm3

7 860 kg/m3

Cuivre

8,889 g/cm3

8 890 kg/m3

Argent

10,500 g/cm3

10 500 kg/m3

Plomb

11,300

g/cm3

11 300 kg/m3

Or

19,300 g/cm3

19 300 kg/m3

matériel

Archimède :

Point de mire

un savant aux multiples talents ! Archimède est né en 287 av. J.-C. et il est mort en 212 av. J.-C. Fils de l’astronome grec Phidias, il a vécu à Syracuse en Sicile (Italie), qui faisait alors partie de la grande Grèce. Archimède était un savant à la fois physicien, mathématicien, ingénieur et philosophe. On lui doit de nombreuses inventions. Un jour, selon une légende, le roi de Syracuse, Hiéron, demanda à Archimède de déterminer si sa couronne était bien en or pur. Archimède chercha longtemps comment il allait s’y prendre. Puis, en se plongeant dans une baignoire pleine, il constata que celle-ci débordait. Il cria alors Eurêka !, qui signifie « J’ai trouvé ! ». Archimède avait trouvé la solution de son problème.

1.43

Archimède mit la couronne dans l’eau. Il fit la même chose avec une masse d’or pur égale à la masse de la couronne. Il constata alors que le volume d’eau déplacé par la couronne était plus grand que le volume d’eau déplacé par la masse d’or. Ce qui signifiait que la couronne contenait autre chose que de l’or. La notion de masse volumique venait de voir le jour. Toujours selon la légende, Archimède aurait été tué par un soldat lors de la prise de la ville par les Romains. Occupé à résoudre un problème de géométrie, il aurait refusé de suivre le soldat.

« densité ». Par exemple, pour trouver la densité du bois d’érable, on divisera la masse volumique du bois (en kilogrammes par mètre cube ou en grammes par centimètre cube) par la masse volumique de l’eau :

Voici quelques exemples d’utilisation de la masse volumique. Si vous désirez fabriquer un cerf-volant, il serait préférable d’utiliser du bois de cèdre plutôt que du bois d’érable. Le bois de cèdre est plus léger. Pour avoir un vélo léger, il vaut mieux choisir celui qui a un cadre en aluminium plutôt qu’un cadre en fer. Pour une ancre de chaloupe, le plomb serait plus efficace que le même volume d’aluminium.

0,700 g/cm3 Masse volumique du bois d’érable

La densité

Masse volumique de l’eau

Densité du bois d’érable

La densité est le rapport entre la masse volumique d’une substance et la masse volumique de l’eau.

Il est parfois utile de comparer la masse volumique d’une substance avec la masse volumique de l’eau. On appelle ce rapport entre les deux masses la

Chapitre 1

÷ 1,000 g/cm3 = 0,700

23

Les propriétés de la matière

2.5 La dureté Si vous comparez un objet en verre et un marteau en bois, lequel, selon vous, sera le plus dur ? le plus fragile ?

La dureté est la capacité qu’a un corps de résister à l’abrasion, à la rayure. La dureté est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet d’identifier un corps ou, parfois, de déterminer l’usage qui peut en être fait.

Savez-vous que…

?

• La pierre qu’utilisent les Inuits pour faire leurs sculptures (appelée « pierre à savon » ou « stéatite ») est si peu dure qu’on peut la couper avec une scie à bois ou la sculpter avec une râpe à bois. • On utilise parfois des scies ou des meules recouvertes de poussière de diamant pour couper ou meuler des matériaux aussi durs que l’acier. Évidemment, ces diamants industriels n’ont ni la transparence ni la pureté des diamants utilisés dans la confection des bijoux.

On détermine la dureté des minéraux, comme les pierres précieuses et les roches, en se basant sur l’échelle de Mohs. Cette échelle a été mise au point au début du XIXe siècle par Frédéric Mohs (1773-1839), un minéralogiste allemand. Mohs a classé 10 minéraux communs de 1 à 10, du moins dur au plus dur (document 1.45, page 25).

1.44

Le verre est plus fragile que le bois, car il se brise si on le frappe avec un objet en bois. Par contre, le verre est plus dur que le bois parce qu’il peut le rayer alors que le bois ne peut pas rayer le verre. De même, le diamant peut rayer le verre, mais le verre ne peut pas rayer le diamant. Le diamant est donc plus dur que le verre.

L’ u n i v e r s

Ainsi, la topaze (dureté de classe 8) peut rayer le quartz (dureté de classe 7) mais non le diamant (dureté de classe 10). Le gypse (dureté de classe 2) peut rayer le talc (dureté de classe 1) mais non l’apatite (dureté de classe 5). 24

matériel

c Tal

pse Gy

e lcit Ca

ne ori Flu

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z ar t Qu

aze Top

1.45

n do rin o C

nt ma Dia

L’échelle de Mohs.

L’ongle, qui rayerait le gypse (dureté de classe 2) mais non la calcite (dureté de classe 3), aurait une dureté de classe 2,5 environ.

tache ne disparaît pas ou qu’il en reste des traces. Par contre, si vous ameniez ce vêtement chez le nettoyeur, la tache pourrait disparaître. Pourquoi ?

L’échelle de Mohs ne permet pas de déterminer la dureté des métaux. Pour ce faire, on utilise des techniques différentes. Par exemple, on tentera de faire un petit trou dans le métal à l’aide d’un poinçon.

La tache pourrait disparaître parce que le nettoyeur utilise un autre produit que l’eau pour nettoyer les vêtements, soit le tétrachloroéthylène (un liquide semblable à de l’essence). La graisse, qui est non soluble dans l’eau, est soluble dans le tétrachloroéthylène.

2.6 La solubilité

LABO 4

Supposons que vous faites une tache de graisse sur un de vos vêtements. Vous pourriez être tenté de la nettoyer à l’eau, mais vous constateriez vite que la

1.46

Chapitre 1

25

Les propriétés de la matière

En observant les photos 1.47 à 1.49, on voit comment des taches faites avec différents crayons ont réagi à divers liquides. Comme vous pouvez le constater, chaque tache s’est mélangée ou non au liquide selon le crayon qui a été utilisé et selon le liquide qui a été versé.

La solubilité d’une substance dans un liquide donné est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet, parfois, d’identifier une substance, de déterminer l’usage qui peut en être fait ou de prévoir son effet sur l’environnement. Si vous mettez du sucre ou du sel dans un verre d’eau, le sucre ou le sel sembleront disparaître. En fait, ils ne seront plus visibles, mais ils seront encore dans l’eau. La preuve ? L’eau aura un goût sucré ou un goût salé ! Le sucre et le sel ne sont pas visibles dans l’eau, mais ils sont intimement mélangés à l’eau. On dit que le sucre et le sel sont solubles dans l’eau. (Ils sont, par contre, peu solubles dans l’alcool.)

Si une tache de crayon s’étend et se mélange au liquide, c’est que l’encre utilisée est soluble dans le liquide.

Crayon-feutre

Marqueur

Crayon à mine

Stylo à bille

1.47

Crayon-feutre

Crayon-feutre

Marqueur

Crayon à mine

Stylo à bille

Marqueur 1.49

Crayon à mine

Stylo à bille

1.48

Si vous mettez de la poussière de craie ou encore de la farine dans un verre d’eau, ces deux substances resteront bien visibles dans l’eau, car elles sont pratiquement insolubles.

La solubilité, c’est la capacité qu’a une substance de se dissoudre plus ou moins dans une autre substance.

L’ u n i v e r s

26

matériel

Savez-vous que… • La solubilité des solides dans l’eau augmente avec l’élévation de la température.

?

• La solubilité des gaz dans l’eau diminue avec l’élévation de la température.

2.7 L’acidité et la basicité

LABO 5

Sur plusieurs produits d’usage courant, on peut voir un symbole qui indique que ce produit est corrosif, c’est-à-dire qu’il peut attaquer la peau, les vêtements ou des objets avec lesquels il entrerait en contact. Quels sont ces produits ? Comment savoir dans quelle mesure ils sont dangereux ? 1.51

Des substances acides et des substances basiques non dangereuses.

Un autre groupe de substances est formé par ce qu’on appelle les « bases », et ces substances peuvent également être corrosives. Les substances basiques, appelées aussi « alcalines », sont des substances qui s’opposent aux acides, c’est-à-dire qu’elles peuvent neutraliser les acides. Certaines bases, comme les produits qui servent à nettoyer les fours et à déboucher les tuyaux, sont très corrosives. D’autres bases ne présentent aucun danger comme le bicarbonate de sodium, le pain de savon et les comprimés antiacides qui soulagent les brûlures d’estomac.

1.50

Des produits acides et des produits basiques corrosifs.

Certains des produits représentés sur l’illustration 1.50 sont ce qu’on appelle des « acides », et ils sont corrosifs. Mais tous les acides ne sont pas dangereux : les jus de citron, d’orange et de tomate, par exemple, contiennent des acides qui ne présentent aucun danger !

Chapitre 1

Plusieurs substances ne sont ni acides ni basiques : elles sont neutres. C’est le cas du sucre et du sel de table. Les sels (sel de table, sel de calcium, etc.) sont produits par la neutralisation des acides par les bases. 27

Les propriétés de la matière

Observez maintenant les photos 1.52 à 1.54 et voyez comment les papiers de tournesol (qui servent à indiquer si une substance est basique ou acide) réagissent avec le citron, le pain de savon et le sel.

Une substance acide fait virer au rouge le papier bleu de tournesol (photo 1.52). Une substance basique fait virer au bleu le papier rouge de tournesol (photo 1.53). Une substance qui ne fait pas changer de couleur les papiers de tournesol est dite « neutre » (photo 1.54). La mesure de l’acidité ou de la basicité d’une substance est exprimée par le pH. La valeur du pH d’une substance est représentée par une échelle graduée de 1 à 14. Un acide est une substance dont le pH est inférieur à 7. Une base est une substance dont le pH est supérieur à 7. Si le pH est exactement 7, la substance est neutre. L’indicateur universel est une solution de plusieurs colorants qui sert à mesurer le pH d’une substance. Voici les couleurs que prend l’indicateur universel selon le pH de différentes substances :

1.52

Jus de citron Vinaigre Augmentation de l’acidité

Neutre

1.53

Jus de tomate

Eau pure

Bicarbonate de sodium

Pain de savon Augmentation de la basicité

Détergent avec ammoniaque

Déboucheur de tuyaux 1.55

L’échelle du pH et les couleurs de l’indicateur universel.

1.54

L’ u n i v e r s

28

matériel

L’acidité ou la basicité est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou de prévoir son effet sur l’environnement.

Comment mesurer le pH d’une substance? Boîte à outils Pages 268 à 270

1.56

Il est important de vérifier régulièrement le pH de l’eau de sa piscine. On conseille de maintenir le pH de l’eau entre 7,2 et 7,8. Un mauvais pH de l’eau diminue l’efficacité des produits bactéricides (produits qui combattent les bactéries). Des microbes peuvent alors se multiplier et provoquer des otites ou d’autres infections.

Savez-vous que…

?

• L’eau de pluie non polluée a un pH de 5,6. Une eau de pluie qui a un pH inférieur à 5 équivaut à une pluie acide susceptible de causer des dommages à l’environnement.

• Les pluies acides qui tombent au Québec sont dues principalement aux usines des États-Unis et de l’Ontario. Ces usines rejettent des gaz qui se mêlent à l’eau des nuages et forment des pluies acides. Les vents dominants qui viennent de l’ouest poussent ces nuages vers le Québec.

• En janvier 1984, il est tombé au Québec des neiges acides ayant un pH de 3,6, ce qui est plus acide que le jus de tomate (pH de 4).

Chapitre 1

29

Les propriétés de la matière

matériau qui conduit mal la chaleur. Elles prendront donc beaucoup plus de temps à absorber la chaleur de la marmite et risqueront moins de vous brûler.

2.8 La conductibilité thermique Retireriez-vous à mains nues ces marmites du feu ?

La conductibilité thermique est la capacité qu’a une substance de transmettre la chaleur plus ou moins rapidement. La conductibilité thermique est une propriété caractéristique de la matière, car elle permet de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance. On utilisera des matériaux conducteurs si l’on veut transmettre la chaleur rapidement et on utilisera des matériaux isolants pour empêcher un transfert de chaleur. Les métaux, comme l’aluminium et le cuivre, sont généralement de bons conducteurs thermiques. C’est pourquoi on les utilise pour fabriquer des poêlons, des casseroles et des marmites.

1.57

La laine minérale, la styromousse et le bois sont de mauvais conducteurs de chaleur ; ce sont donc des isolants thermiques. On utilisera la laine minérale dans les murs des maisons de façon à empêcher les transferts de chaleur. On utilisera la styromousse dans la fabrication des gobelets pour boisson chaude ou pour boisson gazeuse. On utilisera le bois dans la fabrication de manches d’ustensiles de cuisine. Dans le tableau ci-dessous, nous présentons quelques isolants et quelques conducteurs thermiques.

1.58

Il serait dangereux de retirer du feu, à mains nues, la marmite dont les anses sont en métal : vous risqueriez de vous brûler. Mais il serait possible de retirer l’autre marmite du feu sans utiliser de mitaines isolantes. Pourquoi ?

DES ISOLANTS ET DES CONDUCTEURS THERMIQUES Isolants Air, bois, laine minérale, styromousse

La chaleur de la marmite et de son contenu est facilement transmise aux anses métalliques qui deviennent rapidement chaudes. Les anses métalliques vont transmettre cette chaleur à vos mains. Les anses noires, elles, sont faites d’un

L’ u n i v e r s

Conducteurs Fer, cuivre, aluminium, mercure

La mesure de la conductibilité thermique requiert des appareils sophistiqués. 30

matériel

Savez-vous que…

?

• L’air est un excellent isolant thermique. C’est l’air emprisonné dans la laine minérale et dans la styromousse qui leur confère un pouvoir isolant. La propriété isolante de la fourrure des animaux dépend d’ailleurs de la capacité qu’ont les poils à emprisonner l’air.

• Dans un igloo, la température demeure autour de 0 °C même si la température extérieure est bien au-dessous de 0 °C. La chaleur dégagée par ses occupants suffit à le chauffer. La neige utilisée pour faire les blocs de l’igloo est une neige qui contient beaucoup d’air. Elle est donc très isolante.

2.9 Les autres propriétés caractéristiques Il existe de nombreuses autres propriétés caractéristiques de la matière. Par exemple, la ductilité, qui est l’aptitude à être étiré, et la malléabilité, qui est l’aptitude à être déformé par un choc ou par une pression, sont des propriétés caractéristiques des métaux. L’or est un métal qui a une très grande malléabilité et une très grande ductilité. La résistance à la corrosion, la résistance à la rouille et la résistance au feu constituent également des propriétés caractéristiques de la matière. Dans certains cas, on a besoin de connaître d’autres propriétés de la matière. Par exemple, lorsqu’il s’agit de construire des édifices, des ponts ou des machines, il est essentiel de connaître la résistance d’un matériau à la compression, à la tension ou encore sa résistance à la fatigue. Vous en apprendrez davantage sur ces propriétés dans les chapitres sur l’univers technologique.

Chapitre 1

1.59

L’or est un métal ductile et malléable.

31

Les propriétés de la matière

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. La fabrication d’une balance Il existe plusieurs types de balances. Vous allez fabriquer une balance simple et efficace, qui devra répondre aux exigences suivantes : • Elle devra être en mesure de peser des objets usuels. • Elle devra avoir une précision satisfaisante. • Elle devra être construite avec des matériaux d’usage courant : une règle, un élastique, du carton, du papier, de la ficelle, un trombone, un verre en plastique ou en styromousse, etc.

Des pistes à explorer • Un élastique s’étire si l’on y suspend une masse. • Plus la masse est grande, plus l’élastique s’étire. • On peut mesurer l’allongement de l’élastique avec une règle. • Le zéro est toujours indiqué sur une balance. Comment sera-t-il indiqué sur votre balance ? • Une balance sert à indiquer la masse. Comment la masse sera-t-elle indiquée sur votre balance ?

2. La fabrication d’un thermomètre Au fil du temps, divers types de thermomètres ont été conçus. Les thermomètres de messieurs Fahrenheit et Celsius comportaient même des échelles différentes, ce qui montre bien qu’il y a plusieurs façons de fabriquer un thermomètre. À votre tour de fabriquer un thermomètre. Vous aurez besoin d’un tube, d’un récipient et d’eau colorée. Votre thermomètre devra être gradué de 0 °C à 100 °C. Vous devrez vérifier sa précision.

Des pistes à explorer La fabrication du thermomètre • Pour faire un bon thermomètre, quel tube devrait être utilisé ? • Quel serait le récipient adéquat ? • Comment colorer l'eau pour faciliter la lecture ? La graduation du thermomètre • Comment a-t-on déterminé le 0 et le 100 sur l’échelle Celsius ?

• Comment utiliser la température de phénomènes connus (point de fusion, point d'ébullition) pour graduer votre thermomètre ? • De quelle façon allez-vous construire l’échelle de votre thermomètre ? • Quels tests vous permettraient de vérifier le bon fonctionnement de votre thermomètre ? (La chaleur du corps humain, par exemple.)

L’ u n i v e r s

32

matériel

1.60

Voici un thermomètre étrange, conçu par Galilée il y a environ 400 ans, que l’on peut trouver dans plusieurs magasins aujourd’hui.

3. Un conducteur ou un isolant ? L’électricité peut circuler plus ou moins facilement selon la nature des matériaux ou des substances qu’elle traverse. Vous allez fabriquer un appareil qui déterminera si des substances ou des matériaux sont des conducteurs ou des isolants électriques. Pour y arriver, vous devrez : • choisir quelques substances ou matériaux à tester (métal, bois, plastique, eau pure, eau salée, huile, vinaigre, etc.) ; • trouver un moyen de vérifier si l’électricité circule dans la substance ou le matériau testé ; • trouver une source d’électricité.

Des pistes à explorer • Inspirez-vous d’un circuit simple composé d’une pile, de fils et d’une ampoule de lampe de poche, par exemple. • Si l’ampoule s’allume, c’est que la substance ou le matériau testé est un conducteur.

Pour fabriquer votre appareil, vous utiliserez une pile, une ampoule de lampe de poche (ou un voyant DEL, c’est-à-dire une diode électroluminescente) et quelques fils. Une fois les tests terminés, vous pourriez classer les substances ou les matériaux dans un tableau selon qu’ils sont des conducteurs ou des isolants électriques.

4. Des taches à faire disparaître

INFLAMMABLE

POISON

L’essence, l’alcool, la térébenthine et le diluant à peinture peuvent prendre feu. Tenir ces produits loin des flammes ou d’une source de chaleur. Certains des produits utilisés sont des poisons. Bien lire les mises en garde qui sont faites sur les étiquettes des contenants.

Une façon de faire disparaître des taches sur des vêtements consiste à les dissoudre dans un liquide. Et si les taches ne disparaissent pas, c’est qu’on n’utilise pas toujours le bon liquide ! À vous de trouver le meilleur liquide pour faire disparaître des taches ! Faites des taches sur des filtres à café avec différentes substances. Essayez ensuite de faire disparaître ces taches à l’aide de divers liquides. Vous noterez les résultats obtenus dans un tableau. Voici quelques-unes des substances et des liquides que vous pourriez utiliser :

Des pistes à explorer • Comment faire les tests pour qu’ils soient le plus efficace possible ? • Est-ce que tous les liquides font disparaître toutes les taches ? • Y a-t-il un liquide qui est plus efficace qu’un autre ? • Est-ce que le liquide suffit à faire disparaître entièrement la tache ou faut-il la frotter ?

Taches

Liquides

Herbe, graisse, beurre, crayonsfeutres de diverses couleurs, stylo à bille, rouge à lèvres, etc.

Chapitre 1

33

Eau, alcool, diluant à peinture, térébenthine, huile minérale, essence, etc.

Les propriétés de la matière

TOUT COMPTE

Les propriétés non caractéristiques

PAGES 8 À 15

FAIT

1 Pourquoi un appareil de radio est-il de la matière ? 2 Pourquoi dit-on que le son qui sort d’un appareil de radio n’est pas de la matière ? 3 Donnez des propriétés caractéristiques et des propriétés non caractéristiques de la styromousse (matériau dont on se sert pour fabriquer les gobelets pour boisson chaude ou pour boisson gazeuse). Dites pourquoi ces propriétés sont caractéristiques et non caractéristiques. 4 Comment vous y prendriez-vous pour comparer la masse de deux objets sans utiliser une balance ? 5 Supposons que l’on vous donne un morceau de pâte à modeler qui a une forme irrégulière. Comment feriez-vous pour déterminer son volume ? 6 Vous avez deux béchers : l’un contient de l’eau froide (10 °C) et l’autre, de l’eau chaude (80 °C). Décrivez le contenu des deux béchers en parlant du comportement des particules d’eau. 7 Pourquoi les solides ont-ils une forme définie alors que les liquides n’en ont pas ? 8 Qu’est-ce qui explique qu’un gaz n’a ni forme ni volume définis ? 9 Pourquoi un gaz est-il compressible alors que les liquides et les solides ne le sont pratiquement pas ? 10 Chacun des trois états de la matière a des particularités quant à la forme, au volume, à la compressibilité et aux possibilités qu’ont les particules d’une substance LES PARTICULARITÉS DES ÉTATS DE LA MATIÈRE de se déplacer les unes par Particularités Comportement Forme Volume Compressibilité rapport aux autres. Décrivez États de des particules la matière ce qui est propre à chacun Solide des états de la matière. Reproduisez le tableau Liquide ci-contre et remplissez-le. Gaz

L’ u n i v e r s

34

matériel

Les propriétés caractéristiques

PAGES 16 À 31

11 Vous désirez fabriquer un emballage pour des aliments congelés qui devront cuire à 200 °C. L’emballage doit pouvoir aller au four. Sur quelle propriété caractéristique devrez-vous baser votre choix du matériau ? Expliquez votre choix. 12 Il y a deux liquides incolores à la température ambiante. Vous ne pouvez les différencier instantanément ni par leur goût ni par leur odeur. a) Quelles propriétés caractéristiques vous permettraient de les identifier ? b) Choisissez une des propriétés caractéristiques que vous venez d’énumérer et expliquez brièvement comment vous feriez le test pour mesurer cette propriété. 13 Pour assurer une bonne croissance aux plantes, on leur fournit souvent de l’engrais. Cet engrais est une poudre composée de divers minéraux. On mélange ces minéraux dans l’eau et on arrose la plante. a) Donnez une propriété caractéristique importante que doivent avoir ces minéraux. b) Une fois les minéraux mélangés dans l’eau, on y trempe un papier rouge de tournesol et il vire au bleu. Quelle conclusion peut-on tirer à propos du pH du mélange ?

Chapitre 1

35

Les propriétés de la matière

Les secrets du métier

1.61

1.62

La pharmacienne doit connaître les propriétés des médicaments.

Le technicien de laboratoire doit utiliser des mesures précises de volume et de masse.

Dans la vie de tous les jours, nous avons à estimer ou à mesurer certaines propriétés de la matière comme la masse, le volume, la température, la solubilité, etc. Plusieurs métiers font appel à une bonne connaissance de la matière, de ses propriétés caractéristiques et non caractéristiques, ainsi qu’aux mesures de ces propriétés. Par exemple, le métier de cuisinier nécessite la mesure de masses, de volumes et de températures précises. Les bijoutiers-joailliers doivent connaître les propriétés caractéristiques des pierres et des métaux précieux. Pour pratiquer ces métiers, un diplôme d’études professionnelles (D.E.P.) est requis.

1.63

Le soudeur doit connaître les propriétés des métaux.

Au cégep, plusieurs techniques demandent un usage constant des propriétés de la matière. Par exemple, les décorateurs étalagistes (personnes qui décorent les vitrines des magasins) et les décorateurs d’intérieurs doivent bien connaître les propriétés des matériaux qu’ils utilisent. Ils doivent harmoniser les masses, les volumes, les textures et les couleurs. À la suite de ces études, on obtient un diplôme d’études collégiales (D.E.C.). À l’université, le domaine de la nutrition demande l’utilisation de mesures précises des masses, des volumes et des autres propriétés de la matière. Les domaines du génie civil et du génie de la construction amènent les ingénieurs à appliquer leurs connaissances des propriétés de la matière à toutes sortes de constructions.

L’ u n i v e r s

36

matériel

Voici quelques métiers où l’on utilise les différentes propriétés de la matière, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers. MÉTIERS OÙ L’ON EXPLOITE LES DIFFÉRENTES PROPRIÉTÉS DE LA MATIÈRE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études secondaires collégiales universitaires • Ingénieurs civils

• Cuisiniers

• Technologues en transformation des aliments

• Carrossiers

• Techniciens de laboratoire

• Pharmaciens

• Ferblantiers

• Technologues en transformation des matériaux

• Diététistes

• Bijoutiers-joailliers

• Soudeurs

• Designers d’intérieurs

• Ingénieurs des matériaux

• Physiciens

• Joailliers

Profession : ingénieur civil ou ingénieure civile Le génie civil est la plus ancienne discipline de l’ingénierie. Il y a à peine quelques décennies, la quasi-totalité des ingénieurs étaient des hommes. Aujourd’hui, de plus en plus de femmes vont joindre leurs rangs. On verra les ingénieurs sur les chantiers suivants : • ponts, barrages, tours de télécommunication ; • bâtiments résidentiels, commerciaux, administratifs ou industriels ; • infrastructures de production et de distribution de l’énergie, de l’eau et des autres ressources naturelles ; • voies de communication et infrastructures de transport. Les ingénieurs civils sont appelés à travailler en collaboration avec les architectes, les dessinateurs, les gérants de projets. Ils sont responsables de la qualité des travaux et de l’application des diverses normes. Ils doivent être capables de réflexion globale et de créativité, avoir des préoccupations à la fois techniques et sociales. Ils doivent définir, maîtriser et résoudre des problèmes dans un environnement complexe.

1.64

L’ingénieure civile doit maîtriser les lois de la physique et de la chimie. Elle doit avoir une solide connaissance des sciences de la terre, de l’eau et de l’environnement. Elle utilise continuellement les propriétés de la matière, elle les mesure, les évalue et les teste.

37

Dans votre

Pas dans ma cour ! 1.65

par Annie Cloutier

Les dépotoirs débordent.

Puisqu’il n’y a plus de place dans les grandes villes pour mettre les déchets, on agrandit les sites d’enfouissement qui sont à l’extérieur des zones urbaines. Mais les citoyens de petites villes comme Matane, Lachenaie et Sainte-Sophie s’y opposent vigoureusement. Ils refusent que leur ville devienne la poubelle du Québec ! Les gens qui habitent près des dépotoirs se plaignent des odeurs désagréables qui s’en dégagent, de la poussière soulevée par les bennes à ordures et du bruit constant qu’elles font. Ils craignent également que les dépotoirs contaminent les cours d’eau et aient des effets néfastes sur leur santé. Parce que les déchets polluent, les conseillers municipaux de la ville de Bonne-Volonté veulent trouver une façon écologique et économique de s’en débarrasser et de garder leur municipalité propre. Ils ont donc décidé de sillonner le Québec pour recueillir de l’information sur la gestion des déchets. Ils ont découvert qu’il y avait plusieurs façons de traiter les déchets, et que ces façons comportaient des avantages, mais aussi des inconvénients.

L’ u n i v e r s

38

matériel

Le recyclage

L’incinération t dans des On élimine les déchets en les brûlan 1000 °C. fours spéciaux, à une température de

On convertit les objets usagés en matières brutes et on utilise ces matières brutes pour fabriquer de nouveaux produits.

Avantage :

Avantage :

récupérée La chaleur produite par les fours est cité. et peut servir à fabriquer de l’électri

En récupérant des matériaux pour en faire de nouveaux produits, on économise les ressources naturelles.

Sauf que...

duit de la • La combustion de ces déchets pro ) ainsi cendre (dont une partie est toxique rcure que des gaz polluants comme le me pluies et l’oxyde d’azote (responsable des de la sse acides et du smog). On se débarra cendre non toxique en l’enfouissant.

Sauf que... • Pour rincer les vieilles boîtes de conserve qui seront recyclées, on gaspille de l’eau potable. Pour transporter ces boîtes de conserve jusqu’aux usines de recyclage, on utilise des camions qui polluent l’atmosphère.

nérés • Une grande partie des déchets inci e. pourrait être récupérée ou recyclé

• Les objets souillés ou les objets qui contiennent des substances dangereuses ne sont pas recyclables. • Parfois, on ne sait pas quoi faire de certains matériaux récupérés. Il n’existe pas d’entreprises pour les convertir en objets utiles.

Le réemploi

• Le recyclage a ses limites. Entre 2000 et 2002, on a récupéré moins de la moitié (42 %) du contenu de nos sacs verts. Et la quantité de déchets que nous produisons ne cesse d’augmenter !

On peut réparer ce qui est endomma gé, trouver de nouvelles utilisations aux vieu x objets ou participer à une grande vente-déba rras communautaire (les « éco-fêtes » de qua rtiers). On se débarrasse ainsi de ses jouets de bébé, de ses vêtements trop petits, des bandes dessinées qu’on ne lit plus, etc.

• Cela coûte actuellement 50% plus cher de recycler des déchets que de les enfouir ou de les incinérer.

Avantage : D’autres profitent de biens ou d’ob jets dont on ne se sert plus.

Sauf que... • Que fait-on des objets toxiques, souillés ou qu’on ne peut réparer ?

1.66

Les déchets qui seront recyclés sont d’abord triés à la maison.

Chapitre 1

39

Les propriétés de la matière

Le compostage

L’enfouissement dans un dépotoir

s peuvent Dans certaines villes, les citoyen es de repas, déposer du gazon coupé, des rest dans des des feuilles mortes et du bran de scie chez eux. contenants spéciaux situés près de

Pour plusieurs, c’est la façon la plus simple et la plus rapide de se débarrasser des déchets.

Avantage : On peut récupérer le biogaz qui se dégage des matières en décomposition pour produire de l’électricité. Ce biogaz est composé principalement de méthane et de gaz carbonique (CO2).

Avantage :

omposer Les bactéries se chargeront de déc e une ces déchets organiques pour en fair post ». espèce de terre riche appelée « com ins et Ce compost améliorera le sol des jard des cultures.

Sauf que... • Les bactéries qui digèrent les cartons de pizzas et les autres déchets organiques (déchets de jardinage, épluchures de pommes de terre, papier absorbant, etc.) produisent des gaz, le méthane et le gaz carbonique (CO2). Le méthane, en plus d’être explosif, est 20 fois plus nuisible que le CO2. Et, tout comme le CO2, le méthane empêche la chaleur produite par les rayons solaires de s’échapper de l’atmosphère. Ce qui augmente l’effet de serre. Et l’effet de serre augmente la température moyenne de la planète !

Sauf que...

des odeurs • Plusieurs personnes croient que tage sont liées au processus de compos à et que l’entreposage des substances pace. composter demande beaucoup d’es les On préfère donc continuer à remplir dépotoirs. assent les • Il faut payer les travailleurs qui ram . Et cela matières destinées au compostage est coûteux.

• L’eau de pluie, qui traverse les couches de déchets en décomposition, se transforme en lixiviat. Le lixiviat est un liquide toxique qui peut contaminer les sources d’eau potable, les rivières et les lacs.

À vous de jouer ! Si vous étiez maire ou mairesse de la municipalité de Bonne-Volonté, comment vous y prendriez-vous pour gérer les déchets ? En tenant compte des avantages et des inconvénients liés aux diverses façons de traiter les déchets, quelle façon utiliseriez-vous pour préserver l’environnement tout en satisfaisant les citoyens de la municipalité ? Serait-il possible de traiter tous les types de déchets de la même façon ? Faudrait-il plutôt trier les déchets selon le traitement qui leur sera réservé ? Seriez-vous prêt à dépenser plus d’argent pour traiter efficacement les déchets ?

L’ u n i v e r s

40

matériel

2

Chapitre

Les transformations de la matière 2.1

La matière peut subir de nombreuses transformations. Par exemple, l’eau qui a servi à construire un château de glace ou à façonner une sculpture n’a pas toujours existé à l’état solide. À l’état liquide, elle a circulé dans le réseau d’aqueduc ou dans un cours d’eau. Avant d’être liquide, elle se trouvait peut-être sous forme de vapeur dans l’atmosphère. Tout au long de son cycle, l’eau subit de nombreuses transformations. Elle passe de l’état solide à l’état liquide et à l’état gazeux, tout en restant de l’eau. Sa nature ne change pas. De même, un morceau de sucre peut subir des transformations sans que sa nature change. Si l’on fait chauffer doucement un morceau de sucre, il va fondre et devenir liquide. Si l’on met un morceau de sucre dans l’eau, il va se dissoudre et semblera disparaître. Ces deux transformations ont modifié certaines propriétés non caractéristiques du sucre : le morceau de sucre a vu sa température augmenter, il a perdu sa forme solide et sa couleur. Malgré ces transformations, la nature du sucre est toujours la même. Le sucre, qu’il soit liquide, solide ou dissous dans l’eau, a toujours le même goût.

Chapitre 2

2.2

41

Les transformations de la matière

D’autres transformations modifient la nature des substances. Par exemple, un morceau de papier que l’on fait brûler ne conservera pas sa nature. Une fois brûlé, le papier ne sera plus du papier, mais de la cendre. Et la cendre n’a pas les mêmes propriétés que le papier.

Une transformation est un changement qui modifie une des propriétés d’une substance. Mais la matière ne se transforme pas d’ellemême. Pour qu’une substance soit transformée, elle doit subir une influence extérieure comme un changement de température, un changement de pression ou un contact avec une autre substance. Ainsi, la glace fond parce que la température monte au-dessus de 0 °C. Le sucre fond parce qu’il est chauffé. Il se dissout parce qu’il entre en contact avec l’eau. Les transformations qui ne modifient pas la nature des substances sont des changements physiques. Dans le présent chapitre, vous verrez deux types de transformations qui ne changent pas la nature des substances : les changements de phase et les mélanges. Ces transformations sont généralement réversibles, c’est-à-dire qu’il est possible de revenir à la situation de départ. Nous vous ferons également découvrir les solutions qui sont, en fait, un type de mélange. Puis, vous apprendrez comment on arrive à séparer les constituants d’un mélange.

2.3

La matière peut donc subir de nombreuses transformations. La forme, l’apparence, l’état, la couleur et même la nature d’une substance peuvent changer à la suite d’une transformation.

2.4

D’immenses blocs de glace se détachent du glacier Perito Moreno (en Argentine), tombent dans le lac et fondent lentement.

L’ u n i v e r s

42

matériel

LABO 6

1 Les changements de phase Les changements de phase constituent le premier type de transformation que nous étudierons. Ils sont produits par une variation de température. Comme ils ne changent pas la nature des substances, les changements de phase sont des changements physiques.

L’eau n’est pas la seule substance qui peut changer de phase. Plusieurs substances peuvent passer d’une phase à une autre. Sous l’effet de la chaleur, les métaux peuvent passer de la phase solide à la phase liquide, puis à la phase gazeuse. La même chose se produit pour les composantes de l’air. L’oxygène, qui est gazeux à des températures ordinaires, devient liquide ou solide à des températures très basses.

Chaque substance existe généralement à l’état solide, liquide ou gazeux. Quand la glace devient de l’eau, puis de la vapeur d’eau, on assiste à des changements de phase. L’eau passe alors de la phase solide à la phase liquide, puis à la phase gazeuse.

Chaque passage d’une phase à une autre porte un nom particulier, comme le montre le schéma ci-dessous.

Les mots « phase » et « état » sont utilisés pour désigner les trois formes que la matière peut adopter (solide, liquide et gazeuse). Toutefois, lorsqu’il est question du passage d’une forme à une autre (c’est-à-dire d’un changement de phase), on utilise davantage le mot « phase ».

LES CHANGEMENTS DE PHASE Phase gazeuse Su bli ma tio Co n nd en sa tio ns oli de

ide iqu nl tio sa en nd ion at Co ris po Va

Vous avez probablement déjà vu un paysage où l’eau est présente sous les trois états ou les trois phases de la matière : • la phase solide (la glace et la neige, laquelle est composée de petits cristaux de glace) ; • la phase liquide (l’eau) ; • la phase gazeuse (la vapeur d’eau).

Fusion

Phase solide

Solidification

2.5

L’eau existe sous plusieurs états.

Chapitre 2

43

Les transformations de la matière

Phase liquide

1.1 La fusion et la solidification

1.2 La vaporisation et la condensation liquide

Le passage de la phase solide à la phase liquide est la fusion. À l’inverse, le passage de la phase liquide à la phase solide est la solidification.

Le passage de la phase liquide à la phase gazeuse est la vaporisation. À l’inverse, le passage de la phase gazeuse à la phase liquide est la condensation liquide.

Fusion

Phase solide

Solidification

Vaporisation

Phase liquide Phase liquide

La glace que l’on fait suffisamment chauffer se transforme en eau : c’est la fusion. À l’inverse, l’eau suffisamment refroidie se transforme en glace : c’est la solidification.

Phase gazeuse

Le passage de la phase liquide à la phase gazeuse (la vaporisation) peut se faire de deux façons : par ébullition et par évaporation. Ainsi, l’eau qui bout se transforme en vapeur d’eau : c’est l’ébullition. L’eau liquide peut également se transformer lentement en vapeur d’eau, sans bouillir : c’est l’évaporation. Cette dernière transformation se produit, par exemple, lorsqu’on fait sécher son linge à l’air.

La température à laquelle se fait le passage de la phase solide à la phase liquide est le point de fusion.

Comment mesurer le point de fusion? Boîte à outils

Condensation liquide

À l’inverse, la vapeur d’eau qui est suffisamment refroidie se transforme en eau liquide : c’est la condensation liquide. Cette vapeur d’eau s’est condensée. On la voit sous forme de buée à l’intérieur du couvercle d’une marmite ou sur les fenêtres de la cuisine lorsqu’on fait bouillir un aliment.

Page 271

La fusion et la solidification sont des changements de phase très utilisés dans les industries de la métallurgie, du plastique et du verre. Plusieurs objets d’usage courant ont été fabriqués à partir d’un matériau (métal, plastique ou verre) qui a d’abord été fondu, puis coulé dans un moule et enfin refroidi.

La température à laquelle se fait le passage de la phase liquide à la phase gazeuse est le point d’ébullition.

Comment mesurer le point d’ébullition? Boîte à outils Page 272 2.6

La technique du soufflage de verre consiste à recueillir le verre en fusion à l’extrémité d’une canne creuse. Pour que le verre puisse être travaillé, la température du fourneau doit être d’au moins 1000 °C.

2.7

La vaporisation est un phénomène très répandu en cuisine. Par exemple, on fera mijoter doucement une sauce pour que s’évapore l’excès d’eau.

L’ u n i v e r s

44

matériel

Anders Celsius :

Point de mire

un thermomètre à l’envers ! Chez les Celsius, la science est une affaire de famille. Anders Celsius est né en 1701 à Uppsala, en Suède. Il fut professeur d’astronomie, comme son père et ses deux grands-pères. À l’âge de 31 ans, Anders Celsius entame un voyage de quatre années qui le conduira dans les grands observatoires européens de l’époque. Il s’intéresse particulièrement aux aurores boréales. Il est le premier à relier le phénomène des aurores à des causes magnétiques. En 1737, il participe à une expédition en Laponie (région qui couvre le nord de la Norvège, de la Suède, de la Finlande et une partie de la Russie), dirigée par le mathématicien Pierre Louis Maupertuis. Cette expédition viendra confirmer l’idée du scientifique Isaac Newton (1642-1727), qui croyait que la Terre était aplatie aux pôles.

2.8

C’est parce qu’il s’intéresse aussi à la météorologie que Celsius élabore, en 1742, un thermomètre à mercure dont l’échelle est divisée en 100 parties égales. Sur son thermomètre, 0 marque le point d’ébullition de l’eau et 100, le point de congélation. Ce qui est l’inverse des thermomètres actuels ! Anders Celsius meurt de tuberculose en 1744. Après sa mort, l’échelle de son thermomètre sera inversée. Elle adoptera sa forme actuelle où le 0 marque le point de congélation de l’eau et 100, son point d’ébullition.

1.3 La sublimation et la condensation solide Le passage direct de la phase solide à la phase gazeuse, sans passer par la phase liquide, est la sublimation. À l’inverse, le passage direct de la phase gazeuse à la phase solide, sans passer par la phase liquide, est la condensation solide.

Le passage direct de la phase solide à la phase gazeuse (la sublimation) est un phénomène difficilement observable parce qu’il est souvent lent. Ainsi, un glaçon laissé au congélateur durant plusieurs semaines diminuera de volume sans avoir fondu. Une partie de l’eau se sera sublimée.

Sublimation

Les boules de naphtaline (ou boules antimites), les désodorisants d’atmosphère et certains produits qui dégagent des odeurs d’ambiance sont des solides

Phase solide

Condensation solide

Phase gazeuse

Chapitre 2

45

Les transformations de la matière

qui se subliment. Ils passent directement de la phase solide à la phase gazeuse. On perçoit ce passage par l’odeur qui se dégage. À l’inverse, le passage direct de la phase gazeuse à la phase solide (la condensation solide) est la transformation instantanée d’un gaz en un solide, par exemple la vapeur d’eau qui se transforme en glace. C’est ce qui se produit par grand froid lorsque la vapeur d’eau de votre haleine gèle instantanément. 2.9

La « fumée blanche » que l’on voit ici est faite de microscopiques particules de glace. Ces particules de glace proviennent de la vapeur d’eau de l’haleine qui gèle instantanément.

Savez-vous que…

?

• Depuis toujours, on utilise la méthode du séchage (ou la déshydratation) pour conserver les aliments. On sèche ainsi des dattes, des raisins, des pruneaux et des tomates. Dans les pays où le climat est propice, on fait sécher les aliments au soleil. Le soleil fait évaporer l’eau des aliments. • Pour fabriquer des aliments lyophilisés, c’est-à-dire séchés à froid, on commence par congeler les aliments. L’eau qu’ils contiennent se transforme ainsi en glace. Ensuite, on place les aliments dans un cylindre où l’on fait le vide pour que la glace des aliments se sublime (la glace passe alors de la phase solide à la phase gazeuse). Une fois que toute la glace est sublimée, les aliments sont secs. On les retire alors du cylindre et on les place dans des sachets. Pour les manger, il suffira d’ajouter de l’eau bouillante. Plusieurs repas-minute ou repas de camping sont ainsi préparés.

L’ u n i v e r s

2.10

Dans certains pays, on fait sécher les raisins au soleil.

46

matériel

2 Les mélanges 2.1 Les mélanges hétérogènes

Les mélanges constituent le deuxième type de transformation que nous étudierons. Ils sont produits par le contact d’une substance avec une autre substance (par exemple, du sel avec de l’eau). Comme ils ne changent pas la nature des substances, les mélanges sont des changements physiques. Ainsi, si l’on met du sel dans de l’eau, le sel va se dissoudre et semblera disparaître. Il changera donc d’aspect, mais non de nature.

Il est parfois possible de distinguer les substances qui composent un mélange (par exemple, un mélange de sable et de cailloux). Observez de nouveau la photo 2.11. Pouvez-vous dire dans quels mélanges on peut distinguer les diverses substances ? On peut distinguer les substances qui composent le mélange de céréales et de lait. On dit alors que ce mélange est hétérogène.

Si vous observez la photo 2.11, vous y verrez des aliments et des boissons qui sont des mélanges. Pouvez-vous dire lesquels de ces mélanges forment des mélanges solides ? Lesquels forment des mélanges liquides ?

2.11

Un ensemble de mélanges solides et de mélanges liquides.

Un mélange hétérogène est composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caracté ristiques d’un mélange hétérogène est que l’on peut distinguer ses différents constituants. Un mélange hétérogène a donc plusieurs phases (solide, liquide ou gazeuse) visibles.

Vous avez probablement répondu que le pain aux raisins et le fromage marbré sont des mélanges solides. Le thé et la boisson gazeuse sont des mélanges liquides. Le bol de céréales et la vinaigrette sont à la fois des mélanges liquides et des mélanges solides. Il y a également un mélange gazeux qui entoure cet ensemble. En effet, l’air qui entoure l’ensemble est un mélange gazeux composé d’azote, d’oxygène et d’autres gaz.

Par exemple, le pain aux raisins est un mélange hétérogène. On distingue deux constituants : la pâte et les raisins. Le mélange a deux phases solides qui sont facilement visibles. Le mélange a aussi une autre phase qui est moins visible : la phase gazeuse (les bulles d’air qui sont dans la pâte). Le bol de céréales est un mélange hétérogène qui a deux

Un mélange est une association de plusieurs substances. Les propriétés d’un mélange dépendent des substances qui le composent.

Chapitre 2

47

Les transformations de la matière

phases bien visibles : la phase liquide (le lait) et la phase solide (les céréales). La boisson gazeuse est un mélange hétérogène, car on y distingue une phase liquide et une phase gazeuse (les bulles). La vinaigrette est un mélange hétérogène, puisqu’il y a plein de particules en suspension qui sont visibles. La vinaigrette possède donc des phases liquides et des phases solides. Le fromage marbré est un mélange hétérogène. On y distingue les deux phases solides qui sont de couleurs différentes.

2.12

Dans un mélange hétérogène, les particules des divers constituants (représentées ici par des billes rouges et des billes bleues) ne sont pas distribuées uniformément. Les propriétés du mélange ne sont pas identiques dans toutes les zones du mélange.

Alfred Bernhard Nobel :

Point de mire

un mélange explosif ! Alfred Bernhard Nobel est né en 1833 à Stockholm, en Suède. Pour son père, la connaissance des langues est importante. Alfred Nobel apprendra donc cinq langues : le français, l’anglais, l’allemand, le russe et… le suédois. Il s’intéressera tout autant à la littérature qu’à la physique et à la chimie.

2.13

Lors d’un séjour en Italie, Alfred Nobel fait la connaissance d’Ascanio Sobrero, l’inventeur de la nitroglycérine. Cette substance, semblable à une huile jaune, est en fait un mélange liquide hautement explosif qu’on ne sait pas manipuler à l’époque. De retour chez lui, Nobel commence une série d’expériences dans le but de développer une version moins dangereuse du mélange explosif. Au cours de ses expériences, il mélange la nitroglycérine avec diverses substances. Plusieurs explosions surviennent, dont une au cours de laquelle son frère perd la vie. Un jour, Nobel s’aperçoit que la nitroglycérine se transforme en pâte facile à utiliser lorsqu’elle est mélangée à de la terre de diatomée (fossiles de coquillages microscopiques). Il découpe alors cette pâte en bâtons. La dynamite était née… Nobel fait breveter son invention et devient très riche. Alfred Nobel meurt en 1896. Célibataire, il laisse une immense fortune qu’on devra employer, selon ses dernières volontés, pour créer la fondation Nobel. Cette fondation sera chargée de distribuer chaque année cinq prix prestigieux, les prix Nobel. Ces prix seront remis à des personnes qui ont joué un rôle important dans les domaines de la physique, de la médecine, de la chimie, de la littérature et de la paix.

L’ u n i v e r s

48

matériel

2.2 Les mélanges homogènes Il peut être impossible de distinguer les constituants d’un mélange (par exemple, un mélange d’eau et de sel). Observez de nouveau la photo 2.11, à la page 47. Pouvez-vous dire dans quel(s) mélange(s) on ne peut pas distinguer les divers constituants ?

2.15

Sur ce bloc de granit, on voit les constituants de la pierre qui sont de couleurs différentes.

On ne peut pas distinguer les différents constituants du thé (eau, thé infusé et sucre, peut-être). On dit alors que ce mélange est homogène. Un mélange homogène est composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caractéristiques d’un mélange homogène est que l’on ne peut pas distinguer ses différents constituants. Un mélange homogène n’a donc qu’une phase (solide, liquide ou gazeuse) visible.

Il y a des mélanges qui sont trompeurs. Par exemple, la boisson gazeuse qui est en bouteille est un mélange homogène (une seule phase visible) quand la bouteille est bien fermée. On ne voit alors qu’un liquide sans bulles. Mais, dès qu’on enlève la capsule de la bouteille, des bulles apparaissent. La boisson gazeuse est alors un mélange hétérogène dans lequel on peut distinguer une phase liquide et une phase gazeuse.

Savez-vous que… • Les jus de fruits sont des mélanges composés de plus de 90% d’eau.

2.14

Dans un mélange homogène, les particules des divers constituants (représentées ici par des billes rouges et des billes bleues) sont distribuées uniformément. Les propriétés du mélange sont identiques dans toutes les zones du mélange.

• L’air que l’on respire contient environ 78 % d’azote, 21 % d’oxygène et 1 % de vapeur d’eau, de gaz carbonique et de quelques gaz rares.

Les objets sont également des mélanges. Par exemple, le verre dans lequel le thé a été versé (photo 2.11) est un mélange homogène de sable et d’autres minéraux. Il n’y a qu’une seule phase visible : la phase solide. De même, la cuillère qui est placée devant le verre est faite d’acier. Elle est donc un mélange homogène de fer, de carbone et de nickel. Il n’y a qu’une seule phase visible : la phase solide. Par contre, un bloc de granit (photo 2.15) est un mélange hétérogène, car il est fait de divers minéraux. Il a plusieurs phases solides qui sont visibles.

Chapitre 2

?

• Les pierres précieuses de diverses couleurs comme le rubis et le saphir sont composées du même minéral. Ce sont les impuretés présentes dans chaque pierre qui lui donnent sa couleur.

2.16

Le rubis est une pierre précieuse d’un rouge vif.

49

Les transformations de la matière

3 Des mélanges particuliers : les solutions un autre liquide (par exemple, l’eau et le vinaigre), le solvant est le liquide qui y est présent en plus grande quantité. L’autre liquide est le soluté.

Certains des mélanges présentés à la page 47 peuvent aussi être des solutions. Il s’agit du thé, qui est composé en grande partie d’eau, mais aussi de thé infusé et de sucre, peut-être, qu’on a fait dissoudre dans l’eau. La boisson gazeuse est aussi une solution. Lorsqu’elle est en bouteille, on ne voit qu’un liquide sans bulles. Mais une boisson gazeuse contient non seulement de l’eau en quantité importante, mais aussi du sucre, du gaz et des saveurs artificielles dissoutes dans l’eau.

Les propriétés d’une solution varient en fonction des substances qui la composent et des proportions de ces substances dans la solution. Il y a une limite à la quantité de soluté qu’on peut faire dissoudre dans une quantité de solvant. On dit qu’une solution est « saturée » lorsqu’elle contient le maximum de soluté qui peut être dissous dans un solvant. Il existe des solutions en phase solide, en phase liquide et en phase gazeuse.

Les solutions ont une grande importance en science et dans la vie de tous les jours. Elles sont utilisées dans les laboratoires, en cuisine, en alimentation, dans les soins d’hygiène et les produits de nettoyage.

3.1 Les solutions en phase solide Dans une solution en phase solide, un solide est dissous dans un autre solide. Le mélange qui en résulte a des propriétés physiques nouvelles. C’est ce qui se produit dans le cas d’alliages de métaux.

Une solution est un mélange homogène dans lequel une substance ou plusieurs substances sont dissoutes dans une autre substance.

Le bronze (photo 2.17) est une solution de cuivre et d’étain. On s’en sert pour faire des cloches et des sculptures. Le cuivre et l’étain sont deux métaux relativement mous, qui résonnent peu quand on les frappe. Le bronze est dur et il résonne très bien.

La substance qui est dissoute est le soluté. Ce soluté est dissous dans une autre substance, le solvant. La solution est le mélange homogène du soluté et du solvant. Par exemple, si l’on fait dissoudre du sucre dans de l’eau, l’eau sera le solvant, le sucre dissous sera le soluté et le mélange « eau et sucre » sera la solution. Ce mélange aura des propriétés physiques nouvelles, mais la nature des substances qui le composeront ne changera pas. Le soluté d’une solution peut être solide (le sel dans l’eau de mer), liquide (l’alcool dans l’eau) ou gazeux (le gaz carbonique dans la boisson gazeuse). Si une solution est composée de deux liquides miscibles, c’est-à-dire d’un liquide qui se mêle avec

L’ u n i v e r s

2.17

50

matériel

3.3 Les solutions en phase gazeuse Dans une solution en phase gazeuse, un gaz est dissous dans un autre gaz. Par exemple, les bouteilles de plongée que l’on utilise pour aller en eaux très profondes sont remplies d’un mélange d’oxygène et d’hélium.

2.19

2.18

Ces objets métalliques sont des solutions en phase solide.

L’acier inoxydable (photo 2.18) est un mélange de fer, de chrome et de nickel dans lequel un peu de carbone est ajouté. Il résiste à la rouille. L’or (photo 2.19) des bijoux n’est jamais de l’or pur, mais un alliage d’or et d’autres métaux. En ajoutant un autre métal à l’or, on obtient un bijou qui résiste mieux à la déformation et à l’usure. Il est plus dur.

3.2 Les solutions en phase liquide 2.21

Dans une solution en phase liquide, un solide (sucre, sel, etc.), un liquide (alcool, huile, etc.) ou un gaz (CO2, air, etc.) est dissous dans un liquide. Ce liquide, le solvant, est généralement de l’eau. L’alcool ou un autre liquide peut également servir de solvant. Les solutions dans lesquelles l’eau est le solvant sont des solutions aqueuses.

Savez-vous que…

Le café, le thé, les jus et les boissons gazeuses sont des solutions dans lesquelles l’eau est le solvant. Divers solutés ont été dissous dans ce solvant (par exemple, du sucre et du gaz dans le cas des boissons gazeuses). Dans un aquarium, la pompe à air sert à dissoudre l’oxygène de l’air dans l’eau. C’est l’oxygène dissous dans l’eau que les poissons respirent. L’eau est le solvant et l’oxygène est le soluté.

• On peut dissoudre plus de sucre dans l’eau chaude que dans l’eau froide. Par contre, les gaz, comme le CO2, sont moins solubles quand le solvant est chaud.

2.20

Ce jus de pomme est une solution en phase liquide.

Chapitre 2

?

• Les bouteilles de plongée contiennent généralement de l’air ordinaire (un mélange d’azote et d’oxygène) comprimé. Mais pour faire de la plongée sous-marine en eaux très profondes, les plongeurs utilisent plutôt des bouteilles remplies d’un mélange d’oxygène et d’hélium. Pourquoi ? Parce que l’azote de l’air, sous la pression croissante de l’eau, se dissout dans le sang et cause une forme d’ivresse chez les plongeurs. De plus, lors de la remontée, l’azote peut former des bulles dans le sang des plongeurs et entraîner la mort.

51

Les transformations de la matière

LABO 7

4 La séparation des mélanges Il est fréquent qu’on doive séparer les constituants d’un mélange, que ce soit dans un laboratoire, dans l’industrie ou dans la vie de tous les jours. Comme les mélanges sont des transformations réversibles, on peut séparer les substances qui les composent en utilisant la technique appropriée. Par exemple, une fois la cuisson de pâtes alimentaires terminée, on sépare les pâtes de l’eau de cuisson avec un tamis. Pour faire un café filtre, on utilise un filtre en papier qui va retenir le café moulu et laisser passer l’eau. Pour récupérer le sucre de la sève de l’érable, on fait bouillir la sève pour que l’eau s’évapore.

Voici les principales techniques utilisées pour séparer les constituants d’un mélange.

La décantation Boîte à outils

Pages 273 et 274

Les techniques qui sont utilisées pour séparer les constituants d’un mélange dépendent de la nature du mélange, de ses constituants, du degré d’efficacité recherché et de nombreux autres facteurs, tels que la rapidité d’exécution et le coût de l’équipement.

2.23

La décantation permet de séparer les phases d’un mélange.

Principe La décantation permet aux constituants d’un mélange hétérogène de se séparer sous l’action de la gravité. Cette séparation peut être plus ou moins longue selon les constituants (solides, liquides) qui sont présents dans le mélange. Lorsque la séparation entre les différentes phases du mélange devient évidente, on fait passer doucement le liquide dans un autre récipient. Utilité On utilise souvent cette technique pour séparer les constituants solides des constituants liquides ou encore deux constituants liquides qui sont non miscibles (comme l’eau et l’huile).

2.22

On peut séparer les constituants de ce mélange en utilisant la technique appropriée.

L’ u n i v e r s

52

matériel

La centrifugation Boîte à outils

Le tamisage Boîte à outils

Pages 274 et 275

Page 275

Principe Le tamisage consiste à faire passer le mélange à travers un tamis qui a des trous de grosseur déterminée. Cette technique permet de séparer les constituants solides d’un mélange selon leur grosseur. Utilité On utilise cette technique pour séparer des mélanges hétérogènes qui ont plusieurs phases solides. On sépare ainsi les plus grosses particules des plus fines.

2.24

La centrifugation est une technique de séparation très rapide.

Principe La centrifugation repose sur le même principe que la décantation, sauf que le mélange est placé dans un appareil qui tourne à grande vitesse. On appelle cet appareil une « centrifugeuse ». Comme le mélange tourne à grande vitesse, la séparation des constituants est beaucoup plus rapide et plus efficace que si elle se faisait par décantation. Lorsque les constituants du mélange sont séparés, on procède comme pour la décantation : on fait passer doucement le liquide dans un autre récipient.

2.26

Le tamisage permet de séparer, selon leur grosseur, les constituants solides d’un mélange en employant un ou plusieurs tamis.

La filtration Boîte à outils

Principe La filtration consiste à faire passer un mélange à travers un filtre, habituellement en papier. Le filtre retient les constituants solides et laisse passer les constituants liquides. Le filtre est choisi selon la grosseur des particules solides qui sont à retenir.

Utilité On se sert souvent de cette technique pour séparer les constituants solides des constituants liquides ou deux constituants liquides qui sont non miscibles. Quand on ne peut pas attendre que la séparation des constituants se fasse par décantation ou par filtration, on utilise la centrifugation.

Utilité On utilise souvent cette technique pour séparer les constituants solides des constituants liquides dans les mélanges hétérogènes. 2.27

La filtration permet de faire passer un liquide à travers un filtre de façon à retenir les constituants solides.

2.25

Chapitre 2

Page 276

53

Les transformations de la matière

L’évaporation Boîte à outils

La distillation Boîte à outils

Page 276

Pages 277 et 278

Principe La distillation consiste à faire chauffer un mélange jusqu’à ébullition afin de récupérer les gaz produits. On refroidit ensuite ces gaz dans un tube réfrigérant pour les liquéfier. Utilité On utilise cette technique pour séparer les solutés des solvants dans des solutions en phase liquide et pour récupérer les phases liquides des mélanges hétérogènes.

2.28

L’évaporation permet de récupérer le constituant solide d’un mélange.

Principe L’évaporation consiste à laisser le constituant liquide du mélange s’évaporer à la température ambiante. On récupère ensuite le solide.

Tube réfrigérant

Utilité On utilise souvent cette technique pour récupérer le constituant solide d’un mélange hétérogène ou le soluté solide d’une solution. On se sert de l’évaporation quand on risque de détériorer le constituant solide en faisant trop chauffer le mélange.

Ballon de récupération

Mélange

2.30

La distillation permet de récupérer les constituants liquides d’un mélange.

2.29

L’ u n i v e r s

54

matériel

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. Des aliments déshydratés

Des pistes à explorer

Plusieurs aliments que vous consommez ont été déshydratés afin de mieux se conserver (par exemple, les repas-minute, les fruits séchés, etc.). Choisissez un ou plusieurs aliments et tentez de les déshydrater.

2.31

• La grosseur ou l’épaisseur de l’aliment est-elle importante ? • La quantité d’eau que l’aliment contient est-elle importante ? • Faut-il cuire l’aliment ? • Pourriez-vous utiliser une autre source d’énergie que le soleil pour déshydrater votre aliment ? • Comment faire pour empêcher les microbes, les moisissures, la poussière et les insectes d’entrer en contact avec l’aliment durant la déshydratation ?

2. La fabrication d’une boisson en poudre Il existe du café en poudre, des boissons aux fruits en poudre, du lait en poudre…, bref, toutes sortes de boissons en poudre ! Choisissez une boisson quelconque et essayez de la réduire en poudre.

Des pistes à explorer • Si l’on fait chauffer trop fort la boisson, son aspect changera-t-il ? Son goût changera-t-il ? • Comment s’y prend-on, dans l’industrie, pour réduire une boisson en poudre ? • Cette expérience serait-elle plus difficile à réaliser avec certaines boissons, voire impossible ? • Comment réduit-on un objet solide en poudre ? • Pourriez-vous revenir à la boisson d’origine en utilisant la poudre que vous avez obtenue ?

Chapitre 2

55

Les transformations de la matière

3. Le dessalement de l’eau de mer Sur Terre, l’eau douce est rare. On estime qu’environ 2,8 % seulement de l’eau disponible sur la planète est douce. Par contre, l’eau salée est abondante, mais le sel qu’elle contient la rend impropre à la consommation et à l’arrosage des plantes. Il y a des pays où l’on manque cruellement d’eau. Des tentatives ont été faites dans certains pays pour enlever le sel de l’eau de mer. Trouvez, à votre tour, une façon d’enlever le sel de l’eau de mer.

Des pistes à explorer • Comment peut-on séparer l’eau du sel qui y est dissous ? • Comment peut-on récupérer la vapeur d’eau pour la rendre liquide ? • Pourriez-vous utiliser le soleil comme source d’énergie pour enlever le sel de l’eau de mer ? 2.32

4. Une crème 35 %… sans gras ! Le lait et la crème contiennent un certain pourcentage de gras. Dans les supermarchés, on peut acheter du lait qui contient 1%, 2% ou 3,25% de matière grasse. On peut aussi se procurer de la crème contenant 10%, 15% ou 35% de matière grasse. Vous devez trouver une façon de retirer les particules de matière grasse de la crème 35 %.

Des pistes à explorer • Autrefois le lait n’était pas homogénéisé, c’est-à-dire que le gras qu’il contenait n’était pas réduit en fines particules et mélangé au liquide. On attendait donc que les particules de matière grasse, plus légères que le lait, remontent à la surface du lait au repos. • Comment fabrique-t-on du beurre ? • Comment s’y prend-on pour obtenir du lait écrémé ou du lait qui ne contient que 1 % de matière grasse ?

L’ u n i v e r s

56

matériel

TOUT Les changements de phase

PAGES 43 À 46

1 Dans une usine, on fait chauffer de la poudre de plastique jusqu’à ce qu’elle soit liquide. On la verse ensuite dans un moule. Une fois le plastique refroidi, on obtient un objet qui a la forme du moule. Quels changements de phase ce processus suppose-t-il ? Répondez à la question en faisant un schéma semblable à celui de la page 44, où seront indiqués :

COMPTE

FAIT

• les différents états du plastique au cours du processus ; • les changements de phase observés. 2 Vous faites chauffer de l’eau pour cuire des pâtes. La vapeur d’eau produite se condense en buée sur les fenêtres de la cuisine. Quels changements de phase ce processus suppose-t-il ? Répondez à la question en faisant un schéma semblable à celui de la page 44, où seront indiqués : • les différents états de l’eau au cours du processus ; • les changements de phase observés. 3 En 2000, trois momies incas ont été découvertes en Argentine dans un état de conservation remarquable. Elles reposaient depuis cinq siècles sous 1,5 m de pierres. Il semblerait que les corps des trois personnes aient été immédiatement congelés après leur mort. Le froid, l’absence d’humidité et le manque d’oxygène auraient permis de bien préserver les corps. a) Comment se nomme le phénomène qui explique que les corps congelés ont perdu l’eau qui les composait ? b) Donnez un exemple où ce phénomène est utilisé dans l’industrie. 4 Par une journée d’été où le thermomètre indique 30 °C, vous désirez boire une boisson glacée. Comme vous voulez que la boisson reste glacée, vous sortez un verre du congélateur (qui est à une température de –18 °C). Vous remarquez que du givre s’est formé sur le verre. a) Comment peut-on expliquer la formation du givre sur le verre ? Nommez le ou les changements de phase que ce phénomène suppose. b) Après quelques minutes, vous constatez que des gouttelettes d’eau se forment sur le verre. Comment peut-on expliquer la formation de ces gouttelettes ? Nommez le ou les changements de phase que ce phénomène suppose.

Chapitre 2

57

Les transformations de la matière

PAGES 47 À 49

Les mélanges

5 Donnez trois exemples de mélanges hétérogènes. Décrivez chaque mélange en nommant ses constituants et les phases visibles. Vous pourriez noter vos réponses dans un tableau semblable à celui-ci : Mélanges hétérogènes

Phases visibles (solide, liquide, gazeuse)

Constituants

6 Donnez trois exemples de mélanges homogènes. Décrivez chaque mélange en nommant ses constituants. Vous pourriez noter vos réponses dans un tableau semblable à celui-ci : Mélanges homogènes

Constituants

Des mélanges particuliers : les solutions

PAGES 50 ET 51

7 Représentez, à l’aide d’un dessin semblable à celui de la page 49, les particules qui composent une solution d’eau salée. Accompagnez votre dessin d’une légende qui identifiera les composantes de la solution (solvant et soluté). 8 Le grog servait autrefois à traiter les rhumes et les grippes légères. C’était un mélange composé à moitié d’eau chaude sucrée et à moitié de vin et de rhum. Quels étaient le solvant et les solutés dans ce mélange ?

La séparation des mélanges

PAGES 52 À 54

9 Indiquez quelle technique vous utiliseriez pour séparer les constituants des mélanges suivants : a) l’eau et le sel de l’eau de mer ; b) du sable et des cailloux ; c) l’huile et le vinaigre d’une vinaigrette ;

d) les pépites de chocolat d’un biscuit ; e) du sable et du sel.

L’ u n i v e r s

58

matériel

Les secrets du métier

2.33

2.34

La chimiste fait des recherches en laboratoire sur les transformations de la matière dans le but d’obtenir un produit qui aura les caractéristiques désirées.

Les techniciens en pâtes et papiers doivent contrôler les procédés de fabrication du papier.

Les transformations de la matière font partie de notre quotidien, que ce soit dans l’environnement, dans l’industrie ou dans nos maisons. Pour exercer certains métiers, il est nécessaire d’avoir une bonne connaissance des transformations de la matière, des mélanges et des techniques utilisées pour faire la séparation des mélanges. À la page suivante, nous présentons quelques métiers où l’on utilise les transformations de la matière, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers.

2.35

La coiffeuse doit bien connaître les mélanges pour obtenir les couleurs qu’elle désire.

Chapitre 2

59

Les transformations de la matière

MÉTIERS OÙ L’ON EXPLOITE LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études secondaires collégiales universitaires • Cuisiniers

• Techniciens dentaires

• Biologistes médicaux

• Peintres

• Denturologistes

• Pharmaciens

• Plâtriers

• Techniciens d’analyse biomédicale

• Chimistes

• Mouleurs

• Technologues en transformation des produits forestiers

• Ingénieurs en biochimie

• Coiffeurs

• Technologues en pâtes et papier • Technologues en assainissement de l’eau

Profession : technologue en transformation des produits forestiers Après avoir obtenu un diplôme d’études collégiales, les technologues en transformation des produits forestiers pourront travailler dans l’industrie du bois. Ils pourront également travailler dans des usines qui transforment le bois pour en faire du bois de construction, du bois d’ébénisterie, du contreplaqué, des panneaux d’aggloméré. Les technologues en transformation des produits forestiers devront mettre en pratique et contrôler les diverses techniques de la transformation du bois comme le sciage, le rabotage, le déroulage, le séchage et le collage. Ils devront être capables d’interpréter des directives, de planifier le travail, d’analyser des procédés de transformation, de contrôler la qualité du produit et de communiquer de l’information. Ils devront aussi être en mesure de travailler en équipe et de résoudre des problèmes complexes. La formation, qui se donne dans les cégeps, dure trois ans. 2.36

Le technologue en transformation des produits forestiers doit contrôler les différentes étapes de la transformation du bois.

60

Dans votre

Peut-on vivre sans métaux ? par Raynald Pepin

2.37

Dans L’île mystérieuse, l’un des meilleurs romans de Jules Verne, cinq hommes font naufrage sur une île déserte après la défaillance de leur ballon dirigeable, en l’an 1865. Ils n’ont ni provisions ni outils.

Une mine d’amiante à ciel ouvert à Asbestos, au nord de Sherbrooke.

Un des cinq hommes est un ingénieur. Grâce à ses connaissances, les naufragés fabriquent des poteries, des briques, du fer et de l’acier, des outils, du savon, des bougies, du verre, un bateau et même un télégraphe électrique. En quelques mois, ces hommes revivent une partie de l’évolution technique de l’humanité depuis l’âge de pierre, tout en étant au cœur de nombreuses aventures ! Pour fabriquer des objets et des outils, on doit savoir transformer les matières premières comme l’argile, le fer, le charbon, le cuivre, etc. Pour ce faire, il faut d’abord trouver ces matériaux et les extraire. Comment obtient-on du fer et du cuivre ? Il y a des milliers d’années, c’était peut-être plus facile qu’aujourd’hui. On utilisait alors des métaux natifs (relativement purs) présents à la surface du sol. Mais ces gisements en surface sont épuisés depuis longtemps.

Chapitre 2

61

Les transformations de la matière

2.38

Le cuivre est utilisé dans la fabrication de plusieurs objets.

L’industrie minière La réponse à cette question n’est pas simple. On découvre encore de nouveaux gisements. Malgré cela, les réserves connues diminuent lentement alors que la demande en matières premières s’accroît. Bien sûr, on pourra exploiter des mines dans lesquelles la concentration des métaux utiles est plus faible. Mais les métaux produits coûteront alors de plus en plus cher.

Aujourd’hui, il faut creuser des mines. On obtient le cuivre, par exemple, à partir de la roche qui est extraite d’un gisement. Dans la roche, le cuivre est dispersé en petites particules et il est lié chimiquement à d’autres substances. La roche contient environ 1 % de cuivre. Isoler le métal est donc tout un défi technique ! La même chose se produit pour plusieurs minéraux et pour la plupart des métaux. Par exemple, les crayons à mine contiennent du graphite (une forme de carbone). Au Québec, il existe un gisement de graphite à Lac-des-Îles, dans les Laurentides. Pour obtenir une tonne de graphite, il faut déplacer environ 65 tonnes de roche ! De façon similaire, pour obtenir un diamant d’un carat dont le diamètre est d’environ 6 mm, il faut extraire, en moyenne, une centaine de mètres cubes de roche. Ce qui équivaut à environ trois fois le volume d’une chambre !

L’épuisement des ressources Il est sûr que la quantité de métaux disponibles sur Terre est limitée, ce qui soulève diverses questions. Que se passerait-il en cas de pénurie de métaux ? Peut-on éviter cette pénurie ? Devrait-on réduire notre consommation actuelle de métaux et de minéraux afin que les générations futures puissent en profiter ? Ira-t-on, dans un certain avenir, chercher des minéraux sur des astéroïdes, dans l’espace ? Est-ce que cela est possible ? Est-ce que cela serait rentable ?

La production minière nécessite énormément d’énergie. Elle génère aussi beaucoup de déchets. Et la situation ne s’améliorera pas, puisque les gisements les plus concentrés en métaux ont déjà été exploités. Risque-t-on, un jour, de manquer de matières premières ?

L’ u n i v e r s

L’épuisement des ressources minérales est ralenti par le recyclage. On récupère depuis longtemps une grande proportion des métaux. Le recyclage du cuivre et de l’aluminium demande de 10 à 20 fois moins

62

matériel

d’énergie que la production de ces métaux à partir de minerai. Voilà une bonne raison de ne pas jeter une canette d’aluminium à la poubelle !

Beaucoup de déchets miniers contiennent du soufre. Exposés à l’eau, à la surface d’un terril ou dans un parc à résidus, ces déchets libèrent un acide (le vinaigre et le jus de citron sont aussi des acides). Devenue très acide, l’eau dissout des métaux qui sont présents dans le sol. Et ces métaux dissous peuvent affecter fortement la faune et la flore aquatiques. Il est possible de réduire ou d’éliminer l’acidité en ajoutant un produit chimique à l’eau, mais cela ne règle pas tous les problèmes.

Les déchets miniers Dans tout cela, il faut aussi considérer les impacts de l’exploitation minière sur la santé et l’environnement. Par exemple, les mineurs et les gens qui vivent près des mines peuvent être exposés à des poussières minérales. Ces poussières minérales favorisent l’apparition des maladies pulmonaires. Chaque année, au Canada, l’industrie minière génère quelques centaines de millions de tonnes de résidus. Ces résidus pourraient remplir à peu près 50 fois le Stade olympique de Montréal. Les déchets rocheux sont entassés à l’extérieur des mines et forment ce qu’on appelle des « terrils ». Le traitement et la concentration du minerai produisent d’autres déchets, qui sont souvent liquides. On accumule ces liquides dans un parc à résidus miniers. Ce parc est un grand bassin d’où l’eau contaminée s’écoule après un séjour plus ou moins prolongé.

Qu’en pensez-vous ? La recherche des métaux, leur utilisation et leurs impacts demeureront toujours une préoccupation majeure. Est-ce qu’on peut envisager de remplacer les métaux ou de moins en utiliser ? Serait-il possible ou préférable, par exemple, d’utiliser plus de plastiques ou plus de bois ?

2.39

Des résidus de la mine de cuivre de Murdochville, en Gaspésie, à quelques pas des résidences.

Chapitre 2

63

Les transformations de la matière

l’

vivant

La vie est partout sur la planète : des glaces polaires aux déserts les plus torrides, des sommets de montagnes les plus élevés jusqu’aux profonds abysses des océans. On la rencontre sous des formes primitives (comme les bactéries) ou très complexes (comme les plantes et les animaux). La Terre existe depuis 4,5 milliards d’années. La vie y est apparue il y a environ 3,8 milliards d’années.

64

Sommaire Qu’est-ce que… la vie ? . . . . . . 66

CHAPITRE 3 La diversité de la vie . . . . . . . 67 1. L’espèce . . . . . . . . . . . . . . . 70 2. La taxonomie . . . . . . . . . . . . 74 2.1 Les règnes . . . . . . . . . . . 74 2.2 Les autres niveaux de classification . . . . . . . 78 3. Les populations . . . . . . . . . . 80 3.1 L’influence du milieu sur une population . . . . . 80 3.2 Les cycles de population . . . . . . . . 82 4. Les adaptations . . . . . . . . . . 83 4.1 Les adaptations physiques . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Les adaptations comportementales . . . . . 86

4.3 Comment se fait une adaptation ? . . . . . . . . . 86 5. L’évolution . . . . . . . . . . . . . 88 5.1 Les fossiles . . . . . . . . . . 88 5.2 Les étapes de l’évolution . . . . . . . . . . . 89 6. L’habitat . . . . . . . . . . . . . . 93 7. La niche écologique . . . . . . 96 7.1 Les producteurs . . . . . . 97 7.2 Les consommateurs . . . 97 7.3 Les décomposeurs . . . . 98 Investigations . . . . . . . . . . . . . 99 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 100 Les secrets du métier . . . . . . . 105 Dans votre univers . . . . . . . . . 107

CHAPITRE 4 Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces . . 109

65

1. Les caractéristiques d’un être vivant . . . . . . . . . 110 2. La cellule . . . . . . . . . . . . . 113 2.1 Les parties de la cellule visibles au microscope . . . . . . . . . 114 2.2 Les cellules végétales et animales . . . . . . . . . 116 3. La reproduction . . . . . . . . 117 3.1 La reproduction asexuée . . . . . . . . . . . . 118 3.2 La reproduction sexuée chez les végétaux . . . . . 121 3.3 La reproduction sexuée chez les animaux . . . . . 125 Investigations . . . . . . . . . . . . . 128 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 129 Les secrets du métier . . . . . . . 133 Dans votre univers . . . . . . . . . 135

Qu’est-ce que...

la vie ? Un être naît, se développe, grandit, se reproduit, vieillit et meurt. Mais pour les biologistes, ces différentes étapes ne suffisent pas à définir la vie. Selon eux, la vie est d’une telle diversité qu’il faut la voir comme un échange constant d’énergie et de matière entre les êtres vivants et leur milieu. Et pour mieux connaître les différentes formes de vie, les biologistes les classifient, étudient leur provenance et la façon dont elles ont évolué. Aucun être vivant n’est indépendant du milieu dans lequel il vit ni des autres êtres vivants qui habitent ce milieu. Les biologistes se penchent donc sur les relations entre les vivants et leur milieu, puis sur les relations complexes que les vivants ont entre eux. Ils s’intéressent aussi aux façons qu’ont les vivants de s’adapter à leur environnement. Les biologistes étudient également la reproduction des êtres vivants. Les vivants se reproduisent tous. Ils sont tous composés de cellules (éléments microscopiques). Mais le nombre de cellules, leurs formes et leurs fonctions sont extrêmement variables. La façon dont les êtres vivants se reproduisent pour perpétuer l’espèce diffère aussi. À une époque où l’être humain est capable de modifier artificiellement des formes de vie existantes, au moment où il étend ses recherches vers d’autres planètes, il est essentiel de mieux comprendre ce qu’est la vie. C’est ce que nous allons faire dans les pages qui suivent.

3.1

L’eau : source de vie.

L’ u n i v e r s

66

vivant

3

Chapitre

La diversité de la vie 3.2

Les monarques, papillons d’Amérique du Nord.

C’est à partir d’une érablière, c’est-à-dire d’une forêt constituée principalement d’érables, que nous aborderons la diversité de la vie. Les phénomènes qui se produisent dans une érablière sont semblables à ceux qui ont lieu dans la savane africaine, dans le désert des États-Unis ou sur une banquise du pôle Nord.

Des milliards de milliards d’êtres vivants vivent sur la Terre. La diversité est la caractéristique principale de la vie. Jusqu’à quel point les êtres vivants diffèrent-ils les uns des autres ? Quelles relations ontils entre eux ? Comment s’adaptent-ils à leur milieu ? Quelles relations ont-ils avec leur milieu ? Comment ont-ils évolué ? De quels outils disposons-nous pour pouvoir les étudier malgré leur infinie variété ? Voilà autant de questions auxquelles nous tenterons de répondre dans le présent chapitre.

Entrons dans cet univers où foisonne la vie.

67

3.3

3.4

Érable à sucre.

Écureuil gris.

3.5

Loup gris. 3.7

Gélinotte huppée. 3.6

Cerfs de Virginie. 3.8

Amanite tue-mouche.

3.11

Chien. 3.9

3.10

Protistes d’eau douce.

Grenouille des bois.

L’ u n i v e r s

68

vivant

3.12

3.13

Érable rouge.

Érable à épis. 3.14

Fourmi gâte-bois.

3.15

Ail des bois.

3.18

Couleuvre rayée. 3.16

3.17

Êtres humains.

Pleurote.

3.20

Moisissures. 3.19

3.21

Fougères.

Bactéries (dans le sol).

Chapitre 3

69

La diversité de la vie

1 L’espèce Si nous observons l’érablière présentée aux pages 68 et 69, nous pouvons y voir différents êtres vivants : des animaux, des végétaux, des champignons et des microbes. Il y a tant de diversité chez les êtres vivants que, pour les étudier, il faut regrouper ceux qui sont semblables. Si nous vous demandions de placer les êtres vivants de l’érablière dans des catégories, vous placeriez sûrement le cerf de Virginie et l’érable à sucre dans deux catégories distinctes. Peut-être seriezvous tentés de placer le loup et le chien dans la même catégorie parce qu’ils se ressemblent. Mais qu’en est-il exactement ? Quels êtres vivants faut-il placer dans une même catégorie ?

3.22

3.23

Un écureuil noir.

Un écureuil gris.

Observez bien le tableau ci-dessous. Nous y présentons quelques caractéristiques de ces trois écureuils. L’écureuil noir et l’écureuil gris se ressemblent. Mise à part la couleur du pelage, il n’y a pas beaucoup de différences entre ces deux écureuils. Par contre, l’écureuil roux est très différent de l’écureuil noir et de l’écureuil gris (couleur, longueur, poids, etc.). De plus, l’écureuil gris et l’écureuil noir peuvent s’accoupler et avoir des petits qui pourront, à leur tour, avoir des petits. L’écureuil roux ne peut pas s’accoupler avec l’écureuil noir ni avec l’écureuil gris.

Prenons comme exemple l’écureuil gris, l’écureuil noir et l’écureuil roux qui vivent tous trois dans une érablière. Ces écureuils peuvent-ils faire partie d’une même catégorie d’écureuils ? Lesquels de ces trois écureuils se ressemblent ? Lesquels sont très différents ?

LES CARACTÉRISTIQUES DE TROIS ÉCUREUILS Types d’écureuils Caractéristiques

Écureuil noir

Écureuil gris

Écureuil roux

Noir

Gris

Brun roux (ventre blanc)

Longueur (à l’âge adulte)

De 43 cm à 54 cm

De 43 cm à 54 cm

De 28 cm à 35 cm

Poids (à l’âge adulte)

De 340 g à 680 g (mâles et femelles)

De 340 g à 680 g (mâles et femelles)

De 140 g à 250 g (mâles et femelles)

Arbre creux, nid de feuilles

Arbre creux, nid de feuilles

Arbre creux, nid de feuilles et terrier (creusé dans la terre)

Sociable

Sociable

Peu sociable, agressif

De 6 ans à 10 ans

De 6 ans à 10 ans

Entre 3 ans et 4 ans

Peut s’accoupler avec l’écureuil gris et avoir des petits

Peut s’accoupler avec l’écureuil noir et avoir des petits

Ne peut s’accoupler ni avec l’écureuil noir ni avec l’écureuil gris

Couleur du pelage

Gîte Comportement Longévité (dans un milieu naturel) Reproduction

L’ u n i v e r s

70

vivant

Parce qu’ils ont des caractéristiques communes, l’écureuil gris et l’écureuil noir sont placés dans une même catégorie. Ils font partie de la même espèce. L’écureuil roux, qui ne ressemble pas à 3.24 l’écureuil gris ni à Un écureuil roux. l’écureuil noir, est d’une espèce différente. D’ailleurs, l’écureuil gris et l’écureuil noir portent le même nom scientifique : Sciurus carolinensis. L’écureuil roux est appelé Tamiasciurus hudsonicus.

3.25

Un âne.

Une espèce regroupe des individus qui ont un aspect semblable et qui peuvent se reproduire entre eux pour donner naissance à des descendants féconds (qui pourront, eux aussi, se reproduire).

Savez-vous que…

3.26

Une jument.

?

• Il y a plus de 1 500 000 espèces de vivants qui ont déjà été identifiées. Les biologistes croient qu’il y aurait, en tout, plus de 2 000 000 d’espèces. Chaque jour, de nouvelles espèces sont identifiées.

3.27

Un mulet.

Le loup, le coyote et le chien, même s’ils se ressemblent à première vue, appartiennent à trois espèces différentes. Dans des conditions naturelles, ces animaux ne pourront pas s’accoupler pour avoir des descendants féconds. D’ailleurs, le loup est appelé Canis lupus, le coyote, Canis latrans et le chien, Canis familiaris.

Les chiens ont tous des caractéristiques communes et ils peuvent s’accoupler pour donner naissance à des descendants féconds. Ils font donc partie de la même espèce. Par contre, l’âne et la jument, qui peuvent aussi s’accoupler, donneront naissance à des mules ou à des mulets qui, eux, seront stériles (ils ne pourront pas se reproduire). L’âne et la jument sont donc deux espèces différentes. D’ailleurs, l’âne est appelé Equus asinus et la jument, Equus caballus.

Chapitre 3

La nomenclature binominale Avez-vous remarqué que nous avons employé jusqu’ici deux mots latins pour nommer les êtres vivants ? Cette façon de nommer les vivants s’appelle la nomenclature binominale et elle est universellement reconnue. 71

La diversité de la vie

Carl von Linné:

Point de mire

connu également sous le nom latin de Linnæus ! C’est un naturaliste suédois, Carl von Linné (1707-1778), qui a mis en place la nomenclature binominale. Au XVIII e siècle, le latin était la langue que tous les savants du monde comprenaient. Cette façon de désigner chaque espèce par un nom scientifique latin permettait à tous de savoir de quel vivant il était question.

3.28

Carl von Linné a attribué un nom scientifique à plus de 11 000 espèces animales et végétales. Il a donné aux êtres humains le nom scientifique de Homo sapiens, ce qui veut dire « homme sage ».

Chaque espèce est désignée, scientifiquement, par deux noms latins écrits en italique. Par exemple, le nom scientifique du loup gris est Canis lupus, celui du coyote, Canis latrans et celui du chien, Canis familiaris. Que signifient ces mots latins ? Le premier mot indique le genre auquel le vivant appartient. Un genre est un groupe d’espèces étroi tement apparentées. Comme il y a un certain degré de parenté entre le chien, le coyote et le loup, on les placera dans le même genre, soit le genre Canis. Le deuxième mot latin désigne l’épithète, qui vient préciser le genre. Le loup, le coyote et le chien sont donc du même genre (Canis), mais d’espèces différentes (Canis lupus, Canis latrans et Canis familiaris). L’âne et la jument sont du même genre (Equus), mais de deux espèces différentes (Equus asinus et Equus caballus). L’écureuil gris et l’écureuil noir sont du même genre et de la même espèce. Ils portent donc le nom de Sciurus carolinensis. L’écureuil roux, qui est d’un autre genre et d’une autre espèce, porte le nom de Tamiasciurus hudsonicus.

3.30

Un chêne blanc.

Un érable à sucre.

Observez bien le tableau de la page suivante. Nous y présentons quelques caractéristiques des érables et des chênes. Dans ce tableau, combien relevez-vous d’espèces d’érables ? d’espèces de chênes ? de genres ? Combien relevez-vous d’espèces d’arbres en tout ? Dans ce tableau, il y a trois espèces d’érables (Acer saccharum, Acer rubrum et Acer spicatum). Il y a deux espèces de chênes (Quercus alba et Quercus rubra). Il y a deux genres (Acer et Quercus). Il y a donc cinq espèces d’arbres en tout : trois espèces d’érables et deux espèces de chênes.

Dans une érablière, il n’y a pas que des animaux. Il y a aussi des arbres, tels que des érables et des chênes.

L’ u n i v e r s

3.29

72

vivant

LES CARACTÉRISTIQUES DES ÉRABLES ET DES CHÊNES Types d’arbres Caractéristiques

Érable à sucre (Acer saccharum)

Érable rouge (Acer rubrum)

Érable à épis (Acer spicatum)

Chêne blanc (Quercus alba)

Chêne rouge (Quercus rubra)

De 25 m à 28 m

De 22 m à 28 m

Moins de 8 m

De 20 m à 30 m

De 19 m à 25 m

Samare

Samare

Samare

Gland

Gland

Automne

Printemps

Automne

Automne

Automne

Forme des feuilles

Taille (arbre adulte)

Fruits

Saison de la production des fruits

Notes : Le gland du chêne blanc a une saveur douce. Il est comestible. Le gland du chêne rouge a une saveur très amère. Il n’est pas comestible.

Savez-vous que…

?

• Un célèbre personnage de dessin animé, le Road Runner que le coyote poursuit sans jamais attraper, existe réellement. C’est le géocoucou de Californie (Geococcyx californianus). C’est un oiseau coureur qui peut atteindre jusqu’à 30 km/h. Il vit dans le sud-ouest des États-Unis et se nourrit d’insectes, de lézards et de serpents.

3.31

• Un autre personnage de dessin animé, le Tasmanian Devil (diable de Tasmanie), existe lui aussi. Son nom est Sarcophilus harrisii. Il a la grosseur d’un chien moyen. Il dévore toutes ses proies, os compris, avec ses mâchoires puissantes et ses dents tranchantes. Il n’hésite pas à s’attaquer à plus gros que lui. Tout comme les kangourous, il a une poche ventrale.

Chapitre 3

3.32

73

La diversité de la vie

2 La taxonomie depuis que l’on peut étudier l’ADN (le code génétique) des divers êtres vivants et faire des comparaisons, d’autres systèmes de classification ont vu le jour. Un des systèmes de classification largement répandu regroupe les vivants en cinq règnes.

Devant la multitude des espèces qui vivent sur la Terre, les biologistes ont dû trouver une façon de les regrouper pour pouvoir les étudier. Les espèces ont donc été rassemblées selon leurs caractéristiques communes et leur degré de parenté. La taxonomie est la science qui classifie les êtres vivants dans diverses catégories.

2.1 Les règnes

Mais comment classifier toutes les espèces ?

LABO 8

Les cinq règnes des êtres vivants sont le règne des animaux, le règne des végétaux, le règne des champignons, le règne des protistes et le règne des monères. Nous verrons, dans les pages qui suivent, les principales caractéristiques de chacun de ces règnes.

3.33

Il est fort probable que vos vêtements sont placés d’une certaine façon dans votre chambre et que vos fournitures scolaires sont disposées selon un certain ordre dans votre case. Dans une bibliothèque, il est nécessaire de placer les livres avec méthode, par sujets, par catégories ou par auteurs. Chaque personne a une façon qui lui est propre de classer ses affaires.

3.34

Pour classifier les vivants, on se base principalement sur leurs ressemblances, leurs différences, leurs ancêtres et les fossiles. Mais les biologistes, les botanistes, les zoologistes, les bactériologistes et les taxonomistes de diverses disciplines ont leur propre façon de classifier les espèces. Ils ne s’entendent pas sur un système unique de classification. Et,

L’ u n i v e r s

3.35

3.36

Les éponges, les kangourous et les vers de terre font partie du règne animal.

74

vivant

LE RÈGNE DES ANIMAUX Nombre d’espèces connues

Il y a environ 1 200 000 espèces d’animaux qui sont connues. Les animaux sont les vivants qui comptent le plus grand nombre d’espèces. Et, chaque année, on en découvre de nouvelles.

Mouvements

Les animaux se déplacent plus ou moins rapidement. Ils ont des moyens de locomotion variés : pattes, ailes, nageoires. Cependant, certains animaux ne se déplacent pas (par exemple, les éponges, les huîtres et les moules) parce qu’ils sont fixés au sol ou à d’autres supports.

Reproduction Source d’énergie Cellules

3.37

Les animaux se reproduisent principalement de façon sexuée. Il y a des mâles et des femelles.

Couleuvre rayée.

Les animaux mangent les autres êtres vivants pour se procurer de l’énergie. Ce sont donc des consommateurs. Les animaux sont tous composés de plusieurs cellules. Ils sont pluricellulaires.

LE RÈGNE DES VÉGÉTAUX Nombre d’espèces connues

Il y a environ 300 000 espèces de végétaux. Il en resterait plus de 200 000 à classifier.

Mouvements

Les végétaux ne se déplacent pas. Ils sont fixés au sol. Ils peuvent avoir des mouvements lents. Leurs feuilles, leurs tiges, leurs racines ou leurs fleurs réagissent à la lumière, à la gravité (les racines descendent dans le sol et les tiges montent), à la présence d’eau ou de minéraux puisés dans le sol.

Reproduction

Les végétaux se reproduisent de façon sexuée. Ils ont le sexe mâle et le sexe femelle. Ils peuvent aussi se reproduire sans mâle ni femelle. Ils se reproduisent alors de façon asexuée.

Source d’énergie

La plupart des végétaux utilisent la lumière du soleil pour croître et fabriquer les substances dont ils ont besoin. Ils contiennent presque toujours de la chlorophylle, un pigment qui donne la couleur verte aux feuilles. Ils servent de nourriture aux herbivores. Ce sont donc des producteurs.

Cellules

Les végétaux sont tous composés de plusieurs cellules. Ils sont pluricellulaires. Leurs cellules ont une paroi rigide qui les entoure. Les végétaux fabriquent l’oxygène qui est nécessaire à la respiration des autres vivants.

Chapitre 3

75

La diversité de la vie

3.38

3.39

Les nénuphars appartiennent au règne végétal.

LE RÈGNE DES CHAMPIGNONS Nombre d’espèces connues

Il y a environ 150 000 espèces de champignons qui sont connues.

Mouvements

Les champignons ne se déplacent pas.

Reproduction

Les champignons se reproduisent de façon sexuée ou asexuée.

Source d’énergie

Les champignons se nourrissent d’autres vivants ou de la matière qui provient d’autres vivants. Ce sont des décomposeurs puisqu’ils recyclent la matière qui provient des vivants. Ils n’ont pas de chlorophylle et ils n’utilisent pas l’énergie du soleil.

Cellules

Certains champignons sont pluricellulaires, comme ceux que l’on mange, ceux que l’on voit en forêt ou encore les moisissures. D’autres sont unicellulaires, c’est-à-dire qu’ils sont constitués d’une cellule unique, comme les levures.

3.40

Amanite tue-mouche.

3.41

Moisissures.

Les levures sont utilisées pour fabriquer le pain, le vin et la bière. On se sert de certaines moisissures pour fabriquer des antibiotiques et des fromages fins. Il y a des champignons qui peuvent causer des maladies.

LE RÈGNE DES PROTISTES Nombre d’espèces connues

Mouvements

Il y a environ 31 000 espèces de protistes qui sont connues. Ce sont les vivants les plus difficiles à classifier. Certains ont des caractéristiques propres aux végétaux. D’autres ressemblent à des animaux microscopiques. D’autres encore se nourrissent comme des champignons. Plusieurs protistes peuvent se déplacer rapidement à l’aide de cils, de queues ou d’autres appendices spéciaux.

Reproduction

Les protistes se reproduisent de façon asexuée, souvent en se séparant en deux. Il n’y a ni mâle ni femelle.

Source d’énergie

Certains utilisent l’énergie du soleil, comme les végétaux. D’autres se nourrissent de vivants, comme les animaux. D’autres encore sont des décomposeurs, comme les champignons.

Cellules

3.42

Didinium, un protiste en forme de boule, peut dévorer un autre protiste plus gros que lui, Paramecium, qui ressemble à une pantoufle.

Les protistes sont tous composés d’une seule cellule. Ils sont unicellulaires. Les protistes vivent en milieu humide ou aquatique, dans les mares, les lacs, les rivières et les océans. Certains protistes sont responsables de maladies graves comme la malaria et la dysenterie.

L’ u n i v e r s

76

vivant

LE RÈGNE DES MONÈRES Nombre d’espèces connues

Il y a environ 5000 espèces de monères qui sont connues. Les bactéries sont des monères.

Mouvements

Certains monères peuvent se déplacer, d’autres non. Ils sont présents partout, dans l’air, le sol, l’eau, la peau, etc.

Reproduction

Les monères se reproduisent de façon asexuée, en se séparant en deux.

Source d’énergie Cellules

3.43

La bactérie nommée Acetobacter se trouve dans l’eau et le sol.

Les monères tirent leur énergie des autres vivants ou de la matière qui provient d’autres vivants. Les monères sont composés d’une seule cellule. Ils sont unicellulaires. Contrairement aux autres vivants, leur cellule n’a pas de noyau. Si certains monères provoquent des maladies, d’autres sont utiles. Ainsi, des bactéries sont utilisées pour fabriquer le yogourt.

Estelle Lacoursière :

Point de mire

une passionnée de nature Née à Saint-Léon-le-Grand, en Mauricie, Estelle Lacoursière est la première femme du Québec à obtenir, en 1969, une maîtrise en sciences forestières de l’Université Laval. Estelle Lacoursière a commencé sa carrière d’enseignante en 1952. Trois ans plus tard, elle entrait dans un ordre religieux, les Ursulines. En 1969, elle entreprenait une carrière universitaire à l’Université du Québec à Trois-Rivières.

3.44

La contribution d’Estelle Lacoursière à la vulgarisation scientifique, au Québec, a été capitale. Cette professeure a mis ses connaissances de la nature au service des jeunes et du grand public. Elle a produit pour eux de nombreux documents de vulgarisation scientifique : livres, affiches et albums pour collectionner les plantes. Estelle Lacoursière a transmis sa passion de la nature et de l’environnement à de nombreux étudiants et collaborateurs qui, à leur tour, ont su communiquer cette même passion à d’autres. Plusieurs prix prestigieux lui ont été accordés, dont le Prix de l’enseignement des sciences qu’elle a obtenu en 1987.

Chapitre 3

77

La diversité de la vie

2.2 Les autres niveaux de classification Nous venons de voir que les vivants étaient regroupés en cinq règnes. Mais comme il y a des centaines de milliers ou des millions d’espèces dans chaque règne, les biologistes ont dû faire d’autres catégories. Les règnes ont alors été séparés en embranchements, les embranchements en classes, les classes en ordres, les ordres en familles, les familles en genres et les genres en espèces. Le schéma ci-dessous illustre les divers niveaux de classification, du règne à l’espèce. L’espèce est l’unité de base de cette classification. Le loup gris (Canis lupus), qui appartient au règne animal, sera notre exemple.

3.45

1. Règne Un être vivant peut appartenir au règne des animaux, au règne des végétaux, au règne des champignons, au règne des protistes ou au règne des monères.

Animal Les animaux mangent d’autres vivants pour se procurer de l’énergie.

Chaque règne est subdivisé en plusieurs embranchements.

2. Embranchement (ou phylum) Dans le règne animal, il y a une vingtaine d’embranchements dont :

Cordés

• les mollusques (comme les pieuvres et les moules) ;

Les cordés ont un tube nerveux dorsal (comme votre moelle épinière).

• les vers à anneaux (comme les vers de terre) ; • les cordés (comme les loups, les poissons et les êtres humains). Chaque embranchement est subdivisé en plusieurs classes.

3. Classe Dans l’embranchement des cordés, il y a plusieurs classes dont : • les amphibiens (comme les grenouilles) ;

Mammifères

• les reptiles (comme les tortues) ;

Les mammifères ont des poils et allaitent leurs petits.

• les oiseaux ; • les mammifères. La classe des mammifères regroupe tous les animaux qui allaitent leurs petits. Chaque classe est subdivisée en plusieurs ordres.

L’ u n i v e r s

78

vivant

4. Ordre La classe des mammifères est répartie en 18 ordres dont : • les chauves-souris ;

Carnivores

• les primates (comme les singes et les êtres humains) ;

Les carnivores se nourrissent de viande.

• les rongeurs (comme les castors et les rats) ; • les carnivores. Chaque ordre est subdivisé en familles.

5. Famille Dans l’ordre des carnivores, la famille des félidés rassemble des mammifères qui ont des griffes rétractiles (qui peuvent se retirer intérieurement). Les lions et les chats en font partie. La famille des canidés rassemble des mammifères qui n’ont pas de griffes rétractiles. Cette famille regroupe les loups, les chiens et les coyotes.

Canidés Les canidés n’ont pas de griffes rétractiles.

Chaque famille est subdivisée en plusieurs genres.

6. Genre Le genre est un regroupement de plusieurs espèces voisines ou qui ont un lien de parenté. La famille des canidés compte, entre autres, le genre Canis et le genre Vulpes (renards).

Canis Ce genre comprend le chien, le coyote et le loup.

Chaque genre est subdivisé en espèces.

7. Espèce

Canis lupus

Une espèce regroupe des individus qui ont un aspect semblable et qui peuvent se reproduire entre eux pour donner naissance à des descendants féconds.

Savez-vous que…

?

• Les scientifiques australiens ont découvert une nouvelle espèce de poisson. Cette espèce a été classifiée en 2004 sous

Chapitre 3

79

Le loup gris vit dans les régions sauvages boréales. Dans des conditions naturelles, il ne s’accouplera ni avec le coyote ni avec le chien.

le nom de Schindleria brevipinguis. C’est le plus petit poisson du monde. À l’âge adulte, il mesure 8 mm de longueur !

La diversité de la vie

3 Les populations Dans la savane africaine, des troupeaux de zèbres côtoient des troupeaux de gnous. Dans une érablière aussi, des espèces côtoient d’autres espèces. Et chaque espèce est représentée par plusieurs individus.

Une population varie au fil du temps. Elle peut augmenter ou diminuer. L’immigration des individus d’une même espèce ainsi que les naissances auront tendance à faire augmenter la population. L’émigration des individus d’une même espèce ainsi que les décès auront l’effet contraire. S’il y a équilibre entre les deux tendances, la population sera stable. S’il y a déséquilibre entre les deux tendances, la population augmentera ou diminuera.

3.1 L’influence du milieu sur une population Plusieurs facteurs exercent une influence sur une population. Ainsi, si le climat continue de se réchauffer, on prévoit que la banquise de l’Arctique ne se formera pas nécessairement là où se trouvent les ours polaires. Et les ours polaires ne pourront plus chasser les phoques sur la banquise. Ils mourront de faim.

3.46

Parmi ces animaux, il y a deux espèces différentes (les zèbres et les gnous). Chacune de ces espèces compte plusieurs individus.

Certaines espèces sont plus abondantes, d’autres sont plus rares. Par exemple, un acériculteur pourra dire qu’il y a 600 érables dans son érablière, qu’une dizaine de cerfs de Virginie la fréquentent et que des millions de fourmis y vivent. Ce nombre d’individus d’une même espèce sera différent dans une autre érablière ou dans un autre milieu. C’est pourquoi l’on spécifie toujours le lieu où vivent des individus d’une même espèce. 3.47

Une population est l’ensemble des individus d’une même espèce qui vivent sur un territoire géographique déterminé.

L’ours polaire se sert de la banquise pour capturer les phoques.

À l’inverse, un milieu riche en nourriture va favoriser la croissance de la population qui y vit.

Ainsi, on dira que la population de caribous de la rivière George, dans le nord du Québec, est de 385 000 têtes. On dira que la population de caribous de la rivière aux Feuilles, également dans le nord du Québec, est de 628 000 têtes.

L’ u n i v e r s

Si une population augmente, les risques de propagation d’une maladie seront plus grands. Les épidémies peuvent décimer rapidement une population.

80

vivant

déséquilibré des milieux et poussé des populations d’espèces à se déplacer, à s’adapter ou à disparaître. Mais ils ont aussi créé des parcs nationaux, contribuant ainsi à accroître les populations de plusieurs espèces.

La quantité de proies influence également le nombre de prédateurs. Quand la nourriture devient rare, la population de prédateurs diminue. L’inverse est aussi vrai. Les êtres humains ont construit des maisons et des routes. Ils ont abattu des forêts. Ils ont donc

Y a-t-il trop d’êtres humains sur la Terre? Dans les années 1960, le monde a pris conscience de la « croissance explosive » de la population humaine. Plusieurs se sont alors inquiétés de cette surpopulation. On considère qu’un territoire est surpeuplé lorsqu’il y a un déséquilibre entre la population trop nombreuse et les ressources disponibles. Un territoire qui n’est pas surpeuplé peut fournir les aliments, l’eau, les vêtements, le logement et l’énergie nécessaires à sa population.

3.48

À São Paulo, au Brésil, les bidonvilles côtoient les quartiers riches.

Au XX e siècle, l’augmentation rapide de la population mondiale a été un facteur important de la modification des milieux naturels. Cette augmentation a surtout eu lieu en Asie, en Afrique et en Amérique latine. Résultats ? Une partie des forêts tropicales a été transformée en terres agricoles pour nourrir la population. En Afrique, la mauvaise exploitation des sols a contribué à agrandir le désert. En Asie du Sud-Est, la population de certaines espèces animales, comme les tigres et les éléphants, a diminué dangereusement parce qu’on a détruit leur milieu naturel.

Depuis deux siècles, le progrès a permis d’améliorer les conditions de vie de la population humaine. Par exemple, la production d’aliments a augmenté plus vite que le nombre d’habitants. Il y a aujourd’hui plus d’aliments disponibles par habitant. Les famines sont donc plus rares. Pourtant, on estime qu’il y a encore 800 millions de personnes qui ne mangent pas à leur faim. Et il y aurait 2 milliards d’êtres humains qui ne sont pas à l’abri des pénuries. On peut donc dire que les ressources en aliments, en eau, en logement, etc., sont réparties de façon très inégale dans le monde.

Chapitre 3

Les principaux effets de l’augmentation de la population humaine sur l’environnement sont la surexploitation des sols, la pollution et l’urbanisation.

81

La diversité de la vie

(suite)

Depuis le milieu du XXe siècle, la population mondiale a augmenté à un rythme plus rapide que jamais. Mais on prévoit que sa croissance ralentira dans les décennies à venir, comme le montre le graphique ci-contre.

10 8 6 4 2 0 1800

1850

1900

1950

2000

2050

Année

Source : NOVA, 2004.

Population (en milliards d'habitants)

La croissance de la population mondiale

3.2 Les cycles de population D’autres populations ont aussi des cycles. Selon les biologistes, la population de gélinottes huppées de la réserve faunique Mastigouche, au Québec, a un cycle de 4 ans. On ne sait pas ce qui détermine ce cycle.

Certaines espèces ont une population qui varie selon des cycles plus ou moins réguliers. C’est le cas du lièvre et du lynx. Par exemple, dans une région donnée, on a observé que la population de lièvres augmentait durant quelques années, puis diminuait. Comment expliquer ce phénomène ? Le nombre de lièvres augmente lorsqu’ils peuvent se nourrir abondamment ou lorsqu’ils ont peu de prédateurs. Quand la population de lièvres augmente, celle des prédateurs qui s’en nourrissent, comme les lynx, augmente. L’augmentation du nombre de lynx fait diminuer le nombre de lièvres. Quand la population de lièvres diminue, celle des prédateurs diminue. Et le cycle recommence.

Savez-vous que…

?

• Dans une population, le taux de mortalité peut être très important. On a déjà observé que le nombre de lièvres, dans une région donnée, pouvait passer de 150000 à moins de 5000 en 4 ans. Ce qui représente un taux de mortalité de plus de 95%! Seuls les lièvres les mieux adaptés peuvent alors survivre.

Les cycles de population des lièvres et des lynx ont une durée de 10 ans à 12 ans.

• La femelle grenouille-taureau pond en moyenne 10 000 œufs. De ce nombre, 1 ou 2 œufs seulement deviendront adultes.

3.49

Les cycles de population de ces deux espèces sont liés.

82

4 Les adaptations Les becs

Le milieu où vit une espèce peut subir des modifications avec le temps. Si ce milieu change, l’espèce qui y vit devra s’adapter aux changements. Nous verrons comment des représentants du règne animal se sont adaptés à leur environnement.

Comme les oiseaux se servent de leur bec pour trouver la nourriture, la saisir et la manger, la forme de leur bec dépend de leur mode d’alimentation.

4.1 Les adaptations physiques Les animaux qui vivent dans les pays chauds ont des caractéristiques physiques différentes des animaux qui vivent dans les pays froids. L’éléphant, qui vit dans un climat chaud, a de grandes oreilles. Pour se rafraîchir, il les secoue. Cela lui permet d’évacuer l’excès de chaleur de son corps. L’ours polaire, au contraire, doit affronter des températures très froides (– 40 °C). Ses oreilles sont donc petites de façon à limiter les pertes de chaleur.

3.50

Une adaptation physique est une structure (caractéristique physique) qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. Il y a de nombreux exemples qui montrent que les animaux ont des caractéristiques physiques particulièrement adaptées à leur environnement. En voici quelques-uns.

Chapitre 3

3.51

3.52

Le cardinal est un oiseau granivore. Il a un bec court et fort qui lui permet de décortiquer les graines.

L’aigle est un oiseau carnivore. Il a un bec crochu et coupant qui lui permet de déchiqueter ses proies.

3.53

3.54

L’hirondelle est un oiseau insectivore. Cet oiseau a un bec pointu et large à sa base qui lui permet d’attraper les insectes au vol.

La corneille est un oiseau omnivore. C’est un oiseau qui mange de tout. Son bec n’est ni long, ni court, ni très pointu, ni très gros. Il lui permet de manger aussi bien de la viande que des graines ou des insectes.

Certains oiseaux ont un bec très particulier. Par exemple, le héron harponne ses proies, les poissons, avec son long bec pointu. Le toucan explore le feuillage, à la recherche de fruits, avec son énorme bec. 83

La diversité de la vie

Le pélican a un grand bec doté d’une large poche. C’est dans cette poche qu’il emmagasine les poissons qu’il attrape.

costauds et plus hauts sur pattes que ceux qui vivent plus au sud. C’est ce qui leur permet de faire face aux hivers québécois.

Les pattes

Les dents

Les pattes des oiseaux leur permettent de se tenir à plat sur le sol, de saisir des objets, de nager, etc. La forme de leurs pattes varie donc en fonction de leur mode de vie.

Avec le temps, la denture des mammifères s’est modifiée. Elle s’est adaptée à leur mode de vie et à leur mode d’alimentation.

Incisives Molaires

3.59

3.55

3.56

Les oiseaux nageurs, comme les canards, ont des pattes palmées. Cela leur permet de nager et de se déplacer dans les marais.

Les oiseaux marcheurs, comme les poules et les gélinottes huppées, ont des doigts qui reposent à plat sur le sol. Cela leur permet de marcher ou de courir.

Les rongeurs, comme les castors, ont des incisives coupantes et des molaires puissantes. Ils peuvent ainsi couper des branches et en broyer l’écorce.

Incisives

Canines

Molaires

3.60

Les insectivores, comme les taupes, ont de nombreuses dents pointues pour percer la carapace des insectes. 3.57

3.58

Les oiseaux grimpeurs, comme les pics, ont deux doigts dirigés vers l’avant et deux doigts dirigés vers l’arrière. Cela leur permet de s’agripper à l’écorce des arbres.

Les oiseaux percheurs, comme les merles bleus de l’Est, ont trois doigts devant et un derrière. Cela leur permet d’entourer une branche et d’y rester perchés.

Incisives

Molaires

Les organismes sont adaptés à leur environnement. Les cerfs de Virginie, par exemple, occupent un vaste territoire qui s’étend du Mexique jusqu’au Canada. Ceux qui vivent au Québec sont plus

L’ u n i v e r s

3.61

Les ruminants, comme les vaches, ont des incisives seulement à la mâchoire inférieure. C’est avec leurs incisives qu’ils arrachent l’herbe. Puis, ils la ruminent en l’écrasant avec leurs molaires aplaties.

84

vivant

Le mimétisme est aussi une adaptation physique au milieu. Les organismes imitent d’autres organismes pour se protéger des prédateurs. Par exemple, le monarque est un papillon qui se nourrit d’une plante toxique. Cette plante lui transmet un goût plutôt désagréable. Les oiseaux évitent donc de le manger. Le vice-roi, un autre papillon, a imité les couleurs du monarque. Les oiseaux s’abstiennent de le consommer parce qu’ils croient que c’est un monarque.

Incisives

3.62

Canines

Molaires

Les carnivores, comme les loups, ont des canines pointues qui leur permettent de déchiqueter leurs proies. Leurs molaires sont tranchantes.

Savez-vous que…

Le camouflage et le mimétisme

• Des plantes carnivores, comme le gobe mouche de Vénus (la dionée), ont développé des moyens d’attraper des insectes. Elles capturent leurs proies grâce à leurs feuilles qui se ferment en une seconde. Ces plantes ont besoin d’azote. Et cette substance est abondante chez les insectes.

3.63

En été, le pelage du lièvre arctique est brun-gris. En hiver, il devient blanc. Ce changement de couleur fournit au lièvre le camouflage qui lui est nécessaire quand la neige recouvre le paysage.

3.64

Les phasmes ressemblent à des brindilles. Ils vivent sur les plantes. Ces insectes peuvent se fondre facilement dans la végétation et éviter ainsi leurs prédateurs.

Chapitre 3

?

• Les plantes ont aussi développé des adaptations physiques. Les palmiers vivent dans des zones où il y a souvent des ouragans. Ils ont des feuilles découpées qui leur permettent de résister au vent. Les cactus vivent dans le désert. Leurs feuilles se sont transformées en épines pour limiter l’évaporation de l’eau. Ces épines les protègent également des herbivores.

Le camouflage est une adaptation physique au milieu. Il vise à rendre l’animal presque invisible dans son environnement. De nombreux animaux, qui servent de proies, échappent ainsi à leurs prédateurs.

3.65

85

La diversité de la vie

4.2 Les adaptations comportementales Les animaux ont également des comportements particuliers qui leur permettent d’assurer leur survie. Voyons comment ils ont adapté leur manière de vivre à leur milieu.

3.67

Le loup dominé s’écrase au sol dans une position de soumission.

Prenons comme exemple la gélinotte huppée. Dans les régions sauvages, peu fréquentées par les chasseurs, la gélinotte huppée attendra qu’un être humain soit assez près d’elle avant de s’envoler. Par contre, dans les régions où il y a beaucoup de chasseurs, la gélinotte huppée s’envolera dès qu’elle verra un être humain, même si 3.66 celui-ci est loin d’elle. La gélinotte huppée adapte donc son comportement selon le milieu où elle vit.

4.3 Comment se fait une adaptation ? Le mot « adaptation » désigne une structure ou un comportement qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. Mais ce mot désigne aussi le processus par lequel une espèce modifie certaines de ses structures ou certains de ses comportements. Une espèce fera ces modifications pour s’ajuster à son environnement et survivre aux changements. Chaque population d’une espèce s’adapte peu à peu à son milieu et aux changements qui y surviennent. Cette adaptation se fait sur une très longue période (plusieurs générations). Mais une population ne changera pas si aucun changement ne survient dans son milieu ou si elle ne change pas de milieu.

Une adaptation comportementale est un comportement qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu.

L’adaptation est un processus par lequel certaines populations se transforment pour augmenter leurs chances de survie et de reproduction dans un milieu particulier.

La gélinotte huppée adopte aussi un comportement particulier quand vient le temps de protéger ses petits. Comme beaucoup d’oiseaux, lorsque la gélinotte sent que ses petits sont menacés par un prédateur, elle l’attire assez loin du nid en faisant semblant d’avoir une aile blessée. Et lorsque le prédateur est suffisamment éloigné, elle s’envole.

Comment se fait une adaptation physique? Imaginons que des oiseaux d’une même espèce aient été entraînés par une tempête sur deux îles perdues. Ces oiseaux, au bec moyennement pointu, moyennement long et moyennement gros, sont omnivores. Ils se nourrissent de plantes et de petits animaux. Tous ces oiseaux n’ont pas un bec identique. Certains ont un bec un peu plus long et un peu plus pointu. D’autres ont un bec un peu plus gros et un peu plus court.

Les animaux qui vivent en groupe doivent avoir un comportement qui ne met pas en péril leur vie et l’harmonie du groupe. C’est ce qui se produit chez les singes, les gorilles et même chez les êtres humains ! Dans une meute de loups, par exemple, tous ne sont pas égaux. Il y a une hiérarchie où certains dominent les autres. Le loup dominé doit montrer sa soumission au chef de meute s’il veut rester en vie.

L’ u n i v e r s

86

vivant

Comment se fait une adaptation comportementale? Nous avons vu à la page 86 que les gélinottes huppées qui vivent dans les régions sauvages attendent qu’un être humain soit assez près d’elles avant de s’envoler. Supposons que, dans une région sauvage donnée, les gélinottes huppées s’envolent, en moyenne, lorsqu’un prédateur est à une distance de 5 m. Cette distance leur permet d’échapper généralement à leur prédateur.

3.68

Les oiseaux de l’île de Robinson.

Sur l’une des l’îles, que nous appellerons «île de Robinson », il y a beaucoup d’insectes. Sur l’autre île, que nous appellerons «île de Vendredi », il y a beaucoup de plantes qui portent des graines.

Parmi cette population de gélinottes, certaines sont plus peureuses. Elles s’enfuient lorsque le prédateur est à plus de 5 m, peut-être à 7 m ou à 10 m. D’autres, par contre, sont moins craintives. Elles attendent que le prédateur soit à 3 m seulement avant de s’envoler.

Sur l’île de Robinson, les oiseaux qui ont un bec un peu plus long et pointu auront une meilleure chance de survie. Ils pourront, grâce à leur bec, dénicher les insectes cachés sous l’écorce des arbres. Comme ils mangeront mieux, ils seront en meilleure condition physique, pourront se défendre, défendre leur territoire et se reproduire. Après plusieurs générations, le bec de tous ces oiseaux sera plus long et plus pointu qu’à l’origine. Cette population d’oiseaux s’est adaptée à son nouveau milieu. Elle a ainsi augmenté ses chances de survie.

Imaginons qu’un changement survienne dans ce milieu. On ouvre des sentiers dans la forêt et on permet aux chasseurs de circuler dans cette zone. Quelles gélinottes auront plus de chances de survivre ? Les gélinottes qui, au départ, étaient les plus craintives auront survécu. Après quelques années, leur distance de fuite pourrait être de 30 m.

Savez-vous que… • Même les bactéries s’adaptent à leur milieu. Certaines bactéries sont tellement bien adaptées qu’elles résistent à presque tous les antibiotiques connus.

3.69

Les oiseaux de l’île de Vendredi.

Sur l’île de Vendredi, où il y a beaucoup de plantes à graines, les oiseaux au bec court et gros seront choyés. Ils pourront, grâce à leur bec, écraser les graines pour se nourrir. L’adaptation physique des oiseaux qui vivent sur cette île sera donc différente de celle des oiseaux de l’île de Robinson.

Chapitre 3

3.70

La bactérie Clostridium difficile.

87

La diversité de la vie

?

5 L’évolution Les êtres vivants tels que nous les connaissons aujourd’hui n’ont pas toujours existé. Il y a 100 millions d’années, il n’y avait ni chevaux, ni chiens, ni humains. Et de nombreux êtres vivants qui existaient il y a 100 millions d’années n’existent plus aujourd’hui. Les dinosaures sont disparus voilà 65 millions d’années environ. Les grands mammouths se sont éteints il y a 10 000 ans.

Supposons qu’un animal, par exemple un poisson, meurt dans la mer, un marécage ou une rivière. Ce poisson mort sera recouvert de sédiments, comme de la boue et du sable. Ces sédiments empêcheront les autres organismes de le détruire. Avec le temps (des millions d’années), cette couche qui recouvre le poisson mort va devenir de plus en plus épaisse. Puis, peu à peu, les minéraux de ses os seront remplacés par les minéraux transportés par l’eau. Et ces minéraux seront transformés en pierre par la pression des sédiments qui continueront de s’accumuler sur des centaines de mètres. Des millions d’années plus tard, la pierre pourrait être dégagée par l’érosion et faire surface avec l’empreinte de l’animal mort, c’està-dire son fossile.

3.71

Une reproduction d’un Tyrannosaurus rex.

Les êtres vivants d’aujourd’hui viennent d’espèces qui sont maintenant disparues. Cela peut être démontré par les nombreux fossiles qui prouvent que des organismes anciens ont existé. Pour une espèce qui existe aujourd’hui, les scientifiques estiment que plus de 400 espèces sont disparues.

5.1 Les fossiles Contrairement à ce que l’on peut penser, les fossiles de plantes ou d’animaux ne sont pas rares. Au Québec, on peut trouver de nombreux fossiles partout où il y a des carrières de roche calcaire que l’on utilise pour faire le béton.

3.72

Les fossiles sont les traces d’êtres vivants disparus.

Un fossile d’Archæopteryx et sa reproduction.

L’ u n i v e r s

88

vivant

Comment tous ces changements se font-ils ? Comment une espèce peut-elle être à l’origine d’une autre espèce ?

Archæopteryx (document 3.72), qui a vécu il y a environ 150 millions d’années, est considéré par plusieurs comme l’ancêtre des oiseaux actuels. Il est situé à mi-chemin entre les reptiles et les oiseaux. De la taille d’un pigeon, il avait les dents et la queue des reptiles. Composé d’une vingtaine de vertèbres, il avait déjà les plumes, les ailes et le crâne des oiseaux. Il est difficile de dire si cette étrange créature était capable de voler. On estime généralement qu’elle pouvait voler d’arbre en arbre ou effectuer des descentes en planant. Comment les oiseaux actuels ont-ils pu être formés à partir de cette créature ?

5.2 Les étapes de l’évolution Au XIX e siècle, certains savants ont commencé à proposer des explications sur la nature des fossiles et l’origine des espèces. Ces explications ont donné lieu à des débats parfois orageux. C’est la théorie de Charles Darwin, un jeune naturaliste anglais, qui a été retenue dans ses grandes lignes jusqu’à aujourd’hui.

Les êtres vivants changent au fil du temps. Voici cinq espèces d’éléphants. L’ancêtre de l’éléphant, Moeritherium, a vu le jour il y a 50 millions d’années. Il était plus petit et avait une trompe plus courte que l’éléphant que l’on connaît aujourd’hui. Au fil des générations, les éléphants ont grossi, leurs défenses et leur trompe se sont allongées.

Éléphant d’Asie Époque actuelle Deinotherium 2 millions d’années Gomphotherium 20 millions d’années Phioma 35 millions d’années Moeritherium 50 millions d’années 3.73

C’est en étudiant des fossiles que les scientifiques ont pu reconstituer l’évolution de l’éléphant.

Chapitre 3

89

La diversité de la vie

Charles Darwin :

Point de mire

de l’origine des espèces Né le 12 février 1809, en Angleterre, Charles Robert Darwin est le cinquième enfant d’une riche famille britannique. Dès son enfance, il se passionne pour la nature. En 1831, il obtient son diplôme de naturaliste. Peu de temps après, il part faire le tour du monde. Ce voyage durera cinq ans ! Au cours de cette expédition, Darwin fait de nombreuses excursions qui lui permettent d’observer une multitude de spécimens de plantes et d’animaux. À son retour en Angleterre, il poursuit ses recherches. Il arrive à la conclusion que les espèces se modifient, qu’elles évoluent.

3.74

Darwin hésite à publier le fruit de ses recherches jusqu’à ce qu’un autre jeune naturaliste anglais, Alfred Russell Wallace, ait la même idée que lui. Wallace parle de la « survivance du plus apte ». Darwin fonde sa théorie de l’évolution sur la sélection naturelle. Ce qui veut dire que, dans la « lutte pour la vie », tous les individus n’ont pas les mêmes capacités de survie ni d’adaptation à leur environnement. Charles Darwin publie ses recherches le 24 décembre 1859 sous le titre : De l’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle. Les réactions à sa théorie ne tarderont pas. Cela fera scandale. Dix ans plus tard, les biologistes donneront raison à Darwin. Charles Darwin travaillera à développer sa théorie de l’évolution jusqu’à sa mort, le 19 avril 1882. Il aura alors jeté les bases des principales théories modernes sur l’évolution.

L’évolution est un lent processus qui amène des modifications chez les organismes vivants, ce qui leur permet de s’adapter aux changements du milieu.

animal disparu, la « petite girafe ». Comment cette « petite girafe » a-t-elle pu être à l’origine de la girafe que nous connaissons aujourd’hui ? Cela s’est fait en cinq étapes.

Pour illustrer le phénomène de l’évolution, nous prendrons l’exemple de la girafe.

Imaginons un endroit, il y a des millions d’années, où vivait une population de « petites girafes » qui avaient un petit cou et des pattes courtes. Dans ce milieu, les « petites girafes » avaient l’habitude de brouter l’herbe.

L’ancêtre de la girafe, qui vivait il y a plusieurs millions d’années, était un animal qui n’avait pas de long cou ni de longues pattes. Nous appellerons cet

L’ u n i v e r s

90

vivant

3.75

3.76

Il y a des millions d’années vivait une population de « petites girafes ».

Certaines « petites girafes » étaient plus grandes que d’autres.

1

manger les feuilles des arbres qui sont de plus haute taille. Elles se nourrissent donc mieux, sont en meilleure condition physique, s’occupent mieux de leurs petits. Elles peuvent ainsi échapper plus facilement à leurs prédateurs et se reproduire davantage. Les girafes qui ont un cou plus petit ont moins de chances de survivre parce qu’elles ont accès à moins de nourriture.

Il se produit un changement dans le milieu.

Puis, un changement survient dans le milieu. Le climat change, l’herbe devient plus rare. La « lutte pour la vie » va commencer. Cette lutte se fera entre les autres animaux de l’endroit qui se nourrissent d’herbe et les « petites girafes », puis entre les « petites girafes » elles-mêmes. Certaines des « petites girafes » vont commencer à manger les feuilles des arbres plutôt que l’herbe.

2

Avec le temps, une sélection naturelle va se faire parmi les « petites girafes ». Et cette sélection favorisera les girafes les plus grandes.

Les individus de la population des « petites girafes » ne sont pas identiques.

4

Les caractères sélectionnés sont héréditaires.

Même si les girafes de la population des « petites girafes » ont un petit cou et des pattes courtes, elles ne sont pas toutes identiques. Certaines ont un cou un peu plus long et sont un peu plus grandes que d’autres.

Un caractère héréditaire est une caractéristique qui peut se transmettre des parents aux descendants, comme la couleur des yeux ou des cheveux. Par exemple, si vos parents sont grands, vous avez plus de chances d’être grands.

3

De même, chez les girafes, les parents qui ont un long cou et qui sont grands donneront naissance à des petits qui auront plus de chances d’avoir un long cou et d’être grands. Ils pourront même être plus grands que leurs parents. D’une génération à

Une sélection naturelle va se faire.

Les girafes qui sont un peu plus grandes ont un léger avantage. Elles ont accès à un peu plus de nourriture que celles qui sont plus petites. Elles peuvent

Chapitre 3

91

La diversité de la vie

l’autre, les plus grandes girafes auront plus de chances de survivre. Les girafes plus petites disparaîtront graduellement. Et, peu à peu (de génération en génération), les cous et les pattes des girafes s’allongeront.

5

Les girafes se sont adaptées à leur milieu.

Au fil du temps, les « petites girafes » ont été remplacées par les grandes girafes. La population de girafes a changé. Elle s’est adaptée à son nouveau milieu. Les grandes girafes sont devenues une nouvelle espèce. Et tant que son milieu ne changera pas, la population de girafes ne changera presque plus. Lorsqu’on trouvera les fossiles des « petites girafes », on dira que cette espèce est l’ancêtre des girafes actuelles.

3.77

Le long cou des girafes leur permet de brouter à grande hauteur.

Savez-vous que…

?

• Des scientifiques espèrent pouvoir ressusciter un animal disparu, le couagga. Ce drôle de zèbre, dont le dernier représentant est mort en 1883, était brun avec des rayures sur le devant du corps. Comme le couagga formait une sous-espèce de zèbre, ses caractéristiques étaient présentes dans les populations actuelles des zèbres. Forts de cette information, les scientifiques ont décidé de faire de la sélection artificielle pour tenter de faire revivre le couagga. Comment ? En faisant se reproduire pendant plusieurs générations des zèbres qui affichaient des ressemblances physiques avec le couagga. Quels ont été les résultats de leurs expériences ? Les scientifiques ont pu faire naître des poulains de plus en plus semblables au couagga. Après quelques

L’ u n i v e r s

3.78

générations, tous les animaux présentaient les caractéristiques du couagga. Les scientifiques estiment que, dans une cinquantaine d’années, la population de couaggas sera assez grande pour que l’on puisse considérer que cet animal est sauvé de l’extinction !

92

vivant

6 L’habitat Les êtres vivants ont colonisé toute la planète. Ils vivent sur terre, dans l’eau et dans l’air. Chaque être vivant est adapté à son milieu. Et le milieu peut déterminer quelles espèces pourront y vivre. L’orignal, par exemple, a de longues pattes pourvues de larges sabots. Cela lui permet de marcher dans l’eau, la neige et les marais. Le bison est court sur pattes et trapu. Il n’a donc pas les caractéristiques physiques nécessaires pour vivre dans les milieux fréquentés par l’orignal. Les chèvres des montagnes Rocheuses habitent les hautes falaises.

3.81

Les chèvres des montagnes vivent sur les parois rocheuses.

Elles ne pourraient pas survivre aux grandes accumulations de neige qu’affrontent les orignaux. Elles ne pourraient pas non plus vivre dans le milieu des bisons, car elles seraient une proie facile pour de nombreux prédateurs. Chacune de ces trois espèces vit dans un milieu spécifique, pour des raisons diverses. Ce milieu spécifique est son habitat. L’habitat est le lieu précis où l’on rencontre habituellement une espèce et où cette espèce trouve les conditions nécessaires à sa survie.

3.79

Les orignaux vivent dans les bois, près des marais et des lacs.

Ainsi, le cerf de Virginie a comme habitat les forêts de feuillus telles que les érablières. L’orignal, lui, préfère les forêts de conifères et les marais. Le caribou vit dans les grands espaces dégagés de la toundra. Plusieurs facteurs font qu’une espèce habite un lieu plutôt qu’un autre. Parfois, ces facteurs sont des éléments non vivants du milieu (comme le climat, le relief, la nature du sol, etc.). Si l’un des facteurs du milieu change, la survie de l’espèce peut être menacée. Les éléments non vivants d’un milieu sont des facteurs abiotiques.

3.80

Les bisons vivent dans les prairies.

Chapitre 3

93

La diversité de la vie

d’hiver se nomme un « ravage ». Un ravage peut compter plus d’une centaine de bêtes. Le choix de l’emplacement du ravage dépend de facteurs biotiques et abiotiques.

Voici quelques facteurs abiotiques qui expliquent la présence de certains êtres vivants dans un milieu : la lumière, la température, les précipitations, le vent, le relief, la nature du sol, le pH du sol ou de l’eau, la quantité d’oxygène dans l’eau, la limpidité de l’eau ou sa salinité (proportion de sel dans l’eau), les minéraux contenus dans le sol.

Le ravage est généralement installé à flanc de montage, dans une forêt de conifères, face au sud. Les cerfs profiteront ainsi du soleil. La forêt de conifères les protégera des vents froids. Il faudra qu’il y ait, à proximité, de jeunes arbres ou des arbustes feuillus dont ils pourront manger les branches.

Parfois, les facteurs qui font qu’une espèce habite un lieu plutôt qu’un autre sont des éléments vivants du milieu (comme les sources de nourriture, c’està-dire l’herbe, les fruits, les animaux, etc.). Les interactions entre les vivants d’un milieu, c’est-à-dire l’ensemble des actions que les vivants d’un milieu ont les uns sur les autres, sont des facteurs biotiques.

L’épaisseur de la neige au sol, l’existence d’une croûte glacée sur cette neige, la présence de loups, de coyotes, de chiens errants ou de motoneigistes sont aussi des facteurs qui vont influencer l’emplacement du ravage.

Voici quelques facteurs biotiques qui expliquent la présence de certains êtres vivants dans un milieu : les végétaux qui servent de nourriture ou d’abri ; les animaux qui servent de proies ou qui sont des prédateurs ; les champignons et les bactéries qui agissent comme décomposeurs (ils recyclent la matière provenant des vivants) ; les bactéries qui fournissent aux plantes des éléments nutritifs ; les protistes qui ont un rôle de décomposeurs ou de prédateurs. Les facteurs biotiques englobent des vivants des cinq règnes.

L’être humain, avec le temps et le développement des technologies, a agrandi son habitat. Il occupe maintenant des régions inhospitalières comme les déserts, les hautes montagnes, l’Antarctique. Il songe à coloniser la Lune et Mars. L’habitat de l’être humain comprend les divers milieux naturels, mais aussi les milieux artificiels qu’il a lui-même créés comme les villes, les tours de bureaux, les stations orbitales.

En hiver, les cerfs de Virginie se rassemblent en bande de plusieurs individus dans un endroit protégé contre le froid, le vent et la neige. Cet habitat

3.82

Des cerfs de Virginie, en hiver, dans leur habitat.

L’ u n i v e r s

94

vivant

La Terre : des milieux naturels qui changent

3.83

La toundra du Nord est dépourvue de végétation abondante.

Des pôles à l’équateur, les milieux naturels de la Terre changent. Voyons l’exemple de la toundra du Nord, un milieu naturel difficile.

moins d’espèces qui vivent dans l’Arctique que dans les milieux naturels au climat plus doux.

L’Arctique est une vaste région qui entoure le pôle Nord. Dans l’Arctique, le climat joue un rôle déterminant. Les caractéristiques de ce climat dépendent de la proximité du pôle. L’Arctique est une des régions les plus froides du monde où l’hiver est roi. Cette région reçoit peu de soleil pendant l’hiver, qui dure six mois. Le sol demeure gelé en profondeur toute l’année.

La toundra est un milieu particulièrement sensible aux activités humaines. Par exemple, les moindres déplacements en véhicule peuvent laisser des traces pendant très longtemps. Heureusement, peu de gens habitent l’Arctique. Par contre, la pollution atmosphérique des régions peuplées du sud contribue à augmenter la température moyenne de l’ensemble de la planète. Ce réchauffement a aussi des conséquences graves sur les écosystèmes arctiques. Pensons à l’ours polaire dont la survie est menacée à cause de la disparition graduelle de la banquise.

La vie dans la toundra est donc exigeante. Il faut y être bien adapté. La végétation de l’Arctique est composée d’arbres nains, de mousses, de lichens, de petites plantes herbacées… Bref, tout pousse au ras du sol. Quant aux animaux, beaucoup quittent la toundra en hiver et se dirigent vers les territoires qui sont plus au sud. En général, il y a

Chapitre 3

Le visage de la Terre se modifie sans cesse : les déserts, les plaines, les montagnes et les mers changent au fil du temps.

95

La diversité de la vie

7 La niche écologique Tous les êtres vivants n’ont pas la même fonction ni la même importance dans leur milieu. Ils ne contribuent pas de la même façon à l’équilibre de ce milieu. Quels sont donc les rapports entre les êtres vivants et le milieu où ils vivent ?

3.85

Le castor abat des arbres avec ses dents pour construire des barrages et former des lacs.

La niche écologique d’un vivant est le rôle global qu’il joue dans son milieu. La niche écologique d’un vivant tient compte des diverses interactions qu’a une espèce sur les facteurs biotiques et abiotiques de son milieu. Par exemple, la niche écologique du castor tient compte, entre autres : 3.84

• de la nature des cours d’eau où il construit sa hutte ;

Le lièvre d’Amérique a une fonction particulière dans son milieu.

• de l’effet de ses barrages sur les ruisseaux et les sols inondés ;

Le lièvre d’Amérique, par exemple, se nourrit des petites branches d’un jeune érable. Pour chaque petite branche qu’il enlève de l’érable, il en repoussera deux l’année suivante. Donc, là où il y avait une branche à manger, il y en aura deux l’année suivante.

• des poissons qui profiteront du nouvel étang qui sera créé par la construction d’un barrage ; • des plantes qu’il mange, des arbres qu’il coupe ; • des animaux qui le mangent (comme les ours, les loups et les lynx).

Ce faisant, le lièvre aide non seulement les jeunes érables, mais également les cerfs de Virginie qui se nourrissent des mêmes branches d’érables. Quand le lièvre broute les branches d’un sapin, la même chose se produit. Le sapin aura plus de branches. Il constituera un meilleur abri contre le vent et la neige. Les excréments du lièvre servent d’engrais aux plantes. Le lièvre est le repas de nombreux prédateurs comme les lynx, les renards, les coyotes, les hiboux et autres oiseaux de proie.

Il y a longtemps, à l’époque de la préhistoire, on pouvait comparer la niche écologique de l’être humain à celle de n’importe quel autre animal. Sa niche écologique était de chasser divers animaux, de pêcher, de cueillir des plantes et de servir de proie à l’occasion. Son action était limitée par les moyens primitifs dont il disposait et par sa population réduite.

Le lièvre d’Amérique joue donc plusieurs rôles dans l’érablière. Et l’ensemble de tous ces rôles constitue sa niche écologique.

L’ u n i v e r s

96

vivant

7.2 Les consommateurs Mais, aujourd’hui, les choses ont changé. L’être humain a plus d’impact sur son milieu qu’aucun autre vivant. Il a agrandi sa niche écologique. Il peut modifier les cours d’eau, le relief et le climat. Il peut créer de nouvelles espèces de plantes ou d’autres vivants grâce au génie génétique. Il peut faire disparaître des espèces et en protéger d’autres.

Il y a plusieurs types de consommateurs, comme le montre l’illustration 3.87, à la page 98 :

Les vivants, selon le rôle qu’ils jouent dans leur milieu, peuvent être regroupés en trois grandes catégories : les producteurs, les consommateurs et les décomposeurs.

• Les consommateurs qui se nourrissent presque exclusivement de plantes. Ce sont les herbivores. On les appelle des « consommateurs de premier ordre ». Par exemple, l’écureuil est un consommateur de premier ordre.

Un consommateur est un organisme dont le rôle est de consommer d’autres vivants. Les animaux font partie des consommateurs. S’ils sont herbivores, ils mangent des plantes. S’ils sont carnivores, ils mangent d’autres animaux.

7.1 Les producteurs

• Les consommateurs qui se nourrissent des herbivores. Ce sont les carnivores. On les appelle des « consommateurs de deuxième ordre ». Par exemple, la belette, qui mange l’écureuil, est un consommateur de deuxième ordre.

Un producteur est un organisme dont le rôle est de produire de la matière vivante (organique) en absorbant et en réorganisant la matière non vivante.

Les carnivores sont aussi appelés des « prédateurs » parce qu’ils chassent ce qu’ils mangent. Et les animaux qui sont chassés sont appelés des « proies ».

Les végétaux (plantes vertes) font partie des producteurs. L’érable est un producteur. Il utilise l’eau, des minéraux du sol, le gaz carbonique de l’air (CO2) et l’énergie du soleil pour fabriquer des sucres, comme le sucre contenu dans sa sève (illustration 3.86). Les sucres serviront à fabriquer ses feuilles, ses branches et ses racines.

• Les consommateurs qui se nourrissent des consommateurs de deuxième ordre. On les appelle des « consommateurs de troisième ordre ». Par exemple, le hibou, qui mange la belette qui a mangé l’écureuil, est un consommateur de troisième ordre.

CO2

Par contre, si le hibou mangeait l’écureuil, il serait un consommateur de deuxième ordre. Certains animaux, comme l’ours, se nourrissent de plantes et d’autres animaux. Ce sont des « consommateurs de plusieurs ordres ». On les appelle des « omnivores ».

Minéraux 3.86

Chapitre 3

97

La diversité de la vie

Producteur (végétal)

Consommateur de premier ordre (herbivore)

Consommateur de deuxième ordre (carnivore)

Consommateur de troisième ordre (carnivore)

3.87

Consommateur de plusieurs ordres (omnivore)

7.3 Les décomposeurs Un décomposeur est un organisme dont le rôle est de se nourrir des déchets et des cadavres d’autres vivants, que ceux-ci soient des animaux ou des végétaux.

Dans un milieu donné, il y a de nombreuses espèces. Ces espèces ont des habitats déterminés par des facteurs biotiques et abiotiques. Chacune de ces espèces a une niche écologique particulière. Il y a de nombreuses interactions entre les différentes composantes biotiques et abiotiques d’un milieu. Et ces interactions sont complexes. L’ensemble de toutes ces interactions s’appelle un « écosystème ».

Les décomposeurs transforment la matière organique (vivante) en matière inorganique ou minérale. Des animaux, des champignons, des protistes et des monères font partie des décomposeurs. Chez les animaux décomposeurs, on trouve surtout des insectes. Chez les champignons décomposeurs, il y a des champignons à chapeau, des levures et des moisissures.

Un écosystème est un ensemble d’organismes vivants qui interagissent entre eux et avec des éléments du milieu. Un écosystème peut être petit ou grand : une mare d’eau, un yogourt (qui contient des bactéries), votre peau, le parc du Mont-Royal, l’île d’Anticosti, une érablière, etc.

Les décomposeurs servent à recycler la matière dont étaient composés les végétaux et les animaux morts. Ils décomposent ainsi les feuilles mortes, les cadavres d’animaux, les déchets des animaux. Ils brisent cette matière en petites particules (illustration 3.88). Ces petites particules deviennent des éléments nutritifs pour les végétaux. Et le cycle recommence.

Producteur (végétal)

Consommateur de premier ordre (herbivore)

Consommateur de deuxième ordre (carnivore)

3.88

Décomposeurs

L’ u n i v e r s

98

vivant

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. Un monde dans une goutte d’eau Il est possible de cultiver des protistes en classe et de les observer au microscope. Vous y verrez alors des formes de vie étranges, des microorganismes unicellulaires aux allures de monstres qui se poursuivent et se dévorent. Dans un contenant en verre de 500 ml environ, vous allez cultiver des protistes et les examiner au microscope.

Des pistes à explorer • Les protistes sont partout. Quoiqu’ils vivent dans des milieux humides comme l’eau des étangs, ils peuvent survivre à de longues sécheresses. Ils sont alors en « dormance » dans du foin sec ou des feuilles mortes. En présence de l’eau, ils se raniment et reprennent leurs activités. • L’eau du robinet contient du chlore qui peut tuer les protistes. • L’eau placée dans un contenant peut s’évaporer. Comment éviter que cela se produise ? • Certains protistes peuvent « nager » trop rapidement pour que l’on puisse bien les observer au microscope. Comment ralentir leurs mouvements ? • À quel grossissement faut-il régler le microscope ?

2. À la recherche de fossiles

Des pistes à explorer

Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les fossiles ne sont pas rares. Il y a de nombreux endroits où l’on peut trouver des fossiles qui ont des centaines de millions d’années (des fossiles de coquillages, de plantes ou d’animaux marins). Devenez paléontologues et partez à la recherche de fossiles. Pour protéger vos yeux des éclats de roches, il faudra porter des lunettes de sécurité.

Chapitre 3

99

La diversité de la vie

• On trouve beaucoup de fossiles dans les anciennes mers. Au Québec, quels sont les endroits où il y avait autrefois des mers ? • Dans certaines carrières, on extrait les roches sédimentaires pour faire le béton. • Quel instrument faut-il utiliser pour dégager les fossiles ?

TOUT PAGES 70 À 73

L’espèce

1 Est-ce que les vivants décrits dans chacun des énoncés sont de la même espèce ? Justifiez votre réponse.

COMPTE

FAIT

a) Un zèbre a de larges bandes noires. Un autre a des bandes plus étroites. Tous les deux vivent dans le même habitat et ils ont la même niche écologique. Dans un milieu naturel, ils ne s’accouplent pas. b) Il arrive que, à la campagne, un orignal s’accouple avec une vache. Cependant, il n’y a jamais de petits qui résultent de cette union. c) Un caniche peut s’accoupler avec un épagneul. Ils auront des petits. Ces petits seront un mélange des deux parents. Ils pourront, à leur tour, avoir des petits. 2 Voici une liste de champignons comestibles que l’on peut trouver dans une érablière. • Pleurotus ostreatus • Pleurotus porrigens

• Lepiota naucina • Lepiota procera

• Boletus edulis • Pleurotus ulmarius

Dans cette liste de champignons : a) combien y a-t-il de genres ? Nommez-les. b) combien y a-t-il d’espèces ? PAGES 74 À 79

La taxonomie

3.89

3 Dans quel règne classeriez-vous chacun des vivants décrits ici ? a) Il est vert. Il est assez gros. Il est composé de plusieurs cellules. Il est fixé au sol. b) Il vit au fond des lacs. Il se déplace rapidement grâce à une longue queue mobile. Il est très petit et il est composé d’une seule cellule. c) Il se déplace en rampant. Il se cache pour attraper ses proies. Le mâle s’accouple avec une femelle. d) Il est de couleur rouge et blanc. Il ne peut se déplacer. Il vit sur le sol où il se nourrit de végétaux morts. e) Il est microscopique. Sa cellule n’a pas de noyau. Il se reproduit de façon asexuée.

L’ u n i v e r s

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vivant

La coulemelle (Lepiota procera) est un champignon de haute taille.

PAGES 80 À 82

Les populations

4 Lesquels des énoncés suivants décrivent réellement une population ? a) Pendant mes vacances, j’ai vu des phoques, des baleines à bosse et des baleines grises. b) Je suis allée pêcher des truites arc-en-ciel au lac Clair. c) On a ramassé des oursins, des étoiles de mer et des algues au bord de la mer. d) L’observation des baleines à bosse du fleuve Saint-Laurent m’a vivement impressionné. e) Cet été, les moustiques et autres insectes nous ont envahis. f ) Il paraît que le homard des Îles-de-la-Madeleine est le meilleur.

Les adaptations

PAGES 83 À 87

5 Les dromadaires et les chameaux vivent dans des régions semi-arides. Ils ont une capacité de survivre dans des conditions difficiles. Comme leur langue et leur palais sont très durs, ils peuvent manger des plantes épineuses sans se blesser. Expliquez comment ils en sont arrivés à avoir une langue et un palais si résistants. 6 Le cerf de Virginie et le caribou sont deux animaux qui ont des bois qu’on appelle aussi des « panaches ». Chez les mâles, la grosseur du panache est un atout précieux pour séduire les femelles et impressionner les autres mâles. Le cerf de Virginie vit dans des forêts denses. Il a un panache qui n’atteint pas tout à fait 50 cm de largeur. Le caribou vit dans la toundra où il n’y a presque pas d’arbres. Il a un panache qui fait plus de 140 cm de largeur. Quel est le principal facteur qui limite la grosseur du panache du cerf de Virginie ? 7 Autrefois, les goélands fuyaient les humains parce qu’ils étaient chassés pour leurs plumes. On rencontrait rarement ces oiseaux dans les villes. Comme les goélands ne sont plus chassés aujourd’hui, on les trouve dans tous les endroits où il y a des groupes humains. On en voit même au cœur des villes. Comment les goélands en sont-ils arrivés à modifier leur comportement ?

Chapitre 3

101

La diversité de la vie

PAGES 88 À 92

L’évolution

8 Voici une série d’affirmations concernant l’évolution. À chaque étape de l’évolution, deux affirmations sont données. Une est juste, l’autre est fausse. Choisissez, pour chaque étape de l’évolution, l’affirmation qui est juste. Vos réponses devront être composées du numéro de l’étape de l’évolution et de la lettre correspondant à l’affirmation juste. Il y a des millions d’années, une population d’une certaine espèce vivait dans un milieu donné. Cette espèce n’existe plus aujourd’hui. Elle a été remplacée par une autre espèce. Les fossiles qui ont été trouvés démontrent que l’espèce disparue est l’ancêtre de l’espèce qui vit aujourd’hui dans ce même milieu. Comment peut-on expliquer cette évolution ?

Étape 1

A. Un changement est survenu dans le milieu où vivait cette espèce. B. Le milieu où vivait cette espèce n’a subi aucun changement.

Étape 2

A. Tous les individus de cette espèce étaient identiques et avaient les mêmes chances de s’adapter au nouveau milieu. B. Les individus de cette espèce étaient légèrement différents les uns des autres.

Étape 3

A. Les individus de cette espèce se sont efforcés de s’adapter au nouveau milieu. Ce faisant, ils ont réussi à modifier certaines de leurs caractéristiques. B. Les individus de l’espèce qui avaient déjà une caractéristique leur permettant de s’adapter au nouveau milieu ont eu plus de chances de survivre et de se reproduire.

Étape 4

A. Les individus qui ont hérité de leurs parents la caractéristique leur permettant de s’adapter au nouveau milieu ont transmis cette caractéristique à leurs descendants. B. Les individus qui se sont efforcés de s’adapter au nouveau milieu ont transmis à leurs descendants les caractéristiques qu’ils avaient réussi à modifier durant leur vie.

Étape 5

A. Avec le temps, une sélection naturelle s’est faite au profit des individus qui avaient la caractéristique leur permettant de s’adapter au nouveau milieu. Cette population est devenue une nouvelle espèce. B. Avec le temps, les individus qui se sont efforcés de s’adapter au nouveau milieu se sont effectivement adaptés. Ces individus appartiennent toujours à la même espèce.

L’ u n i v e r s

102

vivant

PAGES 93 À 95

L’habitat

9 Le lion d’Afrique a l’habitude de chasser ses proies dans la savane et, durant la saison sèche, autour des rares points d’eau qui s’y trouvent. Imaginons un instant que, par un curieux hasard, un tel lion doive vivre dans une érablière. Nommez : a) un facteur biotique qui lui serait favorable ; b) un facteur biotique qui lui serait défavorable ; c) un facteur abiotique qui lui serait favorable ; d) un facteur abiotique qui lui serait défavorable. PAGES 96 À 98

La niche écologique

10 Supposons que vous ayez un animal domestique à la maison, par exemple un chat ou un chien. Décrivez sa niche écologique. 11 Reproduisez le schéma ci-dessous et placez les mots suivants dans les rectangles appropriés : producteur, consommateur de premier ordre, consommateur de deuxième ordre, décomposeur.

Chapitre 3

103

La diversité de la vie

12 Lisez le texte ci-dessous. Trouvez qui sont les producteurs, les consommateurs de premier ordre, les consommateurs de deuxième ordre, les décomposeurs, les proies et les prédateurs.

Cher journal, . n excursion en canot-camping Voici le compte rendu de mo long de nombreuses marmottes le vu a on o, aut en t aje tr le Pendant après avoir mangé les eil sol au t ien ffa au ch se es de l’autoroute. Ell aines fleur. Malheureusement, cert en t en em nt ése pr t son i qu s pissenlit automobiles. Cela a fait les r pa es sé ra éc é ét t on s de ces marmotte suppose sont nourries (Ouache !). Je n s’e i qu les eil rn co s de es les délic es et mangées par un tué e tr d’ê e qu t tô plu si ain que c’est mieux renard ou un lynx. er des un orignal en train de mang vu a on , rd na Ca lac au us Rend e des loups arrivent à tuer qu l ma ine ag im m’ Je s. ar ph racines de nénu i a cueilli des champignons qu On . te bê e oss gr si e un er ng et à ma sont s et qui, d’après ma mère, poussent sur les arbres mort ngé! Bon, je te laisse. J’ai un ma s pa ai n n’e je i, Mo s. ble comesti devoir de science à faire.

Présentez vos réponses dans un tableau semblable à celui-ci : Producteurs

Consommateurs de premier ordre

Consommateurs de deuxième ordre

L’ u n i v e r s

104

Décomposeurs

vivant

Proies

Prédateurs

Les secrets du métier

3.90

3.91

La fleuriste doit prendre soin de ses fleurs tous les jours.

Le technicien en santé animale assure le bien-être des animaux en leur prodiguant des soins dentaires.

La vie nous entoure de toutes parts. Nos parents, nos amis, le personnel de l’école, les animaux domestiques, les plantes, les microbes qui nous rendent malades, tout cela est bien vivant. Il y a un grand nombre de métiers qui sont en relation avec les vivants, leur habitat et leur milieu. L’éventail est vaste : des vétérinaires aux jardiniers, des bouchers aux bûcherons, des écologistes aux pêcheurs. À la page suivante, nous présentons quelques métiers où l’on travaille avec les vivants, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers.

Chapitre 3

3.92

Georges Brossard, le fondateur de l’Insectarium de Montréal, est un entomologiste passionné.

105

La diversité de la vie

secondaires • Forestiers • Fleuristes • Horticulteurs • Aquiculteurs

MÉTIERS OÙ L’ON EST EN RELATION AVEC LES VIVANTS SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études collégiales • • • •

• Aménagistes paysagers

Techniciens en écologie appliquée Techniciens en santé animale Producteurs forestiers Techniciens en aménagement cynégétique et halieutique

• Biologistes • Écologistes • Ingénieurs forestiers • Microbiologistes • Entomologistes

• Techniciens dans le secteur de l’équitation • Technologues forestiers

Profession : technicien ou technicienne en aménagement cynégétique et halieutique Après avoir obtenu leur diplôme d’études collégiales, les techniciens en aménagement cynégétique (chasse) et halieutique (pêche) pourront aménager des territoires et faire des plans d’exploitation du gibier et des poissons dans nos forêts et nos lacs. Le travail de ces techniciens est lié à l’information sur les ressources fauniques, à la gestion financière d’une entreprise, à l’aménagement de territoires, à la protection des espèces chassées et pêchées, à l’organisation de diverses activités de chasse, de pêche et d’excursions en forêt, etc. Ce métier s’exerce en plein air, dans la forêt, sur les lacs et les rivières. C’est pourquoi de nombreuses activités sont prévues pendant la formation : utilisation de l’ordinateur pour interpréter les données, descente de rivières en canot, survie en forêt, aménagements de sentiers, etc. Les techniciens en aménagement cynégétique et halieutique travailleront pour les compagnies d’exploitation forestière, les sociétés gouvernementales (Parcs Canada, la Société de la faune et des parcs du Québec, etc.), les zones d’exploitation contrôlées (zecs), les pourvoiries (établissements qui offrent des services pour la pratique de la chasse et de la pêche), les bases de plein air, les associations touristiques, etc. 3.93

Le technicien en aménagement cynégétique et halieutique sert de guide aux personnes qui veulent pratiquer la pêche à la mouche.

106

universitaires

Dans votre

L’extinction des espèces par Annie Cloutier

3.94

Le grand requin blanc fait partie des espèces protégées. Sa chasse est dorénavant réglementée.

Les dinosaures et les trois quarts des espèces ont disparu de la planète il y a environ 65 millions d’années. Des volcans en éruption ou l’écrasement d’une énorme météorite auraient causé la disparition de ces espèces. Mais les mammifères ont survécu à ces cataclysmes et ont peuplé le monde…

Comme le grand requin blanc (animal), la mouche rapace (insecte) et le chardon écailleux (plante), environ 15 000 espèces animales et végétales risquent de disparaître. La situation est-elle dramatique ?

Un phénomène naturel Les espèces ne sont pas éternelles. Celles qui ne peuvent s’adapter à leur environnement disparaissent. D’autres évoluent et deviennent de nouvelles espèces.

L’extinction à haute vitesse Les espèces sont maintenant menacées d’extinction parce que les êtres humains bouleversent leur environnement. Les êtres humains ont toujours fait disparaître des espèces depuis qu’ils chassent, construisent des maisons et domestiquent les animaux. Aujourd’hui, les espèces s’évanouissent au moins 1000 fois plus rapidement qu’autrefois. Pourquoi ? Selon certains, cela est dû à la colonisation des quatre coins du globe par l’être humain. Selon d’autres, cela est dû à l’augmentation subite du nombre d’habitants sur la planète. Ainsi, chaque jour, plusieurs espèces disparaissent.

Il arrive aussi que plusieurs espèces disparaissent en même temps : c’est l’extinction massive. À cinq reprises dans son histoire, la Terre a connu ce phénomène d’extinction massive où jusqu’à 90% des espèces ont pu disparaître. Les causes étaient naturelles : envahissement des glaciers, éruption volcanique, chute d’une météorite, etc. Après chaque désastre, d’autres espèces se sont tranquillement développées et se sont multipliées pour prendre la relève. Vitesse de l’opération : de 5 à 10 millions d’années !

Chapitre 3

107

La diversité de la vie

Comment nous y prenons-nous pour faire disparaître autant d’êtres vivants ?

1

perdu leur emploi. Nous avons cherché d’autres espèces à pêcher. Et nos méthodes plus raffinées de pêche (radars et filets) nous ont permis de prendre un plus grand nombre de poissons. Ces espèces de poissons risquent, à leur tour, d’être victimes de la surpêche. Ainsi, le renouvellement de la ressource sera de nouveau menacé.

Nous détruisons l’habitat des animaux et des plantes.

Nous avons besoin de nous chauffer. Nous coupons donc les arbres des forêts. Nous prélevons le bois de ces arbres pour en faire des matériaux de construction, du papier, etc. Pour nous nourrir, nous cultivons la terre et élevons du bétail. Nous devons donc déboiser, c’est-à-dire supprimer une partie de la forêt. Nous sommes de plus en plus nombreux. Pour nous loger, nous empiétons sur les territoires naturels. Ainsi, nous comblons les marais et les autres zones humides pour y construire des maisons.

2

Nous construisons des usines. Nous utilisons des voitures. Le gaz carbonique ainsi produit perturbe le climat.

Presque tous les produits que nous utilisons (nourriture, vêtements, jeux, médicaments, etc.) sont fabriqués ou transformés dans les usines. Un grand nombre de personnes travaillent dans ces usines. Si nous consommons moins, nous limiterons la destruction de l’environnement. Les industries doivent cesser de polluer l’atmosphère. La pollution de l’atmosphère contribue à la dégradation des récifs de corail. Pour sauver les récifs de corail, voyageons en autobus, en métro ou en train.

3

3.95 UNE REPRODUCTION DU DODO.

Nous transportons sur notre territoire, volontairement ou non, des plantes ou des animaux provenant de pays étrangers.

Le dodo, cousin du pigeon et gros comme une dinde, était incapable de voler. Il vivait sur une île de l’océan Indien, l’île Maurice. Au XVIe siècle, l’île fut découverte. Le dodo fut alors pourchassé et ses nids, détruits. Il s’éteignit à la fin du XVIIe siècle.

Nous achetons, par exemple, des tortues des pays chauds pour en faire des animaux de compagnie. Mais ces tortues deviennent rapidement trop grosses pour nos aquariums. Alors, nous les relâchons dans l’environnement, près des cours d’eau. Peu à peu, ces tortues vont occuper le territoire des tortues indigènes et elles vont manger leur nourriture. Les tortues indigènes finiront par disparaître.

4

Serions-nous aussi une espèce en danger ? Si les forêts où poussent de nombreuses plantes médicinales disparaissent, avec quoi allonsnous nous soigner ? Si les plantes dont nous nous nourrissons sont ravagées par des maladies, par quoi allons-nous les remplacer? Si nous n’avons protégé aucune espèce sauvage, qu’allons-nous devenir ?

Nous chassons et nous pêchons en trop grande quantité.

Dans l’Atlantique Nord, la morue est une espèce de poisson qui est presque éteinte. Comme il n’y a plus beaucoup de morues, des milliers de personnes ont

L’ u n i v e r s

108

vivant

Chapitre

4

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces 4.1

La vie est partout sur la planète, sous les formes les plus diverses : animaux, plantes et bactéries. Si les êtres vivants sont si nombreux, c’est qu’ils se reproduisent. Chaque espèce fait des petits pour remplacer les individus qui meurent et éviter la disparition. Mais comment déterminer ce qui est vivant ? Les robots, les ordinateurs et les automobiles sont-ils des vivants ? Que font les vivants que les objets ne font pas ? Si vous observez les photos 4.1 et 4.2, vous serez d’accord pour dire que les enfants qui jouent sont des vivants, mais que les automobiles ne le sont pas. Les enfants courent, se déplacent, respirent de l’oxygène, mangent et font du bruit. Ils sont faits de peau, d’os, de muscles et de sang. Ils éliminent des déchets et ils dépensent de l’énergie. Et ces enfants pourront, à leur tour, avoir des enfants plus tard. Toutes ces fonctions vitales de l’organisme sont à la base du maintien de la vie.

Chapitre 4

4.2

Mais les automobiles aussi bougent, ont besoin d’oxygène pour brûler l’essence et font du bruit. Elles sont faites de métal et de plastique. Elles rejettent des déchets par leur système d’échappement et elles dépensent de l’énergie. Alors, qu’est-ce qui distingue les êtres vivants des non-vivants ?

109

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

1 Les caractéristiques d’un être vivant Tous les êtres vivants ont, malgré leur très grande diversité, certaines caractéristiques communes. La vie étant une réalité complexe, il n’est pas facile de dresser la liste précise de toutes les caractéristiques communes aux plantes, aux animaux et aux bactéries.

La cellule est la base de cette organisation complexe. Toutes les parties qui composent un organisme vivant sont faites de cellules ou de substances fabriquées par les cellules. Pour être considéré comme un vivant, un organisme doit être constitué de cellules.

Voici donc une façon de présenter les principales caractéristiques que tout organisme doit avoir pour être considéré comme un vivant.

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

1

2

Tout être vivant a une organisation complexe dont la base est la cellule.

Tout être vivant réagit aux stimuli.

4.4

Les êtres vivants réagissent à des stimuli par des mouvements. Ainsi, lorsque le saumon remonte le courant du torrent, l’ours l’attrape avec ses dents.

Tous les êtres vivants réagissent à certains stimuli (excitations qui provoquent une réaction) ou à certaines modifications de leur environnement. Par exemple, le chien aboie lorsqu’une personne inconnue pénètre sur son territoire. Les plantes réagissent également aux stimuli, mais elles le font plus lentement. Par exemple, dans une maison, une plante dirigera ses feuilles vers la lumière qui entre par les fenêtres.

4.3

Les êtres vivants ont une organisation complexe, comme le montre ce plan rapproché d’une fleur de tournesol.

Un chat a une organisation beaucoup plus complexe qu’une automobile. Un être vivant, comme une plante ou un animal, a une organisation tellement plus complexe qu’un ordinateur qu’il est pratiquement impossible de comprendre tout son fonctionnement.

L’ u n i v e r s

Les stimuli peuvent être de nature différente, comme les sons, la lumière, la chaleur, les odeurs et les saveurs. La faim et la soif peuvent aussi provoquer des réactions. 110

vivant

En réponse à un stimulus, il y a un grand nombre de réactions possibles. Par exemple :

4

Tout être vivant croît et se développe.

• une proie fuira devant un prédateur ; • une mère défendra ses petits devant un danger ; • un vivant se déplacera d’un lieu à un autre à la recherche de nourriture ; • une plante réagira par des mouvements généralement lents (le tropisme) ; elle réagira à la lumière (le phototropisme), à la pesanteur (le géotropisme) et au toucher (le thygmotropisme).

3

Tout être vivant fait des échanges avec son milieu.

4.6

Ces embryons de grenouilles vont croître et se développer.

Tous les êtres vivants croissent, particulièrement au début de leur vie. La croissance, chez les êtres vivants, est le résultat d’un mécanisme complexe par lequel l’organisme absorbe des substances de son environnement. Il les transforme ensuite pour fabriquer, principalement, de nouvelles cellules. Ainsi, votre croissance résulte de l’augmentation du nombre de vos cellules. 4.5

Les êtres vivants, comme la vache, puisent des substances dans leur milieu.

5

Tous les êtres vivants font continuellement des échanges avec leur milieu. Par exemple, la vache consomme des plantes et de l’eau. Puis, elle rejette des matières fécales et de l’urine. Elle absorbe de l’oxygène en respirant et elle expire du gaz carbonique.

Tout être vivant utilise de l’énergie.

Les végétaux, eux, puisent du gaz carbonique dans l’air. Ils vont chercher, dans le sol, l’eau et les minéraux dont ils ont besoin. Ils rejettent, dans l’air, de l’oxygène et de la vapeur d’eau. Même les organismes simples, comme les bactéries, puisent dans leur milieu certaines substances et en rejettent d’autres. Tous ces échanges de matière servent à la croissance, à la réparation et au développement des organismes vivants.

Chapitre 4

4.7

Pour être en mesure d’agir, un être vivant a besoin d’énergie. Cette chauve-souris s’alimente en butinant.

111

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Pour se déplacer, bouger, grandir, se reproduire et faire leurs activités, les êtres vivants ont besoin d’énergie. Les plantes utilisent l’énergie du soleil, la lumière. Les animaux utilisent l’énergie contenue dans leurs aliments.

6

7

Tout être vivant s’adapte aux changements de son milieu.

Tout être vivant se reproduit.

4.9

Les manchots se sont adaptés au milieu aquatique. Ils utilisent leurs ailes comme nageoires. 4.8

Toutes les espèces vivantes ont dû, pour survivre, s’adapter à leur milieu. Et lorsque le milieu change, l’espèce doit s’adapter au nouveau milieu ou alors disparaître. Les caractéristiques physiques et les comportements de l’espèce qui s’adapte au nouveau milieu changent. Cette adaptation au nouveau milieu peut prendre des milliers d’années.

Les êtres vivants se reproduisent pour produire un autre être vivant qui leur ressemble.

Tous les êtres vivants viennent d’un autre être vivant de la même espèce. Par exemple, un être humain a comme parents des êtres humains, un ver de terre vient de parents qui sont des vers de terre, les bactéries viennent de bactéries, etc.

Pour qu’un organisme soit considéré comme un vivant, il doit présenter ces sept caractéristiques.

Tous les vivants doivent se reproduire pour remplacer les individus qui meurent et éviter la disparition de l’espèce. Ni les automobiles ni les ordinateurs ne peuvent se reproduire. C’est pourquoi on ne les considère pas comme des vivants.

Savez-vous que…

?

• Robert Hooke, un Anglais, a découvert la cellule grâce à un microscope rudimentaire de son invention. C’est dans son ouvrage intitulé Micrographia, publié en 1665, qu’il a présenté des dessins d’insectes, de plumes d’oiseaux, d’éponges et de tranches de liège qu’il avait observés à l’aide de son microscope.

L’ u n i v e r s

112

vivant

4.10

Une réplique du microscope de Hooke.

2 La cellule

LABO 9

La cellule possède toutes les caractéristiques d’un être vivant. Elle est l’unité de base de tout être vivant.

contenir des milliards de cellules. Le corps humain, par exemple, contient environ 60 000 000 000 000 de cellules ou 6 x 1013 cellules, qui ont diverses fonctions.

Tout organisme, du plus simple au plus complexe, est constitué de cellules. Un organisme vivant peut être constitué d’une seule cellule. C’est le cas des bactéries. Les plantes et les animaux peuvent

Les cellules participent au fonctionnement de tout l’organisme. Elles se nourrissent, produisent de l’énergie, échangent des informations, se multiplient et meurent au bout d’un certain temps.

L’écriture de grands nombres 60 000 000 000 000 = 6 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 ⫻ 10 = 6 ⫻ 1013

Les recherches en science et en technologie donnent parfois des résultats qui font appel à de grands nombres. Pour écrire ces grands nombres de façon concise, les puissances de 10 exprimées à l’aide d’un exposant sont d’une grande utilité. Exposant 3e puissance de 10 3

10 = 1000 Base

Exemples: 100 = 1 1

10

= 10

102 = 100 3

107 = 10 000 000

Un

8

= 100 000 000

Dix

10

Cent

109 = 1 000 000 000 10

= 10 000 000 000

Dix millions Cent millions Un milliard Dix milliards

Mille

10

104 = 10 000

Dix mille

1011 = 100 000 000 000

Cent milliards

105 = 100 000

Cent mille

1012 = 1 000 000 000 000

Un billion

10

10

6

= 1000

= 1 000 000

13

10

Un million

= 10 000 000 000 000

Dix billions

Lorsqu’il s’agit de nommer les grands nombres, on confond souvent les termes « billion » et « milliard ». Cette confusion s’explique par le fait que, dans la langue anglaise, notamment au Canada et aux États-Unis, le mot billion signifie « milliard ». Vers 1938, le mathématicien américain Edward Kasner a imaginé un nom pour désigner la centième puissance de 10 (10100) : le mot « googol ».

Chapitre 4

113

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

2.1 Les parties de la cellule visibles au microscope La plupart des cellules sont très petites et ne peuvent être visibles qu’au microscope. Les cellules humaines ont une taille qui varie de quelques millièmes de millimètre à un millimètre (taille d’un ovule humain). La photo 4.13 montre une cellule humaine qui a été obtenue en frottant légèrement, avec un cure-dents, la paroi interne de la joue (l’épithélium buccal).

Les cellules des organismes vivants sont-elles toutes semblables ? De quelle grosseur sont-elles ? À quoi ressemblent-elles ?

Membrane cellulaire

Cytoplasme

4.11

Une illustration des cellules du cerveau. Noyau

Membrane nucléaire

4.13

Une cellule d’épithélium buccal (paroi interne de la joue).

Quelles sont les principales composantes d’une cellule ? Il y en a quatre : la membrane cellulaire, le cytoplasme, le noyau et la membrane nucléaire.

4.12

Des cellules d’une feuille d’élodée du Canada (plante aquatique).

La membrane cellulaire enveloppe toute la cellule. Elle contrôle les échanges entre l’intérieur de la cellule et le milieu extérieur. Elle empêche certaines substances d’entrer et elle en laisse passer d’autres.

Les cellules ont des formes et des fonctions différentes selon leur environnement ou selon le rôle qu’elles jouent dans un organisme. Les cellules du sang, des os et des muscles ont des formes distinctes. Ces cellules jouent aussi un rôle différent. Les cellules des feuilles, des racines et des écorces des plantes ont également des formes diverses et un rôle précis à jouer.

L’ u n i v e r s

Le cytoplasme est une sorte de gelée qui contient plusieurs petits organes appelés « organites ». Diverses substances circulent dans le cytoplasme : eau, oxygène, déchets, nutriments (éléments nutritifs), etc. Les organites sont un peu comme les 114

vivant

Savez-vous que…

organes de notre corps. Ils permettent, entre autres, la digestion, la respiration et la fabrication de substances utiles (comme les ongles, les cheveux, les hormones, etc.).

• Les cellules d’un éléphant ne sont pas plus grosses que celles d’une souris. Elles sont tout simplement plus nombreuses.

Le noyau contrôle les activités de la cellule et contient l’information héréditaire. On peut le considérer comme le « cerveau » de la cellule.

?

• Le noyau d’une seule de vos cellules contient tout votre bagage génétique, c’est-à-dire toute l’information héréditaire vous concernant. Grâce à cette information, il serait possible de fabriquer votre clone, votre jumeau identique du point de vue génétique.

La membrane nucléaire est la mince barrière qui entoure le noyau. Elle contrôle les échanges entre le noyau et les organites du cytoplasme.

Dolly :

Point de mire

une brebis pas comme les autres ! Ian Wilmut, le « père spirituel » de Dolly, est né le 9 septembre 1944 en Angleterre. Il a fait ses études universitaires en génie génétique. En 1974, il s’est joint à l’institut Roselin en Écosse. C’est là qu’il a réussi à créer, avec son équipe, le premier clone d’un mammifère, la brebis Dolly.

4.14

Ian Wilmut a d’abord prélevé un ovule sur une brebis et il en a retiré le noyau. Il a remplacé ce noyau par un autre noyau qui venait d’une cellule du pis d’une deuxième brebis. Cet ovule, qui contenait l’information génétique de la deuxième brebis, a été implanté dans l’utérus d’une troisième brebis. Un embryon s’y est développé et est devenu le clone de la deuxième brebis. Ainsi est née la brebis Dolly, le 5 juillet 1996. Ian Wilmut a répété cette expérience des centaines de fois avant de réussir. La naissance de la brebis Dolly a suscité la controverse dans le monde entier. Le débat s’est élargi. On s’est demandé si on avait le droit de cloner des êtres humains. Dolly a été euthanasiée à l’âge de six ans. Elle souffrait de malformations pulmonaires. Tous les mammifères clonés dans les années qui ont suivi ont souffert de graves malformations. En 2000 naissait Starbuck II, clone du célèbre taureau reproducteur Starbuck. Ce veau est né à la faculté de médecine vétérinaire de l’Université de Montréal. Il semble qu’il n’ait, à ce jour, aucune malformation.

Chapitre 4

115

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

2.2 Les cellules végétales et animales produire de la nourriture (des sucres). Il contient de la chlorophylle, une substance verte qui permet aux plantes d’absorber le gaz carbonique de l’air. C’est grâce au chloroplaste que les plantes font de la photosynthèse, c’est-à-dire qu’elles utilisent le gaz carbonique de l’air pour produire leur nourriture.

Tout comme il y a des différences entre les animaux et les végétaux, il y a aussi des différences entre les cellules animales et les cellules végétales. Il y a également des points communs entre les deux sortes de cellules. Membrane nucléaire

Chloroplaste

Membrane cellulaire

Noyau

Cytoplasme

Vacuole

Vacuole

Noyau Cytoplasme Membrane cellulaire

Membrane nucléaire

Paroi cellulosique

4.15

4.16

Une cellule végétale.

Une cellule animale.

Les cellules végétales ont les mêmes structures que les cellules animales. Elles ont donc un noyau, une membrane nucléaire, une membrane cellulaire et un cytoplasme. Cependant, on peut différencier ces deux types de cellules grâce à des caractéristiques qui leur sont propres.

Certaines cellules végétales et animales contiennent une vacuole. La vacuole est une poche située dans le cytoplasme. Chez les animaux, elle sert à emmagasiner les graisses. Chez les végétaux, elle sert à emmagasiner l’amidon (un sucre) et des déchets.

La membrane cellulaire de chaque cellule végétale est entourée d’une épaisse paroi cellulosique. Cette paroi contient beaucoup de cellulose, une substance qui donne de la rigidité aux plantes. C’est la cellulose que l’on extrait des arbres pour faire une pâte qui servira à fabriquer le papier. Une autre caractéristique des cellules végétales est qu’elles contiennent des chloroplastes. C’est dans le chloroplaste que l’énergie lumineuse est utilisée. Le chloroplaste capte la lumière solaire pour

L’ u n i v e r s

4.17

Les cellules végétales et animales sont visibles au microscope.

116

vivant

3 La reproduction Tous les vivants se reproduisent, c’est une de leurs caractéristiques. La reproduction sert à assurer la perpétuation de l’espèce. Certaines espèces se reproduisent rapidement et ont beaucoup de petits. D’autres se reproduisent lentement et ont peu de petits.

Observez l’illustration 4.19 où l’on représente les modes de reproduction du fraisier. On y voit une tige, le stolon, qui s’est développée à partir du fraisier. Grâce au stolon, de nouveaux plants de fraisier vont se former et s’enraciner dans le sol. C’est ce qu’on appelle la « reproduction asexuée ». Le stolon est en quelque sorte un organe reproducteur du fraisier. Le nouvel être vivant aura les mêmes caractéristiques que son parent, la plante-mère. La reproduction asexuée se fait avec un seul parent qui produit une ou plusieurs « copies » de lui-même. Plante-mère

Fraise

Stolon Jeune plant

4.19

Le fraisier se reproduit de deux façons différentes. 4.18

Les bonobos, que l’on trouve uniquement dans le centre de l’Afrique, se reproduisent très lentement. La femelle n’a qu’un petit à la fois, trois ou quatre fois dans sa vie.

Les végétaux se reproduisent aussi grâce à leurs organes sexuels. Observez de nouveau l’illustration 4.19. Sur la fraise, il y a de petits grains qu’on appelle « akènes ». Ces akènes, s’ils sont semés, vont produire de nouveaux fraisiers. Mais pour avoir une fraise porteuse d’akènes, le fraisier doit d’abord faire une fleur. Cette fleur aura des organes mâles et femelles.

Les vivants ont de nombreuses façons de se reproduire. Les bactéries, les plantes et les animaux se reproduisent-ils comme les êtres humains ? Y a-t-il des bactéries mâles ? Des plantes femelles ?

Chapitre 4

117

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Chacun des organes mâles et femelles contiendra des cellules mâles et des cellules femelles qui s’uniront pour produire un nouvel organisme. C’est ce qu’on appelle la « reproduction sexuée ».

les individus d’une espèce sont identiques, l’adaptation, l’évolution et la survie de l’espèce peuvent être compromises.

La reproduction sexuée se fait par l’union de deux cellules, une cellule mâle et une cellule femelle. Le fraisier, comme bien d’autres vivants, utilise deux modes de reproduction : la reproduction sexuée et la reproduction asexuée. Chaque mode de reproduction comporte des avantages et des inconvénients.

4.21

La reproduction asexuée produit des individus identiques.

La reproduction sexuée a l’avantage de produire des descendants qui ne sont pas identiques à leurs parents. Les descendants auront donc des caractéristiques qui leur seront transmises par chacun des deux parents. Cette diversité d’individus permettra une meilleure adaptation de l’espèce à son milieu. Toutefois, ce mode de reproduction est assez complexe. Il faut trouver un ou une partenaire, produire des cellules spécialisées pour la reproduction et faire en sorte que ces cellules se rencontrent. Tout cela entraîne des dépenses d’énergie plus grandes que celles qui sont requises pour la reproduction asexuée.

3.1 La reproduction asexuée La reproduction asexuée se fait de trois façons : par division cellulaire, par bourgeonnement, par marcottage et bouturage.

La division cellulaire Les organismes unicellulaires, comme les monères et les protistes, se reproduisent de façon asexuée par division cellulaire. Chez ces organismes, il n’y a ni mâle ni femelle. La division cellulaire est le processus par lequel les cellules se multiplient. Par division cellulaire, une cellule donne naissance à une autre cellule. Par exemple, une bactérie va grossir, puis se séparer en deux pour donner deux nouvelles « cellules filles » qui seront identiques à la « cellule mère ».

4.20

La reproduction sexuée produit des individus qui ne sont pas identiques.

La reproduction asexuée a l’avantage d’être un mode de reproduction facile et rapide, car elle se fait sans partenaire. Un seul individu jouera le rôle de parent. Par contre, tous les descendants seront identiques au parent. Du point de vue génétique, ils seront des clones (des individus identiques). Si tous

L’ u n i v e r s

4.22

L’amibe (du règne des protistes) se divise en deux cellules semblables et autonomes.

118

vivant

Un modèle mathématique Dans des conditions propices, certaines bactéries peuvent se reproduire toutes les 20 min. Pour représenter cette situation idéale, nous pouvons utiliser un modèle mathématique qui nous permet de mieux visualiser les données. Ce modèle mathématique nous amène à prendre conscience qu’une seule bactérie peut, après 10 h (ou 600 min), engendrer près de 1 milliard de bactéries.

Nombre de bactéries

Nombre de bactéries exprimé à l’aide des puissances de 2

0 min (20 ⫻ 0)

1

20

20 min (20 ⫻ 1)

2

21

40 min (20 ⫻ 2)

4

22

60 min (20 ⫻ 3)

8

23

(…) 64 (…) 4096 (…) 262 144 (…) 16 777 216 (…) 1 073 741 824 (environ 1 milliard)

(…) 26 (…) 212 (…) 218 (…) 224 (…) 230

Temps

(…) 120 (…) 240 (…) 360 (…) 480 (…) 600

Représentation

min (20 ⫻ 6)

(…)

min (20 ⫻ 12) min (20 ⫻ 18) min (20 ⫻ 24) min (20 ⫻ 30)

Le bourgeonnement Des organismes unicellulaires, comme les levures, et des organismes pluricellulaires, comme l’hydre (minuscule animal d’eau douce), se reproduisent par bourgeonnement. Dans ce mode de reproduction, le nouvel individu se développe à partir d’une excroissance du corps d’un individu « parent ». Cette excroissance va grossir et se détacher du « parent » pour devenir un nouvel individu.

4.23

Les cellules de levure se divisent par bourgeonnement.

Chapitre 4

119

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Le marcottage et le bouturage La reproduction asexuée par marcottage et la reproduction asexuée par bouturage sont des modes de reproduction assez semblables. Nous avons vu que le fraisier pouvait se reproduire grâce à ses stolons. Cette façon de se reproduire est appelée le « marcottage ». D’autres variétés de végétaux se reproduisent ainsi. Ce mode de reproduction consiste à provoquer l’émission de racines sur une petite branche sans que celleci se détache de la plante dont elle est issue. Par exemple, dans le cas de la plante araignée, les tiges (les stolons) vont se développer et s’éloigner de la plante-mère. Si les stolons entrent en contact avec la surface de la terre, ils vont prendre racine et finir par se détacher de la plante-mère.

4.24

4.25

Certains végétaux, comme la plante araignée, se multiplient par marcottage.

D’autres végétaux se multiplient par bouturage.

La reproduction par bouturage consiste à replanter une partie d’une plante dans la terre. On peut aussi placer cette partie de la plante dans l’eau. Ce fragment va alors faire des racines et produire une nouvelle plante. Cette méthode est très répandue en horticulture.

Elsie Reford:

Point de mire

les Jardins de Métis Elsie Reford est née à Perth, en Ontario, le 22 janvier 1872. Elle a étudié à Montréal, à Dresde (en Allemagne) et à Paris. Le 12 juin 1894, elle a épousé Robert Wilson Reford. En 1918, son oncle, Lord Mount Stephen, lui donna son immense domaine situé au confluent de la rivière Mitis et du fleuve Saint-Laurent, à Grand-Métis en Gaspésie. Elsie Reford acheta des fermes adjacentes et des terrains avoisinants dans le but d’accroître la superficie du domaine.

4.26

Elsie Reford commença à jardiner en 1926. Pendant plus de 30 ans, elle dessina des jardins et les réalisa elle-même. Chaque année, elle les agrandissait considérablement. C’est en 1959 qu’elle passa son dernier été à Grand-Métis. Elle mourut à Montréal, le 8 novembre 1967, à l’âge de 96 ans. Horticultrice autodidacte, elle a créé l’un des plus beaux jardins botaniques du pays. Les Jardins de Métis offrent aux visiteurs les splendeurs de quelque 3000 espèces et variétés de plantes indigènes et exotiques.

L’ u n i v e r s

120

vivant

3.2 La reproduction sexuée chez les végétaux Même si beaucoup de végétaux peuvent se reproduire de façon asexuée, la reproduction sexuée est le mode de reproduction le plus répandu. Chez les végétaux, la reproduction sexuée est réalisée grâce à des structures qui varient selon les sortes de plantes : fougères, conifères, plantes à fleurs, etc. Par exemple, dans le cas des plantes à fleurs, c’est la fleur qui est l’organe sexuel. Les fleurs les plus connues (roses, lys, etc.) contiennent à la fois les organes sexuels mâles et femelles. Cependant, d’autres plantes (comme le saule) portent des fleurs mâles et des fleurs femelles. Une même plante (comme le maïs) peut aussi porter à la fois une fleur mâle et une fleur femelle.

4.29

Un même plant de maïs porte à la fois une fleur mâle et une fleur femelle. La fleur mâle pousse au sommet du plant. La fleur femelle, que nous ne voyons pas ici, pousse à la jonction des feuilles et de la tige.

4.27

Il y a des plants de saule avec des fleurs mâles et d’autres plants avec des fleurs femelles. Ce plant de saule porte des fleurs mâles.

4.30

Chaque fleur de pommier a des organes sexuels mâles et femelles.

Les fleurs sont les organes de reproduction qui vont donner de nouvelles plantes. Nous verrons, dans les pages qui suivent, comment se fait la reproduction sexuée d’une plante à fleurs.

4.28

Ce plant de saule porte des fleurs femelles.

Chapitre 4

121

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

La fleur

De la fleur au fruit Une fois fécondée, la fleur va devenir un fruit porteur de graines. Mais pour donner un fruit contenant des graines, la fleur doit d’abord être pollinisée, ses ovules doivent être fécondés et l’ovaire doit se développer.

Stigmate Style

Pollen

PISTIL ÉTAMINE Anthère

Ovules Ovaire

1 • La pollinisation

Filet

Pour qu’il y ait fécondation, il faut qu’il y ait pollinisation. La pollinisation est le transport du pollen de l’anthère de l’étamine vers le stigmate du pistil. Comme les plantes ne se déplacent pas, elles doivent compter sur des agents extérieurs qui vont transporter le pollen de l’anthère au stigmate. Ces agents extérieurs sont le vent, l’eau et certains animaux (les insectes, les chauves-souris et les oiseaux).

Pétale Sépale Pédoncule

Les abeilles butinent de fleur en fleur pour recueillir le nectar sucré avec lequel elles font le miel. Elles y recueillent également le pollen, qui est une source de protéines. En butinant ainsi, les abeilles pollinisent des milliers de fleurs.

4.31

L’anatomie d’une fleur.

Une fleur est constituée de nombreuses parties. L’organe femelle de la fleur est le pistil. Le pistil est composé : • de l’ovaire, qui contient les ovules (comme chez la femme) ; • du style, qui est un long tube reliant l’ovaire au stigmate (l’entrée du pistil). L’organe mâle de la fleur est l’étamine. L’étamine est composée : • du filet, qui est une longue tige ; • de l’anthère, qui se trouve au bout du filet ; l’anthère est une petite masse recouverte de pollen; le pollen est l’équivalent des spermatozoïdes chez les animaux. Les autres parties de la fleur sont accessoires et ne participent pas directement à la reproduction. Les pétales, qui sont de diverses couleurs, servent parfois à attirer les insectes. Les sépales et le pédoncule servent de support à la fleur.

L’ u n i v e r s

4.32

Le pollen que l’abeille recueille colle à ses pattes. L’abeille déposera ce pollen sur le stigmate de chaque fleur qu’elle visitera.

122

vivant

2 • La fécondation

4 • La germination

Les grains de pollen, une fois rendus sur le stigmate du pistil, vont s’y coller. Ils vont ensuite former un long tube qui va pénétrer jusqu’à l’ovaire. Une cellule mâle du grain de pollen va alors descendre dans le tube et s’unir à l’ovule (la cellule femelle). C’est la fécondation.

Une fois le fruit formé, les graines qu’il contient germeront si elles se trouvent dans un endroit propice. Des noyaux de cerises, par exemple, qui resteraient au pied de la plante-mère auraient peu de chances de se développer. Le plant adulte leur ferait concurrence pour la lumière et les minéraux contenus dans le sol.

La fécondation est l’union d’une cellule mâle et d’une cellule femelle.

Les graines des plantes devront donc être dispersées pour avoir plus de chances de se développer. Le vent dispersera les graines de pissenlit. L’eau transportera les graines de cocotier.

3• La fructification Quand une fleur est fécondée, une graine se forme dans l’ovaire de la fleur. Dans le cas d’une fleur de pommier, ce sera un pépin. La graine est constituée d’un embryon de plante, d’une réserve de nourriture et d’une enveloppe protectrice. Quand la graine grossit, l’ovaire qui l’entoure devient un fruit. Dans le cas d’un pommier, l’ovaire deviendra une pomme.

4.34

Quand le vent souffle, il emporte les graines de pissenlit.

Certaines graines vont être transportées par les animaux. Les animaux sont de bons transporteurs de graines. Ils mangent des fruits, et les graines que les fruits contiennent sont rejetées dans leurs excréments, loin du plan adulte.

La fructification est la formation d’un fruit qui porte des graines. Lorsque l’ovaire de la fleur deviendra un fruit, le pédoncule de la fleur formera la queue du fruit. Le bout du stigmate de la fleur sera encore perceptible, comme le montre l’illustration 4.33.

Lors de la germination, l’embryon contenu dans la graine se développe, puis fait pousser des racines et une tige.

(5)

(4) (3) (2)

(1) 4.33

UNE FLEUR QUI DEVIENT UN FRUIT. (1) Le pédoncule de la fleur forme la queue de la pomme. (2) L’enveloppe de l’ovaire devient la pelure de la pomme. (3) Les ovules donnent les pépins. (4) L’ovaire forme la chair de la pomme. (5) Le stigmate est la « rosette », c’est-à-dire le bout de la pomme.

Chapitre 4

123

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Tige et feuilles

Comment se fait la germination d’une graine ? Prenons comme exemple la graine de haricot.

Cotylédon

Quand la graine germe, deux petites excroissances apparaissent : la radicule, qui fournira les racines, et la gemmule, qui produira une tige et des feuilles. Le cotylédon, lui, servira de réserve de nourriture au jeune plant, le temps que ses feuilles se développent et qu’elles utilisent l’énergie de la lumière. Le cotylédon finira par se faner et par disparaître. Certaines graines n’ont qu’un cotylédon, comme le maïs. D’autres graines se séparent en deux cotylédons, comme l’arachide et le haricot.

Cotylédon

Cotylédon

Racines Gemmule

Radicule

4.35

LA GERMINATION D’UNE GRAINE DE HARICOT. La radicule est la première racine à sortir de la graine. La gemmule est la partie de l’embryon qui donnera la tige et les feuilles. Le haricot a deux cotylédons. Nous n’en voyons qu’un ici.

Le cycle de vie d’une plante à fleurs Une plante à fleurs naît d’une graine qui a germé. La plante grandit. Elle devient adulte et elle fleurit. Les fleurs, après la fécondation, deviennent des fruits porteurs de graines. Et le cycle recommence.

(2)

(1) (3)

(4)

4.36

LE CYCLE DE VIE D’UN POMMIER. (1) Les pommes tombent au sol. (2) La graine germe. (3) Le plant grandit. (4) Le plant fleurit. (5) Les fleurs forment des fruits.

L’ u n i v e r s

(5)

124

vivant

3.3 La reproduction sexuée chez les animaux

La fécondation La fécondation est l’union d’une cellule mâle et d’une cellule femelle (c’est-à-dire d’un spermatozoïde et d’un ovule). La fécondation peut se faire à l’extérieur de la femelle. C’est la fécondation externe. La fécondation peut aussi se faire dans l’organisme de la femelle. C’est la fécondation interne. Dans la fécondation externe, les œufs sont libérés par la femelle dans un milieu humide pour éviter qu’ils se dessèchent. Ils seront ensuite fécondés par le mâle. La fécondation externe nécessite un grand nombre d’ovules et de spermatozoïdes. Cette production élevée augmente les chances de rencontres entre les ovules et les spermatozoïdes. La majorité des poissons (saumons, perches, etc.), des mollusques (moules, escargots, etc.) et des amphibiens (grenouilles) se reproduisent par fécondation externe.

4.37

L’accouplement des grenouilles a lieu au printemps.

Le principal mode de reproduction chez les animaux est la reproduction sexuée. C’est un mode de reproduction qui a l’avantage de produire plusieurs individus différents et d’augmenter les chances de survie d’une espèce. Mais ce mode de reproduction a l’inconvénient d’être assez complexe. En effet, il faut que la femelle et le mâle produisent des cellules sexuelles en même temps, qu’ils se rencontrent dans un même lieu et qu’ils s’acceptent comme partenaires. 4.38

Chez les animaux, il y a souvent une période spécifique de l’année qui est réservée à l’accouplement. Chez les mammifères, la période au cours de laquelle la fécondation est possible est dite « période du rut ». Chez les poissons, la période de reproduction est appelée « période de frai ». Ces périodes sont déclenchées par des facteurs externes, comme la température et la durée du jour. Par exemple, le printemps est la saison des amours de certains oiseaux migrateurs. L’automne est la saison de l’accouplement des cerfs de Virginie.

La grenouille femelle vient de pondre ses œufs. La fécondation se fera à l’extérieur de l’organisme de la femelle.

Comment se fait la reproduction sexuée chez les animaux ?

L’ovule, une fois fécondé, se développera pour produire un nouvel individu.

Chapitre 4

La fécondation interne se fait dans l’organisme de la femelle. Le spermatozoïde féconde l’ovule à l’intérieur du système reproducteur de la femelle. Le nombre de cellules sexuelles est moins élevé dans la fécondation interne. Les reptiles (crocodiles, serpents, etc.), les oiseaux (canards, autruches, etc.) et les mammifères (singes, êtres humains, etc.) se reproduisent par fécondation interne.

125

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Chez les vivipares, l’œuf se développe à l’intérieur de la femelle. L’embryon est relié à la femelle, qui lui fournit tout ce qui est nécessaire à son développement. Il y a de nombreux échanges de substances entre la mère et l’embryon. C’est le mode de développement le plus courant des mammifères.

Le développement Le développement de l’ovule fécondé, qui deviendra un nouveau vivant, se fera à l’intérieur ou à l’extérieur de la femelle. On distingue trois modes de développement : celui des ovipares, celui des vivipares et celui des ovovivipares.

1

• Les

3 • Les ovovivipares

ovipares

Le mode de développement des ovovivipares est identique à celui des ovipares. L’œuf est totalement indépendant de la femelle. Mais celle-ci le conserve à l’intérieur de son corps jusqu’à ce qu’il soit prêt à éclore. Certains reptiles (comme les boas et les vipères) et certains poissons (comme les requins) ont ce mode de développement.

4.39

L’éclosion d’un caneton.

Chez les ovipares, l’œuf se développe entièrement à l’extérieur de la femelle. Tout ce qui est nécessaire au développement de l’embryon est contenu dans l’œuf. Il n’y a pas d’échanges de substances entre la mère et l’embryon. C’est le mode de développement principal des amphibiens, des poissons, des reptiles et des oiseaux. Dans certains cas, les œufs seront protégés ou couvés par les parents. Dans d’autres cas, ils seront laissés à eux-mêmes.

4.41

Une réplique du mode de développement du serpent.

2 • Les vivipares

Tout comme les plantes, les animaux ont un cycle de vie. Chez l’être humain, ce cycle comprend les stades suivants : l’accouplement, la fécondation, la grossesse, l’accouchement, la croissance et l’âge adulte. Puis, le cycle recommence. Tous les mammifères vivipares ont ce cycle de vie. Chez les ovipares, comme les oiseaux et les reptiles, la grossesse est remplacée par la couvaison. Les insectes sont des animaux qui ont un cycle de vie particulier. Ils commencent leur vie sous la forme d’un œuf. De l’œuf à l’adulte, il y a des stades intermédiaires où l’animal se métamorphose totalement. Une chenille qui se transforme en papillon en est un exemple (illustration 4.42, page 127).

4.40

Un fœtus humain d’environ 5 semaines.

L’ u n i v e r s

126

vivant

Le cycle de vie du monarque (1) Au départ, le papillon est un œuf fécondé et déposé par la femelle sur une feuille d’asclépiade. Une femelle pond de 200 à 400 œufs. La fécondation est externe. (2)

(1)

(3) À sa dernière mue, la chenille tisse un cocon autour d’une branche. Elle forme alors une enveloppe dure et verte. La chenille devient une pupe (ou une chrysalide). Ce stade dure 14 jours.

(4) (3)

(4) La pupe (ou la chrysalide) se transforme en papillon. On appelle cette série de transformations une « métamorphose ». La plupart des insectes passent par des cycles semblables de métamorphose.

4.42

Savez-vous que…

(2) L’éclosion de l’œuf se fait de 3 à 12 jours plus tard, selon la température. Une larve sort de l’œuf. C’est une chenille. La chenille grossit rapidement et va muer 4 ou 5 fois.

?

• De rares animaux ont les deux sexes. Un même individu a alors des organes mâles et femelles. On appelle ces individus des « hermaphrodites ». Les vers de terre et les escargots sont des hermaphrodites. Même s’ils ont les deux sexes, les hermaphrodites ne peuvent s’autoféconder. C’est la partie mâle d’un individu qui féconde la partie femelle d’un autre individu de l’espèce. • La femelle de l’hippocampe moucheté dépose ses œufs dans la poche ventrale du mâle qui assure la protection des petits.

Chapitre 4

4.43

Un hippocampe moucheté.

127

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. La reproduction d’un être vivant

Des pistes à explorer

Qu’est-ce qui déclenche les phénomènes reproducteurs chez les animaux ? Quel stimulus déclenche l’ovulation chez les femelles ? Quel stimulus déclenche la ponte des œufs ? Vous allez observer un petit poisson d’aquarium, le médaka japonais (Oryzias latipes). Vous découvrirez ce qui déclenche la ponte des œufs chez ce poisson. La femelle médaka pond cinq ou six œufs qu’elle garde collés sur son ventre. Il est donc possible de voir l’éclosion des œufs. On peut se procurer le médaka japonais chez les fournisseurs de matériel scientifique.

• Les poules, qui ne pondent presque plus en hiver, se remettent à pondre au printemps. • Dans les poulaillers industriels, on ajoute de l’éclairage pendant l’hiver. • La présence du coq estelle indispensable pour que la poule ponde ?

2. Des plantes chatouilleuses Plusieurs espèces de plantes réagissent au toucher. Parmi les plus intéressantes, il y a la dionée (Dionæa muscipula) et la sensitive (Mimosa pudica). Quels stimuli font réagir ces plantes ? Choisissez une de ces deux plantes et essayez de découvrir si toutes ses parties sont sensibles au toucher. On peut se procurer des graines de sensitive et des plants de dionée chez les pépiniéristes, les grainetiers ou les fournisseurs de matériel scientifique.

Des pistes à explorer • Il faut chercher la partie de la plante qui est sensible au toucher, ce qui va déclencher le mouvement des feuilles. • Après combien de temps la plante reprend-elle son apparence normale ? • La plante est-elle sensible à un autre stimulus que le toucher ? Par exemple, à la lumière, à la chaleur, au froid ?

L’ u n i v e r s

128

vivant

4.44

La sensitive (Mimosa pudica).

TOUT COMPTE

Les caractéristiques d’un être vivant

PAGES 110 À 112

FAIT

1 Un de vos amis a reçu un chien-robot en cadeau. Ce chien électronique jappe, grogne, obéit à certains commandements, demande même qu’on recharge ses piles. Votre chien à vous est bien réel, en chair et en os. Votre ami dit qu’il préfère avoir un chien-robot, car il n’a pas à le nourrir ni à ramasser ses excréments. a) Reproduisez le tableau ci-dessous. Dans la première colonne, dressez la liste des caractéristiques d’un être vivant. Dans la deuxième colonne, dites si le chien-robot présente chacune des caractéristiques que vous avez énumérées. Répondez par « oui » ou par « non ». Faites de même, dans la troisième colonne, avec le chien réel. Caractéristiques d'un être vivant

Chien réel

Chien-robot

Tout être vivant a une organisation complexe dont la base est la cellule.

b) En vous basant sur le tableau que vous avez rempli, dites si le chien-robot peut être considéré comme un vivant. Justifiez votre réponse. 2 Lors d’un voyage dans l’espace, des explorateurs ont découvert des « choses » étranges. Ils ont noté leurs observations.

A B C D E F

Nous avons découvert des «choses» qui ont 1 m de hauteur. Ces «choses» ressemblent à de gros cristaux brillants et transparents. Après quelques heures d’observation, nous constatons que ces «choses» sont toujours orientées vers le soleil. Elles se sont un peu déplacées. Quand nous leur faisons de l’ombre, nous recevons un choc électrique. Si elles sont à l’ombre, ces «choses» ne bougent plus. Elles ne bougent qu’à la lumière. Dans le but de poursuivre notre observation, nous avons «capturé» une de ces «choses» et l’avons mise en cage dans le vaisseau. Nous avons alors remarqué que la quantité d’oxygène diminuait dans l’habitacle. Dans la cage, nous avons vu une poussière verte produite par la «chose».

Chapitre 4

129

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

G

Lors d’une exploration de terrain, nous avons trouvé des empreintes fossilisées qui montrent que ces «choses» étaient, autrefois, légèrement différentes. Elles avaient une coquille et étaient plus petites.

la période d’observation, la «chose» s’est multipliée. Rapidement, il y a eu H Pendant de 8 à 10 petits cristaux sur la «chose». I Après quelques jours, ces petits cristaux ont augmenté de volume et de poids.

a) Lesquelles de ces observations peuvent être considérées comme des caractéristiques d’un être vivant ? Écrivez vos réponses dans un tableau semblable à celui ci-dessous. Pour chaque observation (A, B, C, etc.), indiquez de quelle caractéristique il s’agit. Si l’observation ne correspond à aucune caractéristique, écrivez « Aucune ». Observations

Caractéristiques d'un être vivant

b) Les caractéristiques que présente la « chose » trouvée par les explorateurs sont-elles suffisantes pour que l’on puisse affirmer que c’est un être vivant ? Justifiez votre réponse.

PAGES 113 À 116

La cellule 3 L’illustration ci-contre représente une cellule de lymphocyte (cellule sanguine du groupe des globules blancs). Nommez les principales composantes de cette cellule (1, 2, 3, 4) et expliquez le rôle qu’elles jouent.

3

1 2

4 Donnez deux caractéristiques d’une cellule végétale qui la distinguent d’une cellule animale. 4.45

4

Les cellules du sang : un lymphocyte entouré de globules rouges.

L’ u n i v e r s

130

vivant

PAGES 117 À 127

La reproduction

5 Vous allez disséquer une fleur de glaïeul (ou d’une autre espèce). Suivez les instructions qui sont données ici. a) Dessinez la fleur en entier. b) Séparez les sépales, les pétales, le pistil et l’étamine de la fleur. c) Dessinez ces parties. d) Sur le dessin du pistil, identifiez l’ovaire, le style et le stigmate. e) Sur le dessin de l’étamine, identifiez le filet, l’anthère et les grains de pollen. f ) Coupez l’ovaire du pistil en deux, dans le sens de la longueur. À l’aide d’une loupe puissante ou d’une loupe binoculaire, examinez l’intérieur de l’ovaire. Dessinez l’ovaire coupé et les ovules que vous voyez. Faites vos dessins dans des cercles de 5 cm de diamètre environ. 6 L’illustration ci-contre représente le cycle de vie du maïs. Expliquez, dans vos mots, ce qui se passe en A, B, C, D et E.

Fleur mâle

(A)

Fleur femelle

(B)

(E) (C) (D)

4.46

Le cycle de vie du maïs.

Chapitre 4

131

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

7 Reproduisez le tableau ci-dessous et remplissez-le. Indiquez, pour chaque animal nommé, si la fécondation de la femelle est interne ou externe. Donnez également le mode de développement (ovipare, vivipare, ovovivipare) de l’ovule qui sera fécondé. Animal

Mode de développement

Fécondation

Canard Grenouille Boa Saumon Requin Chat Singe

8 Connaissez-vous l’ornithorynque ? Faites une courte recherche sur cet animal. Écrivez les résultats de votre recherche dans un tableau semblable à celui ci-dessous.

4.47

L’ornithorynque est un animal étrange qui vit en Australie. Il se sent aussi bien dans l’eau que sur la terre ferme. Il se nourrit de poissons. C’est l’un des seuls mammifères qui pond des œufs. Sa période de reproduction a lieu du mois d’août au mois d’octobre.

L’ornithorynque Type de fécondation Mode de développement Nombre de petits Temps entre l’accouplement et la ponte Durée de la couvaison Âge de la maturité sexuelle

L’ u n i v e r s

132

vivant

Les secrets du métier

4.48

Les arboriculteurs effectuent la taille des arbres de façon à leur assurer une bonne croissance.

4.49

4.50

La physiothérapeute aide les personnes qui ont un handicap physique à retrouver leur autonomie.

Les techniciens en écologie analysent des milieux naturels dans le but de protéger les espèces qui y vivent.

Plusieurs personnes exercent des métiers reliés à la vie, au développement, à la croissance, aux affections physiques, à la reproduction, au vieillissement et à la mort. Pour exercer ces métiers, il faut, bien sûr, avoir une connaissance approfondie des phénomènes qui se manifestent chez tous les organismes, animaux et végétaux, de la naissance jusqu’à la mort. À la page suivante, nous présentons quelques métiers pour lesquels les connaissances de la vie sont essentielles, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers.

Chapitre 4

133

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

MÉTIERS RELIÉS AU MAINTIEN ET À LA PERPÉTUATION DE LA VIE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études secondaires collégiales universitaires • Arboriculteurs • Animaliers • Assistants en soins infirmiers • Assistants en pharmacie

• • • • •

Techniciens en diététique Techniciens en écologie Techniciens médicaux Techniciens en thanatologie Technologues en production horticole et environnementale

• Vétérinaires • Sages-femmes • Médecins • Physiothérapeutes • Agronomes • Chiropraticiens

Profession : sage-femme Dans presque tous les pays, sauf en Amérique du Nord, ce sont des sages-femmes qui accouchent les femmes et non des médecins. Le Québec a mis sur pied, en 1999, une formation universitaire pour les sages-femmes. La sage-femme, qui peut aussi être un homme, a pour mission d’accompagner la femme enceinte durant toute sa grossesse, de procéder à l’accouchement et d’assurer le suivi après l’accouchement. La formation universitaire des sages-femmes dure quatre ans. La première année est consacrée à l’acquisition des connaissances biomédicales. Les trois autres années sont principalement constituées de stages qui ont lieu dans divers milieux. Les sages-femmes pratiquent leur métier à l’hôpital, dans des maisons de naissance (il y en a six actuellement au Québec) ou encore dans des maisons privées. Pour être sage-femme, il faut d’abord acquérir des connaissances solides et de l’expérience. Les connaissances et l’expérience sont acquises pendant la formation universitaire. De plus, les sages-femmes doivent être disponibles, avoir de l’empathie, de la patience et savoir écouter.

4.51

La sage-femme joue un rôle technique et psychologique auprès de la femme enceinte.

134

Dans votre

Un rein pour sauver Laurence par Josée Nadia Drouin

4.52

Laurence Derome souffre d’une grave maladie. Ses jours sont comptés,

La xénotransplantation pourra-t-elle guérir, un jour, des personnes atteintes de maladies incurables?

à moins qu’elle n’ait recours à une greffe de rein. Malheureusement, l’attente d’un organe est très longue. Le temps presse. Laurence entend parler d’une technologie expérimentale qui pourrait peut-être lui sauver la vie : la xénotransplantation. Cette intervention médicale n’est pas encore approuvée au Canada. Laurence doit donc obtenir la permission de la Cour suprême du Canada de subir cette transplantation.

Chapitre 4

135

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

Imaginons que vous ayez à juger cette affaire. Avant de rendre votre décision, vous devez prendre connaissance des documents que les parties ont déposés à la Cour.

LA DÉFINITION DE LA XÉNOTRANSPLANTATION La xénotransplantation est une intervention médicale qui consiste à transférer des cellules, des tissus ou des organes vivants d’une espèce animale à une autre. Dans le cas de Laurence Derome, l’opération consisterait à greffer sur la patiente un rein provenant d’un porc. Cette intervention diffère de la transplantation traditionnelle qui est réalisée entre donneurs et receveurs humains seulement.

LAURENCE DEROME

Des chercheurs entrevoient la possibilité qu’une transplantation de cellules et de tissus animaux puissent, un jour, guérir des personnes souffrant de maladies incurables. Des patients en attente d’une greffe de cœur, de foie ou de rein pourront peut-être survivre grâce à un organe animal. Pour accroître ses chances de survie, Laurence Derome demande donc à la Cour la permission de subir une greffe de rein animal.

SANTÉ CANADA

La xénotransplantation: recherche et loi La xénotransplantation n’est pas une nouvelle intervention médicale. Un chirurgien européen a déjà procédé à une première greffe animal-humain en 1905. Sans succès.

Des essais cliniques sur des humains sont prévus dans certains pays (États-Unis, Belgique, Espagne et Allemagne). Au Canada, aucune demande d’essais cliniques n’a encore été approuvée.

Depuis lors, plusieurs interventions ont été réalisées. Dans chaque cas, le corps humain finissait par rejeter l’organe animal. Des chercheurs ont cependant mis au point, depuis quelques années, une technologie prometteuse : ils modifient génétiquement les organes des animaux pour les rendre compatibles avec ceux des humains. Des essais sur des animaux de laboratoire sont présentement en cours au Canada.

Une récente consultation populaire a montré qu’une majorité de Canadiens s’opposaient à des essais cliniques sur des sujets humains tant que les conséquences de la xénotransplantation ne seront pas mieux connues. Nous demandons donc à la Cour suprême du Canada de ne pas accorder à Laurence Derome la permission de subir cette intervention.

L’ u n i v e r s

136

vivant

LES AVANTAGES DE LA XÉNOTRANSPLANTATION Au Canada seulement, 3544 personnes attendaient une greffe d’organe en 1999. Parmi elles, près de 75 % avaient besoin d’un rein. Finalement, 1877 personnes sont décédées avant d’avoir reçu un organe. Trop peu d’organes sont disponibles au Canada. La xénotransplantation doit être envisagée comme une solution à cette pénurie d’organes. Elle pourrait fournir une réserve illimitée de cellules, de tissus et d’organes aux

êtres humains. Elle pourrait guérir des gens atteints de maladies incurables. Elle pourrait aussi donner une chance de survie aux personnes en attente d’une greffe. Enfin, les coûts totaux d’une xénotransplantation sont beaucoup moins élevés que ceux que le gouvernement canadien paie pour les traitements donnés aux personnes en attente d’organe.

Les risques associés à la xénotransplantation

LAURENCE DEROME

La xénotransplantation pourra être pratiquée au Canada lorsque les obstacles suivants auront été surmontés : A. Le rejet des organes animaux par le corps humain. Vu l’incompatibilité entre les organes animaux et humains, il est primordial que les essais entre animaux d’espèces différentes (porcs et babouins) soient concluants avant de commencer des expérimentations sur les humains. B. Le risque de transmission de maladies animales. Nous savons que certains virus d’origine animale ont déjà été transmis à l’être humain. Il faut donc évaluer tous les problèmes qui pourraient survenir lors d’une transplantation d’un rein animal dans un corps humain. SANTÉ CANADA C. L’absence d’une loi canadienne sur l’utilisation des animaux. L’absence d’une telle loi laisse présager des cas de cruauté envers les animaux destinés à la xénotransplantation. D. La méfiance des Canadiens. Les Canadiens interrogés lors d’une récente consultation populaire se sont prononcés majoritairement contre la xénotransplantation tant que les risques de cette intervention médicale ne seront pas mieux connus. Pour toutes ces raisons, nous croyons qu’il est trop tôt pour approuver la greffe de rein demandée par Laurence Derome.

Chapitre 4

137

À vous de juger ! En tant que juge, vous devez maintenant rendre une décision dans la cause Laurence Derome contre la Couronne. Accordez-vous à Laurence Derome la permission de subir une xénotransplantation ?

Le maintien de la vie et la perpétuation des espèces

la Terre et l’espace Au cours du XXe siècle, nous avons pris conscience que la planète que nous habitions n’était qu’une infime partie de l’espace. Nous avons découvert que la Terre s’était formée, il y a 4,5 milliards d’années, à partir de nuages de matière présente dans l’espace. Nous avons appris comment la Terre s’était transformée, au fil du temps, grâce à des phénomènes qui la bouleversent encore aujourd’hui. En ce début du XXIe siècle, nous sommes de plus en plus conscients que notre petite planète est fragile. Il faut protéger son atmosphère, ses ressources, ses sols, etc. Si nous voulons sauvegarder la Terre, il faut d’abord bien la connaître. Partons donc à la découverte de la Terre. Allons voir ce qui se cache sous sa surface, quels sont les phénomènes qui l’animent et comment sa position dans l’espace conditionne notre façon de vivre.

138

Sommaire Qu’est-ce que... la Terre ? . . . . 140

CHAPITRE 5 La Terre: ses caractéristiques, ses phénomènes . . . . . . . . . . 141 1. La structure interne de la Terre . . . . . . . . . . . . 142 2. Les enveloppes de la Terre . . . . . . . . . . . . 144 3. La lithosphère . . . . . . . . . 145 3.1 La tectonique des plaques . . . . . . . . . 145 3.2 L’orogenèse . . . . . . . . . 149 3.3 Les tremblements de terre . . . . . . . . . . . . 150 3.4 Les volcans . . . . . . . . . 154 3.5 Le relief . . . . . . . . . . . . 158 3.6 L’érosion . . . . . . . . . . . 161

4. L’hydrosphère . . . . . . . . . . 163 4.1 La répartition de l’eau dans l’hydrosphère . . . . 163 4.2 Le cycle de l’eau . . . . . 164 5. L’atmosphère . . . . . . . . . . 166 Les couches de l’atmosphère . . . . . . . . . . . 166 Investigations . . . . . . . . . . . . . 169 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 170 Les secrets du métier . . . . . . . 172 Dans votre univers . . . . . . . . . 174

CHAPITRE 6 L’espace : les phénomènes astronomiques . . . . . . . . . . 177 1. La lumière . . . . . . . . . . . . 178 1.1 Les propriétés de la lumière . . . . . . . . 179

139

1.2 Le télescope : un instrument d’observation . . . . . . . . 180 2. L’alternance du jour et de la nuit . . . . . . . . . . . 182 3. L’alternance des saisons . . . . . . . . . . . 184 4. Les phases de la Lune . . . 186 5. Les éclipses . . . . . . . . . . . 188 5.1 Une éclipse de Soleil . . 188 5.2 Une éclipse de Lune . . . 189 Investigations . . . . . . . . . . . . . 192 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 194 Les secrets du métier . . . . . . . 196 Dans votre univers . . . . . . . . . 198

Qu’est-ce que...

la Terre ? La Terre est l’une des neuf planètes du système solaire. Elle occupe une position privilégiée dans le système solaire. Elle est juste à une bonne distance du Soleil pour que les températures ne soient ni trop chaudes ni trop froides et que l’eau demeure à l’état liquide, condition essentielle à la vie. La position de la Terre dans le système solaire et la façon dont elle se déplace dans l’espace déterminent une multitude de phénomènes qui ponctuent nos vies : l’alternance des saisons, l’alternance du jour et de la nuit, les éclipses, etc.

5.1

Les étendues d’eau, qui couvrent la plus grande partie de la surface de la Terre, et les éléments du relief conditionnent aussi notre mode de vie. L’eau des rivières et des océans, les vallées et les montagnes sont d’une importance capitale pour les activités humaines, comme le commerce, l’agriculture, le tourisme, etc. Les éléments de l’environnement ont également un impact sur les développements technologiques. Pensons à l’eau que nous utilisons pour produire de l’électricité.

5.2

Le parc national des Hautes-Gorges-de-la-Rivière-Malbaie, dans la région de Charlevoix, au Québec.

Il y a aussi des éléments que nous ne pouvons contrôler et qui sont catastrophiques. Ainsi, les volcans et les tremblements de terre représentent des menaces pour les gens. Mais ce sont également des phénomènes qui nous aident à mieux comprendre comment la Terre s’est formée et comment elle s’est modifiée au fil des milliards d’années de son existence.

L a Te r r e

140

et l’espace

5

Chapitre

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

5.3

La Terre vue de l’espace.

La planète Terre est une sphère d’environ 12 800 km de diamètre. Sa masse est de 6 x 10 24 kg (6 suivi de 24 zéros). Ce n’est pas une sphère parfaite. La rotation très rapide de la Terre fait qu’elle est légèrement aplatie aux pôles et plutôt renflée à l’équateur.

t ua Éq

La circonférence de la Terre à l’équateur est d’environ 40 000 km. Pour vous représenter cette distance, imaginez que vous faites de la marche à une vitesse approximative de 4 km/h. À cette vitesse, vous feriez le tour de la Terre en 416 jours environ (plus d’un an). Et il faudrait évidemment que vous marchiez 24 heures par jour, aussi bien « à travers » les montagnes que « sur » l’eau…

eu

Mais de quoi la Terre est-elle faite ? De différents éléments qui influencent non seulement notre façon de vivre, mais aussi celle de tous les êtres vivants qui peuplent la planète.

Chapitre 5

r

5.4

Le tour de la Terre !

141

Circonférence à l’équateur : environ 40 000 km

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

1 La structure interne de la Terre L’intérieur de la Terre est constitué de trois grandes parties : la croûte terrestre, le manteau et le noyau. La structure de la Terre est souvent comparée à celle d’un fruit, par exemple une pêche. Ainsi, la peau qui recouvre la pêche correspondrait à la croûte terrestre. La chair de la pêche, qui n’a pas la même composition que la peau, correspondrait au manteau. Et le noyau de la pêche, qui a aussi une composition différente de la peau et de la chair, correspondrait au noyau de la Terre.

Au centre de la Terre, on trouve donc un noyau. Le noyau est entouré d’un manteau et d’une fine croûte rocheuse, la croûte terrestre. La croûte terrestre est composée de la croûte continentale et de la croûte océanique. Les parties qui forment l’intérieur de la Terre ont une composition différente, tout comme les parties qui constituent la pêche. La composition de ces différentes parties et leur masse volumique font que les parties les moins denses flottent sur les parties les plus denses. Plus on se dirige vers le centre de la Terre, plus la masse volumique des parties qui s’y trouvent est grande. Nous verrons, à la page suivante, la composition des trois grandes parties de la Terre.

Noyau (noyau de la Terre) Chair (manteau de la Terre) Peau (croûte terrestre) 5.5

L’intérieur d’une pêche.

(3) Noyau Rayon: 3500 km environ Noyau externe Noyau interne

(2) Manteau Épaisseur: 2800 km environ (1) Croûte terrestre Épaisseur: de 5 km à 65 km environ Croûte océanique Croûte continentale

5.6

La structure interne de la Terre.

L a Te r r e

142

et l’espace

manteau que provient le magma (roche en fusion) qui sort des volcans sous forme de lave. Finalement, la partie située la plus près du noyau est presque solide. L’épaisseur totale du manteau est d’environ 2800 km.

(1) La croûte terrestre est la partie externe de la Terre. Elle est constituée de roches qui forment les continents et le fond des océans. Cette croûte est solide. Elle est plus épaisse au niveau des continents (son épaisseur varie de 30 km à 65 km) que sous les océans (son épaisseur varie de 5 km à 15 km). Elle occupe moins de 2 % du volume terrestre.

(3) Le noyau, situé au centre de la Terre, est la partie la plus chaude et la plus dense. Sa masse volumique est très grande. La partie qui est au centre du noyau est solide (c’est le noyau interne, un peu comme l’amande qui est dans la pêche). L’autre partie du noyau est liquide (c’est le noyau externe). Le noyau compte pour 17 % du volume de la Terre. Son rayon est d’environ 3500 km.

(2) Le manteau est la partie qui occupe la plus grande proportion du volume terrestre, soit 81 %. La partie du manteau qui se trouve près de la croûte terrestre est solide. Juste au-dessous de cette partie, le manteau est partiellement fondu. Il est un peu comme une pâte épaisse. C’est de cette partie du

Savez-vous que…

?

• Pour étudier la composition de la croûte terrestre et du manteau, des géologues ont tenté de creuser un trou dans la croûte continentale de façon à se rendre jusqu’au manteau. Le forage le plus profond a été fait jusqu’à 12 km. C’est le trou le plus profond jamais creusé dans la terre ! Les travaux ont dû être arrêtés, faute de financement. Maintenant, il est question de faire des forages à travers la croûte océanique. Cette croûte est beaucoup plus mince que celle des continents. Mais forer sous quelques milliers de mètres d’eau n’est sûrement pas une tâche facile...

5.7

C’est avec un tel matériel que des géologues ont tenté de traverser la croûte continentale.

Chapitre 5

143

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

2 Les enveloppes de la Terre Les enveloppes de la Terre sont la lithosphère (enveloppe solide), l’hydrosphère (enveloppe d’eau), l’atmosphère (enveloppe d’air) et la biosphère (enveloppe qui contient tous les vivants).

Atmosphère

Biosphère

Lithosphère

Hydrosphère

5.8

La lithosphère, l’hydrosphère, l’atmosphère et la biosphère sont les quatre enveloppes de la Terre.

La lithosphère est l’enveloppe solide de la Terre. Elle comprend tous les éléments du relief : montagnes, plaines, plateaux, volcans, etc.

Ces quatre enveloppes sont des systèmes qui interagissent entre eux. Elles ne sont pas indépendantes les unes des autres. Par exemple, s’il y a de fortes pluies (atmosphère) qui font sortir les rivières (hydrosphère) de leur lit, cela causera des inondations. Ces inondations pourront détruire une partie du sol (lithosphère) et de la végétation (biosphère).

L’hydrosphère est l’ensemble des étendues d’eau (océans, lacs, rivières, etc.) qui recouvrent notre planète. L’hydrosphère occupe la plus grande partie de la surface de la Terre.

Comme nous avons vu les éléments de la biosphère au chapitre 3, nous allons nous attarder, dans le présent chapitre, à la lithosphère, à l’hydrosphère et à l’atmosphère.

L’atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre. L’atmosphère est indispensable à la vie. Elle contient l’air que nous respirons et elle nous protège des rayons dangereux du Soleil. La biosphère représente la vie sur la planète, sous toutes ses formes : végétaux, animaux, bactéries, etc.

L a Te r r e

144

et l’espace

3 La lithosphère Le mot « lithosphère » vient du mot grec lithos qui signifie « enveloppe de pierre ». La lithosphère est constituée de la croûte terrestre et de la partie du manteau qui est sous la croûte terrestre. La croûte terrestre et cette partie du manteau sont toutes deux solides. La lithosphère a une épaisseur qui varie de 70 km à 150 km.

3.1 La tectonique des plaques Au XIXe siècle, les scientifiques ont voulu comprendre comment les montagnes, les océans, bref, le relief de la Terre s’était formé. Mais ils ne sont pas parvenus à expliquer vraiment l’origine de ces phénomènes. Au début du XXe siècle, certains scientifiques ont fait des observations plutôt intrigantes. Par exemple, ils ont remarqué que, sur une carte du monde, les côtes de l’Amérique du Sud et de l’Afrique pouvaient s’emboîter l’une dans l’autre. Étrange, non ? C’est à partir de ces observations qu’un scientifique allemand, Alfred Wegener, a développé, vers 1915, une théorie appelée la « dérive des continents ». Cette théorie, qui a évolué au fil des années, est celle qui explique le mieux la formation du relief de la Terre. Alfred Wegener a jeté les bases de ce qu’on appelle aujourd’hui la tectonique des plaques.

tre terres Croûte phère Lithos

Selon la théorie de la tectonique des plaques, la lithosphère est découpée en plus d’une douzaine de grands morceaux qu’on appelle des plaques tectoniques (document 5.10, page 146). Ces plaques flottent sur la partie partiellement fondue du manteau. Elles forment aussi bien le fond des océans que les continents.

au Mante

5.9

La chaleur extrême, à l’intérieur de la Terre, crée du mouvement dans la partie partiellement fondue du manteau. Ce mouvement fait déplacer très lentement les plaques tectoniques les unes par rapport aux autres et, par le fait même, les continents et les océans. Au cours de leurs déplacements, les plaques peuvent :

La lithosphère.

La lithosphère est l’enveloppe solide de la Terre. Elle englobe tous les éléments du relief : montagnes, plaines, plateaux, volcans, etc. C’est donc dans la lithosphère que la plupart des phénomènes géologiques que nous connaissons ont lieu : la formation des roches, la formation des montagnes, les tremblements de terre, le volcanisme, etc. Examinons ce qui est à l’origine de tous ces phénomènes.

Chapitre 5

• entrer en collision les unes avec les autres ; • s’éloigner les unes des autres ; • frotter les unes contre les autres. Voyons, de façon précise, quels sont les effets des mouvements des plaques tectoniques. 145

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Nordaméricaine Nordaméricaine

Eurasiatique

Pacifique

Africaine Pacifique

Indo-australienne

Nazca Sudaméricaine Antarctique 5.10

Les principales plaques tectoniques.

La collision Comme les plaques tectoniques sont en mouvement, il arrive qu’elles se rapprochent et qu’il y ait collision. La collision des plaques entraîne souvent l’orogenèse (la formation des montagnes) et la fracture des roches (la création de failles).

peut alors se former et remonter à la surface de la Terre. Si le magma se rend jusqu’à la surface de la Terre, cela peut provoquer la formation de volcans. La plupart des volcans se trouvent le long des frontières des plaques tectoniques, là où elles se touchent. Le morcellement des plaques peut aussi causer de nombreux tremblements de terre près des frontières des plaques tectoniques.

Parfois, cette collision fait plonger une des deux plaques (celle qui est la plus dense) dans le manteau où elle va se morceler et fondre. Du magma

Formation de volcans

Mouvement de la plaque

Mouvement de la plaque Lithosphère

Formation de magma qui remonte

5.11

Deux plaques tectoniques qui entrent lentement en collision peuvent entraîner la formation de volcans.

L a Te r r e

146

et l’espace

L’éloignement

Le frottement

Si deux plaques peuvent entrer en collision, elles peuvent aussi s’éloigner l’une de l’autre. Que se passe-t-il lorsque deux plaques s’éloignent l’une de l’autre ? Est-ce qu’il se forme un trou dans la Terre ?

En plus d’entrer en collision et de s’éloigner les unes des autres, les plaques frottent les unes contre les autres. La quantité énorme d’énergie dégagée par ces frottements cause des tremblements de terre.

L’éloignement des plaques se produit principalement dans le fond des océans. À l’endroit où les plaques s’éloignent, du magma va remonter lentement, se solidifier et former de longues chaînes de montagnes sous-marines qu’on appelle des dorsales océaniques. (Le mot « dorsale » vient du fait que le relief ainsi formé ressemble à une colonne vertébrale.) Ce mouvement peut aussi provoquer des tremblements de terre sous-marins.

Mouvements des plaques

Lithosphère

C’est au niveau des dorsales océaniques que se forme la nouvelle croûte océanique et que les océans s’élargissent. L’océan Atlantique s’est formé de cette façon il y a des dizaines de millions d’années. Et il continue de s’élargir de quelques centimètres par an. 5.13

Lithosphère

Deux plaques tectoniques qui frottent l’une contre l’autre. Dorsale océanique

Observez maintenant une carte du monde. Comprenez-vous mieux pourquoi certaines parties de continents ont l’air de s’assembler comme les pièces d’un casse-tête ? Selon la théorie d’Alfred Wegener, ces continents étaient, il y a fort longtemps, réunis. Il y a des millions d’années, les continents formaient un seul continent, la « Pangée » (document 5.14, page 148). Ce continent s’est ensuite séparé en deux continents, « Eurasie » et « Gondwana ». Plus tard, ces deux continents se sont à leur tour séparés et ont dérivé pour prendre la position que l’on connaît aujourd’hui. Les continents dérivent encore de quelques centimètres par année.

Mouvement de la plaque Magma qui remonte Mouvement de la plaque 5.12

L’éloignement de deux plaques tectoniques forme une dorsale océanique.

Chapitre 5

147

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Eurasie

Amérique du Nord

Océan Atlantique Pangée

220 millions d’années

Asie Europe Afrique

Amérique du Sud

Gondwana

180 millions d’années

Inde

65 millions d’années

5.14

La dérive des continents.

Alfred Wegener :

Point de mire

de l’astronomie à la géologie ! Alfred Wegener est né à Berlin (Allemagne) en 1880 et il est décédé au Groenland (territoire autonome du Danemark, situé au nord-est du Canada) en 1930. D’abord astronome, il s’est intéressé à plusieurs sujets connexes comme la météorologie et la géologie. Il a fait de nombreuses expéditions au Groenland pour étudier la météo des régions polaires.

5.15

Wegener est célèbre pour avoir publié, en 1915, sa théorie sur la dérive des continents dans un livre intitulé « La genèse des continents et des océans ». Sa théorie n’était pas parfaite. Elle était basée sur le fait que, si l’on trouve les mêmes fossiles sur différents continents, cela signifie que les continents étaient autrefois réunis.

La plupart des géologues de l’époque pensaient que des « ponts » de terre avaient relié autrefois les continents. C’était pour cette raison, selon eux, que l’on trouvait les mêmes fossiles sur différents continents. Ils ne pouvaient admettre que, à une certaine époque, la position des continents sur la Terre était différente. Alfred Wegener fut ridiculisé par la communauté scientifique. On jugea sa découverte plutôt fantaisiste parce qu’elle allait à l’encontre des théories de l’époque. Dans les années 1950, de nouvelles découvertes sur le mouvement du fond des océans ont confirmé ce que Wegener avait appelé la « dérive des continents ». Vingt ans après sa mort, Alfred Wegener reçut toute la considération à laquelle il avait droit.

L a Te r r e

148

et l’espace

3.2 L’orogenèse

Formation de montagnes

Les plaques tectoniques de la lithosphère se déplacent lentement et peuvent se toucher. Lorsqu’elles entrent en collision, elles entraînent souvent l’orogenèse (la formation des montagnes). Voici une analogie qui vous aidera à mieux comprendre comment se forment les montagnes. Pensez à une piscine remplie de matelas pneumatiques qui flottent sur l’eau. Les matelas représenteraient les plaques tectoniques et l’eau de la piscine, le manteau de la Terre. Le mouvement de l’eau va faire bouger les matelas pneumatiques. Il se peut que certains matelas entrent en collision. Ces matelas pourraient alors se plisser.

Mouvements des plaques

Lithosphère Plissements 5.18

Deux plaques tectoniques qui entrent en collision peuvent produire des plissements de la croûte terrestre. Ces plissements vont former des chaînes de montagnes.

Les très hautes chaînes de montagnes sont situées, la plupart du temps, près des frontières des plaques tectoniques, là où elles se touchent. Il n’y a pas que la collision de deux plaques qui puisse entraîner la formation de montagnes. D’autres processus, comme le volcanisme, peuvent produire l’orogenèse.

5.16

C’est ainsi que les montagnes se sont formées. C’est ainsi qu’elles se forment encore aujourd’hui. Ce processus est très lent. Il s’effectue au cours de millions d’années.

L’orogenèse est un ensemble de processus qui entraînent la formation des montagnes.

5.17

La collision de deux plaques tectoniques a créé les montagnes Rocheuses (vues du parc national Kootenay, en Colombie-Britannique).

149

Savez-vous que…

?

• Les collines montérégiennes sont situées dans la région de Montréal. Elles comprennent, entre autres, le mont Royal, le mont SaintBruno et le mont Saint-Grégoire. Ces collines ne sont ni d’anciens volcans ni des montagnes résultant de la collision de plaques. Elles sont plutôt formées de roches dures, qui étaient autrefois prisonnières de roches tendres qui les entouraient. Au fil du temps (des millions d’années), l’action des éléments (comme l’eau, le vent, la pluie et les glaciers) a fait disparaître, en partie, les roches tendres. Les roches dures ont mieux résisté à l’action des éléments. C’est ce qui a créé les collines.

5.19

Le mont Royal : une colline montérégienne trop petite pour être qualifiée de montagne.

3.3 Les tremblements de terre Imaginez que vous êtes dans votre salon, confortablement assis dans un fauteuil en train de lire. Tout à coup, vous ressentez une drôle de vibration. Vous avez l’impression qu’un énorme camion passe dans la rue, juste en face de chez vous. Vous regardez par la fenêtre et ne voyez aucun camion. Mais la vibration s’intensifie. Vous entendez le bruit de la vaisselle qui s’entrechoque dans les armoires de la cuisine. Quelques secondes plus tard, tout revient à la normale. La vibration a cessé. Avez-vous déjà vécu pareille situation ? C’est ce genre de secousse que l’on ressent au Québec quand des tremblements de terre ont lieu, car ils ne sont pas très violents. Mais il n’en est pas ainsi partout dans le monde. Les plus violents tremblements de terre peuvent provoquer l’effondrement de ponts et d’immeubles et, par conséquent, tuer de nombreuses personnes. 5.20

Comment expliquer le phénomène des tremblements de terre ?

L a Te r r e

Le tremblement de terre de K¯obe, au Japon, le 1er janvier 1995.

150

et l’espace

La plupart des tremblements de terre sont liés aux mouvements des plaques tectoniques et se produisent le long des failles qui séparent les plaques. Des tremblements de terre peuvent aussi se produire dans les failles qui sont à l’intérieur des plaques. Le déplacement des masses considérables de roches qui s’entrechoquent le long des failles ne se fait pas en douceur. Lors de ce déplacement, le choc est si violent que cela produit une grande quantité d’énergie. Ce dégagement d’énergie provoque des vibrations. Ces vibrations se propagent à la surface de la Terre. Ces « tremblements » peuvent durer de quelques secondes à quelques minutes.

Nous savons que les plaques tectoniques se déplacent et, à certains endroits, entrent en contact les unes avec les autres. À cause de ces déplacements, il arrive que la croûte terrestre se fissure profondément à la frontière de deux plaques ou encore à l’intérieur d’une plaque. Ces fissures peuvent avoir plusieurs kilomètres de profondeur. Lorsque les masses de roches glissent le long d’une fissure, la fissure devient une faille. En un seul mouvement, les roches peuvent se déplacer de quelques centimètres à quelques mètres.

Un tremblement de terre, ou séisme, est une vibration (secousse, mouvement brusque) du sol causée, entre autres, par le déplacement soudain des roches le long d’une faille, par un volcan, etc. L’endroit, à la surface de la Terre, d’où émane le tremblement de terre est l’épicentre. Un tremblement de terre provient, la plupart du temps, d’un mouvement qui a lieu à l’intérieur de la Terre et qui se situe à la verticale de l’épicentre. Le dégagement d’énergie d’un tremblement de terre est tel qu’il peut souvent être ressenti à plusieurs centaines de kilomètres de l’épicentre. Faille

Épicentre

Origine du tremblement de terre 5.21 5.22

La faille de San Andreas, en Californie, s’étend sur 1500 km. Le long de cette faille, où deux plaques tectoniques se heurtent l’une contre l’autre, on peut voir les roches qui sont fissurées et déformées.

Chapitre 5

Les roches qui glissent le long d’une faille créent un choc extrêmement violent. Ces ondes de choc, ou vibrations, se propagent alors dans toutes les directions.

151

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Comment mesure-t-on un tremblement de terre?

dans la réserve faunique des Laurentides, entre Québec et Chicoutimi. La région du Saguenay a donc été touchée par ce séisme, qui a été ressenti jusque dans la ville de Washington, aux États-Unis. Si un tremblement de terre de cette puissance avait été ressenti dans une autre région du monde, sur des sols très sablonneux par exemple, cela aurait eu des conséquences plus graves.

Les sismographes sont des appareils qui mesurent l’amplitude (la « grandeur ») des vibrations que produisent les tremblements de terre. Les scientifiques qui étudient les tremblements de terre sont des sismologues.

L’échelle de Richter mesure l’énergie dégagée par un tremblement de terre. Elle ne mesure pas les dégâts causés par celui-ci. C’est une échelle que l’on peut qualifier d’objective.

5.23

Voici l’activité sismique du mont Saint Helens, aux ÉtatsUnis, qu’un sismographe a enregistrée le 1er octobre 2004.

Grâce à quelques sismographes répartis autour d’une région où a lieu un tremblement de terre, les sismologues peuvent déterminer l’endroit précis du séisme et en évaluer la magnitude à l’aide de l’échelle de Richter.

L’échelle de Richter L’échelle de Richter a été mise au point par Charles Richter, un sismologue américain, pour mesurer la magnitude d’un tremblement de terre. Cette échelle est graduée de 1 à 9. Elle est dite « ouverte », en ce sens que la magnitude d’un tremblement de terre pourrait dépasser 9. En 1988, un tremblement de terre de magnitude 6 sur l’échelle de Richter a secoué le Québec. Seuls quelques édifices ont été endommagés. L’épicentre de ce tremblement de terre était situé

L a Te r r e

5.24

Le tremblement de terre qui a eu lieu en Colombie, en 1999, était d’une magnitude de 6 sur l’échelle de Richter. Il a détruit la ville d’Armenia.

152

et l’espace

Le 26 décembre 2004, un des séismes les plus puissants jamais enregistrés (de magnitude 9 sur l’échelle de Richter) s’est produit dans l’océan Indien, au large de l’île indonésienne de Sumatra. Ce séisme a provoqué un tsunami qui a ravagé les côtes de plusieurs pays de l’Asie du Sud-Est. Les vagues géantes ont tué des centaines de milliers de personnes et causé des dégâts matériels considérables.

Il y a d’autres échelles qui servent à évaluer les dommages causés par un tremblement de terre. Ces échelles, l’échelle EMS (échelle macrosismique européenne), l’échelle JMA (agence météorologique japonaise) et l’échelle de Mercalli (en Amérique), indiquent l’intensité d’un séisme. Elles sont fondées sur l’ampleur des conséquences du séisme. Ce sont des échelles que l’on peut qualifier de subjectives.

Les tsunamis Savez-vous que…

Lorsqu’une partie importante du fond de l’océan bouge brusquement sous l’influence, par exemple, d’un tremblement de terre sous-marin, l’eau ainsi déplacée entraîne la formation d’immenses vagues. Ce phénomène est un tsunami. Ce mot vient du mot japonais tsunami qui signifie « vague portuaire ». Des volcans et des glissements de terrain sous-marins peuvent également produire un tsunami.

?

• C’est grâce aux tremblements de terre que l’on a pu étudier l’intérieur de la Terre. Lorsqu’un tremblement de terre survient, les ondes produites par un tel choc se propagent à travers la planète. Les milliers de stations de surveillance, installées partout dans le monde et équipées de sismographes, permettent d’enregistrer ces ondes.

La série de vagues provoquée par ce mouvement brutal se propage de façon circulaire sur de grandes distances. En eau profonde, la hauteur des vagues s’élève à moins de 1 m. Par contre, lorsqu’elles atteignent les eaux peu profondes des côtes, les vagues gonflent et prennent de l’ampleur. Elles peuvent alors former un mur de plus de 20 m de hauteur. Et, lorsqu’elles déferlent sur les côtes, elles causent beaucoup de dommages.

5.25

Les dommages causés par le tsunami du 26 décembre 2004 au village de Kendah, en Indonésie.

153

3.4 Les volcans Une éruption volcanique est l’un des phénomènes les plus spectaculaires que la nature peut offrir. Un volcan qui gronde et qui entre en éruption est une manifestation de ce qui se passe à l’intérieur de la Terre.

la surface de la croûte terrestre. Par contre, si le magma remonte rapidement, il va faire fondre la croûte terrestre sur son passage et se frayer un chemin jusqu’à la surface de la Terre. Il jaillira plus ou moins intensément, créant ainsi un volcan.

Un volcan se forme sur la croûte terrestre, là où du magma ou des gaz chauds provenant de l’intérieur de la Terre jaillissent à la surface de la Terre ou d’un fond marin. Lorsque le magma parvient à la surface de la Terre, il devient de la lave. Une fois à l’extérieur, la lave se refroidit lentement et devient de la roche. L’accumulation de cette lave refroidie et durcie donne souvent naissance à une montagne. C’est pourquoi le mot « volcan » désigne une montagne qui a émis et émet encore de la lave.

Un volcan se forme lorsque du magma provenant du manteau traverse la croûte terrestre pour se rendre jusqu’à la surface de la Terre. D’autres volcans se forment aussi à l’intérieur des plaques, au-dessus de ce qu’on appelle des « points chauds ». À ces endroits, du magma très chaud remonte à la surface de la Terre, perce la croûte terrestre et provoque des éruptions volcaniques. Les îles volcaniques d’Hawaii, situées dans l’océan Pacifique, se sont formées ainsi il y a des millions d’années.

Comment se forme un volcan ?

Comment se produit une éruption volcanique ?

La croûte terrestre est constituée de grandes plaques qui flottent et se déplacent lentement sur la partie partiellement fondue du manteau. Lorsqu’il y a une collision de plaques, une des plaques peut glisser sous l’autre plaque. Elle s’enfonce alors dans le manteau, fond et peut provoquer la remontée du magma vers la surface (voir l’illustration 5.11, page 146). Si le magma remonte lentement, il se refroidit en cours de route et devient de la roche. Il n’atteint pas

Lors d’une éruption volcanique, le magma remplit un réservoir situé sous le volcan, qu’on appelle « chambre magmatique » (illustration 5.27, page 155). Des gaz s’y mêlent, créant ainsi un mélange explosif. La pression augmente dans la chambre magmatique. C’est l’éruption. Le magma et les gaz sont projetés vers le haut, à la surface de la Terre.

5.26

Les coulées de lave de l’Etna, en Sicile (Italie), lors de l’éruption du 19 octobre 1999.

154

La lave réussit alors à se faufiler hors du volcan et à jaillir du cratère. L’éruption volcanique peut être très violente. Elle projettera des centaines de tonnes de magma et de poussière dans les airs. L’éruption volcanique peut aussi être moins violente. La lave s’écoulera lentement sur les pentes du volcan.

(5) Lave qui sort du cratère (4) Cône

(1) La chambre magmatique est le réservoir dans lequel s’accumule le magma. (2) La cheminée principale va jusqu’à la surface. C’est par la cheminée que le magma monte. (3) Cheminée secondaire (3) Certains volcans ont des cheminées secondaires qui (2) Cheminée principale peuvent se rendre jusqu’à la surface. (4) Le cône est l’accumulation de couches de lave refroidies qui forment la montagne du volcan. (5) La lave est le magma qui a atteint la surface de la Terre. Elle coulera sur les pentes du volcan. Elle pourra entraîner avec elle des parties du sol, ce qui créera des coulées de boue.

(1) Chambre magmatique

5.27

La structure d’un volcan.

La force de l’éruption dépend du type de volcan et de la viscosité de la lave. (Pour mieux comprendre ce qu’est la viscosité, pensez à de la mélasse, qui est beaucoup plus visqueuse que l’eau.) Parfois, la lave peut se refroidir dans les airs. Elle se transforme en roches, qui sont alors projetées sur plusieurs centaines de kilomètres à la ronde. D’autres fois, il y a tellement de lave qui s’échappe du volcan que des coulées de boue et de lave descendent sur ses pentes. Ces coulées peuvent se refroidir en chemin ou s’écouler sur des distances importantes. Lorsqu’elles s’écoulent sur des distances importantes, elles peuvent tout détruire sur leur passage, coupant des routes en deux et engloutissant des maisons.

Chapitre 5

Les types de volcans Il existe plusieurs types de volcans. Les plus importants sont les volcans-boucliers et les stratovolcans. La viscosité de la lave, lors de l’éruption, est l’un des facteurs qui détermine le type de volcan. Les volcans-boucliers sont des volcans qui, comme leur nom l’indique, ont la forme de boucliers (photo 5.28, page 156). La lave qui s’échappe de ces volcans est peu visqueuse. Elle s’écoule donc facilement. Les volcans-boucliers sont de grands volcans à pente douce, qui possèdent de larges sommets. Les éruptions de ces volcans sont généralement moins violentes et moins explosives que celles des stratovolcans. 155

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Il y a environ 1500 volcans actifs à la surface de la Terre, sans compter ceux qui sont au fond des océans. Chaque année, plus de 50 de ces volcans entrent en éruption. Certains volcans sont considérés comme actifs parce qu’ils peuvent entrer en éruption à tout moment. D’autres sont considérés comme éteints parce qu’ils ne montrent aucun signe d’activité et qu’aucune éruption ne s’est produite depuis une très longue période.

Les volcans dans le monde La majorité des volcans de la planète sont dans une zone située autour de l’océan Pacifique. Cette zone est appelée la « ceinture de feu ». On trouve plusieurs volcans à cet endroit, le long des frontières des plaques tectoniques, parce que c’est là que se produisent les collisions de plaques. Le Japon, les Philippines, la Nouvelle-Zélande et la côte ouest de l’Amérique du Nord et de l’Amérique du Sud longent cette zone.

5.28

Le Mauna Loa est un volcan-bouclier qui fait partie de la chaîne de volcans des îles d’Hawaii.

Les stratovolcans sont les volcans tels qu’on les imagine habituellement : de hautes montagnes au sommet pointu et aux flancs très en pente (photo 5.29). Le magma qui monte dans ce type de volcans est beaucoup plus visqueux que celui des volcansboucliers. À cause de la viscosité du magma, les éruptions volcaniques sont souvent très explosives.

On trouve aussi d’autres volcans au-dessus des « points chauds », au milieu des océans. C’est le cas, par exemple, des îles volcaniques d’Hawaii.

5.29

Le Fuji Yama, au Japon, est un stratovolcan typique.

Fuji Yama (Japon)

Pinatubo (Philippines)

Mont Saint Helens (États-Unis)

Kilauea Mauna Loa (Hawaii)

Paricutín (Mexique)

Océan Pacifique

Nevado del Ruiz (Colombie)

Ruapehu (Nouvelle-Zélande)

5.30

Les zones volcaniques de la « ceinture de feu » du Pacifique.

156

Un volcan sous « haute surveillance » faite d’un mélange de glace, qui fondra rapidement, et de roches du volcan. Cette coulée de boue dévalera les pentes à toute vitesse et s’engouffrera dans les vallées, détruisant tout sur son passage. La dernière éruption du mont Rainier s’est produite vers 1840. Les traces d’anciennes coulées de boue ont été étudiées. À partir de ces études, on a dessiné des cartes des zones à risque 5.31 des environs. On a établi que Vue du mont Rainier entre les gratte-ciel de la ville de Seattle, aux États-Unis. 150 000 personnes vivent aujourd’hui dans des secteurs qui furent autreLa chaîne des Cascades est une chaîne de fois dévastés. montagnes qui parcourt le nord-ouest des ÉtatsUnis. Elle comporte une douzaine de volcans Plusieurs mesures de prévention ont été actifs. L’éruption catastrophique du mont Saint adoptées. Par exemple, on a limité la consHelens, en 1980, a conscientisé les autorités truction dans les zones à risque. On a aussi américaines aux risques volcaniques. Pour implanté une signalisation routière qui indique prévenir ces risques, on a mis sur pied l’Obseroù trouver les refuges en cas de danger. vatoire des volcans des Cascades. Des instruments auscultent constamment Le mont Rainier, dans l’État de Washington, le mont Rainier. Ils enregistrent les moindres est l’un des plus majestueux volcans de la tremblements de terre, les moindres déplacechaîne des Cascades. Il a été déclaré le « volcan ments de terrain, etc. Un système de détection le plus dangereux du pays ». Pourquoi ? Parce de coulées de boue a été mis à la disposition que le territoire urbain de Seattle est tout proche. des responsables de la sécurité civile, qui ont Deux millions et demi de personnes y vivent. planifié des mesures d’urgence. Les habitants font régulièrement des exercices d’évacuation. Le risque d’éruption est bien réel. Le plus Quand on donnera l’alerte, tout le monde haut volcan (4393 m) des Cascades est couronné devra être prêt. de glaciers très imposants. Selon les chercheurs, Malgré toutes ces précautions, il reste diffila principale menace pour la population, s’il y cile de prévoir quand aura lieu une éruption. a éruption, est une gigantesque coulée de boue

Chapitre 5

157

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

3.5 Le relief Si vous avez déjà parcouru le Québec, vous avez sûrement remarqué que le paysage naturel était très diversifié. D’une région à une autre, la surface du sol est inégale. À certains endroits, le sol est élevé. À d’autres endroits, il est plutôt plat. Certaines parties du terrain sont en saillie, d’autres sont en creux. La surface de la Terre a un relief qui varie d’un endroit à un autre. 5.32

Le relief est l’ensemble des formes que l’on trouve à la surface de la lithosphère (élévations, dépressions, pentes).

Les Appalaches vues du mont Pinacle, à Frelighsburg, en Montérégie (Québec).

montagneux couvre les régions suivantes : Estrie, Centre-du-Québec, Chaudière-Appalaches, BasSaint-Laurent et Gaspésie (document 5.36, page 160).

Sur les continents, on trouve plusieurs types de relief dont : • les montagnes et les vallées ; • les plateaux et les boucliers ; • les plaines et les collines.

Dans ce grand ensemble des Appalaches, il y a des vallées. Les vallées sont des étendues basses et allongées, situées généralement entre deux montagnes et façonnées par un cours d’eau. C’est l’érosion causée par l’écoulement de l’eau des montagnes qui creuse les vallées. De grandes rivières peuvent se former au fond des vallées parce que l’eau qui descend des montagnes s’écoule toujours au même endroit.

Les montagnes et les vallées En général, la plupart des montagnes sont nées des plissements de la croûte terrestre lors de la collision de plaques tectoniques. Les montagnes sont caractérisées par de fortes pentes. Elles ont donc un relief très élevé.

La plupart des vallées portent le nom de la rivière qui les occupe. Par exemple, dans la vallée de la Matapédia coule une rivière du même nom.

Lorsque des montagnes se suivent sur une longue distance et occupent une grande superficie, il s’agit d’une chaîne de montagnes. Parmi les chaînes de montagnes les plus importantes, nommons l’Himalaya (dont fait partie le mont Everest), les Alpes (dont fait partie le mont Blanc) et les Rocheuses. Au Québec, ce type de relief est représenté par une chaîne de montagnes ancienne, moins élevée que les chaînes de montagnes les plus importantes : la chaîne des Appalaches. Cette chaîne de montagnes occupe une bonne partie du nord-est du continent américain. Les Appalaches commencent en Alabama (État de l’est des États-Unis), passent dans le sud-est du Québec et parcourent les provinces maritimes. Au Québec, cet ensemble

L a Te r r e

5.33

La vallée de la Matapédia, dans le Bas-Saint-Laurent (Québec).

158

et l’espace

Un type particulier de vallée : le fjord

Les plateaux

Les glaciers creusent des vallées profondes, aux parois abruptes. Parfois, après le retrait des glaciers, ces vallées profondes sont envahies par la mer. Elles forment alors des fjords.

Les plateaux sont de vastes étendues de terrain plutôt planes, situés à une certaine altitude par rapport à ce qui les entoure. Le plateau brésilien, qui couvre tout le sud-est du Brésil (en Amérique du Sud), représente bien ce type de relief. Il est relativement plat, avec quelques montagnes qui le traversent. Les plateaux du Colorado, au sud-ouest des États-Unis, sont aussi des exemples de ce type de relief. En général, tous les plateaux sont situés à un minimum de 300 m d’altitude.

Le fjord du Saguenay, dans lequel la rivière Saguenay se déverse, est un exemple de ce type de vallée. Certaines parois abruptes, situées de chaque côté du fjord, ont plus de 200 m de hauteur.

5.35

Les hauts plateaux du Colorado, en Arizona (États-Unis).

Un type particulier de plateau : le bouclier Le bouclier est une partie très ancienne de relief, qui a l’apparence d’un plateau légèrement bombé. Le Bouclier canadien est une vaste région qui couvre le nord-est du Canada et qui occupe 90% du territoire du Québec. C’est une très vieille chaîne de montagnes, usée par l’érosion, qui a entre 1 milliard et 3 milliards d’années. Presque toute la partie du Québec qui est située au nord du fleuve Saint-Laurent fait partie du Bouclier canadien (document 5.36, page 160). Comme il s’agit d’un plateau, le Bouclier canadien est légèrement surélevé par rapport aux régions environnantes.

5.34

Le fjord du Saguenay, au Saguenay (Québec).

Chapitre 5

159

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Saint-Laurent fait partie des basses-terres du SaintLaurent et s’étend, de part et d’autre du Saint-Laurent, de la Montérégie jusqu’à Québec (document 5.36). Les plaines sont des sites idéaux pour l’agriculture. L’exploitation agricole du Canada se fait, principalement, sur ce type de relief. Par exemple, la plaine du Saint-Laurent et les plaines du Manitoba et de la Saskatchewan ont des sols très fertiles. Bouclier canadien

Dans les plaines, il y a des collines, comme le mont Saint-Hilaire et le mont Royal. Ces collines sont de petits renflements du relief. Elles ne sont pas dues aux plissements de la croûte terrestre.

Plaine du Saint-Laurent es ch a l pa Ap s Le

Savez-vous que…

?

• Il y a plus de 15 000 ans, une couche de glace de plusieurs kilomètres d’épaisseur recouvrait presque tout le Canada. Lorsque cette couche de glace s’est retirée et a fondu, toutes les cavités qui avaient été formées par le poids de la glace se sont remplies d’eau. Le surplus d’eau s’est écoulé vers les océans. L’eau, qui est restée dans les cavités, a formé la plupart des lacs que nous trouvons aujourd’hui au nord du fleuve Saint-Laurent.

5.36

Les régions géologiques du Québec : le Bouclier canadien, les Appalaches et la plaine du Saint-Laurent.

Les plaines et les collines Les plaines peuvent être d’anciennes mers qui se sont asséchées et au fond desquelles des dépôts de sable, de graviers et de roches se sont accumulés. Au Québec, la plaine du Saint-Laurent est un exemple de ce type de relief. La plaine du Saint-Laurent est née de l’assèchement d’une mer, la mer de Champlain. Cette mer recouvrait presque toute la plaine, du Bouclier canadien jusqu’au pied des Appalaches. La plaine du 5.37

La plaine du Saint-Laurent vue de Saint-Marc-sur-Richelieu, en Montérégie (Québec).

5.38

Les lacs du Québec se sont formés il y a environ 10 000 ans.

160

3.6 L’érosion Pour comprendre ce qu’est l’érosion, pensez à un château de sable que vous êtes en train de construire sur le bord de la mer. Imaginez qu’on verse un peu d’eau sur votre château. Que va-t-il se passer ?

5.40

Les îles de Mingan, à Havre-Saint-Pierre sur la Côte-Nord (Québec), présentent un paysage sculpté par la mer.

5.39

L’érosion est un phénomène qui explique les nombreuses modifications subies par le relief au fil du temps. Dans le Bouclier canadien se trouvent les vestiges d’une grande chaîne de montagnes : les Laurentides. Les Laurentides sont des montagnes très vieilles, qui étaient presque aussi hautes que les montagnes de l’Himalaya. Au fil du temps, elles ont subi l’érosion de la pluie et du vent, qui les a effritées.

Votre château va subir le phénomène de l’érosion par l’eau. Le mouvement de l’eau va arracher certaines des particules de sable de votre château, ce qui va entraîner sa destruction. Et si vous laissez là votre château de sable, il finira par disparaître totalement. Lorsque la marée va monter, la mer va éroder (désagréger) votre château pour de bon. L’érosion est l’usure et la transformation des roches ou du sol par les glaciers, l’écoulement des eaux à la surface du sol et les agents atmosphériques (pluie, vent, gel).

Savez-vous que…

Une grande glaciation a aussi effrité ces montagnes. Les glaciers qui se déplacent sont de puissants agents d’érosion. Imaginez la force que peuvent avoir plusieurs kilomètres d’épaisseur de glace qui avancent lentement.

?

• À un endroit entre l’Ontario et les États-Unis, la rivière Niagara se transforme brutalement en chutes impressionnantes, les chutes du Niagara. À cause de la force des tonnes d’eau qui s’écoulent continuellement des chutes, un important phénomène d’érosion se produit. Ce phénomène fait reculer les chutes de 30 cm par année, en moyenne.

5.41

Les chutes du Niagara.

Chapitre 5

161

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

De nos jours, les activités humaines, comme le déboisement des rives des cours d’eau, accélèrent l’érosion de certains éléments du milieu naturel.

des lacs. Pourquoi ? Parce que les racines des végétaux retiennent les sols et les protègent de l’érosion. Lorsqu’une partie de terrain est déboisée, les fortes pluies peuvent causer d’importants glissements de terrain. À plus ou moins long terme, une partie du sol sera entraînée dans l’eau.

Au Québec, on interdit depuis 1987 de couper les arbres et les arbustes qui se trouvent au bord

Le sol, une ressource précieuse L’érosion est un phénomène que l’on peut observer sur plusieurs terres agricoles. L’érosion des terres diminue la qualité des sols arables (cultivés) et la qualité des cours d’eau (par les dépôts qui y sont entraînés). Elle présente donc un risque de détérioration du milieu. Au Québec, comme ailleurs, la dégradation des terres due à l’érosion est plus importante dans les zones de culture intensive, comme la culture du maïs. Pour la culture du maïs, le sol est labouré très profondément. Il est souvent laissé nu pendant une longue période, y compris pendant la croissance de la plante. Il est donc plus sensible au processus d’érosion. Il est possible de remédier à la situation en changeant la façon de pratiquer l’agriculture. Par exemple, en laissant des résidus des plantes cultivées à la surface du sol ou en travaillant moins le sol, on atténue le ruissellement de l’eau. On minimise ainsi les risques d’érosion. C’est ce qui se fait de plus en plus au Québec.

5.42

L’érosion d’un champ de pommes de terre, au printemps.

protéger. Les diverses mesures de protection des sols comportent des avantages : réduction des risques d’inondation, diminution des risques d’érosion par le vent et amélioration de la qualité de l’eau. L’érosion du sol est l’un des problèmes environnementaux les plus préoccupants de notre planète. Si rien n’est fait pour contrôler ce processus, on risque de voir une ressource vitale continuer de se dégrader.

La conséquence de l’érosion des zones agricoles est loin d’être banale : c’est la perte éventuelle de sols productifs. Et ces sols fournissent de la nourriture à une population toujours plus nombreuse. Il importe de les

L a Te r r e

162

et l’espace

4 L’hydrosphère L’hydrosphère, c’est l’enveloppe d’eau qui entoure la Terre. Les océans sont la manifestation la plus évidente de la présence de l’hydrosphère. Ils occupent environ 70% de la surface de la planète. L’eau existe aussi, sur la planète, sous d’autres formes : les nuages, les glaciers et les icebergs, l’eau des rivières, l’eau emprisonnée dans le sol, etc.

salée représente la presque totalité de l’eau sur Terre, soit 97,2 %. L’eau douce représente seulement 2,8 % de la quantité totale d’eau. LA RÉPARTITION DE L’EAU SUR LA TERRE Eau salée 97, 2 % Océans et mers

L’hydrosphère est l’ensemble des eaux du globe terrestre que l’on trouve sous les états liquide, solide et gazeux : océans, mers, lacs, fleuves, rivières, eaux souterraines, glaciers, vapeur d’eau en suspension dans l’atmosphère.

5.43

Eau douce 2,8 % Vapeur d’eau de l’atmosphère (0,001 %) Eau de surface (0,02 %) Nappes souterraines (0,63 %) Glaciers (2,15 %)

5.44

La répartition de l’eau douce

L’eau que nous consommons est de l’eau douce. Comme l’eau douce disponible en surface ne représente que 0,02 % de la quantité totale d’eau de la Terre, c’est un bien précieux que nous devons protéger. 5.45

Sur le territoire du Québec, on compte 3 % des ressources en eau douce (lacs, rivières et nappes souterraines) de la planète. L’eau est un élément essentiel à notre survie. Nous devons l’utiliser de façon adéquate. Lorsque nous déversons des produits toxiques dans un cours d’eau, nous nous privons de cette ressource en eau pour un an, deux ans et, parfois, des centaines d’années.

Trois formes de l’eau sur Terre.

4.1 La répartition de l’eau dans l’hydrosphère L’eau n’est pas répartie également dans l’hydrosphère. Les océans, les rivières et les lacs n’occupent pas le même pourcentage de la surface terrestre. L’eau

Chapitre 5

163

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

4.2 Le cycle de l’eau

L’évaporation, la condensation et les précipitations peuvent se produire en boucle au-dessus de l’océan. L’eau s’évapore, se condense sous forme de nuages au-dessus de l’océan et retombe en pluie dans l’océan.

L’eau est apparue sur Terre il y a plusieurs milliards d’années. Depuis, la quantité d’eau présente sur la planète est sensiblement la même. L’eau dans laquelle nous nous baignons est la même que celle dans laquelle les premiers poissons ont nagé. L’eau que nous buvons est la même que celle que les dinosaures ont bue !

L’évaporation L’évaporation se produit lorsque l’eau, qui reçoit de l’énergie du Soleil (ou d’une autre source), se transforme en vapeur d’eau et se répand dans l’atmosphère. Les pertes d’eau par évaporation se font

Le cycle de l’eau, c’est la façon dont l’eau, sous toutes ses formes, circule dans l’hydrosphère. Comment l’eau circule-t-elle dans l’hydrosphère ?

Précipitations (neige)

Précipitations (pluie) Condensation

Ruissellement

Transpiration

Évaporation

Condensation Précipitations (pluie)

Évaporation

Infiltration

Eau des océans

Circulation souterraine

5.46

Le cycle de l’eau.

L a Te r r e

164

et l’espace

terrain. Elle descend des montagnes jusqu’à ce qu’elle rencontre un cours d’eau (un ruisseau, un lac, une rivière, un fleuve).

principalement dans les océans et, de façon beaucoup moins importante, dans les lacs et les rivières.

La condensation

L’eau de ruissellement s’accumule dans les ruisseaux, les lacs, les rivières et les fleuves. Tôt ou tard, une grande partie de cette eau va s’écouler vers l’océan.

La condensation se produit lorsque de la vapeur d’eau devient liquide ou solide. Ainsi, la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère refroidit et se condense pour former les nuages. Ce phénomène se passe non seulement dans l’atmosphère, mais aussi à la surface de la Terre. En été, la condensation produit de la rosée (dépôt de fines gouttelettes d’eau) et en hiver, du givre (fine couche de glace).

L’infiltration L’infiltration, c’est la pénétration de l’eau des précipitations dans le sol. Si le sol est poreux (s’il a de petits trous), les précipitations pourront s’y infiltrer. C’est grâce à l’infiltration que les plantes peuvent puiser de l’eau dans le sol.

Les précipitations Les nuages sont formés de gouttelettes d’eau minuscules. Lorsque les gouttelettes d’eau deviennent trop lourdes, elles finissent par tomber. C’est le phénomène des précipitations. Certaines précipitations sont liquides (pluie, bruine). D’autres sont solides (neige, grêle).

La circulation souterraine La circulation souterraine, c’est le déplacement de l’eau dans le sol. L’eau qui s’infiltre dans le sol y circule, parfois très lentement, avant de s’écouler dans un cours d’eau. Parfois, cette eau souterraine s’accumule et forme ce qu’on appelle une « nappe phréatique » (eau emprisonnée dans le sol). Plusieurs villes du monde sont alimentées en eau douce par l’eau souterraine.

Lorsque l’évaporation, la condensation et les précipitations se produisent près d’un continent ou au-dessus d’un continent, d’autres phénomènes s’ajoutent.

Lorsque l’eau retourne dans les océans par les ruisseaux, les lacs, les rivières et les fleuves, le cycle recommence.

La transpiration La transpiration est une forme d’évaporation chez les êtres vivants. La quantité de vapeur d’eau qui se dégage des êtres humains et des animaux lorsqu’ils transpirent et qu’ils expirent n’est pas, en général, très importante.

Savez-vous que…

Par contre, la quantité de vapeur d’eau émise par les plantes (pensons aux forêts) est assez considérable.

Le ruissellement Le ruissellement est l’écoulement de l’eau qui provient des précipitations. Cette eau circule à la surface du sol sans y pénétrer. Elle suit la pente du

Chapitre 5

?

• Sur le continent, si l’on suivait une goutte d’eau d’un bout à l’autre du cycle, il pourrait s’écouler plusieurs centaines d’années, en moyenne, avant que la goutte se rende à l’océan et s’évapore de nouveau.

165

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

5 L’atmosphère Les couches de l’atmosphère

L’atmosphère, c’est l’enveloppe de la Terre la plus difficile à concevoir parce qu’elle est presque invisible. Elle est invisible parce que l’air, le mélange de gaz qui nous entoure, est transparent. L’air est essentiel au maintien de la vie même si on ne le voit pas.

L’atmosphère est constituée principalement de quatre couches : la troposphère, la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère (illustration 5.49, page 167). Chaque couche a des caractéristiques qui lui sont propres.

L’atmosphère est la couche d’air qui entoure la Terre.

La troposphère LA COMPOSITION DE L’AIR

La troposphère est la couche la plus près de la Terre. Elle a une épaisseur moyenne d’environ 10 km. Elle est plus épaisse à l’équateur et un peu plus mince aux pôles. C’est dans cette couche que l’air est le plus dense. C’est également dans cette couche que se produisent la plupart des phénomènes météorologiques : les nuages, la pluie, la neige, les tempêtes, les arcs-en-ciel, etc. Plus on monte dans la troposphère, plus il fait froid. La température baisse environ de 10 °C par kilomètre.

L’air est composé principalement de deux gaz, l’azote (78%) et l’oxygène (21%). Les autres gaz (gaz carbonique, argon et vapeur d’eau) représentent 1 % de l’air. L’air contient également certaines petites particules solides qui sont en suspension (les poussières, par exemple). Leur quantité varie selon le lieu et le temps. L’atmosphère nous protège des rayons nocifs du Soleil. Elle permet de conserver un équilibre entre la température du jour et la température de la nuit. L’atmosphère nous permet aussi de respirer. Grâce au gaz carbonique (CO2) présent dans l’air, les plantes peuvent produire leur propre nourriture par la photosynthèse. L’atmosphère est constituée de plusieurs couches. À mesure que l’on monte dans l’atmosphère, la densité de l’air diminue (il y a de moins en moins d’air). C’est près de nous qu’il y a le plus d’air, dans la couche la plus basse de l’atmosphère. En effet, 80% de l’air se trouve dans les 10 premiers kilomètres, à partir du sol.

5.47

L’arc-en-ciel est un phénomène météorologique produit par les rayons solaires qui éclairent les gouttes de pluie.

C’est au sommet de la troposphère que les avions volent. Comme l’air y est moins dense, il offre moins de résistance aux avions qui consomment, par le fait même, moins de carburant.

5.48

Les phénomènes météorologiques se manifestent dans la troposphère.

166

La stratosphère La stratosphère est la couche située directement au-dessus de la troposphère. Elle commence à 10 km d’altitude au-dessus du niveau de la mer et elle s’étend jusqu’à 50 km d’altitude environ. Plus on monte dans la stratosphère, plus il fait chaud. C’est là que se trouve la couche d’ozone. Une grande partie des rayons du Soleil, les rayons ultraviolets (UV), sont mortels pour les êtres vivants. La couche d’ozone bloque 90 % de ces rayons nocifs. Comme le phénomène d’absorption des rayons UV dégage beaucoup de chaleur, il fait plus chaud dans cette zone.

Altitude par rapport au niveau de la mer

THERMOSPHÈRE 130 km

120 km

La mésosphère

110 km

La mésosphère commence à environ 50 km d’altitude au-dessus du niveau de la mer et elle va jusqu’à 80 km d’altitude. Dans cette couche, la température peut atteindre –80 ºC. Lorsque des objets venant de l’espace (pierres, poussières, etc.) pénètrent dans cette couche de l’atmosphère, la friction de l’air est tellement intense que leur température devient très élevée. Ces objets laissent alors derrière eux une traînée lumineuse qu’on appelle « étoile filante » ou « météore ».

100 km

90 km

Aurore boréale

80 km

Étoile filante

MÉSOSPHÈRE 70 km

60 km

50 km

STRATOSPHÈRE 40 km

30 km

20 km

10 km

TROPOSPHÈRE Niveau de la mer

5.49

5.50

Les couches de l’atmosphère.

Une étoile filante.

Chapitre 5

167

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Savez-vous que…

La thermosphère La thermosphère est la couche de l’atmosphère la plus éloignée de la Terre. Elle commence à 80 km d’altitude environ et se rend jusqu’à la limite de l’espace, à quelque 1000 km d’altitude. À cette altitude, les particules d’air sont extrêmement rares. À cause des rayons du Soleil, la température de ces particules peut être très élevée.

?

• Au cours des années 1980, on a constaté que la couche d’ozone de la stratosphère avait diminué de façon importante. Cette diminution était provoquée par l’action de certaines substance gazeuses, comme les chlorofluorocarbures (CFC). Les chlorofluorocarbures sont des gaz qu’on utilise dans la fabrication des réfrigérateurs et des aérosols. Lorsqu’ils sont libérés dans l’atmosphère, ces gaz causent des dégâts à la couche d’ozone.

C’est dans la thermosphère que se produisent les aurores boréales. Les aurores boréales se manifestent dans le ciel par l’apparition de taches, de lueurs ou de bandes de lumière. Elles sont surtout de couleur verte ou rouge. Cette lumière des aurores boréales provient des collisions entre les particules d’air et certains rayons du Soleil.

• Dans les années 1990, des pays industrialisés ont signé le protocole de Montréal qui prévoyait l’arrêt de la production des chlorofluorocarbures. Depuis, des spécialistes continuent de surveiller la situation. La couche d’ozone doit rester suffisamment dense pour assurer une protection contre les rayons ultraviolets du Soleil.

C’est également au sommet de la thermosphère que circulent les navettes spatiales et les satellites artificiels.

5.51

Le 8 novembre 2004, une aurore boréale a illuminé le ciel de Kitchener, en Ontario.

168

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. La construction d’un sismographe Pour pouvoir enregistrer l’heure, la durée et l’amplitude des tremblements de terre, les sismologues utilisent un sismographe. Un sismographe a donc comme fonction de détecter toutes les vibrations du sol. Vous allez fabriquer un sismographe avec lequel vous pourrez mesurer (détecter) les légères vibrations du sol. Avec ce sismographe, vous devriez être capable de mesurer des vibrations horizontales et verticales plus ou moins fortes.

Des pistes à explorer • Pour pouvoir mesurer les vibrations du sol, une partie de l’appareil devra être fixe et l’autre, mobile ou suspendue. • Vous pourriez utiliser le matériel suivant : des ressorts, des tiges, des stylos à bille, du papier, des pointeurs au laser, etc. • Il vous faudra graduer votre appareil à l’aide de traits.

• Il est plus facile de mesurer des vibrations si la partie mobile de l’appareil ne bouge que dans une direction (de haut en bas, par exemple). • Commencez par mesurer des vibrations dans une direction. Modifiez ensuite le dispositif de l’appareil de façon à pouvoir mesurer des vibrations dans une autre direction.

2. Les différents types d’eau embouteillée L’eau douce représente un faible pourcentage de toute l’eau que nous trouvons sur Terre. Et une partie seulement de cette eau douce est potable, c’està-dire « propre à la consommation ». Au Québec, presque toutes les maisons sont approvisionnées en eau. Malgré cela, de plus en plus de gens préfèrent acheter de l’eau embouteillée. Il existe différents types d’eau embou teillée. Vous allez choisir quelques -unes de ces eaux et les comparer. Vous devrez vérifier si les eaux choisies ont les mêmes caractéristiques (type d’eau, provenance, composition en minéraux, etc.).

Des pistes à explorer • Les embouteilleurs d’eau doivent obligatoirement étiqueter leurs produits. Ils sont donc tenus d’indiquer la composition de l’eau qu’ils embouteillent. Utilisez cette information pour comparer les diverses eaux. • Les eaux embouteillées sont étiquetées comme « eau de source », « eau filtrée », « eau minérale » ou encore « eau déminéralisée ». Quelle est la différence entre ces appellations ?

Chapitre 5

169

• Vous pouvez faire évaporer une même quantité d’eau de chacune des eaux embouteillées, puis comparer les résidus qui sont présents. La plupart des résidus proviennent des minéraux dissous dans l’eau. • Une eau qui contient beaucoup de minéraux conduit l’électricité. Une eau qui contient peu de minéraux ne conduit presque pas l’électricité.

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

TOUT La structure interne de la Terre

PAGES 142 ET 143

1 Inscrivez, dans un tableau semblable à celui ci-dessous, le nom des différentes parties qui forment l’intérieur de la Terre. Notez les principales caractéristiques de chacune de ces parties : le pourcentage du volume terrestre occupé, l’épaisseur (ou le rayon) et l’état (liquide ou solide). Parties

Épaisseur (ou rayon)

Pourcentage du volume terrestre

COMPTE

FAIT

État (liquide ou solide)

Les enveloppes de la Terre

PAGE 144

2 Quelle enveloppe de la Terre est représentée dans chacune des photos (A, B, C et D) ? A

B

C

PAGES 145 À 162

La lithosphère

3 Observez une carte du monde ou un globe terrestre. Repérez des continents qui semblent pouvoir s’assembler comme les pièces d’un casse-tête. Nommez deux de ces continents. Pourquoi ces continents ont-ils l’air de pouvoir s’emboîter l’un dans l’autre ? 4 Expliquez comment a été formé l’Himalaya, la chaîne de montagnes dont fait partie le mont Everest. 5 Expliquez le phénomène des tremblements de terre.

L a Te r r e

170

et l’espace

D

6 Qu’est-ce qui se produit lors d’une éruption volcanique ? Décrivez le chemin parcouru par le magma jusqu’à sa sortie d’un volcan-bouclier. 7 Inscrivez, dans un tableau semblable à celui ci-dessous, les différents types de relief que l’on trouve sur la Terre. Pour chaque type de relief, donnez, dans la mesure du possible, un exemple propre au Québec. Types de relief

Exemples

8 Donnez un exemple d’érosion que subit le sol dans votre région. Expliquez les causes de cette érosion. PAGES 163 À 165

L’hydrosphère

9 Construisez deux diagrammes circulaires qui illustreront la répartition de l’eau sur la planète. Dans l’un des diagrammes, vous présenterez la répartition de l’eau douce et de l’eau salée. Dans l’autre diagramme, vous présenterez uniquement la répartition de l’eau douce. Pour réaliser ces diagrammes, vous devrez utiliser un tableur. 10 Nommez chacune des étapes du cycle de l’eau. Expliquez, s’il y a lieu, les changements de phase qui se produisent à chacune des étapes.

L’atmosphère

PAGES 166 À 168

11 L’atmosphère joue plusieurs rôles. Décrivez ces rôles. 12 Quelles sont les principales caractéristiques des différentes couches de l’atmosphère ? Dans un tableau semblable à celui ci-dessous, écrivez le nom des couches de l’atmosphère, indiquez leur épaisseur et décrivez les phénomènes qui s’y produisent.

Couches

Épaisseur

Chapitre 5

Phénomènes

171

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Les secrets du métier

5.52

5.53

Des foreurs procèdent à l’extraction de pétrole. Pour étudier les volcans, le volcanologue doit recueillir des échantillons de lave.

L’étude de la Terre et de ses phénomènes est faite à partir de plusieurs domaines, que ce soit l’océanographie, la sismologie, la météorologie ou encore la minéralogie. De nombreux métiers sont liés à la lithosphère. Il suffit de penser à l’exploitation des ressources naturelles, minières et pétrolières. Du côté de l’hydrosphère, des spécialistes étudient le cycle de l’eau et font des recherches sur les océans. Quant à l’atmosphère, des météorologues nous renseignent constamment sur ce qui s’y passe. Pour exercer un métier relié à la Terre, il est préférable d’aimer le plein air. Il faut aussi avoir de solides habiletés mathématiques et être capable d’interpréter des données. À la page suivante, nous présentons quelques métiers où l’on exploite les phénomènes de la Terre, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers. 5.54

La technicienne en assainissement de l’eau échantillonne les eaux usées, qui seront ensuite analysées.

L a Te r r e

172

et l’espace

MÉTIERS OÙ L’ON EXPLOITE LES PHÉNOMÈNES DE LA TERRE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études secondaires collégiales universitaires • Mineurs (mineurs d’extraction et de préparation) • Foreurs et dynamiteurs • Conducteurs de machinerie lourde

• • • •

Technologues en géologie Technologues miniers Techniciens en géomatique Techniciens en assainissement de l’eau

• Opérateurs de machines (traitement des métaux et des minerais)

Profession : technologue en géologie À la suite de l’obtention d’un diplôme d’études collégiales en technologie minérale, les technologues en géologie pourront exercer différentes tâches selon les champs d’études qu’ils auront choisis. Les technologues spécialisés en géologie appliquée pourront se diriger vers la recherche des gisements miniers. Ils feront des prélèvements de roches et de sols. Dans les laboratoires, ils identifieront et analyseront des roches et des minerais. Les technologues spécialisés en minéralurgie pourront extraire des métaux contenus dans la roche. Ils superviseront les activités de concassage et de broyage du minerai. Les technologues spécialisés en exploitation minière pourront travailler sur des chantiers miniers. Ils participeront à la supervision des opérations minières, feront de l’arpentage minier et établiront une planification du forage et du dynamitage. Ce programme d’études, d’une durée de trois ans, prépare les étudiants à travailler dans tous les secteurs de l’industrie minérale.

5.55

Le technologue en géologie doit connaître les caractéristiques des roches.

173

• Volcanologues • Géologues • Météorologues • Arpenteurs-géomètres • Ingénieurs miniers

Dans votre

La Terre a chaud 5.56

par Raynald Pepin

Les usines rejettent dans l’atmosphère des déchets polluants.

Imaginez la situation suivante : pendant que vous dormez, on ajoute une dizaine de couvertures à celles qui vous enveloppent déjà. Votre lit devient vite inconfortable. En peu de temps, vous vous réveillez à cause de la chaleur ! La Terre est à l’image de votre lit. Sa literie, c’est l’atmosphère. Depuis des dizaines d’années, les êtres humains y empilent des « couvertures », au point que la température moyenne sur la Terre pourrait augmenter de 2 °C à 6 °C au cours du XXI e siècle. Ce problème environnemental majeur, probablement le plus important de l’heure, s’appelle le « réchauffement climatique ».

L a Te r r e

174

et l’espace

Les principaux gaz à effet de serre Sans atmosphère, la température moyenne à la surface de la Terre serait de –18 °C ! Grâce à « l’effet de serre », la température moyenne sur Terre est d’environ 15 °C. Mais qu’est-ce que « l’effet de serre » ? Dans une serre, les vitres conservent la chaleur en empêchant l’air chaud de fuir. Dans l’atmosphère terrestre, ce sont des gaz qui réduisent les pertes de chaleur vers l’espace. Ces gaz sont appelés des « gaz à effet de serre ». Les principaux gaz à effet de serre sont : • le gaz carbonique (CO2), qui provient de la combustion du pétrole, du gaz naturel, du charbon et du bois ; • le méthane, qui provient de la décomposition de la matière organique dans les marais et les dépotoirs ; • la vapeur d’eau, qui est présente à la surface de la Terre ; • les chlorofluorocarbures (CFC) et les autres gaz de même type, qui sont utilisés dans la fabrication des réfrigérateurs et des aérosols.

Les causes du réchauffement climatique Actuellement, la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère s’accroît. Et la température à la surface de la Terre augmente. Le taux de gaz carbonique dans l’atmosphère a augmenté de plus de 30 % depuis le début de l’ère industrielle. Cette augmentation est due principalement à l’utilisation de combustibles fossiles (pétrole, gaz et charbon). Il n’y a pas beaucoup de gaz carbonique dans l’air : 1 L d’air contient 209 ml d’oxygène, mais seulement 0,3 ml de gaz carbonique, c’est-à-dire l’équivalent d’un petit pois. Malgré cela, la présence de gaz carbonique dans l’air a des conséquences importantes. À quantité égale, le méthane et les chlorofluorocarbures contribuent davantage à l’effet de serre que le gaz carbonique. Mais l’atmosphère en contient beaucoup moins.

5.57

La hausse du niveau des océans, liée au réchauffement de la planète, pourrait faire disparaître l’archipel de Tuvalu, dans le Pacifique.

Chapitre 5

175

La Terre : ses caractéristiques, ses phénomènes

Les conséquences du réchauffement climatique Plus il y aura de gaz à effet de serre, plus la température sur la Terre grimpera. À première vue, le réchauffement climatique peut présenter certains avantages. En fait, il créera surtout de graves problèmes. Des régions actuellement humides et fertiles pourraient s’assécher et devenir désertiques. Dans d’autres régions, il pourrait pleuvoir davantage. Des maladies tropicales, comme la malaria ou la maladie du sommeil (infection due à des parasites), pourraient toucher des zones qui étaient auparavant épargnées. Des espèces animales et végétales pourraient disparaître si leur habitat naturel était transformé. La fonte des glaces polaires et des glaciers pourrait entraîner une élévation du niveau des océans. Cela pourrait être catastrophique pour les îles et les régions côtières. Des régions densément peuplées, comme le Bangladesh et les environs de Miami, risqueraient d’être inondées.

5.58

L’énergie éolienne n’émet pas de gaz à effet de serre.

Les solutions Pour lutter contre l’effet de serre, il faudra consommer moins d’énergie et utiliser des sources d’énergie qui rejettent moins de gaz carbonique dans l’atmosphère. Tout un défi ! En 1997, des pays industrialisés ont signé le protocole de Kyoto. Par cette convention internationale, ils s’engagent à diminuer les émissions de gaz à effet de serre. En 2012, elles devront être inférieures de 5 % à celles de 1990. Les pays signataires y parviendront-ils ? Au Canada, en 2005, les émissions de gaz à effet de serre avaient augmenté de plus de 20 % depuis 1990 ! Les pays industrialisés doivent changer leur mode de vie. Quelles solutions doivent-ils mettre de l’avant ? Qui doit agir ? Les individus, les gouvernements ? Est-ce qu’une personne qui cesse d’utiliser sa voiture contribuera vraiment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ? Et 100 000 personnes ? Les gouvernements doivent-ils taxer davantage l’essence ? adopter des lois concernant l’utilisation de l’automobile ? contrôler la pollution industrielle ?

L a Te r r e

176

Que pourriez-vous faire ? Et vous, que pourriez-vous faire, aujourd’hui ou plus tard, pour lutter contre le réchauffement climatique ? Voyager en train ou en autobus plutôt qu’en automobile ? Tondre la pelouse avec une tondeuse mécanique (sans essence) ? Pelleter au lieu d’utiliser une souffleuse ? Rester moins longtemps sous la douche ? Ne pas faire de feux de bois ? Réduire votre consommation d’électricité ? Participer à des manifestations environnementales ?

et l’espace

Chapitre

6

L’espace : les phénomènes astronomiques L’espace ! Là où évoluent la Terre, la Lune, le Soleil, les planètes et les étoiles. De tout temps, les êtres humains ont étudié le ciel pour mieux comprendre les phénomènes naturels qui leur paraissaient insaisissables. Ce n’est que récemment, dans les années 1960, que nous nous sommes rendus dans l’espace pour étudier la Terre et la Lune sous de nouveaux angles. À l’aide d’appareils spécialisés, tels les télescopes spatiaux, nous explorons aujourd’hui le système solaire et les galaxies.

6.1

Un groupement d’étoiles, photographié par le télescope spatial Hubble.

Grâce à ces explorations spatiales, certains corps célestes nous sont maintenant plus familiers. C’est le cas des étoiles. Nous savons que ces astres émettent de la lumière, tout comme le Soleil. Nous savons aussi que les planètes tournent autour des étoiles et que les satellites tournent autour des planètes. Mais l’espace, où commence-t-il exactement ? L’espace, pour les scientifiques, est la région qui commence au-delà de la thermosphère (la dernière couche de l’atmosphère terrestre), soit à quelque 1000 km d’altitude au-dessus du niveau de la mer.

6.2

Nous n’avons pas besoin d’aller dans l’espace pour tenter d’expliquer ce qui se passe dans le ciel. De la Terre, certains corps célestes, comme la Lune et le Soleil, sont visibles à l’œil nu. Il est donc assez facile de les étudier.

Nous amorcerons notre étude de l’espace par la lumière. La lumière est au cœur de phénomènes astronomiques tels que l’alternance du jour et de la nuit, l’alternance des saisons, les phases de la Lune et les éclipses.

Chapitre 6

Le télescope spatial Hubble, en orbite autour de la Terre.

177

L’espace : les phénomènes astronomiques

1 La lumière Imaginez qu’un matin le Soleil disparaisse. Que se passerait-il ? Il ferait noir et il ferait très froid. En fait, sans la lumière du Soleil, la vie sur Terre serait impossible. Le Soleil n’est pas seulement le centre physique de notre système solaire, c’est aussi une étoile sans laquelle la vie ne pourrait exister. Mais rassurezvous, le Soleil ne disparaîtra pas demain. Il sera là pendant quelques milliards d’années encore !

Le Soleil se serait formé, il y a environ 4,6 milliards d’années, à partir d’un nuage de gaz. • Sa distance de la Terre est de 150 millions de kilomètres. 6.3

• Son diamètre est de 1,4 million de kilomètres.

Cette image, prise par le satellite Soho, montre la surface bouillonnante du Soleil.

• Sa température, en son centre, est d’environ 14 millions de degrés Celsius.

1.1 Les propriétés de la lumière

• Son rayon est 109 fois le rayon de la Terre. • Sa masse est 330 000 fois la masse de la Terre.

La lumière a sept propriétés principales. La première propriété de la lumière nous permet de la définir.

Le Soleil exerce une attraction sur 9 planètes qu’il garde dans son orbite : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton tournent autour du Soleil.

1 • C’est la nuit. Il fait noir dans votre chambre. Que voyez-vous ? Rien du tout si vous n’avez pas de lumière ! La lumière est un rayonnement qui a la particularité de pouvoir être détecté par l’œil.

Comme le Soleil est relativement près de la Terre, nous ressentons les effets de la lumière qu’il émet. Les autres étoiles sont des soleils situés dans d’autres systèmes ou d’autres galaxies. Comme nous les contemplons de très loin, leur lumière est moins vive. Nous ne ressentons pas leur chaleur.

Les rayons X, par exemple, sont aussi une forme de rayonnement. Mais ils sont invisibles à l’œil. Ils ne peuvent être détectés qu’à l’aide de matériel spécialisé. C’est cette perception des rayons lumineux par l’œil qui rend possible la vision chez les êtres humains et chez bon nombre d’animaux.

Le Soleil, comme les autres étoiles, émet donc de la lumière. Mais qu’est-ce que la lumière ? Quelles sont ses propriétés ?

L a Te r r e

178

et l’espace

2 • C’est un matin pluvieux et gris. Vous êtes dans

4 • Lorsqu’on allume une lampe, est-ce qu’il faut

votre chambre et il fait sombre. Que pouvez-vous faire pour avoir plus de lumière ? Vous pouvez ouvrir les rideaux ou allumer une lampe.

attendre longtemps avant de voir la lumière de l’ampoule ? Non. La lumière est presque instantanée. Elle voyage à une vitesse de 300 000 km/s, une vitesse qu’il est impossible de dépasser.

Le rayonnement lumineux peut être émis par une source naturelle, comme le Soleil, ou par une source artificielle, comme une ampoule.

Par comparaison, une fusée vole à une vitesse de 1,7 km/s, ce qui est 176 470 fois plus lent que la lumière. La lumière met 8 minutes pour faire le trajet entre le Soleil et la Terre. Une fusée mettrait 2,7 années pour faire le même trajet.

5 • Vous éclairez un livre avec une lampe de poche. Vous ne vous attendez pas à ce que le dos du livre soit éclairé, n’est-ce pas ? La lumière se propage en ligne droite. Elle ne peut pas contourner un objet.

6 • La lumière peut-elle être réfléchie par un objet ? La lumière peut-elle être absorbée par un objet ? Oui. Une partie de la lumière est réfléchie (renvoyée) par les objets. C’est pourquoi on peut les voir. L’autre partie de la lumière est absorbée. Ainsi, on peut voir la Lune parce qu’elle réfléchit la lumière du Soleil et non pas parce qu’elle émet sa propre lumière.

6.4

L’ampoule électrique produit de la lumière.

7 • D’où viennent toutes les couleurs de l’arcen-ciel ? Des rayons du Soleil qui éclairent les gouttes de pluie. Les rayons solaires sont divisés en une large palette de couleurs. Les gouttes de pluie permettent de voir la division de ces couleurs.

3 • Le Soleil ne fait pas que nous éclairer. Il nous réchauffe. La lumière du Soleil transporte de l’énergie, qu’on appelle « énergie lumineuse ». Lorsqu’elle frappe un corps, cette énergie lumineuse se transforme en énergie thermique : elle réchauffe le corps.

Chapitre 6

La lumière blanche (ou la lumière naturelle du jour) est composée de toutes les couleurs.

179

L’espace : les phénomènes astronomiques

Pour s’en convaincre, il suffit d’utiliser un prisme. Un prisme décompose la lumière blanche et fait voir toutes ses couleurs.

Le télescope spatial Hubble a été lancé en 1990. Il est muni d’appareils photo électroniques qui captent des images extrêmement détaillées de l’Univers. Ces images sont envoyées sur Terre. Il y a aussi des télescopes qui sont utilisés sur Terre. Ces énormes télescopes, qui peuvent être pointés sur différents coins du ciel, se trouvent dans des observatoires. À ce jour, le plus gros télescope de la planète est situé à Hawaii, au sommet du volcan Mauna Kea (photo 6.6). C’est le télescope Keck, un télescope dont le miroir fait 10 m de diamètre. Nous disposons, au Québec, d’un télescope assez puissant pour étudier le ciel et pour permettre aux astronomes de faire de la recherche. Ce télescope est installé sur le mont Mégantic, en Estrie, loin des lumières des villes ou de ce qu’on appelle la « pollution lumineuse ». (On parle de « pollution lumineuse » lorsque les lumières des villes voilent les étoiles.) L’observatoire du Mont-Mégantic abrite le plus grand télescope de l’est de l’Amérique. Son miroir fait 1,6 m de diamètre.

6.5

La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs.

Si vous habitez à l’extérieur des grandes villes, là où il y a moins de pollution lumineuse, vous pouvez faire l’observation du ciel à l’aide d’un petit télescope.

1.2 Le télescope : un instrument d’observation Pour observer les étoiles ou le Soleil, le télescope est l’instrument tout désigné. Il permet de regarder des objets qui sont très éloignés. On se sert aussi de cet instrument pour observer la Lune ou les planètes du système solaire. Un bon télescope doit grossir les corps célestes et produire des images nettes et brillantes.

6.6

L’observatoire Keck, au sommet du Mauna Kea, est aujourd’hui muni de deux télescopes principaux (Keck I et Keck II).

180

6.7

L’observatoire populaire du Mont-Mégantic, en Estrie, est dédié au public et aux astronomes amateurs. Il abrite un télescope de 61 cm.

Helen Sawyer Hogg :

Point de mire

première femme astronome au Canada Helen Sawyer Hogg est née en 1905. De nature curieuse, elle voulait devenir chimiste. Elle changea d’idée le 24 janvier 1925 alors qu’elle observait une éclipse totale de Soleil. Sa passion pour l’astronomie venait de naître. Helen Sawyer Hogg étudia en astronomie. Elle enseigna cette science à l’Université de Toronto, de 1936 à 1976. Reconnue mondialement, elle fit des recherches sur l’âge des étoiles, leur composition et la distance des unes par rapport aux autres. Elle publia pendant 30 ans, dans un journal de Toronto, des articles de vulgarisation sur l’astronomie. Pendant la Deuxième Guerre mondiale (1939-1945), Helen Sawyer Hogg travaillait la nuit à l’observatoire David-Dunlap, en Ontario, tout en enseignant à l’université le jour.

6.8

Helen Sawyer Hogg fut une pionnière dans le domaine des sciences. Elle ouvrit la voie à de nombreuses femmes qui ont suivi ses pas. Helen Sawyer Hogg est décédée en 1993. Plusieurs télescopes et observatoires internationaux portent aujourd’hui son nom. On donna même son nom à un astéroïde (bloc de roche en orbite autour du Soleil). Helen Sawyer Hogg reçut également le titre de Compagnon de l’Ordre du Canada.

Chapitre 6

181

L’espace : les phénomènes astronomiques

2 L’alternance du jour et de la nuit Nous savons que, lorsqu’il fait jour à l’endroit où nous nous trouvons, il fait nuit ailleurs sur la Terre. Par exemple, lorsqu’il est midi au Québec et que le soleil brille, c’est la nuit en Inde. On a longtemps cru que l’alternance du jour et de la nuit était due au Soleil qui faisait le tour de la Terre. Cette théorie permettait d’expliquer pourquoi le Soleil se levait à l’est, était au sud à midi et se couchait à l’ouest. Ce phénomène, qui nous donne l’impression que le Soleil bouge dans le ciel, est appelé le « mouvement apparent du Soleil ».

6.9

Le jour et la nuit.

SUD

EST

OUEST

6.10

Le mouvement apparent du Soleil.

C’est la rotation de la Terre sur elle-même qui produit l’alternance du jour et de la nuit.

La Terre se serait formée il y a environ 4,5 milliards d’années.

La rotation de la Terre est un mouvement qui s’effectue en 24 heures environ et qui se fait de l’ouest vers l’est.

• Troisième planète à partir du Soleil, elle a un seul satellite naturel : la Lune. • Son diamètre est de 12 800 km. • Sa température moyenne est d’environ 15 °C à la surface. • Son rayon est de 6380 km. • Sa masse est de 6 ⫻ 1024 kg.

Comme la Terre est ronde, le Soleil ne peut en éclairer qu’un côté à la fois (illustration 6.11, page 183). Il fait jour quand notre « côté » de la Terre, la région où nous habitons, est éclairé par le Soleil. Il fait nuit quand notre « côté » de la Terre ne fait plus face au Soleil. Comme la lumière ne peut contourner un objet, notre « côté » de la Terre n’est plus éclairé. Donc, pendant qu’une moitié de la Terre est exposée au Soleil, l’autre moitié est dans le noir.

La Terre fait le tour du Soleil en 365,25 jours. Elle fait une rotation sur elle-même en 24 heures.

L a Te r r e

182

et l’espace

Hémisphère Nord

La Terre tourne sur elle-même tout en étant inclinée par rapport au Soleil. Cet angle d’inclinaison, d’une valeur de 23,5 °, est responsable de la durée inégale des jours et des nuits.

Pôle Nord Jour

Inclinaison de 23,5°

Dans l’illustration 6.11, l’hémisphère Sud est penché vers le Soleil. C’est donc l’été dans cette partie du globe. Le pôle Sud reste longtemps à la lumière puisqu’il est incliné du côté du Soleil. Il y a alors plus de lumière que d’ombre, c’est-à-dire que le jour est plus long que la nuit. Si l’on prend un point • du côté éclairé de l’hémisphère Sud, on se rend compte que son parcours, alors que la Terre tourne, est plus long le jour que la nuit. En même temps, dans l’hémisphère Nord, c’est l’hiver. Le pôle Nord est dans l’obscurité puisqu’il est incliné dans la direction opposée au Soleil. Il y a alors moins de lumière que d’ombre, c’est-à-dire que le jour est plus court que la nuit. Si l’on prend un point • du côté éclairé de l’hémisphère Nord, on constate que son parcours est moins long le jour que la nuit.

Savez-vous que…

Nuit

Lumière du Soleil

Équ ate ur

Pôle Sud Hémisphère Sud

6.11

La rotation de la Terre sur elle-même.

?

• Au pôle Nord, il n’y a pas de jour au début de l’hiver parce que le Soleil n’éclaire plus les régions qui sont dans le cercle polaire arctique. Au début de l’été, il n’y a pas de nuit parce que le Soleil éclaire ces régions 24 heures sur 24. • À l’équateur, la durée du jour et de la nuit est toujours la même : 12 heures environ. Si vous habitiez au nord du Brésil, en Amérique du Sud, et que votre maison se trouvait exactement sur l’équateur, vous ne verriez pas beaucoup de différence, tout au long de l’année, entre la durée du jour et la durée de la nuit. 6.12

Le soleil de minuit à Nunavik, dans le Nord-du-Québec.

Chapitre 6

183

L’espace : les phénomènes astronomiques

3 L’alternance des saisons À la télévision, il arrive que l’on nous montre des endroits où c’est l’hiver alors que, chez nous, c’est l’été. C’est le cas du Chili, par exemple, qui vit une inversion des saisons par rapport au Canada. (On pourrait aussi dire que c’est le Canada qui vit une inversion des saisons par rapport au Chili !) Comment expliquer ce phénomène ? On a cru, un certain temps, que le Soleil se rapprochait de la Terre pendant l’été et qu’il s’en éloignait pendant l’hiver. Mais cela n’expliquait pas comment il pouvait exister deux saisons différentes en même temps sur la Terre.

mine les saisons (illustration 6.15, page 185). Ce phénomène entraîne une inversion des saisons d’un hémisphère à l’autre. La révolution de la Terre est un mouvement qui se fait autour du Soleil en 365,25 jours. Ce mouvement s’effectue selon une trajectoire ovale appelée « orbite terrestre ». Une année terrestre dure donc 365 jours. Et que fait-on du quart de jour (0,25) qui s’accumule chaque année ? Tous les 4 ans, on crée une année de 366 jours, tout simplement ! Il y a donc un journée supplémentaire au calendrier : le 29 février ! Ces années de 366 jours sont des années bissextiles.

C’est la révolution de la Terre autour du Soleil, accompagnée de l’inclinaison de la Terre, qui déter-

6.13

6.14

Montréal et Santiago (au Chili), au mois de janvier : des contrastes étonnants.

L a Te r r e

184

et l’espace

Équinoxe de printemps : aux environs du 21 mars

N

HI V E R

MPS NTE PRI

Solstice d’hiver : aux environs du N 21 décembre

N

N

Solstice d’été : aux environs du 21 juin

OM AUT

É TÉ

NE

Équinoxe d’automne : aux environs du 21 septembre 6.15

La révolution de la Terre autour du Soleil.

Comment se déroulent les saisons dans les hémisphères Nord et Sud ? L’été, l’hémisphère Nord est incliné vers le Soleil. Il reçoit donc davantage de lumière. Il y fait aussi plus chaud parce que les rayons solaires sont plus directs. L’hiver, c’est le contraire qui se produit. L’hémisphère Sud est incliné vers le Soleil. Cette partie du globe reçoit donc plus de lumière. Dans l’hémisphère Nord, les rayons solaires sont obliques et moins directs. Il y fait plus froid.

Nord étant incliné au maximum à l’opposé du Soleil, les jours y sont plus courts que les nuits. Aux équinoxes de printemps et d’automne, la durée du jour est égale à celle de la nuit.

Savez-vous que…

Le solstice est le moment de l’année où la position extrême de la Terre marque le début de l’été ou le début de l’hiver. Entre les solstices d’été et d’hiver, la Terre passe par des positions moyennes où l’hémisphère Sud et l’hémisphère Nord reçoivent, en quantité égale, les rayons du Soleil. L’équinoxe est le moment de l’année où la position moyenne de la Terre marque le début du printemps ou le début de l’automne. Ainsi, au solstice d’été, l’hémisphère Nord étant incliné au maximum vers le Soleil, les jours y sont plus longs que les nuits. Au solstice d’hiver, l’hémisphère

Chapitre 6

?

• Dans le langage courant, on dit que le solstice d’hiver a lieu le 21 décembre partout sur la Terre. Au Canada, le début de l’hiver a bel et bien lieu aux environs du 21 décembre. Par contre, dans l’hémisphère Sud, c’est le début de l’été. D’où vient cette habitude de tout nommer en fonction des saisons qui se déroulent dans l’hémisphère Nord ? Le terme « solstice » a été défini par des astronomes qui habitaient l’hémisphère Nord ! L’habitude est toujours restée. De même, le début officiel de notre été, le solstice d’été, est le début de l’hiver dans l’hémisphère Sud.

185

L’espace : les phénomènes astronomiques

4 Les phases de la Lune La Lune n’émet pas de lumière. Les Grecs de l’Antiquité le savaient déjà. La Lune brille parce qu’elle reflète la lumière du Soleil. Tout comme la Terre, une partie de la Lune est toujours éclairée par le Soleil, tandis que l’autre partie est dans l’obscurité. La Lune, satellite de la Terre, se serait formée il y a environ 4,5 milliards d’années. C’est le corps céleste le plus proche de la Terre. • Sa distance de la Terre est de 384 400 km. • Son diamètre, qui est de 3476 km, est le quart du diamètre de la Terre. • Sa température varie de 127 °C le jour à –173 °C la nuit. • Son rayon est de 1738 km environ. • Sa masse est 81 fois inférieure à la masse de la Terre.

6.16

La Lune vue de l’espace.

Les phases de la Lune désignent les parties de Lune éclairées par le Soleil, telles qu’elles sont vues de la Terre.

La Lune tourne autour de la Terre en 28 jours environ. Elle tourne également sur elle-même en 28 jours.

Les phases de la Lune sont des phénomènes très faciles à observer à l’œil nu. Il y a huit phases lunaires.

Pendant que la Lune tourne autour de la Terre, le Soleil l’éclaire sous des angles différents. Ces différents aspects de la Lune correspondent, en réalité, à ses phases.

6.17

Les huit phases de la Lune telles que nous les voyons de la Terre.

(1) Nouvelle Lune

(2) Premier croissant

(3) Premier quartier

(4) Lune gibbeuse croissante

(5) Pleine Lune

(6) Lune gibbeuse décroissante

(7) Dernier quartier

(8) Dernier croissant

L a Te r r e

186

et l’espace

Lorsque la Lune se place entre le Soleil et la Terre, les phases lunaires commencent (illustration 6.18). Et comment se déroulent précisément les différentes phases de la Lune ?

(6) Après la pleine Lune, nous voyons de moins en moins la partie éclairée de la Lune. Elle nous présente alors un cycle décroissant, passant de la pleine Lune à la Lune gibbeuse décroissante.

(1) La première phase lunaire est la nouvelle Lune. À ce moment, la Lune est entre le Soleil et la Terre. On ne peut pas la voir de la Terre, car sa partie éclairée est tournée vers le Soleil.

(7) Puis c’est le dernier quartier. (8) Enfin, la Lune se réduira jusqu’à un dernier croissant, puis disparaîtra à la nouvelle Lune suivante.

(2) À mesure que la Lune se déplace autour de la Terre, sa face éclairée nous est visible. Nous percevons d’abord un mince croissant : le premier croissant.

Savez-vous que…

?

• Au Moyen Âge, on croyait que la Lune exerçait une influence sur le comportement des gens. On associait même la pleine Lune à la folie. On pensait aussi que les êtres humains pouvaient se transformer en loups-garous. On évitait donc, les soirs de pleine Lune, de dormir la fenêtre ouverte.

(3) De jour en jour, le croissant s’épaissit. Au premier quartier, nous voyons un demi-cercle. (4) Quelques jours plus tard, la Lune est presque pleine : c’est la Lune gibbeuse croissante. (5) Lorsque la Lune est d’un côté de la Terre et le Soleil de l’autre, nous pouvons la voir entièrement. Le Soleil l’éclaire totalement. C’est alors la pleine Lune. Elle est particulièrement visible vers minuit.

(7) Dernier quartier

Les phases telles que nous les voyons

(8) Dernier croissant

(6) Lune gibbeuse décroissante

Lumière du Soleil (1) Nouvelle Lune

(5) Pleine Lune ne e la L u Révolution d

(4) Lune gibbeuse croissante

(2) Premier croissant 6.18

La Lune semble changer d’aspect lorsqu’elle tourne autour de la Terre. En fait, la face éclairée de la Lune est toujours du même côté, car le Soleil n’éclaire qu’un seul côté de la Lune.

Chapitre 6

187

(3) Premier quartier

L’espace : les phénomènes astronomiques

5 Les éclipses l’illustration 6.19. Cette zone subit alors une éclipse totale. La durée totale de l’éclipse peut être de 2 heures, pendant lesquelles la lumière va disparaître peu à peu. L’obscurité totale peut durer 8 minutes, au maximum.

Imaginez le Soleil, au crépuscule, qui se couche derrière les montagnes. Le ciel est rosé et le « mouvement apparent du Soleil » semble tout à fait normal. Imaginez maintenant que le Soleil disparaisse en plein jour, caché par un disque sombre. Cela ne vous paraît pas très normal, n’est-ce pas ?

L’éclipse de Soleil a lieu en plein jour. Quand la Lune cache totalement le Soleil, c’est une éclipse totale. Le Soleil, la Lune et la Terre sont alors parfaitement alignés. Quand la Lune ne cache qu’une partie du Soleil, c’est une éclipse partielle.

Le mouvement de révolution de la Lune autour de la Terre peut engendrer un phénomène qu’on appelle une « éclipse ». Le mot « éclipse » vient du mot grec ekleipsis, qui signifie « délaisser, abandonner ». Une éclipse est un phénomène qui se produit quand le Soleil ou la Lune disparaissent, totalement ou en partie, alors qu’ils étaient bien visibles dans le ciel.

Les éclipses totales de Soleil n’ont lieu, en moyenne, que tous les 18 mois. Les observateurs peuvent voir une éclipse totale de Soleil quand ils sont situés dans la zone d’ombre, c’est-à-dire dans la région où il n’y a plus du tout de lumière. Cette zone n’est pas très grande. Pour une éclipse de Soleil, elle ne fait jamais plus de 270 km de diamètre. C’est pourquoi il est rare de pouvoir observer une éclipse totale. Les éclipses partielles sont plus courantes. Pour pouvoir les regarder, les observateurs n’ont qu’à être situés dans une région où l’obscurité n’est pas totale. Ils se trouvent alors dans la pénombre. Pour une éclipse de Soleil, ces régions de pénombre peuvent faire jusqu’à 6000 km de diamètre.

Il y a deux sortes d’éclipses : une éclipse de Soleil et une éclipse de Lune.

5.1 Une éclipse de Soleil Lors d’une éclipse de Soleil, la Lune se place entre la Terre et le Soleil. Le Soleil, la Lune et la Terre étant alignés, la Lune cache la lumière du Soleil. Comme la Lune empêche la lumière du Soleil de parvenir jusqu’à la Terre, elle projette une ombre sur une zone limitée de la Terre, comme on peut le voir sur

Ombre (obscurité totale)

Zone d’éclipse totale

Lumière du Soleil

Zone d’éclipse partielle 6.19

Pénombre (obscurité partielle)

Une éclipse de Soleil.

L a Te r r e

188

et l’espace

Voici la liste des éclipses de Soleil, partielles et totales, qui auront lieu d’ici 2015. Notez que la prochaine éclipse totale de Soleil qui sera visible dans le sud du Québec se produira le 8 avril 2024. LES ÉCLIPSES DE SOLEIL DE L’AN 2007 À L’AN 2015 Date

6.20

L’éclipse totale de Soleil du 4 décembre 2002, vue de l’Australie.

ATTENTION : il est extrêmement dangereux de regarder une éclipse de Soleil à l’œil nu ! Le Soleil, même s’il est caché par la Lune, peut brûler la rétine de l’œil et abîmer la vue. Pour observer une éclipse de Soleil, il faut utiliser des filtres spéciaux.

Type d’éclipse

Zones où l’éclipse sera visible

19 mars 2007

Partielle

Asie, Alaska

11 septembre 2007

Partielle

Amérique du Sud, Antarctique

1er août 2008

Totale

Amérique du Nord (nord-est), Europe, Asie

22 juillet 2009

Totale

Asie (est), océan Pacifique, Hawaii

11 juillet 2010

Totale

Amérique du Sud (sud)

4 janvier 2011

Partielle

Europe, Afrique, Asie (centre)

1er juin 2011

Partielle

Asie (est), Amérique du Nord (nord), Islande

1er juillet 2011

Partielle

Océan Indien (sud)

25 novembre 2011

Partielle

Afrique (sud), Antarctique, Tasmanie, Nouvelle-Zélande

13 novembre 2012

Totale

Australie, Nouvelle-Zélande, océan Pacifique (sud), Amérique du Sud (sud)

23 octobre 2014

Partielle

Océan Pacifique (nord), Amérique du Nord

20 mars 2015

Totale

Islande, Europe, Afrique (nord), Asie (nord)

13 septembre 2015

Partielle

Afrique (sud), océan Indien (sud), Antarctique

Source : NASA, 2005.

5.2 Une éclipse de Lune Lors d’une éclipse de Lune, la Terre se place entre le Soleil et la Lune. Les trois astres étant alignés, la Terre cache la lumière du Soleil et la Lune n’est plus éclairée directement. Elle passe dans l’ombre de la

6.21

Chapitre 6

189

L’espace : les phénomènes astronomiques

Terre. Comme l’ombre de la Terre recouvre la Lune, celle-ci semble s’éteindre. Elle prend alors une teinte cuivrée. L’éclipse est totale quand toute la Lune se trouve dans l’ombre de la Terre. Le Soleil, la Terre et la Lune sont alors parfaitement alignés. Contrairement à l’éclipse de Soleil, l’éclipse de Lune a lieu en pleine nuit et est visible de tout le côté de la Terre opposé au Soleil. Comme on peut le voir sur l’illustration 6.22, la zone de la surface terrestre où l’on peut apercevoir l’éclipse de Lune est plus étendue que lors d’une éclipse de Soleil. Une éclipse totale de Lune dure beaucoup plus longtemps (environ 2 ou 3 heures) qu’une éclipse totale de Soleil. Les éclipses de Lune peuvent être observées sans danger à l’œil nu.

Savez-vous que…

Séquence d’une éclipse de Lune

Ombre

Lumière du Soleil

Pénombre 6.22

Lors d’une éclipse, la Lune passe de la pénombre à l’ombre et de nouveau à la pénombre.

?

lors d’une éclipse, était mangé par un dragon. Pour les peuples nordiques, c’étaient plutôt les loups qui avaient réussi à manger le Soleil et la Lune lors des éclipses. Quant aux Indiens, ils se purifiaient d’une éclipse en se baignant dans l’un des fleuves sacrés de l’Inde.

• Il y a fort longtemps, les éclipses étaient liées à certaines croyances. Par exemple, les Égyptiens et les Incas vénéraient le Soleil. S’il disparaissait, cela voulait dire qu’une guerre, une épidémie ou la mort d’une personne importante allait survenir. Les Chinois, eux, croyaient que le Soleil,

6.23

L’éclipse totale de Lune du 26 septembre 1996, vue du Québec.

L a Te r r e

190

et l’espace

Galileo Galilei :

Point de mire

mathématicien, physicien et astronome

Galileo Galilei (Galilée, de son nom francisé) est né à Pise, en Italie, en 1564. Son père était musicien. Mais Galilée s’intéressait plus aux principes de physique des instruments de musique qu’à la musique elle-même. Après avoir commencé des études de médecine à l’université de Pise, Galilée décida de se tourner vers les mathématiques. En 1592, il obtint un poste d’enseignant en mathématiques à l’université de Padoue, l’université la plus réputée d’Italie à cette époque.

6.24

Puis, Galilée abandonna les mathématiques au profit de la physique mécanique dans le but d’expliquer, de façon très simple, des phénomènes naturels. La légende raconte que c’est du haut de la tour de Pise qu’il étudia la gravité, laissant tomber différentes masses du sommet. Galilée s’intéressa ensuite à l’espace. Il voulait confirmer la théorie d’un autre savant, Nicolas Copernic (1473-1543). Copernic avait affirmé, à son époque, que le Soleil était au centre du système solaire et que la Terre tournait autour du Soleil. Pour pouvoir observer le ciel, Galilée fabriqua sa propre lunette astronomique (l’ancêtre du télescope). Il réussit à prouver, en 1610, que la planète Jupiter avait quatre satellites, que Vénus présentait des phases comme la Lune, que Saturne avait un anneau et que le Soleil tournait autour de son axe. Il conclua en disant que la Terre n’était donc qu’une planète parmi tant d’autres et non pas le centre de l’Univers, comme on le croyait alors. Les idées de Galilée étaient contraires à celles qui étaient préconisées par l’Église catholique. En 1632, il subit un procès et fut condamné par un tribunal religieux à demeurer chez lui, sous surveillance. Il était alors âgé de 68 ans. En 1637, il devint aveugle. Il continua, malgré tout, de travailler. Il mourut en 1642. Galileo Galilei fut réhabilité officiellement par le pape Jean-Paul II en 1992, 350 ans après sa mort. On sait aujourd’hui que ses théories étaient fondées.

Chapitre 6

191

L’espace : les phénomènes astronomiques

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. Des photos du ciel On le sait, l’apparence du ciel n’est pas la même le jour que la nuit. Vous allez prendre quelques photos du ciel le jour et quelques photos du ciel après le coucher du soleil. Il faudra que le ciel soit clair, sans nuages. Vous observerez attentivement les photos prises. Puis, vous comparerez les caractéristiques du ciel quand il fait jour et quand il fait nuit. ATTENTION : il est possible de prendre des photos du ciel le jour. Mais il faudra faire attention de ne pas fixer le Soleil !

Des pistes à explorer • Pour prendre des photos lorsqu’il fait nuit, il faut diminuer la vitesse de l’obturateur de l’appareil. Réglez votre appareil à une seconde ou plus si vous le pouvez. Utilisez un trépied pour éviter d’avoir des images floues. • On peut trouver des photos du ciel dans des livres et des sites Internet. • Peut-on voir la Lune le jour ? Dans quelle phase se trouve-t-elle ? • Pourquoi la Lune est-elle parfois jaune, parfois orange ou parfois blanche ? • Peut-on voir des étoiles le jour ? • Est-ce que les petits points blancs que l’on voit dans le ciel sont des étoiles ? Si vous le pouvez, utilisez une lunette d’approche pour les examiner. Vous devriez aussi voir des planètes, comme Vénus qui est appelée l’« étoile du berger ». • Pouvez-vous dire ce que sont les points de couleur qui bougent dans le ciel ? Sur vos photos prises en soirée, vous verrez des lumières d’avion, des satellites ou même des étoiles filantes !

6.25

À certains moments de l’année, la planète Vénus brille à l’ouest au coucher du soleil.

L a Te r r e

192

et l’espace

2. Un cherche-étoiles Autrefois, les marins se servaient des étoiles pour savoir où ils se trouvaient. Ils étaient capables de les identifier ! Et vous, seriez-vous capable d’identifier les principales étoiles ? Vous aurez probablement besoin d’un cherche-étoiles ! Un chercheétoiles vous permettra de connaître la position des étoiles et des constellations dans le ciel, à n’importe quel moment de l’année et de la journée. Vous allez donc fabriquer un cherche-étoiles, que vous pourrez ensuite utiliser.

Des pistes à explorer • Le cherche-étoiles se compose d’une carte du ciel et d’une visionneuse. La visionneuse permet de savoir quelles étoiles et quelles constellations seront visibles dans le ciel à une heure et à une date précises. • On peut trouver la carte du ciel et la visionneuse dans des sites Internet gouvernementaux.

• Les étoiles sont groupées par constellations. Les constellations, parce qu’elles tracent dans le ciel des figures particulières, sont plus faciles à repérer que les étoiles seules. • Un cherche-étoiles indique les constellations que l’on peut observer au nord, au sud, à l’est et à l’ouest. Il suffit de l’ajuster selon la date et l’heure. • Où est l’étoile Polaire ? Qu’indique-t-elle ? • Pourriez-vous utiliser un cherche-étoiles si vous étiez dans l’hémisphère Sud ? • Vous aurez besoin d’une lampe de poche pour observer votre cherche-étoiles.

6.26

Les constellations de l’hémisphère Nord.

Chapitre 6

193

L’espace : les phénomènes astronomiques

TOUT La lumière

PAGES 178 À 181

1 À quelle propriété de la lumière correspond chacun des phénomènes énoncés ci-dessous ? Indiquez le numéro de la propriété et justifiez votre réponse.

COMPTE

FAIT

a) Lors d’une éclipse totale de Soleil, la lumière du Soleil ne peut pas parvenir jusqu’à la Terre. Il fait alors très noir. b) L’hiver, il est préférable d’être au soleil plutôt qu’à l’ombre. Il y fait plus chaud. c) La nuit, on peut voir facilement la Lune. Il arrive aussi qu’on puisse la voir le jour. d) L’être humain peut percevoir les rayons de la lumière du jour. Par contre, il ne peut pas voir les rayons X.

L’alternance du jour et de la nuit

PAGES 182 ET 183

2 Quelle est la différence entre « l’ancienne » théorie qui expliquait le « mouvement apparent du Soleil » et la théorie actuelle qui explique l’alternance du jour et de la nuit ?

L’alternance des saisons

PAGES 184 ET 185

3 L’illustration 6.15, à la page 185, représente le déroulement des saisons dans l’hémisphère Nord et dans l’hémisphère Sud. Reproduisez le tableau ci-dessous. Remplissez-le en vous basant sur cette illustration et sur les explications qui l’accompagnent.

Date

Saison qui commence dans l’hémisphère Nord

Durée du jour et de la nuit dans l’hémisphère Nord (le jour et la nuit sont d’égale durée, le jour est plus long que la nuit, le jour est plus court que la nuit)

Aux environs du 21 mars Aux environs du 21 juin Aux environs du 21 septembre Aux environs du 21 décembre

L a Te r r e

194

et l’espace

Saison qui commence dans l’hémisphère Sud

4 Qu’est-ce qui distingue la rotation de la Terre de la révolution de la Terre ? Dans un tableau semblable à celui ci-dessous, inscrivez d’abord la durée de la rotation et de la révolution de la Terre. Indiquez ensuite les conséquences que ces deux mouvements entraînent. Finalement, décrivez le mouvement qui est effectué par la Terre lors de la rotation et de la révolution. Mouvements de la Terre

Description du mouvement

Conséquences

Durée

Rotation Révolution

PAGES 186 ET 187

Les phases de la Lune

5 Voici les huit phases de la Lune présentées dans le désordre. a) Placez ces phases dans l’ordre, en commençant par la nouvelle Lune. Utilisez les lettres appropriées (A, B, C, etc.) pour désigner ces phases. b) Nommez ces huit phases et décrivez-les telles qu’on les voit de la Terre. A

B

C

D

E

F

G

H

6.27

PAGES 188 À 191

Les éclipses 6 Expliquez la différence : a) entre une éclipse de Soleil et une éclipse de Lune.

b) entre une éclipse totale et une éclipse partielle de Soleil.

Chapitre 6

195

L’espace : les phénomènes astronomiques

Les secrets du métier

6.28

6.29

Hubert Reeves, un astrophysicien et un « conteur d’étoiles » né à Montréal.

La pilote d’aéronefs doit connaître les techniques de vol et de navigation.

Étudier les étoiles, construire des avions, concevoir des aéronefs, faire des voyages spatiaux, tout cela relève des métiers liés à l’espace et à l’aérospatiale. Ces métiers sont peu nombreux, car l’étude de l’espace est un domaine relativement nouveau. Mais il est possible d’obtenir une formation professionnelle, technique ou universitaire dans des disciplines qui sont actuellement en pleine expansion. Cette formation pourra être en lien avec les transports (fusées, navettes, avions, etc.), les moyens de communication (satellites), les outils d’observation (télescopes) et l’étude des astres. À la page suivante, nous présentons quelques métiers associés aux diverses disciplines de l’aérospatiale, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour pouvoir exercer ces métiers.

6.30

Le technicien en construction aéronautique assemble, monte et installe les moteurs des aéronefs.

L a Te r r e

196

et l’espace

secondaires • Électromécaniciens • Informateurs aériens • Installateurs de matériel de télécommunications • Monteurs de structures en aérospatiale

MÉTIERS ASSOCIÉS À L’ESPACE ET À L’AÉROSPATIALE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études collégiales

universitaires

• Techniciens en avionique • Techniciens en construction aéronautique

• Astronomes

• Techniciens de l’entretien des aéronefs

• Mathématiciens

• Pilotes d’aéronefs

• Astrophysiciens • Physiciens • Ingénieurs en aérospatial

Profession : astronaute La carrière d’astronaute n’est pas une carrière conventionnelle. Il n’existe pas de diplôme particulier qui mène automatiquement vers les étoiles. Alors, que peut-on faire pour devenir astronaute ? Il faut d’abord détenir un diplôme universitaire en médecine, en sciences ou en génie. Il faut aussi avoir des connaissances dans d’autres disciplines, connaître plusieurs langues, pouvoir travailler en équipe et, bien sûr, aimer voyager. Une bonne santé et une bonne condition physique sont indispensables. Pour augmenter leurs chances de devenir astronautes, certains apprendront à sauter en parachute, à faire de la plongée ou à piloter un avion. Les candidats choisis devront participer au programme des astronautes. Ce programme dure un an. Il consiste en un entraînement rigoureux qui prépare les candidats astronautes à de futures missions dans l’espace. Pendant cette formation de base, les candidats recrutés devront aussi suivre des cours de géologie, de météorologie, d’astronomie, de physique et de physiologie humaine. Depuis la création du Programme des astronautes canadiens en 1983, 10 Canadiens ont été sélectionnés pour devenir astronautes, soit 8 hommes et 2 femmes. Marc Garneau est devenu le premier Canadien à aller dans l’espace en 1984. Il y est retourné en 1996 et en 2000. En 1999, Julie Payette a pris part à une mission spatiale de 10 jours.

6.31

En mai 1999, Julie Payette s’est envolée à bord de la navette spatiale Discovery.

197

Dans votre

Science et croyances 6.32

par Raynald Pepin

La nébuleuse de l’Aigle.

Les Grecs de l’Antiquité croyaient que le Soleil apparaissait et disparaissait chaque jour dans le ciel parce qu’il tournait autour de la Terre. Mais cette croyance ne reposait que sur des impressions. Elle n’était pas appuyée sur des preuves scientifiques. Plus tard, les Grecs ont envisagé une autre possibilité. Et si c’était le Soleil qui était immobile et la Terre qui tournait sur elle-même ? Le résultat serait le même. Cela ne changerait rien aux apparences. Le Soleil semblerait monter dans le ciel, puis descendre chaque jour.

L a Te r r e

198

et l’espace

« Et pourtant, elle tourne. » Durant plus de 15 siècles, on a considéré que le Soleil tournait autour de la Terre en se basant sur de fausses hypothèses. Puis, à partir du XVIe siècle, des astronomes et des scientifiques novateurs, Nicolas Copernic et Galileo Galilei, ont affirmé que la Terre tournait sur elle-même et se déplaçait autour du Soleil. La première preuve incontestable de ce mouvement a été fournie par un physicien français, Léon Foucault, en 1851. On est donc parvenu, au fil des siècles, à expliquer scientifiquement ce qui se passait dans l’espace. Malgré tout, l’espace demeure, encore aujourd’hui, au centre de nombreuses croyances populaires.

L’influence de la Lune Beaucoup de personnes croient que la Lune a une influence sur la Terre et sur les êtres humains. C’est en partie vrai : la force de gravité exercée par la Lune (et le Soleil) est la cause des marées. La Lune a un effet d’attraction sur les océans. Mais il y a des affirmations auxquelles les gens croient, qui ne sont pas prouvées scientifiquement. Par exemple, on dit qu’il y a plus de crimes violents qui sont commis lors de la pleine Lune. Qu’il y a plus de naissances au moment de la pleine Lune. Que les cheveux sont plus beaux lorsqu’ils sont coupés à la pleine Lune. Faut-il croire tout ce qu’on dit à propos de l’influence de la Lune ?

L’influence des planètes et des étoiles Il y a des millénaires, l’astronomie et l’astrologie étaient intimement liées. Les savants et les mages tentaient de découvrir les secrets de l’avenir dans le ciel. Aujourd’hui, ces deux disciplines sont bien distinctes. Les astronomes étudient les corps célestes. Les astrologues considèrent que le ciel influe sur nos vies. Selon les astrologues, la position des planètes et du Soleil parmi les constellations du zodiaque (Cancer, Lion, Vierge, etc.), à l’heure où une personne naît, déterminera le caractère de cette personne. Par exemple, une personne née sous le signe du Bélier héritera des caractéristiques propres à cet animal : force, impulsivité, etc.

Et vous, qu’en pensez-vous ? • Est-ce que la Lune peut influencer le comportement des gens ? • Les personnes qui naissent à la même heure ont-elles toutes le même caractère ? Ont-elles toutes le même destin ? • Comment se fait-il que des jumeaux non identiques, qui naissent à 5 minutes d’intervalle, soient si différents ? • Si un accouchement est provoqué (déclenché plus tôt que prévu) ou, au contraire, s’il est retardé, est-ce que l’avenir de l’enfant à naître va changer ? • Pourrait-il exister une « force cosmique » que l’on ne connaît pas encore ? Qui a la responsabilité de démontrer si une telle force existe ou non ? Les astrologues ou les scientifiques ?

Chapitre 6

199

L’espace : les phénomènes astronomiques

l’ technologique L’être humain fabrique depuis toujours des machines, des outils, des vêtements, des maisons et bien d’autres choses encore. Mais les objets d’hier, quoique ingénieux, ne ressemblent pas à ceux d’aujourd’hui. Au fil du temps, l’être humain a découvert des matériaux et des façons de faire qui lui ont permis de concevoir de nouveaux objets. L’univers technologique est vaste. Il englobe aussi bien les gratte-ciel que la puce électronique. Les automobiles, les bateaux, les navettes spatiales, mais aussi les ouvre-boîtes, les casseroles antiadhésives et les téléphones sans fil font partie de l’univers technologique.

200

Sommaire Qu’est-ce que… la technologie ? . . . . . . . . . 202

CHAPITRE 7 L’ingénierie . . . . . . . . . . . . . . 203 1. Les documents utiles en ingénierie . . . . . . . . . . 205 1.1 Le cahier des charges . . . . . . . . . 205 1.2 Le schéma de principe . . . . . . . . . 207 1.3 Le schéma de construction . . . . . . 208 2. Les matières et les outils utiles en ingénierie . . . . . . 210 2.1 Les matières premières . . . . . . . . . . 210 2.2 Les matériaux . . . . . . . . 211

2.3 Le matériel . . . . . . . . . . 212 Investigations . . . . . . . . . . . . . 213 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 214 Les secrets du métier . . . . . . . 215 Dans votre univers . . . . . . . . . 217

CHAPITRE 8 Les forces et les mouvements . . . . . . . . . 219 1. Les forces et les effets des forces . . . . . . . . . . . . 220 1.1 Deux forces en action : la compression et la tension . . . . . . . . . . 220 1.2 Les effets des forces . . . 223 1.3 Les conséquences des effets des forces . . . . . . 226

201

2. Les mouvements . . . . . . . . 228 2.1 Les types de mouvements . . . . . . . . 228 2.2 Les mécanismes de transmission et de transformation du mouvement . . . . . . . . . 231 3. Le contrôle du mouvement dans les objets techniques . . . . . . . . . . . . 233 3.1 La liaison . . . . . . . . . . . 233 3.2 Le guidage . . . . . . . . . . 236 Investigations . . . . . . . . . . . . . 239 Tout compte fait . . . . . . . . . . . 240 Les secrets du métier . . . . . . . 242 Dans votre univers . . . . . . . . . 244

Qu’est-ce que...

la technologie ? La technologie est présente partout, aussi bien dans les petits objets qui constituent notre environnement que dans les grands domaines de l’activité humaine. Mais qu’est-ce que la technologie ? Pour répondre à cette question, nous prendrons l’exemple du matériel sportif. Aujourd’hui, les raquettes de tennis doivent être de plus en plus légères. Les patins à roues alignées doivent être munis de roues qui adhèrent bien au sol. Les chaussures de course doivent être confortables et avoir un bon système d’amortissement. Ainsi, pour fabriquer une chaussure de course qui sera confortable, les spécialistes devront trouver une façon de faire une semelle souple. Ils utiliseront divers mélanges de caoutchouc ou de plastique et procéderont à des essais jusqu’à ce qu’ils trouvent le mélange adéquat.

7.1

Les moyens qui sont mis en œuvre pour fabriquer les objets, les appareils, les systèmes, les édifices, etc., sont les techniques. La technologie est l’étude des différentes techniques. Dans notre exemple, la technologie est l’étude des moyens mis en œuvre pour créer du matériel sportif (patins, chaussures, etc.). On parlera donc de « technologie sportive ». Mais il y a d’autres technologies. Par exemple, la technologie de la construction résidentielle étudie les différentes techniques employées dans la construction de maisons : technique du dessin de bâtiment, technique de la structure en bois, technique de la plomberie, technique de l’électricité, etc. En technologie, on analyse, on conçoit et on réalise des projets. Pour y arriver, certaines notions et certains outils sont essentiels. C’est ce que nous verrons dans les prochains chapitres.

L’ u n i v e r s

202

technologique

7

Chapitre

L’ingénierie La réalisation d’un projet d’envergure, comme la construction de la Grande Bibliothèque, située à Montréal, demande de la planification et de la préparation. Un tel projet ne se fait pas en une seule année. Les travaux de la Grande Bibliothèque ont commencé à l’automne 2001 et se sont terminés au printemps 2005.

7.2

Le site de la Grande Bibliothèque (2001).

Pour que ce projet puisse être réalisé, plusieurs spécialistes ont travaillé ensemble. Il a fallu choisir le site, dessiner les plans, mettre en place les poutres, ériger l’édifice, etc. Toutes ces actions sont du domaine de l’ingénierie. L’ingénierie est l’ensemble des actions qui ont pour but d’étudier, de concevoir et de réaliser des projets technologiques.

7.3

La construction d’une salle de lecture (2003).

Ces projets technologiques peuvent être aussi complexes qu’un pont, un édifice, une route, une usine, un système informatique, une éolienne, un téléphone sans fil, une voiture. Ils peuvent être aussi simples qu’une planche à roulettes et un tirebouchon. Mais comment arrive-t-on à mener à terme un projet d’envergure comme celui de la Grande Bibliothèque ? Les responsables du projet ont dû, avant toute chose, tenir compte des besoins exprimés par le gouvernement du Québec. Le gouvernement voulait une bibliothèque centrale qui renfermerait des millions de documents. Des architectes et des ingénieurs ont donc proposé des dessins et des

Chapitre 7

7.4

L’ouverture de la Grande Bibliothèque (2005).

plans. Les responsables du projet ont choisi les plans qui correspondaient à ce qu’ils cherchaient. Une fois les plans déposés et acceptés, on a pu commencer les travaux de construction. 203

L’ingénierie

Et vous, seriez-vous capable de mener à terme un plus petit projet, comme la fabrication d’une planche à roulettes ? Pour construire une planche à roulettes qui roule bien et qui soit sécuritaire, vous devrez penser aux différentes techniques qui sont requises pour fabriquer votre planche, vous devrez faire des dessins, choisir des matériaux. Bref, vous devrez faire appel à l’ingénierie.

Une fois que vous aurez produit ces trois documents, vous serez en mesure de fabriquer votre planche à roulettes. Vous n’aurez qu’à suivre vos notes et vos schémas. Vous saurez ce que vous devez faire. Vous aurez planifié votre projet. Avant de fabriquer un objet, il faut parfois analyser ce que d’autres ont fait. Comment pourriezvous procéder ? Vous pourriez emprunter la planche à roulettes d’un ami et la démonter. Cela vous permettrait de voir si les essieux sont rigides, comment les supports ont été fixés aux roues, de quelle façon les pièces ont été installées, etc. Les résultats de votre analyse seront mis sur papier. Naturellement, il va falloir que vous remontiez la planche de votre ami !

7.5

La fabrication d’une planche à roulettes est un projet de technologie sportive.

Mais comment vous y prendrez-vous pour fabriquer votre planche à roulettes ? Avant tout, il va falloir planifier votre projet. Dans la planification de votre projet, plusieurs documents vous seront utiles.

7.6

Comment cette planche à roulettes a-t-elle été fabriquée ?

Vous devrez d’abord établir vos besoins et vos exigences. Par exemple, quelle sorte de planche à roulettes désirez-vous ? De quelle forme ? De quelles dimensions ? De quelle couleur ? Quel est votre budget ? Les réponses à ces questions seront notées dans ce qu’on appelle un cahier des charges.

Savez-vous que…

Une fois que vous aurez mis sur papier toutes les exigences liées à votre projet, il faudra que vous décidiez du fonctionnement de votre planche. Par exemple, comment allez-vous faire osciller votre planche sur ses roues ? Le fonctionnement de votre planche sera illustré dans ce qu’on appelle un schéma de principe. Une fois que votre schéma de principe aura été fait, vous devrez choisir les matériaux que vous désirez utiliser dans la fabrication de votre planche. Toute cette information sera enregistrée dans ce qu’on appelle un schéma de construction.

L’ u n i v e r s

?

• Plusieurs objets techniques ont été conçus par des femmes. Margaret Knight, une Américaine, inventa en 1867 le sac à fond plat. Avant cette invention, le sac en papier brun ressemblait à une enveloppe. Margaret Knight, qui était ouvrière dans une usine de sacs en papier, eut l’idée de faire des fonds carrés. Elle adapta sa machine de travail pour faire automatiquement des fonds et les coller. Elle demanda un brevet d’invention et fonda sa propre entreprise en 1870.

204

technologique

1 Les documents utiles en ingénierie De la même façon que les pâtissiers ont besoin de leurs moules à gâteaux, les personnes qui conçoivent des objets techniques ont besoin de documents qui vont les aider à réaliser leurs projets. Ces documents sont :

Le cahier des charges est un document qui contient la liste des besoins, des exigences et des contraintes qu’il faut respecter lors de la réalisation d’un projet. Le mot « charge » sous-entend qu’il y a une obligation. Le cahier des charges définit donc les obligations techniques, financières et autres qu’on est tenu de respecter. Ces obligations sont des contraintes. Le cahier des charges d’un objet technique, comme Décapsuleur un tire-bouchon à levier, est évidemment plus simple que celui d’un projet d’envergure, comme la Grande Bibliothèque.

• le cahier des charges ; • le schéma de principe ; • le schéma de construction.

1.1 Le cahier des charges Les responsables du projet de la Grande Bibliothèque ont dû, lors de la planification du projet, définir comment se feraient les travaux. Par exemple, à cause des dimensions du site, ils ont décidé de construire l’édifice en hauteur, sur plusieurs étages. Ils ont dû également s’assurer de la résistance du terrain aux tremblements de terre et aux secousses provoquées par le passage du métro. Ils ont dû prévoir un nombre d’ascenseurs et d’escaliers, ainsi que des accès pour les personnes handicapées, etc. Toutes ces spécifications ont été inscrites dans un cahier des charges.

Levier

Manche 7.7

Un tire-bouchon à levier.

Mèche

Cage

Le cahier des charges d’un tire-bouchon à levier CONTRAINTES MATÉRIELLES

CONTRAINTES DE SÉCURITÉ

• Longueur maximale de 25 cm • Masse de 500 g • Mécanisme en métal

• Décapsuleur en métal non coupant • Manches des leviers en plastique antidérapant CONTRAINTES FINANCIÈRES

CONTRAINTES HUMAINES

• Coût de production maximale de 5 $ l’unité • Possibilité de garantie de 1 an

• Décapsuleur intégré (« 2 objets en 1 ») • Simple d’utilisation • Débouche les bouteilles avec facilité

CONTRAINTE ENVIRONNEMENTALE

• Utilisation de plastique recyclé

CONTRAINTES ESTHÉTIQUES

• Fini chromé • Couleurs mode pour le plastique

Chapitre 7

205

L’ingénierie

Les contraintes présentées dans un cahier des charges touchent plusieurs aspects. En voici quelques-uns.

• L’aspect sécuritaire : la surface antidérapante, l’isolation, etc. • L’aspect financier : le coût de production, le coût des accessoires, le prix de vente, etc.

• L’aspect matériel : les dimensions, la masse, les matériaux utilisés, etc. • L’aspect humain : l’entretien, la polyvalence, la facilité d’utilisation, etc.

• L’aspect environnemental : l’utilisation de matériaux recyclés, la possibilité de récupération et de recyclage, etc.

• L’aspect esthétique : la couleur, les accessoires, etc.

• L’aspect temporel : le temps de planification, le temps de réalisation, etc.

Savez-vous que…

?

• Depuis les années 1970, le Québec a développé davantage ses ressources hydroélectriques (la production d’électricité par le passage de l’eau dans des turbines). Les barrages des régions du Nord-du-Québec et de la Côte-Nord ont demandé des années de planification et des années de réalisation. Il a fallu tenir compte de nombreuses contraintes : ne pas bouleverser le mode de vie des autochtones qui vivent dans ces régions, veiller au respect de l’environnement, construire des lignes à haute tension pour acheminer l’électricité vers les grandes villes, etc. Le Québec est maintenant un chef de file dans le domaine de l’hydroélectricité. La Chine a même eu recours aux experts du Québec pour développer son barrage des Trois Gorges.

7.8

Le barrage des Trois Gorges, en Chine, est le plus grand projet hydroélectrique au monde.

L’ u n i v e r s

206

technologique

1.2 Le schéma de principe

Le schéma de principe d’un tire-bouchon à levier

Pour qu’un édifice comme celui de la Grande Bibliothèque ne s’écroule pas, il faut que les poutres, dispersées dans tout le bâtiment, soutiennent adéquatement la masse des murs, du toit, du mobilier, etc. La masse d’un bâtiment exerce toujours une force sur les poutres qui la supportent. Cette règle fondamentale a été représentée, au préalable, sur plusieurs schémas de principe.

F

F

Le schéma de principe est un dessin qui représente, de façon simplifiée, le fonctionnement d’un objet. Dans ce type de dessin, les forces et les mouvements en jeu sont bien indiqués. Par exemple, sur le schéma de principe d’un tire-bouchon à levier (schéma 7.9), on indiquera où s’exercent les forces qui actionnent le mécanisme du tire-bouchon. L’action d’un tire-bouchon se fait en deux phases. La première phase consiste à enfoncer la mèche dans le bouchon de liège. Une fois la mèche enfoncée dans le bouchon et la cage appuyée sur le goulot de la bouteille, le tire-bouchon est dans la position représentée sur le schéma 7.9. C’est la deuxième phase.

Rotation

Translation

Les forces (F) qui actionnent le mécanisme du tire-bouchon, à ce moment, s’exercent sur les leviers de façon à les abaisser. Deux mouvements vont découler de ces forces :

7.9

Dans un schéma de principe, les forces et les mouvements en jeu sont indiqués à l’aide de flèches.

• un mouvement de rotation ; • un mouvement de translation.

côté et de dessus de l’objet) ou par une vue en coupe. Le schéma de principe que nous avons présenté est une vue de face du tire-bouchon.

Le mouvement de rotation s’effectue lorsque les leviers sont abaissés. Ce mouvement est représenté par des flèches arquées. Cette rotation des leviers vers le bas va forcer la mèche à remonter en ligne droite, dans un mouvement de translation. Ce mouvement est représenté par une flèche droite.

Le schéma de principe nous permet de prévoir toutes les forces qui pourraient s’exercer sur un objet et tous les mouvements qui pourraient découler de ces forces. Faire la liste de ces forces et de ces mouvements ne serait pas aussi efficace. On pourrait oublier des éléments. Le dessin est plus précis et il facilite le travail par la suite.

Pour réaliser un bon schéma de principe, il est important de bien comprendre comment s’exercent les forces et quels mouvements elles peuvent entraîner. C’est ce que nous verrons dans le chapitre 8.

Comment faire un dessin technique?

Le schéma de principe est souvent représenté par une projection orthogonale (une vue de face, de

Chapitre 7

Boîte à outils 207

L’ingénierie

Pages 305 à 308

Savez-vous que…

?

• Le 5 mai 1992, en Corse, 18 000 personnes assistaient à un match de football (en Amérique du Nord, on parle plutôt de soccer) dans un stade mal conçu. Les vibrations de la foule en délire étaient extrêmement intenses. Quinze minutes avant le début du match, quelque 3500 personnes étaient jetées dans le vide. La tribune où elles prenaient place venait de s’effondrer. Bilan : environ 2300 blessés et 18 morts. Aujourd’hui, les stades sont conçus pour résister aux vibrations des ardents partisans.

7.10

L’effondrement d’une tribune du stade de Furiani, en Corse.

Le schéma de construction d’un tire-bouchon à levier

1.3 Le schéma de construction Le revêtement extérieur de la Grande Bibliothèque est constitué de quelque 6000 lames de verre dépoli (verre qui laisse passer la lumière, mais non la forme et la couleur des objets). Pour le choix des matériaux, les responsables du projet ont dû tenir compte des contraintes budgétaires énoncées dans le cahier des charges. Ils ont également dû prendre en considération les forces et les mouvements indiqués sur les schémas de principe. Tout cela a été représenté, au préalable, sur plusieurs schémas de construction.

Vis (le dispositif de guidage est dissimulé derrière les vis)

Un schéma de construction est un dessin qui représente, de façon simplifiée, les pièces et les matériaux qui seront utilisés dans la fabrication d’un objet. Dans ce type de dessin, on indique comment les pièces vont être liées. Par exemple, sur le schéma de construction d’un tire-bouchon à levier (schéma 7.11), on indiquera les matériaux qui seront utilisés dans la fabrication de l’objet, soit le plastique et le métal. Il faudra également préciser comment les pièces de l’objet vont être maintenues ensemble. C’est ce qu’on appelle la liaison. Les pièces du tire-bouchon seront liées ici par

L’ u n i v e r s

Plastique Métal

7.11

Dans un schéma de construction, les matériaux utilisés sont indiqués à l’aide d’un code graphique.

208

technologique

des vis. À cette étape-ci, il faudra signaler les endroits où un dispositif va permettre le mouvement des pièces en les empêchant d’aller dans tous les sens. C’est ce qu’on appelle le guidage. Sur le schéma 7.11, le dispositif de guidage qui va permettre le mouvement de rotation des leviers est dissimulé derrière les vis.

Le schéma de construction est souvent représenté par une projection orthogonale (une vue de face, de côté et de dessus de l’objet) ou par une vue en coupe. Le schéma de construction que nous avons présenté est une vue en coupe du tire-bouchon. Une fois que le cahier des charges a été rédigé, que les schémas de principe et de construction ont été tracés, il est temps de passer à la fabrication.

Pour réaliser un bon schéma de construction, il est important de bien comprendre ce que sont la liaison et le guidage. C’est ce que nous verrons dans le chapitre 8.

Les techniques de fabrication Boîte à outils

Pages 292 à 295

Gustave Eiffel :

Point de mire

le créateur d’une tour célèbre Gustave Eiffel est né à Dijon, en France, le 15 décembre 1832. En 1852, il est admis à l’École centrale des arts et manufactures, à Paris. Il y obtient un diplôme d’ingénieur chimiste. Il décide alors de se spécialiser dans la construction métallique. À 26 ans, son premier grand projet, en tant qu’ingénieur, est le pont de chemin de fer de Bordeaux, en France. Quelques années plus tard, en 1867, Gustave Eiffel crée sa propre entreprise.

7.12

Voici quelques chiffres intéressants sur la construction de la tour Eiffel : • 50 ingénieurs et dessinateurs ont exécuté 5300 dessins ; • 100 ouvriers ont façonné 18 038 pièces en fer. • 121 ouvriers ont travaillé sur le chantier.

La société Eiffel connaît du succès. Gustave Eiffel construit le viaduc de Douro, au Portugal, et le viaduc Garabit, en France. En 1885, il réalise l’ossature de fer de la statue de la Liberté, à New York. En France, le projet d’une Exposition universelle est adopté. Gustave Eiffel rêve de construire une tour métallique. Les travaux commencent en janvier 1887. La fameuse tour Eiffel est terminée pour l’inauguration de l’Exposition universelle, le 31 mars 1889. La tour, qui domine Paris de ses 320 m de hauteur, est le clou de l’exposition. Gustave Eiffel consacrera les dernières années de sa vie à des expériences dans le domaine de la météorologie. Il poursuivra ses expérimentations jusqu’à l’âge de 88 ans. Il mourra le 27 décembre 1923, à 91 ans. En 2004, la tour Eiffel a reçu plus de 6 millions de visiteurs.

Chapitre 7

209

L’ingénierie

2 Les matières et les outils utiles en ingénierie Dans le langage courant, on emploie souvent les termes « matière première », « matériau » et « matériel » pour désigner une même réalité. Mais ces termes font appel à des réalités différentes. Observez bien l’illustration 7.13. Pouvez-vous distinguer les matériaux du matériel et des matières premières ?

7.13

Des matériaux, du matériel et des matières premières.

2.1 Les matières premières Les matières premières représentées dans l’illustration 7.13 sont le sable, les pierres et les billots de bois. Ces matières premières sont des substances naturelles. Elles n’ont subi aucune transformation. Ces matières premières nous seraient-elles aussi utiles si elles n’étaient pas transformées ? Prenons l’exemple du sable. Il s’effrite trop facilement pour être utilisé tel quel. On le mélange donc à du ciment, à du gravier et à de l’eau si l’on veut couler du béton. Les billots de bois ne peuvent, non plus, être utilisés tels quels. Lorsqu’on construit une maison, il est très difficile de clouer des billots de bois. Il vaut mieux les tailler et en faire des madriers. 7.14

Une carrière à ciel ouvert est un énorme trou dans le sol. Les matières premières, comme la roche et le minerai, y sont extraites.

L’ u n i v e r s

210

technologique

Le pétrole, à l’état naturel, est trop liquide pour être utilisé tel quel dans la fabrication de l’asphalte. Il doit être transformé. La laine des moutons doit être filée. On obtiendra ainsi un fil continu qui servira à fabriquer des chandails de laine. Le fer rouille facilement. Il doit donc être mélangé à d’autres métaux si l’on veut obtenir de l’acier inoxydable. Les matières premières sont des substances d’origine naturelle. Elles devront être transformées avant d’être utilisées dans la fabrication d’un objet. Et lorsqu’on transforme des matières premières, qu’est-ce qu’on obtient ? 7.15

La pierre est un matériau que l’on peut utiliser à l’état naturel.

2.2 Les matériaux Les matériaux représentés dans l’illustration 7.13 sont les poutres d’acier, les planches de bois et les carreaux de verre.

LES CLASSES DE MATÉRIAUX Classes

Les poutres d’acier ont été obtenues à partir du fer et du carbone, des matières premières qui ont été transformées. Les planches de bois ont été obtenues à partir de la coupe de troncs d’arbres. Le bois a ensuite été scié, raboté (rendu lisse) et séché. Le verre a été obtenu à partir d’un mélange de plusieurs substances dont le sable qui a été chauffé. Les matériaux sont des substances qui ont été transformées par l’être humain. Ils sont utilisés tels quels dans la fabrication d’un objet. Il y a quelques matériaux qui peuvent être utilisés à l’état naturel. La pierre en est un exemple. Le sable aussi peut être utilisé à l’état naturel, dans un carré de sable par exemple.

Exemples d’utilisation

Métaux

Tige en acier, fil en or dans un circuit électronique, poêle en fonte, numéro en laiton

Céramiques

Vaisselle en porcelaine, carreau de céramique

Verres

Verre à vin, verre à jus, tasse à mesurer

Textiles

Chandail de coton, drap de lin

Plastiques

Disque compact en polycarbonate, bouteille de shampoing en polyéthylène, tuyau de plomberie en polychlorure de vinyle (PVC), verre en polystyrène

Pierre et béton

Revêtement de murs, fondations

Matériaux composites*

Casque de vélo en fibre de verre et en époxy

Et qu’en est-il de l’or ? L’or pur se déforme aisément et il est facilement rayé. Il est donc allié (combiné), entre autres, au cuivre et à l’argent. La plupart des substances doivent subir une transformation avant d’être utilisées.

* Classe récemment créée. Les matériaux composites sont des mélanges de matériaux d’autres classes. Ils réunissent les propriétés de deux matériaux ou plus. Leurs caractéristiques et leur utilisation varient beaucoup.

Les matériaux sont habituellement classés dans sept grandes catégories. Nous les présentons dans le tableau qui suit.

Et maintenant que nous savons ce que sont les matériaux, avec quels outils allons-nous les travailler ?

Chapitre 7

211

L’ingénierie

2.3 Le matériel marteaux dans les trousses à outils. Mais on préfère utiliser une perceuse électrique pour percer des trous plutôt qu’un vilebrequin. C’est beaucoup plus rapide.

Le matériel représenté dans l’illustration 7.13 est la scie, le marteau, le tournevis, la pelle, le râteau et la perceuse. Dans toute construction, on a besoin d’outils pour travailler les matériaux. Par exemple, on utilisera des chalumeaux pour souder des poutres d’acier, des cisailles (gros ciseaux) pour découper des feuilles de métal, etc.

Les outils Boîte à outils

Dans l’industrie, on assiste actuellement à la transformation électronique du matériel. Les robots remplacent les outils mécaniques sur les chaînes de montage. De grands systèmes informatiques règlent la production tandis que les êtres humains s’occupent plutôt du contrôle de la qualité.

Le matériel est l’ensemble des appareils, des machines, des instruments, des véhicules et des outils qui servent à la fabrication d’un objet. Aujourd’hui, les outils mécaniques sont de plus en plus rares. On trouve encore des tournevis et des

7.16

Dans l’industrie automobile, les robots ont remplacé les êtres humains pour effectuer certaines tâches.

L’ u n i v e r s

Pages 284 à 291

212

technologique

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences.

1. La « nouvelle vie » des matériaux Il y a probablement, dans votre milieu scolaire, un programme de récupération des matériaux. Habituellement, dans les écoles, le papier est récupéré. Que fait-on du papier récupéré ? On le réutilise en classe, on s’en sert pour fabriquer des blocs-notes ou on l’achemine vers le recyclage. Le plastique, le métal et le verre peuvent aussi être récupérés. Ces matériaux sont alors envoyés dans les usines, là où ils seront recyclés. À votre tour de donner une « nouvelle vie » à des matériaux. Vous devrez recycler, récupérer ou réutiliser du plastique, du métal et du verre. À vous de choisir la « nouvelle vie » que vous voulez donner à ces matériaux !

2. La construction de voitures miniatures Voici un projet de construction très simple : des voitures miniatures qui devront être en mesure de rouler. Ces voitures miniatures auront donc obligatoirement : • quatre roues ; • un châssis (c’est-à-dire une armature). Une fois les voitures construites, vous devrez vous assurer qu’elles roulent correctement.

Des pistes à explorer • Les voitures peuvent être faites en plastique, en carton ou en métal. • Il est possible de démonter une voiture, qu’on aura achetée dans un magasin, pour voir comment elle est construite. On pourra ainsi réutiliser certaines pièces.

• Les voitures ne doivent pas dépasser 15 cm de longueur ni peser plus de 1 kg. Elles seront plus faciles à transporter. • Il faudra vérifier la qualité de son travail. La voiture roulet-elle vraiment ? Est-ce qu’elle roule en ligne droite ? Les roues frottent-elles contre le châssis de la voiture ?

Chapitre 7

213

L’ingénierie

Des pistes à explorer • Quelles sont les propriétés du plastique, du verre et du métal ? • Parmi ces propriétés, lesquelles sont des propriétés caractéristiques qui permettent de distinguer ces matériaux les uns des autres ? • À quoi servent habituellement ces trois matériaux ? • Quelle est la différence entre « récupérer » et « réutiliser » ? • Peut-on récupérer facilement les contenants de plastique, de métal et de verre ? Faut-il les laver avant de les réutiliser ? • Est-il facile de faire fondre du plastique ? du verre ? du métal ?

TOUT COMPTE

Les documents utiles en ingénierie

PAGES 205 À 209

FAIT

1 Lisez le cahier des charges présenté ci-dessous. Selon vous, quel objet faut-il fabriquer en considérant les contraintes énoncées dans ce cahier des charges ? Justifiez votre réponse. Le schéma de principe (partiel) d’un compas

Le cahier des charges... • Boîtier qui ne rouille pas • Boîtier anallergique (qui ne provoque pas d’allergies)

• Mécanisme étanche • Système d’affichage lumineux • Garantie de 2 ans

2 En tenant compte de la réponse que vous avez donnée au numéro 1, ajoutez au moins trois contraintes à celles qui sont mentionnées dans le cahier des charges.

F

3 Observez le schéma de principe 7.17. Décrivez la force qui actionne le mécanisme principal du compas. 4 Décrivez le mouvement qui est représenté sur ce schéma de principe. 5 Observez le schéma de construction 7.18. En considérant le code graphique qui y est donné, associez les matériaux utilisés aux différentes parties de l’ouvre-boîte.

Les matières et les outils utiles en ingénierie

7.17

Le schéma de construction (partiel) d’un ouvre-boîte rotatif

PAGES 210 À 212

6 Reproduisez le tableau ci-dessous. Placez les termes suivants dans la colonne appropriée : laine des moutons, sapin, tournevis, planche de pin, clou, équipement informatique, pépite de fer, équerre, établi, feuille de plastique et eau. Matières premières

Métal Plastique

Matériel

Matériaux

7.18

L’ u n i v e r s

214

technologique

Les secrets du métier

7.19

7.20

L’administrateur assure, avec l’aide des employés, la gestion des ressources financières, humaines et matérielles de l’entreprise.

Le technicien en génie électronique installe et répare des systèmes de télécommunication.

L’ingénierie regroupe les aspects technologiques, financiers, économiques et humains relatifs à l’étude et à la réalisation d’un projet. Les métiers reliés à l’ingénierie sont donc nombreux et diversifiés. Certains de ces métiers requièrent une maîtrise des techniques de dessin. D’autres font appel à l’habileté dans la construction de pièces ou d’objets spécialisés. Enfin, certains métiers demandent des compétences dans la gestion financière ou dans la résolution des problèmes de travail. À la page suivante, nous présentons quelques métiers qui se rapportent à l’ingénierie, en lien avec les diplômes requis pour pouvoir exercer ces métiers.

Chapitre 7

7.21

Le mécanicien de véhicules automobiles effectue l’entretien général des automobiles.

215

L’ingénierie

secondaires

MÉTIERS QUI SE RAPPORTENT À L’INGÉNIERIE SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études collégiales

universitaires

• Mécaniciens de véhicules automobiles

• Techniciens en génie électronique • Technologues en transformation des matériaux composites

• Ingénieurs en mécanique du bâtiment

• Maçons

• Technologues en architecture

• Ingénieurs physiciens

• Usineurs

• Graphistes

• Architectes

• Ferblantiers

• Techniciens en gestion de projets

• Administrateurs

• Dessinateurs d’architecture

• Ingénieurs électriciens

• Conciliateurs en relations du travail

Profession : dessinateur ou dessinatrice d’architecture Le programme de formation professionnelle (D.E.P.) en dessin de bâtiment permettra aux futurs dessinateurs d’architecture d’acquérir des compétences en techniques de dessin. Une fois sur le marché du travail, les dessinateurs d’architecture seront appelés à exécuter, à la main ou à l’aide d’un ordinateur, des dessins de structures et de charpentes nécessaires à la construction d’un bâtiment. Les dessinateurs d’architecture prépareront, sous la supervision des architectes, les esquisses qui donneront un aperçu de l’intérieur et de l’extérieur d’un bâtiment. Ils participeront à différents calculs dans le but de déterminer le genre et la qualité des matériaux requis. Ils exécuteront des dessins en coupe pour spécifier les détails essentiels à la construction. Ils s’assureront que les dessins sont conformes aux cahiers des charges. Les futurs dessinateurs d’architecture devront avoir des aptitudes en dessin. Ils devront aussi être intéressés par l’esthétique, faire preuve de créativité et avoir une certaine dextérité. Comme ils travailleront avec des ingénieurs, des architectes et des techniciens, ils devront avoir l’esprit d’équipe. Les milieux de travail des dessinateurs d’architecture seront, entre autres, les bureaux d’ingénieurs-conseils, les bureaux d’architectes, les entreprises de construction et la fonction publique.

7.22

La dessinatrice d’architecture élabore des plans en tenant compte des travaux à exécuter.

216

Dans votre

Le plastique « vert » par Josée Nadia Drouin

7.23

Le plastique traditionnel est un produit dérivé du pétrole.

Tous les jours, nous utilisons du plastique. Du plastique souple, rigide, coloré, transparent, moulé, etc., dont nous ne savons plus quoi faire. Une fois utilisés, la plupart des produits en matière plastique prennent le chemin des dépotoirs. Mais il faut plusieurs centaines d’années avant qu’ils se décomposent sous l’action des micro-organismes présents dans le sol. Il y a aussi la solution du recyclage. Mais la récupération du plastique n’est pas une pratique très courante au Québec. Une nouvelle technique de fabrication du plastique a été développée récemment. Au lieu d’utiliser le pétrole comme matière première pour produire le plastique, on utilise l’amidon (un sucre complexe) que l’on extrait des plants de maïs. Une technique assez innovatrice qui permet de fabriquer du plastique biodégradable !

Chapitre 7

217

L’ingénierie

l’usine. Ils sont chauffés pendant plusieurs heures, puis ils sont broyés. L’amidon est ensuite extrait de la préparation. On procède alors à la fermentation, c’est-à-dire que l’on ajoute des bactéries à la préparation pour que l’amidon se brise en petites particules. Ces particules sont ensuite chauffées. On y ajoute des produits chimiques de façon à lier les particules. Le plastique ainsi obtenu pourra être coulé, modelé, façonné en copeaux ou en grains.

Les avantages du plastique « vert » Le plastique « vert » comporte de nombreux avantages. Tout d’abord, il est tiré du maïs, une ressource renouvelable. Les réserves de pétrole, elles, diminuent sans cesse. Ensuite, sa fabrication requiert de 30% à 50% moins de combustibles fossiles (comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel) que le plastique traditionnel. De plus, ses caractéristiques physiques sont semblables à celles du plastique traditionnel. Finalement, ce plastique écologique est biodégradable. Il peut se décomposer en quelques semaines ou en quelques mois, selon son épaisseur. Il est aussi réutilisable et recyclable. Actuellement, le plastique « vert » coûte beaucoup plus cher à produire que le plastique traditionnel. Mais son prix devrait diminuer à mesure que la demande augmentera.

Les utilisations du plastique « vert » On utilise actuellement du plastique biodégradable dans l’industrie alimentaire, pour l’emballage des aliments. On le trouve également dans la fabrication des couches pour bébés, des produits d’hygiène et des revêtements de sol. Les chercheurs sont très optimistes quant à l’avenir du plastique « vert ». Ils estiment que l’on pourra bientôt utiliser non seulement l’amidon qui est dans le grain de maïs, mais également tout le sucre contenu dans chaque partie de la plante. Et l’on prévoit que le blé, la betterave et le riz seront aussi, un jour, des plantes productrices de plastique.

Du maïs au plastique « vert » Comment fabrique-t-on du plastique avec un plant de maïs ? Une fois que les grains de maïs ont été récoltés par les cultivateurs, ils sont envoyés à

Prenez position ! Cette nouvelle technique de fabrication est-elle la solution à notre grande utilisation de plastique ? Nous savons que la culture intensive du maïs est une culture très polluante. Que devrions-nous faire ? Produire davantage de plastique biodégradable ? Développer davantage le recyclage ? Réduire davantage notre utilisation de plastique ? 7.24

Le maïs, une plante productrice de plastique biodégradable.

L’ u n i v e r s

218

technologique

Chapitre

8

Les forces et les mouvements 8.1

Les forces et les mouvements font partie des moindres gestes de la vie quotidienne. Chaque fois qu’on suspend une plante à un crochet, qu’on remplit un cornet de yogourt glacé, qu’on se promène à bicyclette ou qu’on s’assoit dans un fauteuil, ils sont présents. Ils sont aussi déterminants dans des activités plus complexes, comme l’assemblage d’une navette spatiale, la fabrication d’un équipement sportif, la conception d’une chaîne de montage en usine ou la construction d’un viaduc. En fait, les forces nous permettent d’agir sur le monde qui nous entoure. Elles déterminent les mouvements, mais aussi la position et la forme de tout ce qu’on trouve dans l’Univers. Mais de quelles forces s’agit-il au juste et comment ces forces agissent-elles sur les matériaux que l’on utilise ? Comment s’y prend-on pour faire bouger les pièces mobiles des objets ou pour les maintenir en place de façon permanente ? C’est ce que ce chapitre nous permettra de découvrir.

Chapitre 8

8.2

219

Les forces et les mouvements

1 Les forces et les effets des forces Tout mouvement qui change et toute forme qui est modifiée sont influencés par des forces. Des planètes tournant autour du Soleil aux plaques tectoniques se frappant sous les mers, du ballon roulant sur le terrain de jeux à la piste enneigée s’enfonçant sous les skis, tous ces éléments se déplacent ou se déforment parce qu’ils sont soumis à l’action des forces.

Une première force en action : la compression Imaginez que vous appuyez légèrement la main sur un cube de styromousse posé sur une table (illustration 8.3). Vous poussez sur le cube et, pourtant, rien ne semble bouger. Que se passe-t-il ? Vous exercez bel et bien une force sur la styromousse. Cette force s’appelle la « compression ». Mais le cube est suffisamment solide pour y résister. Voilà pourquoi il conserve sa forme.

Les forces sont des actions qui peuvent provoquer le mouvement d’un corps ou modifier le mouvement de ce corps s’il est déjà en train de bouger. Ces forces peuvent également modifier la forme d’un corps.

Vous appuyez maintenant beaucoup plus fortement sur la styromousse (illustration 8.4). Cette fois, le cube cède à mesure que vous poussez sur lui parce qu’il est comprimé entre votre main et la table. Résultat : son volume diminue et sa forme change sous l’effet de la compression.

1.1 Deux forces en action : la compression et la tension

La compression, c’est une force qui pousse sur un corps. Cette force peut provoquer ou modifier le mouvement de ce corps. Elle peut aussi causer sa déformation.

Généralement, les forces agissent sur les corps de deux façons : • en poussant, c’est ce qu’on appelle la « compression » ;

Selon les objets et les propriétés caractéristiques des matériaux qu’on utilise, les forces qui agissent en compression peuvent causer un très léger écrasement ou aller jusqu’à entraîner une grande défor mation. Elles peuvent même provoquer la rupture d’un objet.

• en tirant, c’est qu’on appelle la « tension ».

8.3

8.4

Légèrement comprimé entre la main et la table, le cube résiste.

Cette fois, les forces de compression sont suffisamment grandes pour déformer le cube de styromousse.

L’ u n i v e r s

220

technologique

?

Savez-vous que…

• Certains os, comme ceux des membres inférieurs, sont très solides. Ils peuvent résister à de grandes forces de compression agissant parallèlement sur eux. C’est le cas, par exemple, lorsqu’un ou une athlète soulève des haltères. Par contre, des forces de compression semblables, exercées de façon perpendiculaire aux os, pourraient causer des fractures. 8.5

Maryse Turcotte soulevant des haltères aux Jeux olympiques de Sydney, en 2000.

Une deuxième force en action : la tension Vous devez déplacer une boîte de livres d’une pièce à une autre, mais vous la trouvez trop lourde pour la porter. Vous décidez alors de l’attacher à une corde solide et de la tirer au sol jusqu’à l’endroit voulu. Dès que vous tirez sur la corde, elle se tend, puis s’allonge légèrement. Vous tirez encore plus, et la boîte se met à bouger. Quelle est donc cette force qui tend ainsi la corde ? Il s’agit de la tension. Alors que la force de compression agit en poussant sur un corps, la force de tension, elle, agit en tirant sur lui.

8.6

C’est la force de tension, exercée sur la corde, qui provoque le déplacement de la boîte.

Chapitre 8

221

Les forces et les mouvements

La tension peut être exercée également par deux forces qui vont dans des directions opposées. Par exemple, deux équipes qui tirent à la corde (photo 8.7) exercent chacune une force en sens inverse. La tension ainsi créée allonge et tend la corde qui les relie. Tant que les deux équipes résistent à la force de tension, aucune équipe ne se déplace. Lorsqu’une des équipes ne parvient plus à résister à cette force, elle se déplace vers ses opposants. La tension, c’est une force qui tire sur un corps. Cette force peut provoquer ou modifier le mouvement de ce corps. Elle peut aussi causer sa déformation.

NOTE : par convention, dans les illustrations, on indique les forces par des flèches.

F

UNE FORCE EN RÉACTION : LE FROTTEMENT Pourquoi est-il si difficile de tirer un objet lourd posé sur un sol rugueux ? Qu’est-ce qui fait qu’un ballon de soccer s’immobilise après avoir roulé au sol sur quelques mètres ? Pourquoi la bicyclette s’arrête-t-elle lorsqu’on appuie sur les freins ? La raison à tout cela, c’est le frottement. Le frottement, c’est une force qui réduit ou empêche le mouvement entre deux surfaces en contact. Le frottement agit toujours en sens inverse d’une autre force ou d’un mouvement. Le frottement est surtout causé par les irrégularités de la surface des objets qui sont en contact. Par exemple, le caoutchouc provoque beaucoup de frottement parce que sa surface est très irrégulière à l’échelle microscopique. On l’utilise donc pour revêtir certaines surfaces et réduire ainsi le glissement. Les tapis roulants sont généralement faits de caoutchouc. Le frottement causé par leur surface rugueuse empêche les objets qui y sont déposés de glisser.

F

8.7

Les deux équipes exercent une force de tension en sens contraire.

L’ u n i v e r s

222

technologique

Savez-vous que…

?

• Dans les objets, le frottement est souvent considéré comme l’ennemi numéro un. Pour l’éliminer, on applique des lubrifiants, par exemple une huile ou une graisse. Cela permet aux pièces métalliques de glisser facilement les unes sur les autres.

Pour diminuer le frottement des éléments roulants, on utilise souvent le roulement à billes. On trouve ce dispositif dans la plupart des roues, qu’elles soient posées sur un camion ou sur une planche à roulettes.

8.8

Le roulement à billes de la planche à roulettes diminue de beaucoup le frottement des roues sur leur axe.

1.2 Les effets des forces Les forces qui agissent en tension ou en compression sur les objets ou les structures produisent des effets bien précis. Elles peuvent provoquer l’allongement, l’écrasement, la flexion, le cisaillement ou la torsion, en plus d’entraîner le mouvement (voir « Les mouvements », page 228).

F

F

L’allongement On utilise couramment la sangle à crochets pour attacher des objets. Comme elle est élastique, la sangle s’allonge lorsqu’on exerce des forces de tension à ses extrémités. Plus les forces de tension sont grandes, plus la sangle s’allonge. Les forces de tension créent presque toujours un allongement, mais cet allongement est parfois invisible à l’œil nu. Par exemple, lorsqu’on suspend une lourde plante à un crochet, ce crochet s’allonge, mais cet allongement est si minime qu’on ne le remarque pas. L’allongement (aussi appelé « extension »), c’est l’augmentation de la longueur d’un corps sous l’effet de forces de tension.

Chapitre 8

8.9

Une sangle allongée par deux forces de tension.

223

Les forces et les mouvements

L’écrasement L’écrasement, c’est la diminution d’une dimension d’un corps sous l’effet de forces de compression.

Lorsqu’une personne s’assoit sur un coussin, elle exerce une force sur lui. Le fauteuil exerce, lui aussi, une force qui permet de soutenir la personne. Sous l’effet de ces forces de compression, le coussin s’écrase et se comprime. Il reprendra sa forme dès que la personne se lèvera.

Habituellement, l’écrasement entraîne une diminution du volume.

La flexion Les forces peuvent aussi provoquer la flexion d’un objet ou d’un matériau. Par exemple, lorsqu’on dépose plusieurs livres sur une tablette, celle-ci fléchit. Plus il y aura de livres, plus les forces exercées seront grandes et plus la flexion qui en résultera sera grande également.

F

F

F 8.10

L’écrasement du coussin est provoqué par des forces de compression.

F

Plusieurs objets s’écrasent ainsi lorsqu’ils sont comprimés, puis ils reprennent rapidement leur forme dès que les forces sont relâchées. C’est le cas des ballons et de la plupart des objets en caoutchouc.

8.11

Les forces causant la flexion sont exercées de manière perpendiculaire à la tablette.

Pour d’autres objets, lorsque les forces sont suffisamment grandes, l’écrasement est permanent. Ainsi, même lorsque les forces de compression ont disparu, ces objets ne reprennent pas la forme qu’ils avaient auparavant.

L’ u n i v e r s

F

La flexion, c’est la courbure d’un corps sous l’effet de plusieurs forces. Généralement, la flexion survient lorsque les forces agissent de façon perpendiculaire au corps.

224

technologique

Le cisaillement Certains phénomènes naturels produisent aussi du cisaillement. C’est le cas des tremblements de terre, qui peuvent provoquer, à grande échelle, le cisaillement de la croûte terrestre, des édifices et des routes.

Lorsqu’on déchire une feuille de papier, on utilise deux forces de tension, que l’on applique en directions opposées presque au même endroit. Si l’on examinait ce geste au ralenti, on verrait que la feuille résiste au début, puis qu’elle cède sous l’effet des forces de tension et se déchire. Cet effet se nomme le « cisaillement ».

La torsion La torsion est un effet que l’on utilise fréquemment dans la vie de tous les jours. Chaque fois que l’on tord une serviette mouillée, par exemple, on produit une torsion. Comment ? Simplement en tournant des sections de la serviette en directions opposées. On peut également créer un effet de torsion en fixant une extrémité de la serviette à un support et en tournant l’autre extrémité. La torsion, c’est l’effet qui se produit lorsque deux forces sont exercées dans un mouvement de rotation et dans des directions opposées.

F F

F 8.12

Cette feuille se déchire sous l’effet du cisaillement.

Le cisaillement, c’est l’effet qui se produit lorsque deux forces sont exercées presque au même endroit, parallèlement et en directions opposées.

F

Plusieurs outils, notamment les ciseaux et les cisailles, facilitent le cisaillement des matériaux. Leurs deux lames exercent une force de compression très près l’une de l’autre, de façon parallèle et opposée.

Chapitre 8

8.13

La torsion de cette serviette est produite par deux forces opposées, exercées dans un mouvement de rotation.

225

Les forces et les mouvements

Savez-vous que…

?

• Les ponts suspendus doivent être conçus de manière à résister à l’effet de torsion créé par les vents. Le pont de Tacoma Narrows, dans l’État de Washington, n’était pas suffisamment résistant : le 7 novembre 1940, son tablier s’est tordu sous les vents, ce qui a provoqué sa rupture.

8.14

Le pont de Tacoma Narrows, en situation de torsion.

1.3 Les conséquences des effets des forces d’un élastique, provoqué par deux forces de tension, modifiera sa forme. Mais dès que les forces provoquant l’allongement disparaîtront, l’élastique retrouvera sa forme de départ. C’est ce qu’on appelle la déformation élastique.

Les effets des forces peuvent provoquer une déformation élastique ou permanente d’un objet. Ils peuvent aussi entraîner sa rupture.

Une première conséquence : la déformation élastique Plusieurs objets se déforment de façon temporaire sous l’effet des forces. Par exemple, l’allongement

8.15

Lorsque le gymnaste touche à la toile du trampoline, celle-ci se déforme de façon élastique.

L’ u n i v e r s

226

technologique

La plupart des ballons se déforment lorsqu’ils tombent au sol, puis ils reprennent leur rondeur presque aussitôt. De même, la toile d’un trampoline se déforme lorsqu’on saute dessus, puis elle reprend rapidement sa forme. C’est d’ailleurs ce qui fait que l’on rebondit dans les airs immédiatement.

La déformation permanente est un phénomène fréquent. Par exemple, lorsqu’on chiffonne une feuille de papier, elle reste déformée. Et lorsqu’une voiture subit un accrochage, sa carrosserie demeure bosselée.

Une troisième conséquence : la rupture

D’autres objets, notamment les ressorts, sont conçus spécialement pour se déformer de façon élastique.

Tous les matériaux, même ceux qui peuvent reprendre leur forme de départ après une déformation, se cassent sous l’effet de forces trop grandes. Par exemple, si vous tendez un élastique au-delà de sa capacité de déformation, il se brisera entre vos doigts.

Une deuxième conséquence : la déformation permanente Sous l’effet des forces, plusieurs objets se déforment pour toujours. Par exemple, lorsqu’on exerce de grandes forces de compression sur des cannettes d’aluminium, elles s’écrasent. Elles resteront écrasées même lorsqu’il n’y aura plus de forces de compression sur elles. C’est ce qu’on appelle la déformation permanente.

Les matériaux peuvent également se casser lorsque des forces sont exercées sur eux de façon répétée. Il s’agit alors d’une usure normale qui provoque peu à peu la fatigue de ces matériaux, puis leur rupture. 8.17

Cette poutre du Stade olympique de Montréal n’a pas pu résister aux forces exercées sur elle.

8.16

Une fois qu’elles sont écrasées, les cannettes restent déformées pour toujours.

Poutre

227

2 Les mouvements Les forces exercées sur un corps peuvent le déformer de façon temporaire ou permanente. Mais elles peuvent aussi influencer son mouvement de plusieurs façons. Si le corps est immobile, elles peuvent provoquer son déplacement. S’il est déjà en train de bouger, elles peuvent changer la direction de son mouvement. Ces forces peuvent aussi faire accélérer l’objet ou le ralentir.

2.1 Les types de mouvements Les parties mobiles des objets techniques peuvent se déplacer selon trois types de mouvements : la translation, la rotation et le mouvement hélicoïdal.

Le mouvement de translation Vous tirez lentement sur la poignée du tiroir pour y prendre un objet. Sans même y réfléchir, vous exercez une force de tension afin qu’il glisse vers vous. Le tiroir n’a d’autre choix que de se déplacer en ligne droite. C’est ce qu’on appelle un « mouvement de translation ».

Le mouvement est un élément essentiel dans le domaine de la technologie. Par exemple, lorsqu’on fabrique des appareils ou des machines, on doit trouver le moyen de faire bouger leurs pièces mobiles d’une façon bien précise afin d’obtenir l’effet désiré. Même dans les objets techniques les plus simples, comme un grille-pain, une clé à molette ou un casse-noix, le mouvement des pièces suit une trajectoire décidée dès la conception de ces objets. Voyons plus en détail ces mouvements.

8.18

L’objet peut changer de direction, accélérer, ralentir ou s’arrêter.

8.19

Le tiroir se déplace dans un mouvement de translation.

Le mouvement de translation, c’est le mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle se déplace en ligne droite. Il existe une multitude d’exemples de mouvements de translation. La tranche de pain qui monte et descend dans le grille-pain fait un mouvement de translation de haut en bas, de même que l’ascenseur qui passe d’un étage à l’autre. Le train qui entre en gare effectue plutôt son mouvement de translation en avançant sur ses rails.

228

Le mouvement de rotation Comme il fait très chaud dehors, vous avez utilisé le boyau d’arrosage pour vous rafraîchir. Pour le ranger, vous devez l’enrouler sur le dévidoir en tournant la poignée. La force que vous exercez sur cette poignée produit un mouvement de rotation. Pourquoi ? Simplement parce que le dévidoir est fixé sur un axe central, et que la force que vous lui imposez le fait tourner autour de cet axe. Le mouvement de rotation, c’est le mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle tourne autour d’un axe. 8.20

Plusieurs objets techniques comportent une ou des parties effectuant un mouvement de rotation. Cependant, ces pièces mobiles ne font pas toujours une rotation complète.

Le dévidoir fait un mouvement de rotation autour de son axe.

la poignée d’un côté ou de l’autre, mais jamais au complet. Beaucoup d’appareils électroménagers sont munis de boutons de commande dont le mouvement de rotation est, lui aussi, partiel.

Par exemple, les poignées de porte effectuent des mouvements de rotation partiels : on peut tourner

Transformations géométriques davantage au résultat du déplacement d’une figure et aux transformations qu’elle aura subies.

En mathématique, on n’aborde pas la translation et la rotation de la même façon qu’en science et en technologie. En science, elles sont associées au mouvement, alors qu’en mathématique, elles font plutôt partie du domaine des transformations géométriques. Il s’agit d’opérations qu’on peut faire subir à une figure géométrique initiale, par exemple un point, un segment, une figure plane ou un solide, afin d’obtenir une figure image. Plutôt que d’observer ce qui se passe durant un déplacement, la mathématique s’intéresse

Chapitre 8

Si l’on observe l’image d’une figure obtenue par translation ou par rotation, on remarquera que la forme de la figure, la longueur des segments, la mesure des angles et l’ordre des points les uns par rapport aux autres demeurent les mêmes que dans la figure initiale. Ce sont des caractéristiques propres à ces deux transformations géométriques.

229

Les forces et les mouvements

(suite) La translation et la rotation sont utilisées dans la création de frises et de dallages artistiques ainsi qu’en infographie. On trouve aussi des applications de la rotation en astronomie et en navigation.

B

C'

t1

B' A

t2

r

A'

0 C

8.21

t3

8.22

Ce dallage a été créé par translation. En effet, la figure initiale a subi une suite de translations horizontales (t1 et t3) et verticales (t2).

Le triangle ABC et son image, le triangle A’B’C’, à la suite d’une rotation (r) autour du point O.

Le mouvement hélicoïdal Dans certains objets techniques, les mouvements de translation et de rotation sont combinés. Ils effectuent alors un mouvement qui ressemble à la forme d’une hélice. C’est ce qu’on appelle le mouvement hélicoïdal. La meilleure façon de comprendre ce mouvement, c’est d’observer une vis s’enfoncer dans un morceau de bois. À mesure que la vis effectue un mouvement de rotation, ses filets en hélice l’obligent à effectuer un mouvement de translation. Cela lui permet de se déplacer vers l’intérieur du bois, en ligne droite et en tournant. Les deux mouvements sont donc combinés de façon simultanée. Le mouvement hélicoïdal, c’est le mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle se déplace le long d’un axe, en tournant sur cet axe.

L’ u n i v e r s

8.23

La vis effectue un mouvement hélicoïdal à mesure qu’elle s’enfonce dans le bois.

230

technologique

2.2 Les mécanismes de transmission et de transformation du mouvement Pour cela, il suffit de tourner la manivelle audessus de l’essoreuse. Comme cette manivelle est reliée à une série de roues dentées, le fait qu’elle tourne provoque la rotation de ces roues. Ce mouvement de rotation force le panier de laitue à tourner, lui aussi. Les roues dentées transmettent donc le mouvement de rotation de la manivelle au panier.

Dans la plupart des objets techniques, des articles ménagers les plus simples aux machines très complexes de l’industrie, plusieurs pièces effectuent des mouvements, en même temps ou les unes à la suite des autres. Elles forment ce qu’on appelle un « mécanisme », c’est-à-dire qu’elles sont assemblées de manière à bouger de façon précise et en interaction.

Un mécanisme de transmission du mouvement est un mécanisme qui transmet le même type de mouvement d’une partie d’un objet à une autre.

Les pièces mobiles peuvent interagir en effectuant le même mouvement. On parlera alors de « mécanisme de transmission du mouvement ». Elles peuvent également interagir en faisant des mouvements différents. On parlera alors de « mécanisme de transformation du mouvement ».

Les roues dentées sont des mécanismes qui permettent de transmettre un mouvement de rotation entre les parties mobiles d’un objet.

Les mécanismes de transmission du mouvement

Savez-vous que…

?

Lorsqu’on veut nettoyer des légumes en feuilles, de la laitue par exemple, on se sert d’une essoreuse à salade. La fonction de cet instrument est de faire tourner très rapidement les feuilles afin de les débarrasser de leur eau de nettoyage.

• Plusieurs appareils et instruments comprennent des pièces appelées « vis sans fin » qui transmettent le mouvement de rotation à d’autres pièces. Par exemple, les clés qui permettent de tendre les cordes d’un instrument de musique sont équipées de vis sans fin.

8.24

8.25

Les roues dentées transmettent le mouvement de rotation.

Chapitre 8

231

Les forces et les mouvements

Les mécanismes de transformation du mouvement C’est exactement ce qui se produit lorsqu’on pédale sur une bicyclette. Les pieds transmettent un mouvement de rotation (1) au pédalier. Le mouvement rotatif est alors transmis à la chaîne, où il devient un mouvement de translation (2).

Lorsque le type de mouvement change en passant d’une pièce à une autre, c’est qu’il s’agit d’un mécanisme de transformation du mouvement.

La chaîne transmet son mouvement de translation aux roues dentées de la roue arrière auxquelles elle est reliée. Le mouvement de translation est alors transformé de nouveau en mouvement de rotation (3).

(2) (3)

Les roues dentées transmettent enfin ce mouvement de rotation (4) à la roue arrière. En tournant, celle-ci permet au cycliste d’avancer dans un mouvement de translation. Le mouvement se transforme donc de la rotation à la translation. (1)

Un mécanisme de transformation du mouvement est un mécanisme qui transforme un type de mouvement en un autre type de mouvement.

(4)

8.26

Le mouvement se transforme alors qu’il passe de la roue dentée à la chaîne.

Savez-vous que…

?

• La draisienne, premier appareil à roue avant orientable, est considérée comme l’ancêtre de la bicyclette. Elle a été inventée vers 1817 par un ingénieur allemand, le baron Karl von Drais. Très populaire en France, ce « cheval de bois sur roues » était propulsé par le mouvement de translation des pieds. Ce mouvement était transformé en mouvement de rotation par les roues. En tournant, les roues permettaient à l’appareil et au passager d’avancer dans un mouvement de translation.

L’ u n i v e r s

8.27

Pour propulser la draisienne, les pieds effectuaient un mouvement de translation sur le sol.

232

technologique

3 Le contrôle du mouvement dans les objets techniques Aussitôt qu’un objet technique comporte plus d’une pièce, il faut trouver une façon de maintenir ensemble ces pièces. Dans le domaine de la technologie, c’est ce qu’on appelle la « liaison ».

3.1 La liaison Chaque fois que vous faites tenir ensemble deux objets, vous utilisez la liaison. Une des liaisons les plus simples et dont vous vous servez très souvent, c’est le collage. Il vous suffit d’enduire les objets à unir d’un peu de colle et de les presser l’un contre l’autre pour les lier.

Il existe plusieurs sortes de liaisons. Certaines d’entre elles maintiennent fixement et pour toujours toutes les parties d’un objet. D’autres, au contraire, rendent possible le mouvement des pièces ou leur démontage.

Une liaison, c’est tout ce qui peut maintenir ensemble au moins deux pièces d’un objet technique.

Lorsque la liaison permet aux parties assemblées de rester mobiles, il faut parfois ajouter un dispositif afin de guider leurs mouvements. C’est ce qu’on appelle le « guidage ».

Il existe plusieurs types de liaisons. Pour choisir le type qui convient le mieux à l’objet qu’on fabrique, on doit se poser certaines questions. Cet objet serat-il assemblé pour toujours ou devra-t-on le démonter ? Toutes les pièces seront-elles fixes ou certaines d’entre elles devront-elles bouger ?

La liaison et le guidage sont deux fonctions mécaniques qui permettent d’empêcher ou de contrôler le mouvement dans les objets techniques.

Les techniques de fabrication

8.28

Différents objets techniques, différentes façons d’empêcher ou de contrôler le mouvement.

Boîte à outils

Pages 292 à 295

Voyons ensemble les options possibles.

233

Une première option : liaison permanente ou non permanente ? Les meubles assemblés à l’aide de vis ou d’écrous et de boulons sont facilement démontables. De même, tous les objets munis d’un couvercle que l’on peut soulever ou dévisser, par exemple les pots à conserves, ont une liaison non permanente car on peut séparer leurs différentes parties sans les endommager.

Lorsqu’on relie des pièces ou des objets à l’aide d’une colle ou de clous, c’est qu’on prévoit les garder assemblés ainsi pour toujours. Il est en effet quasi impossible de séparer deux feuilles collées sans les déchirer. On aura aussi beaucoup de difficulté à démonter un meuble cloué. La liaison de ces pièces est donc permanente.

Une liaison non permanente est une liaison que l’on peut démonter ou dont on peut séparer les éléments sans endommager les pièces de l’objet.

Les outils Boîte à outils

8.29

Une fois qu’elles sont clouées, les pièces sont liées de façon permanente.

Une liaison permanente est une liaison qu’on ne peut démonter sans endommager les pièces qui ont été liées ou les éléments de liaison. Si, au contraire, on veut pouvoir démonter l’assemblage, on doit alors opter pour une liaison non permanente.

8.30

On peut séparer le couvercle et le pot sans les briser.

L’ u n i v e r s

234

technologique

Pages 284 à 291

Savez-vous que…

?

• La nature nous a inspiré bien des trucs et des astuces ! Vous connaissez l’un d’eux : la fermeture à velcro, inventée en 1948. C’est en effet en revenant d’une promenade à la campagne que l’ingénieur suisse Georges de Mestral eut l’idée d’inventer cette forme de liaison non permanente. Il examina au microscope les fruits de la bardane qui étaient restés agrippés à ses vêtements et vit qu’ils étaient recouverts de minuscules crochets. Il décida de reproduire le même phénomène sur des bandes de tissus : sur l’une d’elles, il mit de petits crochets, et sur l’autre, il plaça des bouclettes imitant les mailles de son chandail. Aussitôt qu’il assembla ces deux bandes, elles s’agrippèrent solidement l’une à l’autre. Cette liaison non permanente, il la nomma velcro : vel pour velours et cro pour crochets !

8.31

8.32

Fallait y penser !

Une deuxième option : liaison fixe ou mobile ? Un marteau est un outil composé d’un manche, que l’on tient, et d’une tête, qui sert à frapper sur un clou. Afin que ces deux parties tiennent ensemble sans représenter un danger pour la personne qui les utilise, on se sert d’éléments métalliques (qu’on appelle « coins ») pour assembler le manche et la tête du marteau. Comme cette liaison empêche complètement les deux parties de bouger, on dira qu’il s’agit d’une liaison fixe. Une liaison fixe est une liaison qui ne permet aucun mouvement. De même, on utilise souvent différentes colles pour créer des liaisons fixes. Le type de colle choisi dépend des matériaux utilisés.

Chapitre 8

8.33

La liaison entre la tête du marteau et le manche est fixe.

235

Les forces et les mouvements

Lorsqu’il s’agit de pièces en bois, on peut très bien se servir de clous pour les maintenir en place solidement. On peut aussi concevoir les pièces pour qu’elles s’emboîtent les unes dans les autres de façon si serrée qu’il devient impossible de défaire la liaison.

LES QUATRE COMBINAISONS DE LIAISON • Liaison fixe et non permanente Un exemple : une planche fixée à un madrier par des vis. La planche ne peut pas bouger (fixe), mais on peut la dévisser pour la séparer du madrier (non permanente).

À l’opposé de la liaison fixe, la liaison mobile permet aux pièces de bouger entre elles.

• Liaison fixe et permanente Un exemple : la céramique de la salle de bain. La céramique ne peut pas bouger (fixe) et on ne peut pas défaire la liaison sans la briser ni endommager le contreplaqué qui est en dessous (permanente). • Liaison mobile et permanente Un exemple : les ciseaux. Les deux branches peuvent bouger (mobile), mais le rivet qui les unit se brisera si on tente de les séparer (permanente). • Liaison mobile et non permanente Un exemple : le couvercle d’une calculatrice. Le couvercle qui glisse sur la calculatrice (mobile) peut sortir de son habitacle et y revenir sans endommager les pièces (non permanente).

8.34

Les deux branches de ces ciseaux sont réunies par un rivet.

Par exemple, pour que des ciseaux puissent effectuer leur tâche, celle de couper des matériaux, on doit pouvoir ouvrir et fermer leurs deux branches. Dans ce cas, l’élément de liaison choisi est le rivet. Il s’agit d’une petite tige cylindrique qui permet aux deux pièces métalliques de glisser l’une sur l’autre dans un mouvement de rotation.

3.2 Le guidage Lorsqu’un objet technique comporte des pièces mobiles, il faut parfois ajouter un dispositif de guidage afin de contrôler le mouvement de ces pièces. Autrement, elles bougeraient dans toutes les directions.

Une liaison mobile est une liaison qui permet le mouvement.

Le guidage est un dispositif qui permet de contrôler le mouvement des pièces mobiles.

Le rivet des ciseaux joue le rôle d’un axe autour duquel les branches font un mouvement de rotation partiel. Dans d’autres objets, par exemple pour contrôler le mouvement de translation des pièces, on ajoutera plutôt un rail. On peut aussi fabriquer les pièces de manière qu’elles glissent aisément les unes dans les autres.

L’ u n i v e r s

Le guidage du mouvement de translation Le guidage du mouvement de translation permet de contrôler le mouvement des pièces qui se déplacent en droite ligne. 236

technologique

d’une porte contiennent une tige métallique qui, tel un axe, oblige les deux pièces métalliques à tourner autour d’elle.

8.36

Les aiguilles de ce réveil tournent autour d’un axe.

8.35

Le mouvement de translation de cette porte-fenêtre est guidé par un rail.

Le guidage du mouvement hélicoïdal Lorsque le guidage du mouvement de translation et le guidage du mouvement de rotation sont combinés pour contrôler la mobilité d’une pièce, on parle alors du guidage du mouvement hélicoïdal.

Plusieurs dispositifs peuvent guider le mouvement de translation. Le rail qui limite le mouvement d’une porte-fenêtre en est un bon exemple. C’est aussi un rail qui guide la trajectoire du métro dans le tunnel.

Plusieurs outils possèdent ce genre de guidage. Dans la serre en C, par exemple, la vis de serrage monte ou descend en ligne droite à mesure qu’elle tourne. C’est la monture filetée dans laquelle elle est insérée qui guide à la fois son mouvement de rotation et son mouvement de translation.

De même, le tube de suspension sous la selle de la bicyclette est inséré dans un autre tube, ce qui lui impose un mouvement de translation. Il ne peut donc pas bouger autrement que de bas en haut.

Le guidage du mouvement de rotation

De même, dans le tirebouchon à levier, le tube dans lequel la mèche passe lui permet à la fois de tourner et de s’enfoncer en ligne droite dans le bouchon de liège de la bouteille.

Le guidage du mouvement de rotation permet de contrôler les pièces d’un objet technique à mesure qu’elles tournent. Cette rotation peut être complète, comme celle qu’effectuent les aiguilles d’une montre ou le moulinet d’une canne à pêche. Mais elle peut aussi être partielle, comme celle que font les deux branches d’une pince ou l’aiguille d’un indicateur de vitesse.

Monture filetée

Plusieurs dispositifs servent à contrôler le mouvement de rotation. Par exemple, le rivet qui unit les lames des cisailles forme aussi un axe de rotation limitant leur mouvement. De même, les charnières

Chapitre 8

8.37

La vis de serrage monte ou descend à mesure qu’elle tourne.

237

Les forces et les mouvements

Vis de serrage

Point de mire

George J. Klein : un grand du génie canadien

George J. Klein est considéré comme l’un des inventeurs canadiens les plus prolifiques du siècle dernier. Né en 1904 à Hamilton, dans le sud de l’Ontario, cet ingénieur a travaillé pendant longtemps pour le Conseil national de recherches du Canada (CNRC). Il a d’ailleurs dirigé l’équipe qui a conçu le premier réacteur nucléaire canadien, vers 1940.

8.38

On lui doit également bien d’autres inventions, notamment toute une gamme de systèmes d’engrenage adaptés à une foule d’objets techniques. C’est aussi lui qui a inventé le fauteuil roulant électrique pour quadriplégiques. Mais c’est sans doute dans le domaine de l’aéronautique et de l’exploration spatiale qu’il s’est le plus distingué. Après avoir conçu des skis spéciaux pour l’atterrissage des avions sur la neige, il a créé les antennes qui ont servi aux missions spatiales des années 1950-1960. Même à la retraite, il a agi comme consultant dans la fabrication des engrenages du bras canadien, un dispositif essentiel aux navettes spatiales de la NASA. Décédé en 1992 à l’âge de 88 ans, George J. Klein fait aujourd’hui partie du Panthéon de la science et de l’ingénierie canadiennes.

L’ u n i v e r s

238

technologique

Investigations Voici des suggestions d’activités qui vous permettront de mettre en pratique vos connaissances et vos compétences. Comme certains matériaux pourront se casser subitement, portez des lunettes de sécurité tout le long des tests.

1. Toujours plus loin ! Au fil des siècles, l’être humain a inventé une foule d’instruments dans le but de projeter des objets de plus en plus loin. L’arc, l’arbalète, la fronde et la catapulte sont parmi les premiers dispositifs qui lui ont permis de lancer des projectiles de toutes sortes. Vous devez, à votre tour, construire un dispositif vous permettant de lancer un petit projectile le plus loin possible. Vous devrez ensuite expliquer son fonctionnement en nommant les forces qui sont utilisées et le type de mouvement que ces forces engendrent. Vous devrez aussi mentionner, s’il y a lieu, les mécanismes de transmission ou de transformation du mouvement qui sont en jeu.

Des pistes à explorer • Pour construire des dispositifs de lancement, on se sert souvent de matériaux pouvant subir une déformation élastique. • Vous pourriez utiliser le matériel suivant : des ressorts, des élastiques, des récipients, des leviers, des pivots, etc. • Vous devrez faire plusieurs tests pour trouver l’angle vous permettant de lancer le projectile le plus loin possible.

2. Des matériaux résistants Les matériaux n’ont pas tous la même résistance aux différents effets des forces. Voilà pourquoi on préfère certains matériaux à d’autres dans la fabrication des objets techniques. Le choix du matériau varie selon la fonction que devra remplir l’objet conçu. Choisissez divers matériaux et testez leur résistance aux différents effets des forces : allongement, écrasement, flexion, cisaillement et torsion.

Des pistes à explorer • Comparez le même effet, par exemple la flexion, sur plusieurs matériaux. Vous savez qu’un matériau n’a pas résisté au test lorsqu’il a subi une déformation permanente ou une rupture. • Pour comparer la résistance des matériaux, vous pouvez utiliser un peson (balance à ressort), qui mesure la force que vous employez.

Chapitre 8

• Vous pourriez tester les matériaux suivants : des languettes de métal (aluminium, fer, cuivre), différents types de plastiques, des pièces de bois, etc. • Pour effectuer de bonnes comparaisons, utilisez des pièces qui ont des dimensions semblables.

239

Les forces et les mouvements

TOUT COMPTE

Les forces et les effets des forces

PAGES 220 À 227

1 Vous vous tenez sur une jambe. a) Quelles forces sont alors en action ? b) D’où ces forces proviennent-elles ? c) Quel effet ces forces produisent-elles et à quel endroit ? 2 Dessinez le croquis d’une planche à roulettes surmontée d’une personne au centre. Indiquez par une flèche les endroits qui subissent des forces. Indiquez ensuite l’effet ou les effets des forces sur la planche. 3 Vous vous rendez au parc et vous vous assoyez sur le siège d’une balançoire. Quelle partie de la balançoire subit une force de tension ? 4 Vous tentez de tirer une table placée sur un tapis, au milieu d’une pièce. Même si vous exercez une certaine tension sur cette table, elle ne bouge pas. Qu’est-ce qui l’empêche de bouger et pourquoi ? 5 Comment crée-t-on un effet de torsion sur un objet ? 6 Lorsque vous pliez une branche d’arbre, les forces que vous exercez sur cette branche ont un effet de flexion. Quelles sont les trois conséquences possibles de cette flexion ? 7 Inscrivez, dans un tableau semblable à celui qui est présenté ci-dessous, les trois conséquences possibles des effets des forces sur un matériau. Décrivez en quelques mots comment le matériau réagit à chacune de ces conséquences, puis dites si elle est temporaire ou permanente. Conséquence

Description

Temporaire/permanente

L’ u n i v e r s

240

technologique

FAIT

PAGES 228 À 232

Les mouvements

8 Donnez deux exemples d’objets de votre quotidien qui effectuent un mouvement de translation. Dites quelles pièces font ce mouvement. 9 Voici l’illustration d’une essoreuse à salade. Décrivez les divers mouvements qu’on peut observer dans cet appareil. Indiquez si on y trouve un mécanisme de transmission ou de transformation du mouvement.

8.39

10 Examinez les illustrations ci-dessous. On y voit une séquence de tir à l’arc. Répondez aux questions suivantes.

(1)

(2)

(3)

8.40

a) Quel type de force doit-on exercer sur la corde de l’arc pour la tendre ? b) Lorsqu’on tend la corde de l’arc, comme dans l’illustration (2), quel effet la corde subit-elle ? c) Quel genre de déformation l’arc subit-il ?

Le contrôle du mouvement dans les objets techniques

PAGES 233 À 240

11 Quels éléments de liaison et de guidage retrouve-t-on dans ce siège de bicyclette ?

8.41

Chapitre 8

241

Les forces et les mouvements

Les secrets du métier

8.42

8.43

Les monteurs de charpentes métalliques assemblent des éléments en fer ou en acier.

Les techniciens en mécanique du bâtiment inspectent les systèmes de chauffage et de climatisation.

Les carrières en lien avec les forces et les mouvements sont nombreuses et variées. Par exemple, on peut monter les structures d’un bâtiment ou construire de grands ouvrages civils, tels les routes et les ponts. On peut aussi dessiner des moteurs ou des outils entrant dans la fabrication d’appareils mécaniques. On peut également participer au rétablissement de personnes dont la mobilité est réduite. Pour faire ces métiers, il faut bien comprendre les forces et leurs effets. Il faut aussi connaître les types de mouvements et les diverses façons de les contrôler. Enfin, il faut posséder une bonne connaissance des propriétés caractéristiques des matériaux, notamment en ce qui concerne leur résistance aux forces et leur mobilité. Le tableau de la page 243 présente quelques métiers où l’on exploite les forces et les mouvements, en lien avec les diplômes d’études qui sont requis pour exercer ces métiers. 8.44

L’orthésiste-prothésiste prépare et pose des appareils servant à remplacer un membre. L’ u n i v e r s

242

technologique

MÉTIERS OÙ L’ON EXPLOITE LES FORCES ET LES MOUVEMENTS SELON LES DIPLÔMES D’ÉTUDES Diplômes d’études secondaires collégiales universitaires • Dessinateurs en mécanique industrielle

• Techniciens en mécanique du bâtiment

• Ingénieurs civils

• Monteurs de charpentes métalliques

• • • • •

• Ingénieurs mécaniciens

• Monteurs-régleurs d’aviation

Technologues en génie civil Technologues en génie industriel Technologues en génie mécanique Thérapeutes en réadaptation physique Orthésistes-prothésistes

Profession : thérapeute en réadaptation physique Les thérapeutes en réadaptation physique aident les gens atteints d’une incapacité physique à effectuer leurs mouvements plus facilement et à reprendre de la force. En collaboration avec les physiothérapeutes et les spécialistes, ils évaluent les capacités des patients qui les consultent et élaborent des plans de traitement. Ensuite, selon les cas, ils peuvent animer des séances d’exercice, donner des traitements d’hydrothérapie ou d’électrothérapie, faire des tractions mécaniques et conseiller les patients sur leurs postures. Les thérapeutes en réadaptation physique doivent aimer le travail d’équipe, être à l’aise avec le public, posséder de grandes habiletés manuelles et un bon sens de l’organisation. Ils sont appelés à travailler dans des établissements de santé, dans des cliniques spécialisées ou avec des équipes sportives. Le diplôme est accordé après des études collégiales d’une durée de trois ans.

8.45

Ce thérapeute en réadaptation physique aide son patient à retrouver sa mobilité.

243

• Ingénieurs industriels • Physiothérapeutes

Dans votre

MARS L’odyssée de l’espace 8.46

Les voyages dans l’espace sont compliqués et coûteux.

Par Raynald Pepin En regardant des films de science-fiction, on a l’impression que les voyages interplanétaires seront bientôt faciles à effectuer. Pas du tout ! Les voyages dans l’espace sont toujours compliqués, longs et très coûteux, et ils le resteront encore longtemps. L’envoi d’à peine 1 kg de matériel en orbite autour de la Terre coûte à lui seul près de 10 000 $. Selon diverses estimations, un voyage habité vers Mars coûterait entre 30 et 500 milliards de dollars. Mais dans le domaine de l’exploration spatiale, on est habitué aux dépassements de budget... L’enjeu en vaut-il le coût ? Alors que tant de choses vont mal sur notre planète, est-il souhaitable de consacrer tant d’argent à un voyage d’exploration ?

L’ u n i v e r s

244

technologique

moins 130 tonnes, peut-être même de plus de 200 tonnes, au moment où il quittera l’orbite terrestre. Le véhicule devra être lancé en morceaux, par plusieurs fusées, puis assemblé en orbite.

Dans l’espace, pas d’appui Pourquoi les voyages spatiaux sont-ils si coûteux ? Pour plusieurs raisons. D’abord, parce que l’espace est un milieu hostile. Le moindre problème technique qui survient dans ce milieu peut mener à la mort des astronautes et à la perte de la mission. Il faut donc que le vaisseau spatial soit près de la perfection technique, ce qui coûte cher, très cher.

Vite, mais pas tant que ça ! À son plus près de la Terre, Mars est à environ 56 000 000 km. En réalité, un vaisseau spatial allant vers Mars parcourra une plus grande distance puisque les planètes se déplacent continuellement sur une trajectoire courbe. Le vaisseau ne pourra donc pas se rendre sur Mars en suivant une ligne droite.

Ensuite, parce que la force de gravité de la Terre est tellement grande qu’il est difficile de s’en libérer et de se propulser dans l’espace. Sur Terre, pour avancer, un véhicule « s’appuie » sur un milieu matériel : la route pour une auto, l’eau pour un bateau, la glace pour un patineur... Mais l’espace est vide : il n’offre ni appui ni mécanisme de guidage !

Pour quitter la Terre, les vaisseaux spatiaux doivent dépasser une vitesse de 11 km par seconde. Avec les fusées actuelles, on prévoit qu’un voyage vers Mars, aller seulement, durerait plus de 200 jours. Les astronautes attendraient sur Mars, entre 30 et 460 jours, que la Terre et Mars soient dans la configuration favorable au retour. Durée probable du voyage : deux ans et demi. Évidemment, plus l’expédition durera longtemps, plus les risques de défaillance augmenteront. Jusqu’à quel point peuton risquer la vie des astronautes ?

La seule façon d’accélérer pour un vaisseau spatial, c’est de rejeter quelque chose vers l’arrière. Une fusée avance comme un ballon de fête que l’on relâche après l’avoir gonflé : le ballon expulse l’air vers l’arrière, et l’air expulsé fait avancer le ballon. C’est la loi « action-réaction ». Ainsi, la fusée expulse des gaz de combustion vers l’arrière et, en réaction, les gaz la font avancer.

Le plein, svp ! Pour s’arracher de l’attraction terrestre et se mettre en orbite, ou pour quitter carrément la Terre, il faut expulser beaucoup de gaz, et donc brûler beaucoup de carburant. Par exemple, une fusée Ariane 5 possède, au départ, environ 650 tonnes de carburant. Les réservoirs, les moteurs et les systèmes de guidage pèsent près de 100 tonnes. La « charge utile », ce que l’on veut transporter (un satellite, par exemple), est de l’ordre de 10 tonnes. Lancer une Ariane 5, c’est un peu comme si, pour transporter une famille et ses bagages de Québec à Montréal (253 km), on utilisait tout le carburant d’un camion-citerne !

Un voyage vers Mars touche à une grande interrogation humaine : y a-t-il de la vie ailleurs dans le système solaire ou dans l’Univers ? Et puis, pour découvrir des traces de vie, actuelles ou anciennes, est-il préférable d’envoyer des êtres humains ou des missions robotisées ? Quels sont les avantages et les inconvénients des uns et des autres ?

Pour effectuer un voyage vers Mars, un véhicule spatial devra transporter beaucoup de carburant. On prévoit qu’il devra avoir une charge utile d’au

Certains scientifiques envisagent aussi un voyage vers Mars comme l’amorce d’une future colonisation de la planète. Iriez-vous vivre sur Mars ?

Chapitre 8

Qu’en pensez-vous ?

245

Les forces et les mouvements

La boîte à outils Boîte à outils

Sommaire SECTION

1

SECTION

SECTION

2

Le matériel scientifique . . . . . . . . . . . . . 253 2.1 Les instruments de laboratoire . . . . . . . . . 253 2.2 Le microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 SECTION

SECTION

3

SECTION

SECTION

9

Les dessins scientifique et technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 9.1 Comment faire un dessin scientifique ? . . . 303 9.2 Comment faire un dessin technique ? . . . . 305

4

SECTION

10

Les technologies de l’information et de la communication (TIC) . . . . . . . . 309 10.1 Comment trouver de l’information dans Internet ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 10.2 Comment savoir si l’information trouvée dans Internet est valable ? . . . . . . . . . . . . 312 10.3 Les droits d’auteur et l’utilisation de l’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 10.4 D’autres TIC utiles en science et en technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

5

Comment aménager de petits environnements artificiels ? . . . . . . . . . . 279 5.1 Comment aménager un mini-aquarium ? . . 279 5.2 Comment aménager un vivarium ? . . . . . . 280 5.3 Comment aménager un milieu de compostage ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 5.4 Comment aménager un milieu de culture pour les protozoaires ? . . . . . . . . . . . . . . . 283

La boîte à outils

8

Les tableaux et les diagrammes. . . . . . 296 8.1 Comment construire un tableau ? . . . . . . . 296 8.2 Comment bâtir un diagramme ? . . . . . . . . 298

Comment utiliser certains procédés en science ? . . . . . . . . . . . . . . . . 271 4.1 Comment mesurer le point de fusion ? . . . 271 4.2 Comment mesurer le point d’ébullition ? . . 272 4.3 Comment déterminer si une substance conduit l’électricité ? . . . . . . . . . . . . . . . . 272 4.4 Comment séparer les mélanges ? . . . . . . . 273 SECTION

7

Les techniques de fabrication . . . . . . . . 292 7.1 Le mesurage et le traçage . . . . . . . . . . . . 292 7.2 L’usinage et le formage . . . . . . . . . . . . . . . 293 7.3 La finition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7.4 L’assemblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7.5 Le démontage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Comment mesurer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 3.1 Comment mesurer la longueur ? . . . . . . . . 259 3.2 Comment mesurer le volume des liquides ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 3.3 Comment mesurer le volume des solides ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 3.4 Comment mesurer le volume des gaz ? . . . 263 3.5 Comment mesurer la masse ? . . . . . . . . . 264 3.6 Comment mesurer la température ? . . . . . 266 3.7 Comment mesurer le pH d’une substance ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 3.8 Les unités de mesure du système international (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 SECTION

6

Les outils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 6.1 Les outils de mesurage et de traçage . . . . 284 6.2 Les serres et les étaux . . . . . . . . . . . . . . . 284 6.3 Les pinces et les cisailles . . . . . . . . . . . . . 284 6.4 Les couteaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 6.5 Les scies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.6 Les perceuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 6.7 Le fer à souder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 6.8 Les clous, les vis et les boulons . . . . . . . . 289 6.9 Le pistolet-colleur et les colles . . . . . . . . . 290 6.10 Les limes, les râpes et le papier émeri . . . 291

La sécurité au laboratoire de science et technologie . . . . . . . . . . . . 248 1.1 Les symboles de sécurité des produits de consommation . . . . . . . . 248 1.2 Les symboles du Système d’information sur les matières dangereuses utilisées au travail (SIMDUT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 1.3 Les règles de sécurité au laboratoire . . . . . 250

247

Sommaire

La sécurité au laboratoire de science et technologie

SECTION

Section

1

sécurité au laboratoire 1 La de science et technologie La sécurité est un aspect important de tout travail en laboratoire. Elle repose sur quelques règles simples que vous devez apprendre. En plus de vous protéger, ces règles vous aideront dans vos expériences. Pour prévenir les accidents, vous devez porter attention et adopter de bonnes habitudes de travail. Vous devez aussi respecter toutes les consignes qui vous sont données. Enfin, vous devez toujours utiliser les produits chimiques et les appareils de la façon appropriée. Évidemment, malgré toutes les précautions, un accident est toujours possible. Pour pouvoir y faire face adéquatement, vous devez savoir où est rangé le matériel de sécurité et apprendre à l’utiliser.

1.1 Les symboles de sécurité des produits de consommation Durant vos cours de science et technologie, vous utiliserez plusieurs produits dont vous vous servez à la maison. Même s’ils sont d’usage courant, certains d’entre eux contiennent des substances dangereuses. Pour vous prévenir des risques possibles, des symboles de mise en garde sont imprimés sur les emballages de ces produits. Ces images forment un code de sécurité. Elles vous renseignent sur la raison du danger.

S1.1

S1.2

CORROSIF : ce produit peut ronger plusieurs matériaux, brûler les yeux et la peau, ou encore la bouche, la gorge et l’estomac s’il est avalé.

INFLAMMABLE : ce produit ou ses vapeurs peuvent prendre feu. Garder loin des étincelles, de la chaleur et des flammes.

S1.3

S1.4

EXPLOSIF : ce produit peut exploser si le contenant est percé ou chauffé. Il peut aussi émettre des gaz mor tels. Les éclats de métal ou de plastique peuvent causer de graves accidents, surtout aux yeux.

POISON : ce produit, s’il est avalé, peut provoquer des malaises ou même entraîner la mort.

La boîte à outils

248

Section 1

Dans les milieux de travail, on utilise un autre code de sécurité pour l’étiquetage des matières dangereuses : le SIMDUT. Chaque symbole de mise en garde indique comment travailler avec ces produits de manière sécuritaire.

S1.5

S1.6

GAZ COMPRIMÉS : ces gaz peuvent exploser si le contenant est soumis à la chaleur, à un choc ou s’il est endommagé. Manipuler la bonbonne avec soin et la tenir éloignée de toute source de chaleur. Ouvrir la valve doucement pour permettre au gaz de sortir lentement.

MATIÈRES INFLAMMABLES ET COMBUSTIBLES : ces matières peuvent causer un incendie quand elles sont exposées à la chaleur, à des étincelles ou à des flammes. Elles peuvent aussi s’enflammer violemment. Tenir loin des flammes et de la chaleur vive.

S1.8

MATIÈRES COMBURANTES : ces matières présentent des risques d’incendie ou d’explosion lorsqu’elles entrent en contact avec des matières combustibles (par exemple bois, carburants). Tenir loin des matériaux combustibles, des flammes et des sources de chaleur.

MATIÈRES TOXIQUES AYANT DES EFFETS IMMÉDIATS ET GRAVES : ces matières peuvent être mortelles ou causer des dommages graves ou permanents pour la santé, même après une seule exposition. Ne jamais manipuler de telles substances.

S1.10

S1.9

MATIÈRES INFECTIEUSES : ces matières peuvent causer des maladies graves. L’exposition intense peut causer la mort. Vous ne devriez jamais avoir à vous servir de telles substances.

MATIÈRES TOXIQUES AYANT D’AUTRES EFFETS : ces matières peuvent causer de l’irritation. L’exposition répétée peut causer le cancer, des déformations ou des affections héréditaires ou d’autres dommages permanents. Ne jamais utiliser de telles matières sans la supervision d’un adulte averti.

S1.11

S1.12

MATIÈRES CORROSIVES : ces matières peuvent causer des brûlures aux yeux, à la peau ou au système respiratoire. Elles peuvent aussi brûler ou ronger les vêtements et divers matériaux. Utiliser ces substances avec précaution, porter des lunettes protectrices et rincer abondamment à l’eau toute partie de la peau touchée. Prévenir l’enseignante ou l’enseignant en cas de déversement accidentel.

La boîte à outils

MATIÈRES DANGEREUSEMENT RÉACTIVES : ces matières peuvent réagir violemment et entraîner une explosion, un incendie ou un rejet de gaz toxiques lorsqu’on les expose à la lumière, à la chaleur, à des vibrations ou à des températures extrêmes. N’utiliser que peu de substance à la fois.

249

Section 1

1 Section

S1.7

La sécurité au laboratoire de science et technologie

1.2 Les symboles du Système d’information sur les matières dangereuses utilisées au travail (SIMDUT)

1.3 Les règles de sécurité au laboratoire La sécurité au laboratoire de science et technologie

Avant d’entreprendre une expérience, vous devez d’abord réfléchir aux manipulations que vous ferez. Tentez de prévoir les conséquences de chaque geste. Si vous désirez innover ou modifier la procédure recommandée, demandez conseil à votre enseignante ou à votre enseignant. Voici les principales règles à suivre :

1• Informer l’enseignante ou l’enseignant de tout problème médical, y compris les allergies.

2 • Porter des lunettes de sécurité. Éviter le port de lentilles cornéennes, car elles peuvent s’imbiber du liquide éclaboussé. Aussi, en cas d’accident, elles sont difficiles à enlever.

3 • Porter un tablier lorsque les manipulations impliquent l’utilisation de produits (liquides ou solides) salissants, corrosifs ou chauds.

4 • Attacher ses cheveux s’ils sont longs. 5 • Éviter les manches bouffantes et les vêtements amples. Ils peuvent gêner les mouvements et se prendre dans les montages.

6 • Enlever ses bijoux. 7 • Porter attention aux faux ongles. Le plas-

1

tique dont ils sont faits peut prendre feu.

Section

8 • Ne pas manger, boire ni mâcher de la gomme. 9 • Garder l’espace de travail propre et ordonné. Libérer la table de travail du matériel inutile pour la manipulation en cours.

S1.13

La boîte à outils

250

Section 1

La sécurité au laboratoire de science et technologie

10 • Travailler sérieusement, sans précipitation. Ne pas se bousculer. 11 • Éviter les déplacements inutiles. Ne pas encombrer les espaces de circulation (rangées) d’objets personnels, par exemple de sacs à dos.

12 • Connaître l’emplacement du matériel de sécurité : extincteur chimique, douche oculaire, couverture ininflammable, trousse de premiers soins, etc. Apprendre à se servir de chacun.

13 • Avant de commencer une expérience, s’assurer de comprendre la marche à suivre.

14 • Ne pas faire d’expérience ni de manipulation non prévue ou non approuvée par l’enseignante ou l’enseignant.

15 • Suivre les consignes portant sur la façon de se débarrasser des déchets.

16 • Se laver les mains avec de l’eau chaude et du savon après un travail au laboratoire, particulièrement après avoir manipulé des produits chimiques ou des organismes vivants (micro-organismes, animaux, plantes).

1 Section

17 • N’utiliser que le matériel mis à sa disposition et approuvé par l’enseignante ou l’enseignant ou encore par la technicienne ou le technicien en travaux pratiques.

18 • Manipuler prudemment toutes les substances et tous les objets chauds.

CHAUD

19 • Avertir immédiatement l’enseignante ou l’enseignant de tout accident, bris de matériel, déversement de produit chimique, etc.

LES APPAREILS ET LES OUTILS ÉLECTRIQUES • Ne pas toucher les prises de courant, les fils électriques et les fiches avec les mains mouillées. • Débrancher les appareils et les outils en tirant sur la fiche. Éviter de tirer sur le fil. • S’assurer que le cordon d’alimentation et, s’il y a lieu, la rallonge sont en bon état.

La boîte à outils

251

Section 1

LA CHALEUR

La sécurité au laboratoire de science et technologie

• Utiliser de préférence une plaque chauffante. Ne pas toucher la plaque immédiatement après l’avoir utilisée : elle peut prendre jusqu’à une heure pour refroidir. • Demander l’autorisation de l’enseignante ou de l’enseignant avant d’utiliser un brûleur à alcool ou un brûleur Bunsen. Apprendre à s’en servir avant de commencer l’expérience. • Pour chauffer une substance dans une éprouvette à l’aide d’un brûleur, procéder comme suit : – Porter des lunettes de sécurité ; – Chauffer doucement ; – Tenir l’éprouvette avec une pince ; – Ne pas placer directement le dessous de l’éprouvette sur la source de chaleur. Incliner légèrement l’éprouvette afin de la chauffer à environ 1 cm ou 2 cm du fond ; – S’assurer que l’ouverture de l’éprouvette n’est pas dirigée vers soi ni vers les autres élèves. • Ne jamais utiliser un brûleur pour chauffer une matière inflammable.

1

• Ne jamais laisser un brûleur sans surveillance.

Section

S1.14

LES PRODUITS CHIMIQUES • Ne pas respirer, goûter ni toucher un produit chimique, à moins que cela ne soit demandé. • Ne pas sentir directement un produit chimique. À l’aide de la main, diriger doucement les émanations du produit vers son nez pour en tester l’odeur. • Rincer abondamment à l’eau claire toute partie de la peau qui a été en contact avec un produit corrosif. Prévenir l’enseignante ou l’enseignant si l’on ressent des picotements, une sensation de brûlure ou tout autre malaise. • Jeter les produits non utilisés, les déchets et les résidus d’expériences aux endroits indiqués. Suivre les consignes de sécurité adaptées à chaque type de produits. Ne jamais jeter de solides, de substances polluantes ou nocives dans les lavabos. S1.15

La boîte à outils

252

Section 1

SECTION

2 Le matériel scientifique

Le matériel scientifique nous aide à connaître les propriétés de la matière et à la transformer.

2.1 Les instruments de laboratoire

Support universel Vase de trop-plein

Cylindre gradué

Pince universelle

Le cylindre gradué est utilisé surtout pour mesurer précisément le volume des liquides. Le vase de trop-plein permet de mesurer le volume des solides.

Bécher Pince à bécher

Ballon

S2.1

S2.3

Le ballon sert à contenir des liquides. Dans les montages, il est maintenu au support universel par la pince universelle.

Le bécher sert à contenir et à chauffer des substances. La pince à bécher permet de le manipuler quand il est chaud. On utilise aussi le bécher pour mesurer plus ou moins précisément des liquides.

253

Section 2

Section

2

S2.2

La boîte à outils

Le matériel scientifique

Le matériel scientifique qui suit est spécialement conçu pour le travail en laboratoire. Ces instruments peuvent avoir plusieurs usages. Voici à quoi ils servent le plus souvent.

Boîte de Pétri

Brucelles

Le matériel scientifique

Spatule S2.4

S2.5

L’erlenmeyer, aussi appelé « fiole conique », sert à contenir des liquides et à les mesurer plus ou moins précisément. On l’utilise également pour faire des mélanges ou pour obtenir des réactions chimiques.

La boîte de Pétri sert surtout à la culture des microorganismes. Les brucelles sont des pinces qui permettent de saisir de petits objets. Pour manipuler les solides en poudre, on optera pour la spatule.

Entonnoir Support à éprouvettes

Éprouvette Filtre Flacon laveur

2 Section

Pince à éprouvette

S2.6

S2.7

L’éprouvette est utile pour faire des expérimentations avec de petites quantités de matière. La pince à éprouvette permet de la manipuler quand on se sert de la chaleur. Pour la déposer, on la place dans le support à éprouvettes.

Le flacon laveur permet de verser de petites quantités de liquide. Pour verser des liquides dans des récipients qui ont une petite ouverture, on peut aussi choisir l’entonnoir. Si on lui ajoute un filtre, on peut s’en servir pour le filtrage des mélanges.

Brûleur à alcool

Brûleur Bunsen

Plaque chauffante

S2.8

Le brûleur à alcool, le brûleur Bunsen et la plaque chauffante sont utilisés pour chauffer les substances.

La boîte à outils

254

Section 2

2.2 Le microscope

Oculaire

Le microscope à objectifs multiples Le microscope à objectifs multiples est composé de plusieurs pièces. Les pièces les plus importantes et leurs fonctions sont présentées dans le tableau qui suit.

Revolver porte-objectifs Potence

Objectif

Chariot mécanique gradué Platine Vis macrométrique

Diaphragme

Vis micrométrique

Système d’éclairage

Pied

S2.9

Le microscope à objectifs multiples est très utilisé dans les écoles.

Le matériel scientifique

Grâce au microscope, on peut voir des objets qui sont invisibles à l’œil nu. Par exemple, on peut examiner des cellules ou des micro-organismes.

LES PIÈCES DU MICROSCOPE À OBJECTIFS MULTIPLES ET LEURS FONCTIONS Lentilles qui grossissent l’image des objets observés. Sur chaque objectif, un nombre indique le grossissement. Les grossissements les plus courants sont 4 X, 10 X, 45 X et 100 X.

Revolver porte-objectifs

Partie cylindrique où sont logés les objectifs. En tournant le revolver porte-objectifs, on change d’objectif.

Oculaire

Lentille dans laquelle on regarde. Son grossissement est généralement de 10 X. Pour obtenir le grossissement total, on multiplie le grossissement de l’objectif choisi par celui de l’oculaire.

Platine

Plateau sur lequel on dépose les lames de verre portant les objets à observer.

Chariot mécanique gradué

Système mécanique permettant de déplacer de façon aisée et précise les lames de verre portant les objets à observer.

Vis macrométrique

Vis qui permet de faire une première mise au point plus ou moins précise. En la tournant, on rapproche ou on éloigne de l’objectif la platine sur laquelle est placé l’objet à observer.

Vis micrométrique

Vis qui permet de faire une mise au point plus précise que la vis macrométrique. Son mouvement est très lent, ce qui permet d’ajuster parfaitement la mise au point.

Système d’éclairage Diaphragme

Système éclairant l’objet à observer. Dispositif à ouverture réglable. Il permet d’ajuster l’éclairage.

La boîte à outils

255

Section 2

2 Section

Objectifs

Le microscope à objectif unique

Oculaire

Le matériel scientifique

Dans certaines écoles, on utilise un microscope muni d’un objectif unique à focale variable (zoom). À quelques exceptions près, son fonctionnement ressemble à celui du microscope à objectifs multiples.

Section

2

Le tableau ci-dessous présente les pièces qui sont spécifiques à ce modèle de microscope (photo S2.10) ainsi que leurs fonctions.

Bague

Potence

Objectif à focale variable (zoom) Vis macrométrique

Valets

Platine Disque Vis micrométrique

S2.10

Ce microscope est doté d’un objectif unique. Pour changer la grosseur de l’image, il faut tourner la bague de la focale variable.

Pied

LES PRINCIPALES PIÈCES DU MICROSCOPE À OBJECTIF UNIQUE ET LEURS FONCTIONS Objectif à focale variable (zoom)

Lentille qui grossit l’image des objets observés. Les différents grossissements possibles sont indiqués sur la bague de l’objectif. Il suffit de tourner cette bague pour varier le grossissement de l’image.

Disque

Dispositif situé sous la platine. Il contient des ouvertures de différentes grosseurs qui permettent d’ajuster l’éclairage. Il joue le même rôle que le diaphragme du microscope à trois objectifs.

Valets

Pièces qui tiennent la lame porte-objet sur la platine.

Vis macrométrique et vis micrométrique

Vis que l’on tourne pour faire la mise au point de l’image. Sur ce modèle de microscope, elles sont emboîtées l’une dans l’autre. En les tournant, on rapproche ou on éloigne la platine de l’objectif. On fait d’abord un premier ajustement avec la vis macrométrique, puis on parfait l’image avec la vis micrométrique.

La boîte à outils

256

Section 2

L’observation au microscope Pour observer un objet au microscope, il faut suivre les indications suivantes à la lettre et dans l’ordre. COMMENT FAIRE LA MISE AU POINT ?

1 • Brancher le microscope et allumer le système d’éclairage. 2 • Déposer la lame porte-objet sur la platine. La maintenir en place à l’aide du chariot mécanique gradué ou des valets.

revolver porte-objectifs ou la bague de la focale variable.

5 • Régler l’ouverture du diaphragme ou du disque à la moitié.

Pour les étapes 1 à 7, ne pas regarder dans l’oculaire du microscope.

6 • Noter dans quel sens il faut tourner la vis macrométrique pour éloigner ou rapprocher la platine de l’objectif.

7 • Rapprocher l’objet à observer le plus près possible de l’objectif sans y toucher. Pour cela, regarder de côté, au niveau de la platine, la distance entre la lame et l’objectif.

8 • Regarder dans l’oculaire et éloigner lentement la platine de l’objectif avec la vis macrométrique. Arrêter quand l’image apparaît.

9 • Ajuster l’image en rapprochant ou en éloignant légèrement la platine de l’objectif avec la vis micrométrique. Arrêter lorsque l’image est nette.

10 • Recommencer la manipulation à partir de l’étape 3 s’il est impossible de voir l’image clairement.

11 • Augmenter ou diminuer l’éclairage à l’aide du diaphragme ou du disque, au besoin.

COMMENT AGRANDIR L’IMAGE ? • S’assurer que ce qu’on veut voir plus en détail est situé dans le centre du champ du microscope. C’est le cercle blanc dans lequel on voit l’image. • Sélectionner un grossissement moyen. • Refaire la mise au point en ajustant l’image avec la vis micrométrique (étape 9). • Augmenter le grossissement, au besoin.

La boîte à outils

ATTENTION : avec le microscope à objectifs multiples, il faut placer une goutte d’huile à immersion sur la lame avant de sélectionner l’objectif au plus fort grossissement (100 X). Rapprocher ensuite lentement la platine jusqu’à ce que l’huile fasse la jonction entre l’objectif et la lame.

257

Section 2

2 Section

4 • Sélectionner le plus faible grossissement en tournant le

Le matériel scientifique

3 • Centrer l’objet à observer dans l’ouverture de la platine.

Le transport et l’entretien Les microscopes sont des instruments fragiles et dispendieux. Voici des consignes pour en prendre soin. • Transporter le microscope en utilisant toujours les deux mains. Une main tient la potence et l’autre est placée sous le pied. • Nettoyer l’objectif et l’oculaire du microscope avec du papier à lentilles, avant chaque utilisation. Ne pas utiliser d’autres sortes de papier.

Le matériel scientifique

• Nettoyer la platine du microscope, au besoin. Utiliser du papier ordinaire. • Ranger le microscope comme suit : enrouler le cordon d’alimentation électrique de manière sécuritaire, recouvrir le microscope d’une housse et le placer dans un endroit à l’abri de la poussière.

Section

2

S2.11

Pour transporter un microscope, il faut placer une main sous le pied et tenir la potence de l’autre main. La boîte à outils

258

Section 2

SECTION

3 Comment mesurerž?

Pour choisir la bonne façon de mesurer et l’instrument approprié, on se base sur les critères suivants : • La précision requise. A-t-on besoin d’une précision de l’ordre du gramme ou du kilogramme ? Doit-on mesurer la longueur au centimètre près ou au millimètre près ? Veut-on connaître le volume en millilitres ou en litres ? • La grandeur. Quelle est la dimension de l’objet à mesurer ? Doiton connaître la distance entre deux maisons voisines ou entre deux villes ?

Comment mesurer ?

• La nature des substances à mesurer. S’agit-il d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz ?

3.1 Comment mesurer la longueur ? On mesure la longueur avec une règle (généralement de 15 cm ou de 30 cm), un mètre, un galon de couturière ou un ruban à mesurer. Ces instruments permettent une précision de l’ordre du millimètre, ce qui suffit habituellement.

UNE MÉTHODE DE MESURE

Dans certains cas, on doit utiliser des instruments plus précis ou plus appropriés aux conditions. Voici quelques exemples.

• S’assurer que le zéro de l’instrument est bien au début de l’objet à mesurer.

• La roue d’arpentage mesure en mètres les dimensions d’un terrain ou d’une section de route.

• Choisir l’unité de mesure.

• Le compteur métrique à fil perdu (ou topofil) indique, à l’aide d’un fil déroulant, la distance parcourue en forêt. • Le télémètre calcule la distance par des moyens optiques, acoustiques (ultrasons) ou électroniques (ondes radio). • Le récepteur GPS indique la distance parcourue. Il permet aussi de connaître sa position sur la planète à l’aide de signaux émis par les satellites. • Le podomètre indique la distance parcourue en comptant le nombre de pas marchés. • L’odomètre indique le kilométrage d’une voiture ou d’un vélo. • Le micromètre (palmer) mesure des objets au centième de millimètre près.

La boîte à outils

259

Section 3

• Prendre la lecture de la longueur avec la précision requise. • Consigner le résultat, au besoin.

3 Section

• Les conditions ou le milieu où la mesure est prise. Dans quel environnement prendra-t-on cette mesure ? Est-ce qu’on mesurera une distance en pleine forêt, sur une route ou sur l’eau ?

1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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13

14

S3.1

La largeur du crayon est de 6 mm et sa longueur est de 12,6 cm.

Voici quelques exemples de mesure de longueur : • La largeur d’une rue : 9,56 m ; • La distance entre Montréal et Québec par la route : 253 km ; • La taille de certains adolescents : 1,64 m ou 164 cm.

Comment mesurer ?

Les unités les plus utilisées pour mesurer la longueur sont : • le millimètre (mm) ; • le centimètre (cm) ; • le mètre (m) ; • le kilomètre (km).

3.2 Comment mesurer le volume des liquides ? Dans un laboratoire, on utilise souvent le bécher ou l’erlenmeyer pour mesurer le volume des liquides (voir la section 2, p. 253-254). Toutefois, ces récipients ne fournissent pas une mesure aussi précise que le cylindre gradué.

3 Section

Quel que soit le contenant, la surface du liquide qu’il contient n’est jamais parfaitement plane : elle remonte en touchant les bords. On appelle cette courbure « ménisque ». Ce phénomène est plus apparent dans un contenant étroit, comme dans le cas d’un cylindre gradué. Ménisque

UNE MÉTHODE DE MESURE AVEC LE CYLINDRE GRADUÉ • Lire la mesure sur la partie la plus basse du ménisque. • Vérifier la graduation du cylindre et utiliser la valeur de la plus petite division. En règle générale : – sur les cylindres de 10 ml, la plus petite division est de 0,1 ml ou de 0,2 ml, selon le modèle utilisé ; – sur les cylindres de 25 ml, la plus petite division est de 0,2 ml ou de 0,5 ml, selon le modèle utilisé ; – sur les cylindres de 50 ml et de 100 ml, la plus petite division est de 1 ml.

S3.2

Ce cylindre gradué contient 14,5 ml d’eau.

• Utiliser l’échelle appropriée si le cylindre gradué a deux échelles : – une échelle qui monte, avec le zéro au bas du récipient ; – une échelle qui descend, avec le zéro dans le haut du récipient.

La boîte à outils

260

Section 3

Comment mesurer ?

S3.3

Il faut vérifier attentivement la graduation du récipient.

Les unités les plus utilisées pour mesurer le volume des liquides sont :

3

• le millilitre (ml) ou le centimètre cube (cm3) ;

Section

• le litre (L) ou le décimètre cube (dm3) ; • le mètre cube (m3) si le volume est très grand.

3.3 Comment mesurer le volume des solides ? Les techniques et les instruments de mesure utilisés varient selon la forme (régulière ou irrégulière), la taille et la composition des solides à mesurer.

Mesurer un solide régulier Si le solide à mesurer a une forme régulière, comme un cube, un prisme ou un cylindre, on peut trouver son volume par une formule mathématique.

Mesurer un solide irrégulier Lorsqu’un solide a une forme irrégulière, on utilise un cylindre gradué pour trouver son volume. Si le solide est trop gros pour entrer dans un cylindre gradué, on se sert alors d’un vase de trop-plein. On peut aussi utiliser cette méthode pour mesurer le volume des solides réguliers.

La boîte à outils

261

Section 3

UNE MÉTHODE DE MESURE AVEC LE CYLINDRE GRADUÉ • Remplir partiellement le cylindre d’eau et noter exactement le volume de l’eau. Si le solide est soluble dans l’eau, utiliser de l’huile ou de l’alcool comme liquide. • Ajouter le solide dans le cylindre et noter de nouveau le volume du liquide. • Soustraire la première mesure de la deuxième mesure. La différence indique le volume du solide. S3.4

Comment mesurer ?

Le solide, ajouté au cylindre gradué à gauche, a fait monter son niveau d’eau.

Section

3

UNE MÉTHODE DE MESURE AVEC LE VASE DE TROP-PLEIN • Immerger délicatement le solide dans le liquide du vase de trop-plein.

• Placer un cylindre gradué ou un bécher gradué sous le déversoir du vase de trop-plein.

• Recueillir le liquide qui se déverse du vase de trop-plein et mesurer son volume. Le volume du solide irrégulier est égal au volume du liquide qui s’est déversé dans le bécher ou le cylindre.

• Remplir le vase de trop-plein d’eau jusqu’à ce qu’il déborde. Jeter l’eau qui déborde. Si le solide est soluble dans l’eau, utiliser de l’huile ou de l’alcool comme liquide.

S3.5

Après avoir ajouté le solide au vase de trop-plein à gauche, on a mesuré le liquide recueilli dans le bécher.

Les unités les plus utilisées pour mesurer le volume des solides sont : • le millilitre (ml) ou le centimètre cube (cm3) ; • le litre (L) ou le décimètre cube (dm3) ; • le mètre cube (m3) si le volume est très grand.

La boîte à outils

262

Section 3

3.4 Comment mesurer le volume des gaz ? Il y a plusieurs façons de mesurer le volume d’un gaz. La méthode la plus simple consiste à mesurer l’eau déplacée par le gaz. Dans l’exemple qui suit, le gaz est produit par une réaction chimique dans un erlenmeyer fermé d’un bouchon.

UNE MÉTHODE DE MESURE

• Prendre un tube de caoutchouc qui se termine par un tube de verre recourbé en U. Insérer l’extrémité du tube de verre dans le cylindre gradué.

Bouchon troué

Comment mesurer ?

• Remplir à ras bord un cylindre gradué avec de l’eau. Poser un papier rigide sur son ouverture afin de la fermer, puis poser la main sur le papier pour le tenir en place. Tout en continuant à tenir le papier, tourner le cylindre gradué à l’envers et immerger immédiatement le cylindre dans l’eau du bécher en évitant de laisser entrer des bulles d’air.

Cylindre gradué

Tube de caoutchouc

Erlenmeyer

Tube de verre en U

3 Section

• Remplir partiellement un grand bécher avec de l’eau.

S3.6

Le gaz s’échappe de l’erlenmeyer pour entrer dans le cylindre gradué.

• Relier l’autre extrémité du tube de caoutchouc à l’erlenmeyer qui contient le gaz à mesurer. Pour ce faire, insérer le tube dans un bouchon troué et poser ce bouchon sur l’erlenmeyer. (Ce bouchon remplace le bouchon qui fermait hermétiquement le contenant.) Le gaz peut alors s’échapper de l’erlenmeyer pour entrer dans le cylindre gradué. • Lire le volume qu’occupe le gaz dans le cylindre gradué.

Les unités les plus utilisées pour mesurer le volume des gaz sont : • le millilitre (ml) ou le centimètre cube (cm3) ; • le litre (L) ou le décimètre cube (dm3) ; • le mètre cube (m3) si le volume est très grand.

La boîte à outils

263

Section 3

3.5 Comment mesurer la masse ? On mesure la masse avec une balance. La précision d’une balance est d’environ la moitié de la valeur de sa plus petite division. La capacité d’une balance est la masse maximale qu’elle peut peser. Dans les cours de science et technologie, on se sert habituellement d’une balance à fléaux pour mesurer la masse.

Curseurs

Fléaux

Aiguille

Plateau

Comment mesurer ?

Bouton d’ajustement

S3.7

Cette balance est munie d’un plateau et de trois fléaux.

3 Section

• La balance à un plateau peut avoir un, deux ou trois fléaux (ou leviers) dotés de contrepoids. Ces contrepoids sont appelés « curseurs ». Ils sont munis d’un index qui indique la masse mesurée sur les graduations des fléaux (photo S3.8). • La balance à deux plateaux possède généralement deux fléaux. Dans ce cas, au lieu de déplacer des curseurs, on essaie de créer l’équilibre entre les deux plateaux. Sur le plateau de gauche, on dépose l’objet à peser. Sur le plateau de droite, on ajoute des masses connues jusqu’à ce qu’on atteigne l’équilibre. Curseurs

Fléaux

S3.8

Le fléau supérieur indique 70 g, alors que le fléau inférieur indique 4,6 g. La masse totale est donc de 74,6 g.

La boîte à outils

Index

264

Section 3

Voici des consignes pour utiliser une balance à fléaux dotée d’un seul plateau. Pour les autres types de balance, suivre les consignes de l’enseignante ou de l’enseignant. UNE MÉTHODE DE MESURE • S’assurer que le plateau est propre. • Placer l’index des curseurs vis-à-vis de la ligne qui indique le zéro. À l’aide du bouton d’ajustement, ajuster la balance à zéro, au besoin. • Déposer l’objet à peser sur le plateau. L’aiguille des fléaux se déplacera vers le haut.

Comment mesurer ?

• Déplacer lentement le curseur sur le fléau qui indique les plus grandes divisions. Quand l’aiguille des fléaux redescend, reculer le curseur d’une division. L’aiguille devrait pointer vers le haut à nouveau. • Déplacer le fléau intermédiaire de la même façon. ATTENTION : le curseur doit être exactement dans son logement ! On entend un déclic quand il s’y place.

3 Section

• Avancer le curseur sur le fléau qui indique les plus petites divisions, jusqu’à ce que l’aiguille soit sur le zéro. • Noter les indications données par les différents index des curseurs et les additionner. FAIRE LA TARE Lorsqu’on veut peser une poudre, un liquide ou une autre substance qui peut endommager le plateau de la balance, on doit déposer la substance dans un pèse-matière, un contenant ou sur un papier. Pour connaître la masse exacte de la substance, on doit alors tenir compte de la masse du contenant. C’est ce qu’on appelle « faire la tare ». Parmi les autres sortes de balances souvent utilisées, on trouve le peson (balance à ressort dotée d’un crochet auquel on suspend l’objet à peser), le pèse-personne et la balance électronique. Dans tous les cas, il faut s’assurer d’abord que la balance indique bien le zéro et faire la tare, s’il y a lieu. Les unités les plus utilisées pour mesurer la masse sont : • le gramme (g) ; • le kilogramme (kg) ; • la tonne métrique (1000 kg) si la masse est très grande.

La boîte à outils

265

Section 3

• Peser le contenant vide et noter la masse obtenue. • Repeser le contenant, cette fois avec la substance. • Soustraire la masse de la première pesée (contenant vide) de la masse de la deuxième pesée (contenant et substance). La différence indique la masse de la substance.

3.6 Comment mesurer la température ? Il existe une très grande variété de thermomètres pour mesurer la température. Certains d’entre eux sont utilisés dans la vie de tous les jours. D’autres servent uniquement dans les laboratoires de recherche et l’industrie. Le fonctionnement des thermomètres est basé sur de nombreux principes scientifiques. Le plus courant est la dilatation d’un corps sous l’effet de l’augmentation de la température.

Comment mesurer ?

• À la maison, on utilise souvent les thermomètres à liquide. Le liquide qui se dilate peut être du mercure (gris) ou de l’alcool (rouge). Comme le mercure devient solide à environ –39 °C, on choisit le thermomètre à alcool pour mesurer la température à l’extérieur. S3.9

Thermomètre extérieur (à alcool).

• Les thermomètres électroniques sont munis, eux aussi, d’une composante sensible à la chaleur. Dans le thermomètre médical électronique, cette composante mesure en quelques secondes la température du corps. D’autres thermomètres électroniques sont dotés d’un capteur (ou sonde). Ils sont parfois reliés à un ordinateur qui enregistre automatiquement les températures.

3 Section

• On utilise également le thermomètre à cadran. Il est doté d’un élément métallique qui se dilate à la chaleur.

S3.10

Thermomètre à cadran.

S3.11

Thermomètre médical électronique.

UNE MÉTHODE DE MESURE • Placer le réservoir du thermomètre en contact avec la substance ou l’objet. • S’assurer que le réservoir du thermomètre ne touche pas le fond ni les parois du contenant. • Observer le liquide du thermomètre quelques instants. Quand il se fixe de nouveau, lire la température indiquée.

S3.12

• Observer la graduation de l’instrument pour lire la température exacte. Utiliser la plus petite division.

Thermomètre de laboratoire.

La boîte à outils

266

Section 3

50 70 60 °C

°C 50

100 90

40

50 40

80 70 60

30

40

50 20

40

30

30 10

20 10

S3.13

S3.14

La plus petite division de ce thermomètre est 2 °C. On lira donc 52 °C plus la moitié de la division suivante, soit 1 °C. La température indiquée est 53 °C.

La plus petite division de ce thermomètre est 1 °C. La température indiquée est donc 37 °C.

Pour mesurer la température, on utilise l’échelle des degrés Celsius, où l’eau gèle à 0 °C et bout à 100 °C.

• Manipuler les thermomètres avec soin car ils sont fragiles. Leur réservoir, en particulier, peut se briser facilement. • Ne jamais mélanger des substances avec un thermomètre. • Éviter de frapper le thermomètre contre les parois des récipients. • Ranger le thermomètre sans tarder après son utilisation. Laissé sur une table, il a tendance à rouler. Et s’il tombe, il se brisera. ATTENTION : si un thermomètre à mercure se casse, avertir immédiatement l’enseignante ou l’enseignant. Le mercure est toxique et il doit être récupéré de façon sécuritaire.

267

Section 3

Section

3

QUELQUES RÈGLES DE SÉCURITÉ

La boîte à outils

Comment mesurer ?

0

0

3.7 Comment mesurer le pH d’une substance ? On peut mesurer le pH d’une substance avec du papier de tournesol (qui n’indique que l’acidité ou la basicité), du papier pH, des solutions de colorants indicateurs (indicateur universel) et des appareils appelés « pH-mètres ». L’indicateur universel, le papier pH et le pH-mètre de jardinage donnent une précision de l’ordre de 1 unité de pH. Pour obtenir une mesure plus précise (de l’ordre de 0,1 unité de pH), il faut un pH-mètre plus perfectionné.

Augmentation de l’acidité

Comment mesurer ?

Neutre

S3.15

S3.16

Échelle du pH et indicateur universel.

Papier pH.

Section

3

Augmentation de la basicité

S3.17

S3.18

pH-mètre.

pH-mètre de poche.

La boîte à outils

268

Section 3

Mesurer le pH des liquides On peut mesurer le pH des liquides de trois façons.

• Tremper le papier pH dans le liquide. • Comparer la couleur du papier à celles de l’échelle qui figure sur l’emballage du distributeur de papier.

AVEC LE PH-MÈTRE

• Verser 2 ml ou 3 ml du liquide dans un contenant, par exemple une éprouvette.

• Lire le mode d’emploi du pH-mètre (il peut varier d’un appareil à l’autre).

• Ajouter 3 ou 4 gouttes d’indicateur universel.

• Vérifier la précision de l’instrument avec une solution ayant un pH connu.

Si on ne pense pas avoir besoin du liquide une fois qu’on aura mesuré son pH, on peut laisser tomber les gouttes d’indicateur directement dans le liquide.

3 Section

• Comparer la couleur du liquide à celles de l’échelle fournie avec l’indicateur universel.

• Rincer les électrodes avec de l’eau distillée avant et après chaque lecture.

Comment mesurer ?

AVEC L’INDICATEUR UNIVERSEL DE pH

AVEC LE PAPIER pH

Mesurer le pH des solides Le pH des solides se mesure de différentes façons. Voici les plus courantes. • On transforme une partie du solide en solution. On trouve ensuite le pH de la solution obtenue à l’aide de papier pH, de l’indicateur universel ou d’un pH-mètre. Par exemple, si on veut mesurer le pH d’un pain de savon, on en dilue un morceau dans de l’eau et on trouve le pH de la solution obtenue avec du papier pH. • Lorsqu’on ne veut pas diluer une partie du solide, on verse quelques gouttes d’indicateur universel directement sur un morceau du solide.

La boîte à outils

269

Section 3

Mesurer le pH des sols Il est souvent utile de mesurer le pH d’un sol. Voici deux façons de le faire. AVEC L’INDICATEUR UNIVERSEL

AVEC UN pH-MÈTRE DE JARDINAGE

• Déposer une pincée de terre dans un petit contenant d’eau.

• Lire le mode d’emploi du pH-mètre de jardinage. • Enfoncer la ou les sondes dans le sol. • Lire la valeur du pH donnée.

• Comparer la couleur de la solution à celles de l’échelle graduée fournie avec l’indicateur. S3.19

pH-mètre de jardinage.

3

3.8 Les unités de mesure du système international (SI)

Section

Comment mesurer ?

• Ajouter quelques gouttes d’indicateur universel.

Plus de 90 % de l’humanité utilise le système international d’unités (SI). Ce système de mesure provient du système métrique. Le tableau suivant fournit les unités de longueur, de masse et de volume couramment utilisées, ainsi que des multiples, des préfixes et des symboles du SI. MULTIPLES, PRÉFIXES ET SYMBOLES DES UNITÉS DE MESURE* Multiple

Préfixe

Symbole

Unité de longueur

Unité de masse

Unité de volume

103 = 1000

kilo

k

kilomètre (km)

kilogramme (kg)

kilolitre (kl)

102 = 100

hecto

h

hectomètre (hm)

hectogramme (hg)

hectolitre (hl)

101 = 10

déca

da

décamètre (dam)

décagramme (dag)

décalitre (dal)

mètre (m)

gramme (g)

litre (L)

100 = 1 10-1 = 0,1

déci

d

décimètre (dm)

décigramme (dg)

décilitre (dl)

10-2 = 0,01

centi

c

centimètre (cm)

centigramme (cg)

centilitre (cl)

10-3 = 0,001

milli

m

millimètre (mm)

milligramme (mg)

millilitre (ml)

10-6 = 0,000 001

micro

µ

micromètre (µm)

microgramme (µg)

microlitre (µl)

* Les unités utilisées couramment sont en caractères gras.

La boîte à outils

270

Section 3

SECTION

4 Comment utiliser certains

4.1 Comment mesurer le point de fusion ? Pour mesurer le point de fusion d’une substance solide, il faut la chauffer doucement et noter à quelle température elle commence à fondre.

UNE MÉTHODE DE MESURE

CHAUD

• Remplir un bécher de 400 ml aux deux tiers d’eau.

Pince à thermomètre

• Déposer le bécher sur une plaque chauffante. • Verser le solide dont on veut mesurer le point de fusion dans l’éprouvette, jusqu’à une hauteur de 3 cm. Cette quantité permet de recouvrir complètement le réservoir du thermomètre. • Fixer l’éprouvette à un support universel à l’aide d’une pince universelle.

Thermomètre

Éprouvette

Bécher

• Plonger l’éprouvette dans l’eau du bécher. S’assurer que la base de l’éprouvette est à au moins 1 cm du fond du bécher.

Pince universelle Support universel

Substance solide

Plaque chauffante

• Placer un thermomètre dans l’éprouvette et le fixer au support universel à l’aide d’une pince à thermomètre. • Chauffer doucement. • S’assurer que le thermomètre est en contact avec la phase liquide de la substance lorsque cette dernière commence à fondre.

S4.1

Il faut noter la température dès que du liquide apparaît.

• Noter la température dès qu’un peu de liquide se forme au fond de l’éprouvette. • Continuer à chauffer et noter la température aux 30 secondes. • Poursuivre l’expérience jusqu’à ce que toute la phase solide soit fondue.

Le point de fusion correspond à la température notée au moment où le solide commence à fondre. Lorsque la substance est pure, la température reste constante tant qu’il y a une phase liquide et une phase solide. Lorsqu’il s’agit d’un mélange, la température ne reste jamais constante.

La boîte à outils

271

Section 4

4 Section

Un procédé, c’est une méthode dont on se sert pour parvenir à un résultat déterminé. Les procédés présentés dans cette section permettent de mesurer certaines propriétés caractéristiques ou de séparer les constituants d’un mélange.

Comment utiliser certains procédés en science ?

procédés en sciencež?

Comment utiliser certains procédés en science ?

4.2 Comment mesurer le point d’ébullition ? Pour mesurer le point d’ébullition d’une substance liquide, il faut la chauffer doucement et noter à quelle température elle commence à bouillir. UNE MÉTHODE DE MESURE

• Remplir un bécher de 400 ml aux deux tiers d’eau.

Support universel Pince à thermomètre

• Déposer le bécher sur une plaque chauffante. • Mesurer 6 ml du liquide dont on veut mesurer le point d’ébullition et le verser dans une éprouvette.

Thermomètre Pince universelle

• Fixer l’éprouvette à un support universel à l’aide d’une pince universelle.

Éprouvette

Bécher

Substance liquide

• Plonger l’éprouvette dans l’eau du bécher. S’assurer que la base de l’éprouvette est à au moins 1 cm du fond du bécher.

Plaque chauffante

• Placer un thermomètre dans l’éprouvette et le fixer au support universel à l’aide d’une pince à thermomètre. • Chauffer doucement.

4 Section

CHAUD

• Noter la température dès que le liquide commence à bouillir (des bulles se forment). • Continuer à chauffer et noter la température aux 30 secondes.

S4.2

Il faut noter la température dès que des bulles se forment.

• Cesser de chauffer si la température demeure constante depuis quelques minutes.

Le point d’ébullition correspond à la température notée au moment où le liquide commence à bouillir. Lorsque la substance est pure, la température reste constante aussi longtemps que la phase liquide est présente. Lorsqu’il s’agit d’un mélange, la température ne demeure jamais constante.

4.3 Comment déterminer si une substance conduit l’électricité ? Pour savoir si une substance est conductrice, on peut se servir du détecteur de conductibilité. C’est un petit appareil très simple qu’on peut utiliser avec toutes sortes de matériaux, qu’ils soient solides ou

La boîte à outils

272

Section 4

liquides. On peut en fabriquer un avec une pile, une petite ampoule et quelques bouts de fils électriques qui serviront d’électrodes.

UNE MÉTHODE POUR LES MÉLANGES LIQUIDE-SOLIDE

Comment utiliser certains procédés en science ?

On place les deux électrodes en contact avec la substance à tester. Si la substance est conductrice, l’ampoule s’allumera.

• Agiter le mélange afin de bien mêler ses constituants.

4

On peut aussi se servir d’un multimètre. C’est un appareil plus perfectionné qui permet de mesurer, entre autres, l’intensité du courant électrique.

4.4 Comment séparer les mélanges ?

S4.3

Le choix de la méthode de séparation dépend du type de mélange et de ses constituants.

Le multimètre indique la conductibilité électrique d’un matériau ou d’un objet.

La décantation Cette méthode permet de séparer les mélanges hétérogènes qui contiennent au moins une phase liquide. On s’en sert aussi pour séparer des mélanges faits de deux liquides non miscibles, comme l’eau et l’huile.

Section

• Verser le mélange dans un contenant en verre. L’utilisation d’un contenant étroit, comme le cylindre gradué, facilite l’opération. • Laisser reposer le mélange jusqu’à ce qu’il y ait une ligne de séparation bien nette entre les phases. Cela peut prendre de quelques minutes à plusieurs heures, selon la nature des constituants du mélange.

S4.4

La gravité provoque la séparation des constituants du mélange.

• Transvider délicatement le liquide surnageant en évitant de brouiller le mélange. Pour retenir plus facilement le solide dans le récipient tout en laissant passer le liquide, poser une tige de verre en travers de l’ouverture.

La boîte à outils

273

Section 4

Si l’on veut récupérer le solide, il faut l’assécher (voir « L’évaporation », page 276).

Comment utiliser certains procédés en science ?

Lorsque le mélange est fait de constituants liquides uniquement, on peut utiliser une ampoule à décantation. UNE MÉTHODE AVEC L’AMPOULE À DÉCANTATION • Agiter le mélange afin de bien mêler ses constituants. • Verser le mélange dans l’ampoule à décantation. • Laisser reposer le mélange jusqu’à ce que les liquides se superposent et soient bien séparés. S4.5

Lorsque les liquides sont séparés, l’ampoule facilite le déversement.

• Retirer le bouchon de l’ampoule afin que le liquide puisse s’écouler. • Ouvrir le robinet de l’ampoule et laisser passer les liquides un à un. Recueillir les liquides séparément.

La centrifugation On utilise cette méthode pour séparer des mélanges hétérogènes qui ont au moins une phase liquide. On choisit la centrifugation plutôt que la décantation quand :

4 Section

• les constituants du mélange prennent beaucoup de temps à décanter; • les volumes à traiter ne sont pas trop grands.

UNE MÉTHODE AVEC LA CENTRIFUGEUSE • Agiter le mélange pour bien mêler ses constituants. • Verser le mélange, en parts égales, dans des tubes à centrifugation ou dans des éprouvettes. Les récipients doivent tous contenir le même volume de mélange. Lorsqu’il y a déséquilibre entre les volumes, la centrifugeuse se met à vibrer.

S4.6

Les tubes doivent contenir la même quantité de mélange.

• Disposer les tubes comme suit dans l’appareil : – Un tube de mélange : verser le même volume d’eau dans un autre tube et placer les deux tubes face à face ; – Deux ou quatre tubes de mélange : placer les tubes face à face ; – Trois tubes de mélange : laisser un espace vide entre chaque tube ; – Cinq tubes de mélange : remplir l’emplacement restant d’un tube contenant le même volume d’eau.

La boîte à outils

274

Section 4

ATTENTION : ne jamais arrêter l’appareil avec les mains ! Toujours laisser l’appareil s’arrêter de lui-même.

• Laisser tourner la centrifugeuse quelques minutes si elle ne vibre pas. De 3 à 5 minutes suffisent pour la plupart des mélanges. • Arrêter l’appareil. Une fois qu’il ne tourne plus, retirer les tubes de leur emplacement.

S4.7

Les tubes doivent être placés adéquatement pour ne pas que l’appareil vibre.

• Transvider délicatement le liquide surnageant dans un bécher ou dans une éprouvette.

Le tamisage Cette méthode permet de séparer les différents constituants solides des mélanges hétérogènes. Toutefois, le tamisage ne permet pas nécessairement de séparer tous les constituants les uns des autres. Par exemple, des particules qui sont de nature différente mais qui ont une taille semblable passeront par le même tamis. UNE MÉTHODE POUR TAMISER • Choisir les tamis en fonction de la grosseur des particules solides. Utiliser plusieurs tamis pour recueillir des particules solides de différentes grosseurs. Commencer avec un tamis à grands trous, puis passer à des tamis dont les trous sont de plus en plus petits. • Verser le mélange dans le tamis. • Agiter doucement le tamis au-dessus d’un récipient afin de faire passer les particules par les trous. S4.8

Il faut choisir le tamis selon la grosseur des particules.

La boîte à outils

275

Section 4

Comment utiliser certains procédés en science ?

3

4 Section

2

• Démarrer la centrifugeuse. En quelques secondes, elle tournera à très grande vitesse. Si la centrifugeuse vibre, c’est qu’elle est déséquilibrée. Il faut alors arrêter l’appareil et vérifier l’équilibrage des tubes.

La filtration

Comment utiliser certains procédés en science ?

Cette méthode permet de séparer la phase liquide des constituants solides d’un mélange hétérogène. UNE MÉTHODE POUR FILTRER • Choisir le papier-filtre approprié : – le papier-filtre « grossier » ou « rapide » laisse passer le liquide rapidement, mais il peut aussi laisser passer des particules solides fines ; – le papier-filtre « lent » ou « fin » retient les particules fines, mais il laisse passer le liquide lentement. • Plier le papier-filtre en deux, puis en quatre. Former un cône en plaçant trois épaisseurs de papier d’un côté et une seule de l’autre. • Déposer le cône dans l’entonnoir. Mouiller le filtre afin qu’il adhère bien à l’entonnoir. • Placer l’entonnoir dans l’ouverture d’un contenant, de préférence un erlenmeyer. Au besoin, maintenir l’entonnoir en place à l’aide d’un support à anneau ou à entonnoir, ou à l’aide d’une pince.

4 Section

• S’assurer que le bout de l’entonnoir ne touche pas le fond du contenant ou qu’il ne trempe pas dans le liquide déjà filtré, car cela empêcherait le liquide de couler. • Verser doucement le mélange à filtrer dans l’entonnoir, sans dépasser le rebord du papier. Le solide restera dans le papierfiltre et le liquide s’écoulera lentement dans le contenant.

S4.9

Le papier-filtre doit être plié en quatre pour former un cône.

L’évaporation Cette méthode permet de séparer les constituants des mélanges, hétérogènes ou homogènes, qui contiennent peu de liquide. UNE MÉTHODE À L’AIR LIBRE

UNE MÉTHODE D’ACTIVATION

• Verser le mélange dans un contenant ayant une grande ouverture, par exemple un bécher ou un verre de montre, selon la quantité de mélange à évaporer.

• Chauffer doucement le mélange pour activer le processus. • Éviter en tout temps de faire bouillir le mélange.

• Laisser sécher le mélange à l’air libre. Le liquide s’évaporera doucement.

La boîte à outils

276

Section 4

La distillation

UNE MÉTHODE SIMPLE

Comment utiliser certains procédés en science ?

Cette méthode permet de recueillir la phase liquide des mélanges hétérogènes ou homogènes. Voici deux méthodes de distillation.

CHAUD

• Verser le mélange à distiller dans un erlenmeyer, un ballon ou une éprouvette. Mettre un bouchon troué dans l’ouverture du récipient. • Poser le récipient sur une plaque chauffante. Si le mélange a été versé dans un ballon ou une éprouvette, utiliser un support universel et une pince universelle pour maintenir le récipient en place. • Assembler un tube de caoutchouc et un tube de verre coudé à angle de 90°. Insérer le tube de verre dans le bouchon du récipient. • Placer l’autre extrémité du tube de caoutchouc dans une éprouvette reposant dans un bécher contenant de la glace. • Chauffer modérément le mélange pour éviter que le liquide pénètre dans le tube de caoutchouc. Tube de caoutchouc

Tube de verre coudé à angle de 90° Bouchon troué

Éprouvette

Erlenmeyer

Bécher

Plaque chauffante Glace S4.10

Le liquide dont le point d’ébullition est le plus bas entre en ébullition. Il se transforme alors en gaz, s’évapore dans le tube et redevient liquide dans l’éprouvette glacée.

La boîte à outils

277

Section 4

4 Section

• Arrêter de chauffer pendant qu’il reste encore un peu de liquide dans le récipient contenant le mélange, sinon il pourrait se briser.

UNE MÉTHODE AVEC LE TUBE RÉFRIGÉRANT

CHAUD

• Réaliser le montage illustré :

Comment utiliser certains procédés en science ?

– Choisir un ballon correspondant au volume de mélange à distiller. – Fixer ce ballon à un support universel avec une pince universelle. – Placer une plaque chauffante sous le ballon. – Installer un tube réfrigérant à un autre support universel à l’aide d’une pince universelle. – Verser quelques pierres poreuses dans le ballon contenant le mélange afin d’obtenir une ébullition stable du liquide. – Fixer le tube réfrigérant au ballon à l’aide d’un tube coudé à angle de 70° et de deux bouchons troués. – Placer l’extrémité d’un tube de caoutchouc à l’entrée d’eau située au bas du tube réfrigérant. Relier l’autre extrémité du tube au robinet d’eau froide. – Relier la sortie d’eau, située dans le haut du tube réfrigérant, à un tube de caoutchouc qui va au lavabo. Supports universels

– Placer un contenant sous la sortie du tube réfrigérant pour recueillir le liquide distillé.

• Ouvrir doucement le robinet d’eau froide. Vérifier s’il n’y a pas de fuite et si l’eau s’écoule bien dans le lavabo.

Section

4 Tube coudé à angle de 70°

Sortie d’eau

Tube réfrigérant

• Faire chauffer le mélange modérément. Quand le mélange commence à bouillir, maintenir le niveau de chauffage pour conserver une ébullition modérée. Si de la vapeur sort du tube réfrigérant, diminuer le chauffage.

Entrée d’eau Pince universelle Ballon

Tubes de caoutchouc

Plaque chauffante

• Arrêter de chauffer pendant qu’il reste encore un peu de liquide dans le ballon, sinon il pourrait se briser. Contenant pour recueillir le liquide distillé

S4.11

Le liquide dont le point d’ébullition est le plus bas entre en ébullition. Il se transforme alors en gaz et s’évapore dans le tube réfrigérant, où il redevient liquide.

La boîte à outils

278

Section 4

de petits environnements artificielsž? On peut facilement aménager, en classe ou à la maison, de petits environnements artificiels. Ces aménagements permettent d’observer des vivants, d’étudier les relations qu’ils ont entre eux et avec leur milieu.

5.1 Comment aménager un mini-aquarium ? La réalisation d’un mini-aquarium demande peu de matériel : une grosse bouteille, un peu de sable ou de gravier, des plantes aquatiques et, évidemment, des poissons !

S5.1

Ce mini-aquarium est facile à faire et prend peu de place.

L’INSTALLATION des bactéries qui pourront recycler les déchets. S’assurer que le gravier et l’eau proviennent d’un aquarium qui n’a aucune maladie.

• Trouver un contenant de 1 L ou de 2 L, en verre ou en plastique transparent. Ce pourrait être une bouteille de boisson gazeuse, un contenant de crème glacée ou un grand pot de conserve. Laver le contenant et le rincer abondamment afin qu’il ne reste plus de trace de produit nettoyant.

• Laisser reposer l’aquarium au moins deux jours, si possible une semaine, afin que les bactéries se développent.

• Rincer à l’eau plusieurs fois un peu de sable ou du petit gravier afin de le débarrasser de ses saletés. Déposer le sable ou le gravier dans le fond du contenant pour former une couche d’environ 5 cm d’épaisseur.

• Choisir les poissons selon les critères suivants : – leur taille (habituellement on calcule 1 cm de longueur de poisson pour 2 L d’eau) ; – leur alimentation ; – leurs besoins en lumière et en oxygène ; – leur agressivité entre eux ou envers d’autres espèces ; – leur résistance aux variations du milieu.

• Ajouter juste assez d’eau pour recouvrir le gravier ou le sable. • Placer dans cette couche de fond les plantes aquatiques et, s’il y a lieu, les autres éléments de décor, par exemple des cailloux.

• S’assurer que la température de l’eau convient aux poissons choisis.

• Verser délicatement de l’eau jusqu’au niveau souhaité.

• Éviter d’exposer l’aquarium à la lumière du soleil car l’eau se réchaufferait et pourrait entraîner la mort des poissons. De plus, les algues se multiplieraient très vite.

• Si possible, ajouter un peu de gravier et quelques millilitres d’eau provenant d’un autre aquarium. Cela permet d’introduire

La boîte à outils

279

Section 5

Comment aménager de petits environnements artificiels ?

5 Comment aménager

5 Section

SECTION

Comment aménager de petits environnements artificiels ?

5.2 Comment aménager un vivarium ? Un vivarium permet de recréer artificiellement un habitat particulier. Il est plus facile de réaliser un vivarium qui n’a pas d’animaux car on peut alors le transformer en écosystème autonome, fermé par un couvercle.

Plante Élément décoratif

Terreau

Moustiquaire ou nylon S5.2

Le vivarium peut reconstituer un environnement particulier, par exemple un désert, une forêt équatoriale ou une tourbière.

Charbon de bois Sable ou gravier

Section

5 LE VIVARIUM SANS ANIMAUX • Trouver un contenant transparent, en verre ou en plastique, d’au moins 10 L. Par exemple, ce peut être un gros bac de plastique ou un aquarium. Les récipients plus petits peuvent convenir, mais on devra y mettre moins d’espèces. Il sera aussi plus difficile de maintenir l’équilibre de leur milieu. Laver, rincer plusieurs fois et assécher le récipient. • Déposer au fond du gros sable ou du gravier afin de former une couche de 1 cm à 4 cm d’épaisseur, selon la grosseur du contenant. Cette couche permettra de drainer le surplus d’eau, s’il y a lieu. • Ajouter une couche de 1 cm de charbon de bois pour absorber les odeurs. • Recouvrir le charbon d’une fine moustiquaire ou d’un tissu synthétique (le nylon, par exemple) pour empêcher le terreau de s’infiltrer dans le gravier ou le sable. • Déposer une couche du terreau approprié : terre pour les cactus et les plantes tropicales ou terreau acide pour les plantes de tourbière. S’assurer que la couche de terreau est assez épaisse pour

La boîte à outils

280

Section 5

• Ajouter des éléments décoratifs, par exemple des cailloux. Laver, rincer et assécher ces éléments avant de les placer dans le vivarium. • Choisir les plantes en fonction des critères suivants : – elles sont représentatives du milieu que l’on veut recréer ; – elles poussent lentement ; – elles ne deviennent pas trop hautes ; – elles ont les mêmes besoins concernant la lumière, l’humidité et la température.

LE VIVARIUM AVEC ANIMAUX • Suivre les consignes ci-dessus pour préparer le milieu dans lequel les animaux vivront. S’assurer que ce milieu correspond à l’habitat des animaux choisis.

• Prévoir une source d’alimentation en eau et changer souvent cette eau.

5 S5.3

Cette grenouille léopard s’adapte bien à la vie en vivarium.

• Nourrir les animaux selon les recommandations de l’animalerie, ou celles de l’enseignante ou de l’enseignant. Les types et la quantité d’aliments ainsi que la fréquence des repas varient selon les espèces et le nombre d’animaux. • Ajouter un petit bassin, par exemple un bol de plastique, si les animaux choisis ont besoin de se baigner régulièrement. Il faut qu’ils puissent entrer facilement dans ce bassin et en sortir tout aussi facilement. • Aménager une zone où les animaux pourront se cacher, au besoin. • Prévenir les évasions en ajoutant un grillage sur la partie ouverte du vivarium. Placer aussi les animaux dans des cages fermées lorsqu’on les retire du vivarium pour le nettoyer. S’assurer que les animaux ne pourront pas ouvrir le grillage ni les portes des cages de l’intérieur.

La boîte à outils

281

Section 5

Section

• Choisir, de préférence, des animaux à sang froid (insectes, amphibiens et reptiles) car ils s’adaptent bien en milieu artificiel. Leur métabolisme, leur activité et leurs besoins en nourriture sont moins grands que ceux des animaux à sang chaud (oiseaux et mammifères).

Comment aménager de petits environnements artificiels ?

permettre l’enracinement des plantes. En général, les trois couches (gravier ou sable, charbon et terreau) devraient occuper entre le tiers et la moitié de la hauteur du contenant.

Comment aménager de petits environnements artificiels ?

L’ENTRETIEN • Éviter d’arroser trop souvent le vivarium. Utiliser de l’eau qui a reposé une journée ou deux afin que le chlore s’en soit évaporé. Au premier arrosage, verser l’eau jusqu’à ce qu’elle commence à s’écouler dans le gravier (sauf si le vivarium contient des plantes désertiques). Les quantités d’eau et la fréquence des arrosages varient selon les plantes et les animaux du vivarium. • Placer le vivarium dans un lieu éclairé par des lampes fluorescentes ou par la lumière naturelle. Respecter les besoins des plantes en ce qui concerne la quantité de lumière. Éviter l’exposition directe au soleil car le vivarium surchaufferait et les vivants qu’il contient pourraient en mourir. • Ajouter de l’engrais liquide à base d’émulsion de poisson lorsque les plantes sont en période de croissance. Faire cet ajout une fois par mois au maximum. • Retirer les feuilles mortes. Tailler les plantes trop envahissantes.

5.3 Comment aménager un milieu de compostage ?

5 Section

Le compostage sert à recycler des matières provenant de certains vivants. On peut utiliser le compost pour améliorer le sol d’un jardin ou celui des pots de fleurs, par exemple. Le lombricompostage, ou vermicompostage, permet de transformer en compost de petites quantités de déchets. Ce sont des vers de terre (lombrics) qui provoquent cette transformation.

Trou d’aération Couvercle Cœur de pomme Terreau Vers Moustiquaire Trou de drainage

S5.4

Ce lombricomposteur est facile à réaliser.

Plateau

La boîte à outils

282

Section 5

• Choisir un contenant de plastique de la taille d’un bac à recyclage. Il doit être muni d’un couvercle.

• Se procurer l’une des espèces de vers rouges pouvant servir au lombricompostage. Elles sont vendues par des fournisseurs spécialisés. Les deux espèces les plus utilisées sont le ver du fumier (Eisenia fœtida) et le ver de Californie (Eisenia endreï). Les gros lombrics que l’on voit dans les jardins ne font pas l’affaire.

• Faire des trous d’aération dans le couvercle et des trous de drainage dans le fond du bac. Recouvrir ces trous d’une fine moustiquaire pour empêcher les vers de s’évader. • Placer un plateau sous le bac. Ce plateau servira à recueillir le surplus de liquide.

• Nourrir les vers une fois par semaine avec des déchets végétaux de cuisine : pelures ou restes de fruits et de légumes, marc de café, etc. Couper les résidus en petits morceaux. Ne pas mettre au compostage des matières animales comme des restes de viandes, du gras et des os.

• Préparer le terreau, ou litière, dans lequel les vers vivront. Pour cela, mélanger des parts égales de sable, de terre à jardinage et de papier déchiqueté. Au total, la litière devrait mesurer de 5 cm à 10 cm d’épaisseur. Maintenir ce milieu légèrement humide.

5.4 Comment aménager un milieu de culture pour les protozoaires ?

5 Section

Il est facile de réaliser un milieu de culture dans le but d’observer les protozoaires au microscope. Les protozoaires sont présents dans tous les milieux humides. On en trouve aussi dans le sol, sur les plantes et les débris végétaux secs, mais sous une forme de vie très ralentie. L’INSTALLATION Pellicule de plastique

• Choisir un contenant en verre ou en plastique de 250 ml à 1 L. Un bécher ferait très bien l’affaire. • Placer dans le fond du contenant une poignée de terre. Ajouter ensuite une poignée de débris végétaux, comme des feuilles mortes, du foin ou de l’herbe.

Bécher

• Recouvrir cette couche de fond de 5 cm à 10 cm d’eau provenant d’un étang, d’un ruisseau ou d’un aquarium. On peut aussi utiliser l’eau du robinet, mais il faut la laisser reposer une journée avant de la verser dans le contenant pour que le chlore s’évapore. • Recouvrir le contenant d’un couvercle ou d’une pellicule de plastique afin d’éviter que l’eau s’évapore. Ne pas fermer hermétiquement le contenant.

La boîte à outils

283

Section 5

Comment aménager de petits environnements artificiels ?

L’INSTALLATION

Eau Débris

S5.5

Terre

Ce milieu de culture est conçu pour les protozoaires.

SECTION Gabarit de dessin

6 Les outils Pour faire un bon travail, il faut choisir les bons outils. Ceux qui sont présentés ci-dessous sont employés couramment.

Équerre combinée

6.1 Les outils de mesurage et de traçage Le ruban à mesurer, le rapporteur d’angles, le compas, la règle, le niveau, les équerres et les gabarits de dessin permettent de mesurer et de tracer précisément des droites, des angles et des formes circulaires. Pour des conseils concernant la prise des mesures, voir « Comment mesurer la longueur ? », à la page 259.

Équerre

Rapporteur d’angles

Les outils

S6.1

Ces instruments permettent de mesurer et de tracer avec précision.

6.2 Les serres et les étaux Les serres permettent de garder solidement en place les objets que l’on veut coller ou façonner. On peut s’en servir pour fixer les pièces à la table de travail ou pour les joindre ensemble.

6 Section

Les étaux servent aussi à maintenir en place les pièces, le temps qu’on les travaille.

Serre en C Serre coulissante

S6.2

6.3 Les pinces et les cisailles Cisailles

Les pinces peuvent remplir plusieurs fonctions, selon leur forme : • saisir des objets très petits ou difficiles à atteindre ; • manipuler des substances ou des objets sans les toucher directement avec ses mains, par exemple parce qu’ils sont chauds ou abrasifs ;

S6.3

• serrer ou maintenir ensemble les pièces ;

La boîte à outils

284

Section 6

• donner une forme aux pièces ; • couper les fils métalliques. Pour découper de grandes pièces, par exemple des feuilles de tôle, on choisira plutôt des cisailles.

Pinces à ressort Pince coupante Pince à dénuder

Pince à bec fin

Pince multiprise

S6.4

On peut couper plusieurs matériaux avec des couteaux. Le couteau universel à lame rétractable est très polyvalent. Il permet de couper avec précision une foule de matériaux. Voici d’autres exemples : • le couteau rotatif coupe rapidement les matériaux mous en produisant des courbes ou des effets décoratifs ; • le couteau à plastique coupe facilement les feuilles de plastique gaufrées ; • le couteau compas découpe des cercles dans des matériaux cartonnés.

S6.5

Couteau compas

Couteau à plastique

La boîte à outils

285

Section 6

Section

6

6.4 Les couteaux

Couteau rotatif

Les outils

Pince d’électricien

LE COUTEAU UNIVERSEL • Toujours se servir d’une lame affûtée. Pour changer la lame ou briser la section usée, tenir la partie à enlever avec une pince.

Couteau universel

• Ajuster la lame à la longueur minimale requise. • Placer l’objet à couper sur un tapis de coupe ou un carton.

Règle en métal

• Couper à plat, sur une surface stable et droite. Se servir d’une règle à tracer de sécurité (règle en métal).

Les outils

• Toujours déplacer le couteau vers soi. Prendre soin de garder la main libre à l’écart de la trajectoire du couteau. • N’appliquer qu’une légère pression. Au besoin, refaire la coupe plusieurs fois et changer la lame ; une lame usée exige plus de pression, ce qui augmente les risques de blessures.

Tapis de coupe S6.6

Le couteau universel est très pratique puisqu’il permet de couper facilement plusieurs matériaux.

• Rétracter la lame dans le manche après usage.

Section

6 6.5 Les scies Pour couper certains matériaux, il faut prendre une scie. On choisit : • une scie à dos et une boîte à onglets pour faire des coupes précises destinées aux assemblages ; • une scie à chantourner pour découper des courbes ; • une scie à métaux pour couper tant les métaux mous, comme le cuivre et le fer, que les métaux durs, comme l’acier et différents alliages (on change la lame selon le métal que l’on veut couper). Scie à dos

Scie à métaux

Boîte à onglets S6.7

La boîte à outils

286

Section 6

LE SCIAGE • S’assurer que la pièce à scier ne contient pas de corps étranger, comme un clou ou une vis. • Prendre les mesures exactes et tracer une ligne de coupe. • Maintenir en place la pièce à l’aide d’un étau, d’une serre ou d’une boîte à onglets. • Faire attention de ne pas couper la surface sous la pièce à scier.

S6.8

Scie à chantourner

6.6 Les perceuses

• La plupart des perceuses électriques sont à vitesse variable et à mouvement réversible. Selon le foret ou la mèche que l’on choisit, on peut percer du bois, du plastique, du métal ou de la maçonnerie. On peut aussi faire des trous de différents diamètres.

Perceuse électrique

Mèche

Foret

S6.9

La boîte à outils

287

Section 6

6 Section

• La chignole est une perceuse manuelle. Il faut tourner la manivelle pour actionner le foret. Employée avec son support, elle est très sécuritaire. Elle peut percer le bois et le plastique.

Les outils

Comme son nom le dit, la perceuse sert à percer des trous, mais elle a aussi d’autres usages. Selon les accessoires qu’on y fixe, la perceuse peut également servir à poncer, à brosser et à visser.

LA PERCEUSE ÉLECTRIQUE • Suivre l’une ou l’autre de ces consignes, selon le mandrin de la perceuse :

Mandrin à clé

– avec mandrin à clé : ouvrir le mandrin avec la clé spéciale, insérer la mèche ou le foret, serrer le mandrin avec la clé ; – avec mandrin autoserrant : insérer la mèche ou le foret et visser le mandrin.

Les outils

• Fixer solidement l’objet à percer avec un étau ou une serre.

Clé

S6.10

La pièce qui fixe le foret ou la mèche à la perceuse s’appelle le « mandrin ». Pour resserrer certains mandrins, il faut utiliser une clé conçue à cet effet. D’autres modèles sont autoserrants : il suffit alors de les visser.

• Avant d’utiliser la perceuse, poinçonner avec un clou ou un poinçon le centre du trou à percer, surtout si le matériau est dur. Ainsi, la mèche ou le foret ne glissera pas sur la surface. • Ajouter de temps en temps quelques gouttes d’huile sur la mèche lorsqu’on perce du métal. Ainsi, la mèche ne surchauffera pas. • Éviter d’appuyer fortement sur la perceuse.

Section

6

• Choisir la mèche ou le foret en fonction du matériau à percer et de la grosseur du trou désirée.

Foret

6.7 Le fer à souder Le fer à souder permet de lier des métaux, qu’il s’agisse de petits fils métalliques, de circuits électriques ou de plaques métalliques.

Fer à souder

Fil de soudure

S6.11

La boîte à outils

288

Section 6

LA SOUDURE

CHAUD

• Nettoyer le bout du fer à souder avec une laine d’acier ou un papier émeri. Faire la même chose avec les parties métalliques à souder. • Ajouter de la pâte à souder sur les parties métalliques à lier. Chauffer ensuite ces parties avec le fer. Quand le métal est chaud, appliquer le bout du fil de soudure sur les parties métalliques placées côte à côte (et non pas sur le fer). En fondant, le fil de soudure formera une liaison entre elles. ATTENTION : le fer, le métal chaud et la soudure peuvent causer des brûlures !

Les outils

• Pour souder de très petites surfaces, par exemple deux fils électriques, inutile d’appliquer de la pâte à souder. Chauffer tout simplement les parties métalliques, puis appliquer entre elles un fil de soudure contenant de la résine.

Clou à tête

6.8 Les clous, les vis et les boulons Les clous

6 S6.12

Clou de finition

Section

Pour assembler des pièces de bois, on peut se servir d’une multitude de clous. Les plus utilisés sont les clous à tête. Ils permettent de maintenir solidement en place des assemblages permanents. Pour la finition, on choisit plutôt des clous sans tête. Ils sont presque invisibles sur la surface clouée.

Les vis On utilise les vis lorsqu’on veut augmenter la solidité du lien ou lorsqu’on désire démonter par la suite les pièces assemblées. Pour que le bois ne fende pas quand on y insère une vis, on perce d’abord un trou à l’aide d’une perceuse. Le diamètre du foret doit être un peu plus petit que le diamètre de la vis. On peut aussi poser des vis dans le béton, le métal et le gypse.

Vis à gypse Vis à métal

Vis à bois

Les boulons et les écrous

S6.13

On trouve également plusieurs sortes de boulons et d’écrous. On se sert de ces éléments quand il est impossible d’utiliser des clous ou des vis, par exemple si l’on veut assembler des métaux minces. On s’en sert aussi quand on veut faire des assemblages extrarésistants ou qu’on veut pouvoir démonter les objets qu’on a fabriqués. Avant d’insérer le boulon, il faut d’abord percer un trou dans les deux pièces à assembler. Pour éviter que l’écrou se desserre, on ajoute une rondelle de blocage avant d’y entrer le boulon. La clé à molette permet de bien serrer.

La boîte à outils

289

Section 6

Boulon Écrou

S6.14

Rondelle de blocage

6.9 Le pistolet-colleur et les colles Pour assembler des pièces, on peut aussi simplement les coller. Le collage au pistolet est une méthode rapide et pratique. On s’en sert pour coller toutes sortes de matériaux. LE COLLAGE AU PISTOLET

CHAUD

• Brancher le pistolet quelques minutes avant de s’en servir. • Appuyer doucement sur la gâchette pour faire avancer la colle. • Appliquer la colle en dirigeant le pistolet vers le bas. • Tenir les doigts loin de la colle chaude. Au besoin, utiliser un petit bâton ou une pince pour tenir les pièces à coller en place.

Les outils

ATTENTION : la colle atteint plus de 200 °C ! En cas de brûlure, rincer rapidement la partie atteinte avec de l’eau froide et avertir l’enseignante ou l’enseignant.

Section

6

S6.15

Le pistolet-colleur permet de lier facilement et de façon permanente presque tous les types de matériaux.

Le choix de la colle dépend des matériaux que l’on veut assembler. Le tableau de la page suivante présente les principaux types de colle selon les matériaux à coller ainsi que quelques conseils d’utilisation.

La boîte à outils

290

Section 6

LES TYPES DE COLLE ET LEURS USAGES Types de colle

Matériaux à coller

Remarques

Papier, bois et céramique

À utiliser pour les petits travaux.

Colle époxyde

Bois, porcelaine, verre, métal ; idéale pour coller deux matériaux différents

Mélanger le contenu de deux tubes juste avant usage.

Colle de menuisier

Bois, assemblage et réparation de meubles

Colle contact

Cuir, placages et plastiques

Appliquer une couche sur chaque partie, laisser sécher quelques minutes et joindre les pièces.

Colle instantanée, cyanoacrylate

Tous, sauf les matériaux poreux comme le papier, le carton, le bois, les tissus et certains plastiques

Éviter tout contact avec les doigts. Colle très vite.

Colle thermosplastique (pistolet-colleur)

Tous, sauf les plastiques

Les outils

Colle blanche

6.10 Les limes, les râpes et le papier émeri La lime à métal et la râpe à bois permettent d’affûter les pièces et de leur donner une forme. Quant au papier émeri, il apporte la touche de finition : adoucir et polir la surface des matériaux.

Section

Pour éliminer tout défaut sur le bois ou sur un matériau rugueux, on utilise la ponceuse électrique (pour les grandes surfaces) ou le bloc à poncer muni d’un papier émeri. Habituellement, on commence le ponçage avec un papier à gros grains pour finir avec un grain plus petit. Le papier à gros grains enlève plus de matériau, mais il laisse un fini plus rugueux.

6

Bloc à poncer

Lime à métal

Papier émeri

Plus le numéro du grain est petit, plus le grain est gros. Par exemple, un papier no 60 possède de gros grains abrasifs, alors qu’un papier no 600 a des grains très fins. Un conseil : ne jamais appuyer trop fortement sur le bloc à poncer.

Râpe à bois

S6.16

La boîte à outils

291

Section 6

SECTION

7 Les techniques de fabrication Les techniques de fabrication se divisent en cinq catégories : le mesurage et le traçage, l’usinage et le formage, la finition, l’assemblage et, finalement, le démontage.

Les techniques de fabrication

Vous n’utiliserez pas nécessairement toutes ces techniques chaque fois que vous construirez un objet. Mais pour que vous sachiez à quel moment vous en servir, nous verrons, dans cette section, la place qu’occupe chacune d’elles dans la construction d’un objet.

Section

7

Comme exemple, nous prendrons la fabrication d’une mangeoire d’oiseaux. ATTENTION : toujours porter des lunettes de sécurité durant la fabrication d’un objet !

7.1 Le mesurage et le traçage Pour fabriquer un objet, par exemple une mangeoire d’oiseaux, il faut d’abord mesurer précisément les matériaux dont on se servira et tracer des lignes de coupe. S7.1

Voilà à quoi la mangeoire devrait ressembler une fois finie. 15

Fond 15

6

15 29

Cale en 21

Toit

Reb avanord t 19

Emp lacem ent d e la trém Côté ie

Trém ie Dos 30

Côté

15 15

2

4 19 19

S7.2

Il est important de prendre des mesures exactes, car c’est la base de la construction.

La boîte à outils

292

Section 7

bois

LA MARCHE À SUIVRE • Mesurer chacune des pièces en suivant les mesures indiquées sur le plan (voir « Comment mesurer la longueur ? », page 259). Pour chaque mesure, marquer au moins trois repères au crayon.

Les techniques de fabrication

• Tracer les lignes de coupe en reliant les repères. Utiliser : – la règle ou le mètre pour tracer des droites ; – l’équerre pour former des coins parfaits ; – le compas ou un gabarit de dessin pour dessiner des courbes. • Vérifier si les lignes de coupe correspondent bien aux mesures du plan.

7.2 L’usinage et le formage À cette étape, on découpe les pièces à l’aide d’outils (usinage) ou on les plie pour leur donner la forme requise (formage). LA MARCHE À SUIVRE

7 Section

• Placer un tapis de coupe ou un carton sur le plan de travail afin de protéger sa surface. Au besoin, maintenir solidement en place la pièce à couper, par exemple à l’aide d’une serre coulissante. • Couper les pièces prévues avec l’outil approprié et selon la méthode requise. Aller lentement afin de suivre parfaitement les lignes de coupe. ATTENTION : le bord des feuilles de métal est tranchant ! De plus, de petits bouts de bois peuvent pénétrer dans la peau (c’est ce qu’on appelle des « échardes ») quand on manipule du bois coupé !

• Percer les trous aux endroits où les pièces seront assemblées avec des vis ou des boulons. • Former les pièces, s’il y a lieu, en les pliant. On peut plier facilement à la main les métaux mous et le carton, mais il faut réchauffer un peu le plastique pour lui donner la forme désirée. Quant aux feuilles de métaux durs, on doit d’abord les coincer dans un étau. Ensuite, on les plie en frappant dessus avec un maillet.

La boîte à outils

293

Section 7

S7.3

Il faut découper les pièces ou les former.

7.3 La finition

S7.4

L’étape de la finition comprend l’ajustement des pièces à assembler. C’est aussi l’occasion de teindre, de peindre ou de vernir le bois.

7

LA MARCHE À SUIVRE

Section

Les techniques de fabrication

Une fois que toutes les pièces ont la dimension et la forme requises, on passe à une étape délicate : la finition.

• Mesurer de nouveau les pièces pour vérifier si leurs dimensions (longueur, largeur et épaisseur) correspondent parfaitement aux indications du plan. • Limer les métaux ou râper les pièces de bois, au besoin. Ces travaux permettent d’aplanir les bosses et d’enlever les légers surplus des pièces dont les dimensions ne sont pas tout à fait exactes ou qui ont été mal coupées. • Poncer le bois dans le sens du grain pour lisser les surfaces. Ce polissage facilitera l’ajout de vernis ou de peinture. • Teindre, peindre ou vernir les surfaces prévues. On peut aussi effectuer ce travail après l’assemblage, mais seulement si chacune de ces surfaces est alors facilement accessible.

7.4 L’assemblage L’assemblage termine le processus de fabrication. Pour assembler les pièces, et obtenir ainsi l’objet désiré, il faut utiliser les éléments de liaison appropriés.

La boîte à outils

294

Section 7

LA MARCHE À SUIVRE • Choisir les éléments de liaison en tenant compte des matériaux et du type d’assemblage : – pour les assemblages permanents, on peut utiliser la colle, les clous ou la soudure ; – pour les assemblages non permanents, on optera pour les vis ou les boulons. • Choisir les dispositifs de guidage, par exemple des charnières ou des rails, s’il doit y avoir un mouvement de certaines pièces. • Assembler toutes les pièces selon le plan.

7.5 Le démontage Il peut être utile, et même parfois nécessaire, de démonter en tout ou en partie un objet. Cela permet de le transporter plus facilement ou de le ranger dans peu d’espace. Pour séparer les pièces sans les abîmer, il faut toutefois que l’objet ait été monté à l’aide d’éléments de liaison non permanents. LA MARCHE À SUIVRE • Démonter l’objet section par section. • Placer les pièces de chaque section dans des sacs ou dans de petits plats. Au besoin, inscrire sur chacun ce qu’il contient et l’utilité des pièces.

La boîte à outils

295

Section 7

7 Section

Durant l’assemblage, l’objet planifié prend forme peu à peu.

Les techniques de fabrication

S7.5

SECTION

8 Les tableaux et les diagrammes 8.1 Comment construire un tableau ?

Les tableaux et les diagrammes

Les tableaux permettent d’organiser et de présenter de façon claire des données. Les valeurs de ces données peuvent être des nombres ou des mots. Elles sont classées en colonnes et en rangées pour que l’on puisse les consulter rapidement. On appelle ces données des « variables ». Il existe plusieurs façons de construire un tableau. Dans cette section, nous vous présentons un modèle simple, illustré de trois exemples. UN MODÈLE

1 • Choisir une variable qui sert de point de comparaison ou

8 Section

TABLEAU 1 LA HAUTEUR D’UNE PLANTE SELON LE NOMBRE DE SEMAINES D’OBSERVATION

Nombre de semaines d’observation

Hauteur (cm)

1

3,5

2

4,0

3

5,0

4

6,5

5

7,5

6

9,0

7

10,0

8

10,5

9

11,5

10

12,0

de repère dans une observation, une recherche ou une expérimentation. Cette variable, qu’on appelle « variable indépendante », peut être modifiée volontairement (nombre de semaines d’une observation, liste des planètes que l’on veut étudier, etc.). Écrire cette variable dans l’en-tête de la première colonne du tableau. Dans les autres cases de la colonne, inscrire les valeurs de cette variable. Par exemple, dans le tableau 1, on a inscrit dans la première colonne le nombre de semaines d’observation d’une plante : 1, 2, 3, etc.

2 • Choisir une variable à observer ou à étudier, en comparaison avec la variable indépendante. Cette deuxième variable s’appelle « variable dépendante ». L’inscrire dans l’en-tête de la deuxième colonne du tableau. Dans les autres cases de la colonne, inscrire les valeurs de cette variable dépendante. Par exemple, dans le tableau 1, on a inscrit dans la deuxième colonne la hauteur de la plante observée à la fin de chaque semaine : 3,5 cm à la fin de la 1re semaine ; 4 cm à la fin de la 2e semaine, etc.

3 • Faire autant de colonnes qu’il y a de variables dépendantes observées ou étudiées.

La boîte à outils

296

Section 8

4 • Indiquer les unités de mesure seulement dans l’en-tête des colonnes. Éviter de les répéter à chaque case pour alléger la présentation du tableau.

Les tableaux et les diagrammes

Par exemple, dans le tableau 1, on a inscrit « cm » sous « Hauteur », dans l’en-tête de la deuxième colonne.

5 • Donner un titre précis au tableau. Habituellement, le titre résume ce qui a été observé ou étudié.

6 • Répéter l’en-tête des colonnes à chaque page si le tableau se prolonge sur deux pages ou plus. Lorsqu’il y a plusieurs colonnes, le fait de placer sa feuille en format « paysage » (plus large que haut) peut permettre de faire entrer le tableau sur une seule page.

Le tableau 2 permet de comparer certaines caractéristiques des planètes de notre système solaire. Pour chaque planète, deux caractéristiques ont été étudiées : le rayon et la masse volumique.

Section

8

Le tableau 3 présente pour sa part la proportion du volume terrestre qu’occupe chacune des trois grandes parties de la Terre. TABLEAU 2

TABLEAU 3

DEUX CARACTÉRISTIQUES DES PLANÈTES DU SYSTÈME SOLAIRE

LA PROPORTION DU VOLUME TERRESTRE DES PARTIES DE LA TERRE

Rayon (km)

Masse volumique (kg/m3)

Mercure

2 469

5 440

Vénus

6 061

5 240

Terre

6 380

5 500

Mars

3 381

3 940

Jupiter

71 456

1 310

Saturne

59 334

700

Uranus

25 520

1 300

Neptune

24 882

1 660

1 148

2 000

Planète

Pluton

La boîte à outils

297

Section 8

Partie de la Terre

Proportion du volume terrestre (%)

Croûte terrestre

2

Manteau

81

Noyau

17

La construction de tableaux par ordinateur

Les tableaux et les diagrammes

L’utilisation de capteurs permet de transmettre directement les données recueillies à un ordinateur. Il ne reste ensuite qu’à faire le traitement de ces données à l’aide d’un logiciel.

Section

8

Lorsqu’on n’a pas de capteurs, on peut entrer soi-même les données recueillies dans un logiciel de type tableur et construire ses tableaux à l’aide de ce logiciel. Le principe des colonnes et des rangées reste le même. On peut aussi demander à l’ordinateur d’effectuer des calculs et des traitements à partir de ces données, et même de tracer des diagrammes. Lorsqu’il y a une erreur, il suffit de la corriger dans le tableau pour que les calculs, les traitements et les diagrammes soient modifiés automatiquement.

S8.1

Pour plus de détails concernant les capteurs et les logiciels, consulter la section 10, de la page 314 à 316.

8.2 Comment bâtir un diagramme ? Les diagrammes permettent de représenter graphiquement des variables. On les construit souvent à partir des valeurs contenues dans un tableau. Il existe plusieurs types de diagrammes. Les trois diagrammes présentés dans cette section servent très souvent en science et en technologie. Lorsque vous bâtirez vos diagrammes, ne ménagez pas l’espace : un diagramme qui occupe les trois quarts d’une page est toujours plus facile à lire qu’un diagramme limité à un petit coin !

Le diagramme à ligne brisée Le diagramme à ligne brisée est utilisé pour représenter graphiquement des variables qui s’expriment par des nombres. On l’emploie surtout pour illustrer un phénomène continu dans le temps. Le diagramme à ligne brisée de la page suivante a été construit à partir des valeurs du tableau 1 de la page 296. Il permet de voir rapidement les changements survenus dans la hauteur d’une plante au fil des semaines d’observation.

La boîte à outils

298

Section 8

Hauteur (cm)

LA HAUTEUR D’UNE PLANTE SELON LE NOMBRE DE SEMAINES D’OBSERVATION

12 10 8 6

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Nombre de semaines

UNE MÉTHODE

1 • Utiliser du papier quadrillé. À l’aide d’une règle, tracer la ligne de l’axe horizontal et, à gauche, la ligne de l’axe vertical.

2 • Déterminer quelle variable placer sur chacun des axes. Habituellement, on place sur l’axe horizontal la variable indépendante, qui sert de point de comparaison ou de repère. On place ensuite sur l’axe vertical la variable dépendante, qui a été étudiée ou observée. Identifier les axes en indiquant pour chacun la variable représentée et l’unité de mesure employée. Par exemple, dans le diagramme à ligne brisée ci-dessus, on a placé le nombre de semaines d’observation sur l’axe horizontal et la hauteur de la plante sur l’axe vertical, en indiquant que l’unité de mesure utilisée est le centimètre.

3 • Graduer les axes. Utiliser, par exemple, des multiples de 2, de 4, de 5 ou de 10 afin de simplifier la lecture. L’échelle dépend de l’écart entre les valeurs à placer.

4 • Tracer le diagramme point par point. Pour chaque couple de valeurs, placer un point où se rencontrent une ligne imaginaire partant de l’axe horizontal et une ligne imaginaire partant de l’axe vertical. Au besoin, utiliser une règle.

5 • Relier les points par une ligne brisée. 6 • Donner un titre qui résume le contenu du diagramme à ligne brisée. Ce peut être le titre du tableau correspondant.

La boîte à outils

299

Section 8

8 Section

2

Les tableaux et les diagrammes

4

Le diagramme à bandes Tout comme le diagramme à ligne brisée, le diagramme à bandes est utilisé pour représenter graphiquement des variables. Il arrive souvent que l’une des variables s’exprime par des nombres, alors que l’autre s’exprime par des mots.

LE RAYON DES PLANÈTES DU SYSTÈME SOLAIRE Rayon (milliers de km)

Les tableaux et les diagrammes

Le diagramme à bandes suivant a été construit à partir des valeurs du tableau 2 de la page 297. Il permet de comparer rapidement le rayon des planètes du système solaire.

80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 e

n Pl ut o

ep

tu n

us N

ra n U

tu rn e

Sa

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Te rre

s Vé nu

re

0 M er cu

Section

8

Planètes

La boîte à outils

300

Section 8

UNE MÉTHODE

1 • Utiliser du papier quadrillé ou ligné. À l’aide d’une règle, tracer la ligne de l’axe horizontal et, à gauche, la ligne de l’axe vertical.

placer les bandes à égale distance les unes des autres. Toutes les bandes doivent avoir la même largeur. Graduer ensuite l’axe vertical en utilisant, par exemple, des multiples de 2, de 4, de 5 ou de 10 afin de simplifier la lecture. L’échelle dépend de l’écart entre les valeurs à placer.

2 • Déterminer quelle variable placer sur chacun des axes. On place généralement sur l’axe horizontal la variable qui s’exprime par des mots. On place ensuite sur l’axe vertical la variable qui s’exprime par des nombres. Identifier les axes en indiquant pour chacun la variable représentée et l’unité de mesure utilisée.

4 • Tracer avec une règle le bout de la première bande selon la valeur à représenter. Tracer ensuite les côtés de la bande. Répéter ces opérations pour chacune des bandes. Colorier les bandes, au besoin.

Par exemple, dans le diagramme à bandes de la page précédente, on a placé le nom des planètes sur l’axe horizontal et le rayon sur l’axe vertical, en indiquant l’unité de mesure utilisée (des milliers de kilomètres).

5 • Donner un titre qui résume le contenu du diagramme à bandes. Ce peut être le titre du tableau correspondant.

Les tableaux et les diagrammes

3 • Diviser l’axe horizontal pour pouvoir

8 Section

Le diagramme circulaire Le diagramme circulaire représente graphiquement des variables sous la forme d’un disque. Ce type de diagramme est particulièrement utile pour comparer des parties d’un tout, souvent présentées en pourcentages. Le diagramme circulaire suivant a été construit à partir des valeurs du tableau 3 de la page 297. Il permet de constater rapidement que le manteau occupe la majeure partie du volume terrestre.

LA PROPORTION DU VOLUME TERRESTRE DES PARTIES DE LA TERRE

2%

17 % Croûte terrestre Noyau

81 %

La boîte à outils

301

Manteau

Section 8

UNE MÉTHODE

1 • Utiliser une feuille de papier non lignée. Tracer un grand cercle avec un compas.

2 • Pour connaître l’angle de la portion du disque associée à un pourcentage, multiplier ce pourcentage par 360° (il y a 360° dans un cercle). Arrondir le résultat s’il contient des décimales.

Les tableaux et les diagrammes

Par exemple, pour connaître l’angle de la portion du disque associée à 81% (proportion du volume terrestre du manteau), on a effectué le calcul suivant : 81 x 360° = 291,6° ou 292° (nombre décimal arrondi). 100

3 • À partir du centre du cercle, tracer un angle correspondant à la mesure obtenue par le calcul. Utiliser un rapporteur d’angles.

4 • Répéter les étapes 2 et 3 pour chacune des valeurs à représenter.

8

5 • Colorier les différentes portions du disque pour les

Section

distinguer les unes des autres. Indiquer par une légende ce que chacune de ces portions représente.

6 • Donner un titre qui résume le contenu du diagramme circulaire. Ce peut être le titre du tableau correspondant.

La construction de diagrammes par ordinateur Comme pour les tableaux, il est très facile de faire des diagrammes à l’aide d’un logiciel de type tableur. Une fois les données entrées sous forme de tableau, on peut créer rapidement un diagramme à ligne brisée, à bandes ou circulaire. Lorsqu’on modifie des valeurs du tableau, le logiciel corrige automatiquement le diagramme correspondant.

S8.2

Pour plus de détails sur ce type de logiciels, consulter la section 10, aux pages 315 et 316.

La boîte à outils

302

Section 8

SECTION

9 Les dessins scientifique et technique

Ces deux types de dessin servent à communiquer visuellement de l’information scientifique ou technique. Ils doivent être descriptifs, clairs et faciles à comprendre.

Les dessins scientifique et technique

Ils comportent toutefois quelques différences : • Le dessin scientifique se fait à main levée, alors que le dessin technique nécessite habituellement l’utilisation d’instruments ; • Le dessin scientifique sert à représenter le plus fidèlement possible ce que l’on voit, alors que le dessin technique permet de visualiser des projets que l’on souhaite réaliser ou des objets que l’on veut fabriquer ; • Le dessin scientifique n’est jamais précédé d’une esquisse, alors que le dessin technique commence parfois par une esquisse.

9.1 Comment faire un dessin scientifique ? Habituellement, le dessin scientifique se limite à deux dimensions. On peut s’en servir pour reproduire :

9 Section

• ce que l’on voit dans un microscope, par exemple les composantes d’une cellule ; • ce que l’on observe à l’œil nu, par exemple l’anatomie d’un végétal ou d’un animal, les différentes phases d’un mélange ou le trajet de la lumière qui éclaire un corps. LA MARCHE À SUIVRE • Prévoir les dimensions à donner au dessin afin qu’il soit bien clair. Utiliser toute la page au besoin, par exemple si l’objet observé comporte beaucoup de détails. Prévoir de la place pour le titre et pour la légende ou les lignes d’identification. • Tracer un cercle à l’aide d’un compas si l’objet est observé au microscope. Ce cercle représentera le champ oculaire du microscope. S’assurer que son diamètre est suffisamment grand. S9.1

La boîte à outils

303

Section 9

Les dessins scientifique et technique

• Ne pas faire d’esquisse. Tracer directement avec un crayon à mine des lignes claires sur du papier blanc. Les stylos, les marqueurs et les crayons de couleur ne sont pas conseillés puisqu’ils ne sont pas effaçables. • Dessiner exactement ce que l’on voit. Il ne faut surtout pas tenter de dessiner ce que l’objet devrait avoir l’air idéalement ni essayer de reproduire le dessin d’un manuel. Pour représenter l’objet fidèlement, il faut souvent lever les yeux de sa feuille et observer l’objet attentivement. Le dessin ne se fait pas de mémoire. • Agrandir, au besoin, les détails d’une section du dessin dans un cercle à part, qu’on appelle « médaillon ».

Médaillon

Section

9

S9.2

Ce dessin illustre la cellule végétale qui apparaît dans le champ oculaire du microscope. Le noyau est présenté en médaillon.

• Identifier les éléments du dessin selon l’une des méthodes suivantes : – Ajouter une légende des symboles ou des fonds employés : pointillé, rayures, par exemple ; – Tracer, à l’aide d’une règle, des lignes d’identification menant aux noms des éléments. Ces lignes d’identification ne doivent jamais se croiser. Idéalement, elles sont horizontales. Placer les noms des éléments de façon ordonnée : si possible, en colonne et à la droite du dessin.

• Ajouter un titre descriptif qui résume ce que contient le dessin.

La boîte à outils

304

Section 9

La cellule végétale

Membrane cellulaire Chloroplaste Vacuole Cytoplasme Paroi cellulosique

Médaillon

Grossissement : 400 X S9.3

Le dessin a maintenant un titre et ses éléments sont identifiés.

9 Section

• Indiquer l’échelle du dessin. Par exemple, si l’on a dessiné un objet qui est huit fois plus petit sur la feuille que dans la réalité, on écrira 1 : 8 cm. Si l’observation a été faite au microscope, indiquer plutôt le grossissement utilisé : 40 X, 100 X, 400 X ou 1000 X.

Les dessins scientifique et technique

Membrane nucléaire Noyau

9.2 Comment faire un dessin technique ? Le dessin technique peut comporter deux ou trois dimensions. Il permet de représenter, sous différentes vues, un objet que l’on veut fabriquer. Il est parfois précédé d’une esquisse. LES PRINCIPES GÉNÉRAUX Certains principes généraux du dessin scientifique s’appliquent au dessin technique :

• Se servir d’un crayon à mine ;

Mais il y a aussi quelques différences. Par exemple, dans le dessin technique, on utilise :

• Faire des traits clairs ;

• une feuille quadrillée ;

• Utiliser efficacement l’espace libre sur la feuille ;

• des instruments de mesure ou de dessin : compas, règle, rapporteur d’angles, gabarits de dessin, etc.

• Donner un titre descriptif au dessin.

La boîte à outils

305

Section 9

L’esquisse Avant de passer au dessin technique proprement dit, il peut être utile de faire une esquisse.

Les dessins scientifique et technique

L’esquisse est un dessin simple que l’on fait à main levée, donc sans instrument, et sur lequel on inscrit des notes. Cette ébauche permet de communiquer ses idées rapidement et de planifier le travail à venir.

Lampe de poche Fil électrique

Grande ouverture

Piles

Section

9

Boîtier en plastique

Ampoule

S9.4

L’esquisse permet de regrouper ses idées dans un dessin vite fait.

Après l’esquisse, on passe au véritable dessin technique. On peut dessiner alors une projection orthogonale, une vue en coupe ou une vue agrandie.

La projection orthogonale La projection orthogonale est souvent utilisée en dessin technique. Il s’agit de représenter les vues de face, de côté et de dessus d’un objet. On transforme ainsi la vue d’un objet en trois dimensions en trois vues en deux dimensions. Cette façon de faire permet de montrer l’objet sous tous les plans. On peut mentionner la vue représentée au-dessus de chaque dessin ou en dessous. Quant à l’échelle utilisée, on la place toujours sous les dessins. Par exemple, si le dessin de l’objet est quatre fois plus petit que l’objet dans la réalité, l’échelle sera 1 : 4 cm.

La boîte à outils

306

Section 9

Lampe de poche

S9.5

Vue de côté

Vue de dessus

Échelle 1 : 4 cm

La projection orthogonale présente les vues de face, de côté et de dessus de cette lampe de poche.

La vue en coupe La vue en coupe, aussi appelée « vue transversale », permet de montrer l’intérieur d’un objet technique.

Lampe de poche Vue en coupe

Échelle 1 : 2 cm

S9.6

Une vue en coupe de la lampe de poche.

La boîte à outils

9 Section

Pour le dessiner, on peut s’imaginer ce qu’on verrait si on coupait en deux l’objet. Il faut aussi mentionner l’échelle sur ce dessin.

Les dessins scientifique et technique

Vue de face

307

Section 9

La vue agrandie La vue agrandie permet de montrer les détails d’une partie de l’objet. Par exemple, on peut s’en servir pour illustrer les petites pièces difficiles à voir dans un grand dessin.

Les dessins scientifique et technique

On fait ressortir la zone qui sera agrandie en la plaçant dans un cercle qu’on appelle « médaillon ». Ensuite, on relie, par une flèche, ce médaillon à la zone représentée sur le dessin général. Enfin, on mentionne l’échelle du dessin et celle du médaillon.

Lampe de poche

Section

9

Échelle 1 : 2 cm

Médaillon

Échelle 1 : 1 cm

S9.7

Le médaillon présente une vue agrandie de l’ampoule.

Le dessin assisté par ordinateur Dans l’industrie, on fait très peu de dessin technique à la main de nos jours. À part l’esquisse, que l’on dessine souvent dans un petit carnet au moment où l’inspiration surgit, la majorité des dessins techniques sont bâtis à l’ordinateur. Cette méthode permet de modifier facilement le dessin, de l’envoyer à des milliers de kilomètres pour consultation et de conserver l’original pendant plusieurs années sans craindre de l’abîmer. Pour faire du dessin technique, on peut se servir de logiciels spécialisés, mais aussi de petits logiciels simples et faciles à utiliser. Consulter la section 10, aux pages 315 et 316, pour des détails sur ce type de logiciels.

La boîte à outils

308

Section 9

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

10 Les technologies

SECTION

de l’information et de la communication (TIC) En science et en technologie, il y a plusieurs façons d’obtenir de l’information. Par exemple, on peut découvrir, par ses sens ou par des instruments de mesure, une foule de renseignements sur le monde dans lequel on vit. On peut aussi s’informer, entre autres, en assistant à des conférences, en lisant des textes (livres, encyclopédies, journaux, etc.), en examinant des cartes ou en regardant des documentaires à la télévision. En plus de toutes ces possibilités, on peut maintenant profiter des technologies de l’information et de la communication. Les TIC, comme on les appelle souvent, permettent en effet de recueillir rapidement toutes sortes de données, de les traiter à l’aide de logiciels et de les communiquer à toute la planète si on le veut. Parmi les TIC, le réseau Internet est certainement le plus populaire. Mais comment peut-on trouver rapidement dans Internet l’information dont on a besoin ? Comment juger si les renseignements trouvés sont valables ? Quelles sont les autres TIC couramment utilisées en science et en technologie ?

Section

10

10.1 Comment trouver de l’information dans Internet ? Le réseau Internet est un énorme regroupement de petits réseaux situés un peu partout dans le monde. Il relie, entre autres, des millions de sites offrant des renseignements sur tous les sujets imaginables. Pour y trouver rapidement l’information que l’on cherche, on peut se servir de différents outils, comme les moteurs de recherche ou les annuaires. Les outils et les méthodes de recherche présentés dans cette section sont aussi valables pour trouver de l’information dans d’autres réseaux, par exemple dans les banques de données des bibliothèques.

Le moteur de recherche Le moteur de recherche est un logiciel qui permet de faire des recherches dans les bases de données informatisées. Pour lancer une recherche dans Internet, on inscrit certains mots clés ou de courtes phrases dans le champ de recherche. Le résultat sera une liste de pages Web.

La boîte à outils

309

Section 10

S10.1

Un exemple de réseau informatique.

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

Section

10

Nombre de pages Web trouvées

Champ de recherche

Liste de pages Web

S10.2

À partir du mot « tornade », le moteur de recherche a trouvé environ 196 000 pages !

On obtient souvent une grande quantité de pages Web avec cette méthode. Toutefois, plusieurs d’entre elles n’abordent pas le sujet choisi de façon assez précise ou de la manière voulue. Il faut alors relancer la recherche en précisant les mots clés.

UNE AIDE À LA RECHERCHE Les moteurs de recherche ne fonctionnent pas tous exactement de la même façon. Il est donc important de consulter leur rubrique d’aide pour utiliser ces outils efficacement. On y présente, entre autres :

• les règles de base, par exemple qu’il faut écrire, dans le champ de recherche, chaque phrase entre guillemets anglais (") pour que le moteur recherche exactement cette suite de mots ; • des conseils pour préciser la recherche ; • des trucs pour trouver facilement des images, des tableaux et des diagrammes.

La boîte à outils

310

Section 10

Dans Internet, les éléments (pages Web) des annuaires sont classés par catégories et par sous-catégories. On peut ainsi trouver plus rapidement des pages qui abordent exactement le sujet que l’on cherche. Pour faire une recherche à l’aide d’un annuaire, on peut : • parcourir les catégories offertes et cliquer sur celle qui convient ; • écrire un ou quelques mots clés dans le champ de recherche. Champ de recherche

Liste des catégories

S10.3

Dans cet annuaire, les pages Web qui parlent de la météo, et plus précisément des tornades, sont classées dans la catégorie Sciences et technologies.

Le réseau des mots clés : un réseau de concepts Une des façons les plus efficaces d’explorer un sujet, c’est de faire un remue-méninges. Avec les idées qui surgissent, on peut bâtir ce qu’on appelle un « réseau de concepts ». Il s’agit d’une représentation graphique d’idées que l’on associe en établissant des liens entre elles. Chaque idée est résumée dans un ou deux mots clés (illustration S10.4). Pour un même mot clé de départ, chaque personne peut bâtir son propre réseau de concepts. Il y a autant de réseaux de concepts qu’il y a de façons de voir les choses. On peut ensuite facilement utiliser ces mots clés pour lancer une recherche dans Internet ou pour la clarifier.

La boîte à outils

311

Section 10

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

L’annuaire est un répertoire d’éléments qui ont été choisis, puis classés dans un ordre particulier.

10 Section

L’annuaire

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

UNE MÉTHODE • Inscrire sur une feuille le sujet principal de la recherche. C’est le mot clé de départ. Entourer ce mot.

• Partir des mots sur ces embranchements pour trouver d’autres associations. Lier ceux-ci par un trait.

• Inscrire les idées (en un ou deux mots) auxquelles on associe le mot clé de départ. Il peut s’agir d’une cause, d’une conséquence, d’une explication ou d’un synonyme. Tracer un trait entre ces termes et le mot encerclé. Ce sont les premiers embranchements du réseau.

• Lancer la recherche avec le mot clé de départ. Au besoin, préciser la recherche avec les mots clés du réseau.

dégâts au Québec au Canada aux États-Unis

conséquences panne d'électricité

où?

10 Section

arbres déracinés toits arrachés

Tornade forces 1 à 5 vents orages nuages noirs pluies

météo

formation

chaleur humidité moment de l'année

S10.4

Ce réseau de mots clés a comme point de départ le mot « tornade ». Les mots clés des embranchements permettront de préciser la recherche.

10.2 Comment savoir si l’information trouvée dans Internet est valable ? L’information obtenue au cours d’une recherche dans Internet peut provenir de toutes sortes de sites. Ces sites peuvent appartenir, entre autres : • à des gouvernements ou à des organismes renommés, comme le ministère québécois responsable de l’environnement ou la NASA ;

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312

Section 10

• à des compagnies qui veulent y vendre leurs produits ; • à des individus (pages personnelles). Quelle que soit la provenance de l’information, il faut toujours se demander si l’on peut s’y fier et faire preuve d’esprit critique. C’est vrai pour les sites Internet, mais aussi pour les autres sources d’information : livres, journaux, personnes-ressources, documentaires télévisuels, etc.

L’INFORMATION EST-ELLE VALABLE ? Ces questions vous aideront à juger si l’information obtenue est valable.

• L’information provient-elle d’une personne-ressource ou d’un organisme auxquels on peut faire confiance ? L’information fournie dans les pages Web personnelles n’a pas toujours été validée. Elle peut donc contenir beaucoup d’erreurs. Les organismes reconnus, eux, vérifient habituellement l’information avant de la diffuser.

• L’information est-elle aussi publiée dans d’autres sources fiables ? • L’information est-elle neutre ? Une information neutre ne reflète pas de point de vue particulier. Dans une opinion, l’information peut être intéressante, mais elle n’est pas nécessairement juste ni vraie.

• L’information est-elle à jour ? En science et en technologie, chaque année des découvertes viennent modifier nos connaissances. Un renseignement qui était valide il y a plusieurs années peut ne plus l’être aujourd’hui. Plusieurs auteurs de pages Web mentionnent la date de la dernière mise à jour de l’information qu’ils fournissent.

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Section 10

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

• à des regroupements divers, comme des clubs d’utilisateurs de technologies ou des associations d’entraide ;

10 Section

• à des établissements d’enseignement, comme des universités ou des écoles spécialisées ;

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

Section

10

10.3 Les droits d’auteur et l’utilisation de l’information On ne peut pas utiliser comme on le veut toute l’information (textes, images ou sons) que l’on trouve dans les livres, les journaux ou dans Internet. Cette information est la propriété de la personne ou de l’entreprise qui l’a créée. C’est ce qu’on appelle le « droit d’auteur », bien connu sous son appellation anglaise copyright (©). En ce qui concerne les pages Web, il existe différentes façons de se servir de l’information. Habituellement, les auteurs de ces pages expliquent ce qu’on a le droit de faire de l’information qu’ils diffusent : certains limitent énormément son utilisation, alors que d’autres laissent beaucoup de liberté aux gens qui veulent s’en servir. DES MENTIONS LIÉES À L’UTILISATION DE L’INFORMATION • « Tous droits réservés » : cette mention signifie qu’on n’a pas le droit de copier ni de modifier le contenu du site. Il faut demander la permission à son auteur (donc au détenteur des droits) avant de l’utiliser d’une façon ou d’une autre. Toutefois, on peut citer une petite partie du contenu, en prenant soin de mentionner la source.

• « Permission est accordée de copier, distribuer et/ou modifier ce document » : cette mention donne une très grande liberté d’action. Toutefois, cette liberté a quand même ses limites et il est important de les respecter. Pour connaître les limites d’utilisation de l’information, il faut lire les conditions que l’auteur a choisies. Ces conditions sont spécifiées dans un document appelé « licence ». On trouve habituellement, au bas de chaque page, un lien menant au texte de la licence. Évidemment, il faut toujours mentionner la source de l’information que l’on utilise.

ATTENTION : lorsque le site ne contient aucune mention, toujours agir comme si « tous les droits étaient réservés » !

10.4 D’autres TIC utiles en science et en technologie D’autres TIC (appareils ou logiciels) rendent de grands services en science et en technologie car elles facilitent la collecte et le traitement des données. Certaines d’entre elles permettent même de recueillir de l’information à des endroits difficilement accessibles (par exemple, dans les fonds marins ou l’espace) et de la transmettre instantanément.

Pour la collecte des données Plusieurs instruments spécialisés permettent d’obtenir rapidement des données et de les transférer directement à un ordinateur ou à d’autres TIC. Voici quelques exemples.

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• L’appareil photo numérique peut enregistrer des images sous forme numérique et les garder dans une mémoire interne. Il fonctionne donc sans pellicule. On peut ensuite transférer les images à un ordinateur ou à un téléviseur. • Le capteur permet de capter, comme son nom le dit, des données et de les transmettre directement à un ordinateur. Par exemple, certains capteurs mesurent la température ou le pH. Grâce à ce type de dispositif aussi appelé « sonde », on peut observer un phénomène sur une longue période de temps. S10.5

Pour le traitement et la communication des données Une fois que l’on a recueilli les données, il est temps de les traiter. Plusieurs logiciels offrent une foule de possibilités, selon que l’information est présentée en mots, en chiffres ou en images.

Le microscope numérique permet de projeter en gros plan ce qui est infiniment petit.

• Les traitements de texte servent à composer des textes, à les corriger et à les mettre en forme. On peut y ajouter des tableaux, des diagrammes et des images.

Section

10

• Les tableurs servent à faire des calculs à partir de données numériques. Ils permettent aussi d’organiser ces données en tableaux et de créer automatiquement des diagrammes basés sur ces tableaux.

S10.6

À partir du tableau (à gauche), le tableur a bâti automatiquement le diagramme (à droite).

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Section 10

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

• Le microscope numérique fonctionne comme un microscope ordinaire, mais il est branché à un ordinateur. On peut s’en servir pour produire des photos, des documents vidéo numériques ou pour projeter en direct ce qu’on observe.

Les technologies de l’information et de la communication (TIC)

• Les bases de données sont des ensembles de fiches reliées entre elles de manière organisée. On pourrait les comparer à des classeurs. Lorsqu’on leur soumet une requête (ou question), elles combinent les données afin de fournir les résultats les plus complets possible. • Les logiciels de présentation permettent de préparer des diapositives pour des présentations. On peut y placer du texte, des images, des tableaux et des diagrammes. • Les logiciels de dessin matriciel servent à créer et à traiter des images à l’aide de points. On les utilise aussi pour faire le traitement des photos. • Les logiciels de dessin vectoriel servent à faire et à modifier des images à l’aide de lignes et de formes géométriques. Certains logiciels contiennent des banques de symboles (pièces, forces, etc.), ce qui facilite la préparation des schémas. Dans le dessin assisté par ordinateur (DAO), c’est le type de logiciels que l’on utilise.

Section

10

S10.7

Ce logiciel de dessin vectoriel facilite la préparation des schémas.

• Les logiciels 3D servent à faire des constructions virtuelles en 3 dimensions. Par exemple, en ingénierie, on les utilise pour planifier des constructions et pour faire des tests sur des structures, entre autres des ponts. On peut ainsi visualiser l’objet de divers points de vue et avoir une idée réelle de son fonctionnement. • Les logiciels de simulation permettent de voir comment un phénomène se déroule, par exemple comment la Lune tourne autour de la Terre. On peut consulter plusieurs logiciels de simulation dans Internet.

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Section 10

Glossaire

REMARQUE À la fin de chaque définition, une flèche

renvoie à la page du manuel où le mot est défini ou souligné.

A des levures et de certains animaux. Dans ce mode de reproduction, un nouvel individu se développe à partir d’une excroissance du corps d’un individu « parent ». p. 119

Acide Substance dont le pH est inférieur à 7. p. 28 Adaptation Processus par lequel certaines populations se transforment pour augmenter leurs chances de survie et de reproduction dans un milieu particulier. p. 86

Bouturage Mode de reproduction asexué qui consiste à planter une partie d’une plante dans la terre ou à la placer dans l’eau afin qu’elle forme des racines. p. 120

Adaptation comportementale Comportement qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. p. 86 Adaptation physique Structure (caractéristique physique) qui facilite la vie d’une espèce dans son milieu. p. 83

C

Allongement Augmentation de la longueur d’un corps sous l’effet de forces de tension. Synonyme : extension. p. 223

Cahier des charges Document qui contient la liste des besoins, des exigences et des contraintes qu’il faut respecter lors de la réalisation d’un projet. p. 204, 205

Anthère Petite masse recouverte de pollen, située au bout du filet de l’étamine. p. 122

Camouflage Adaptation physique au milieu qui vise à rendre l’animal presque invisible dans son environnement. p. 85

Atmosphère Couche de gaz qui entoure la Terre et qui contient l’air que nous respirons. p. 144, 166

Caractère héréditaire Caractéristique qui peut se transmettre des parents aux descendants (comme la couleur des yeux ou des cheveux). p. 91

B

Cellule Unité de base de tous les vivants. C’est la plus petite unité de vie. p. 110

Base Substance dont le pH est supérieur à 7. p. 28

Centrifugation Technique de séparation des mélanges. Cette technique permet de séparer les constituants (solides, liquides) d’un mélange hétérogène grâce à un appareil tournant à grande vitesse (une centrifugeuse). p. 53

Biosphère Enveloppe de la Terre qui contient toutes les formes de vie (végétale, animale, bactérienne, etc.). p. 144 Bouclier Partie très ancienne de relief qui a l’apparence d’un plateau légèrement bombé. p. 159

Changement de phase Passage d’une forme (solide, liquide ou gazeuse) à une autre. p. 43

Bourgeonnement Mode de reproduction asexué 318

Changement physique Transformation qui ne modifie pas la nature des substances. p. 42

Condensation solide Passage direct de la phase gazeuse à la phase solide, sans passer par la phase liquide. p. 45

Chlorophylle Substance verte du chloroplaste qui permet aux plantes d’absorber le gaz carbonique de l’air et d’effectuer la photosynthèse. p. 116

Conducteur électrique Matériau qui conduit l’électricité. p. 21 Conducteur thermique Matériau qui permet de transmettre la chaleur rapidement. p. 30

Chloroplaste Partie de la cellule végétale qui contient la chlorophylle et capte la lumière solaire pour produire de la nourriture. p. 116

Conductibilité électrique Capacité qu’a une substance de conduire l’électricité. p. 21

Circulation souterraine Déplacement de l’eau dans le sol. p. 165

Conductibilité thermique Capacité qu’a une substance de transmettre la chaleur plus ou moins rapidement. p. 30

Cisaillement Effet qui se produit lorsque deux forces sont exercées presque au même endroit, parallèlement et en directions opposées. p. 225

Consommateur Organisme dont le rôle est de consommer d’autres vivants. p. 97

Classe Troisième niveau de la classification des vivants, compris entre l’embranchement et l’ordre. p. 78

Cotylédon Partie de la graine qui sert de réserve de nourriture au jeune plant, le temps que ses feuilles se développent et qu’elles utilisent l’énergie de la lumière. p. 124

Colline Petit renflement du relief de faible élévation. p. 160

Couche d’ozone Zone de la stratosphère qui contient une grande concentration d’ozone. Cette couche bloque la plupart des rayons ultraviolets nocifs provenant du Soleil. p. 167

Compression Force qui pousse sur un corps. Cette force peut provoquer ou modifier le mouvement de ce corps. Elle peut aussi causer sa déformation. p. 220

Croûte terrestre Partie externe de la Terre constituée de roches formant les continents et le fond des océans. p. 143

Condensation Passage de la phase gazeuse à la phase liquide ou à la phase solide. Dans le cycle de l’eau, la vapeur d’eau peut se condenser dans les nuages et former de la pluie (liquide) ou de la glace (solide). À la surface de la Terre, la condensation produit de la rosée (dépôt de fines gouttelettes d’eau) en été, et du givre (fine couche de glace) en hiver. p. 165

Cycle de l’eau Façon dont l’eau, sous toutes ses formes, circule dans l’hydrosphère. p. 164 Cytoplasme Sorte de gelée, à l’intérieur de la cellule, qui contient plusieurs petits organes appelés « organites ». Les organites permettent la digestion, la respiration et la fabrication de substances utiles (comme les cheveux, les hormones, etc.). p. 114

Condensation liquide Passage de la phase gazeuse à la phase liquide. p. 44

319

D Dureté Capacité qu’a un corps de résister à l’abrasion, à la rayure. p. 24

Décantation Technique de séparation des mélanges. Cette technique permet aux constituants (solides, liquides) d’un mélange hétérogène de se séparer sous l’action de la gravité. p. 52

E

Décomposeur Organisme dont le rôle est de se nourrir des déchets et des cadavres d’autres vivants, que ceux-ci soient des animaux ou des végétaux. p. 98

Ébullition État d’un liquide dans lequel se forment des bulles de vapeur sous l’effet de la chaleur. p. 44

Déformation élastique Déformation temporaire d’un corps. Dans la déformation élastique, le corps reprend sa forme initiale une fois que la force qui le déformait n’est plus présente. p. 226

Échelle de Richter Échelle, graduée de 1 à 9, servant à mesurer la magnitude d’un tremblement de terre. Elle porte le nom de son créateur, le sismologue américain Charles Richter. p. 152

Déformation permanente Déformation définitive d’un corps. Dans ce type de déformation, le corps ne reprend pas sa forme initiale, même lorsque la force qui le déformait n’est plus présente. p. 227

Éclipse Phénomène qui se produit quand le Soleil ou la Lune disparaissent, totalement ou en partie, alors qu’ils étaient bien visibles dans le ciel. p. 188

Densité Rapport entre la masse volumique d’une substance et la masse volumique de l’eau. p. 23

Écosystème Ensemble d’organismes vivants qui interagissent entre eux et avec des éléments du milieu. p. 98

Distillation Technique de séparation des mélanges. Cette technique consiste à faire chauffer un mélange jusqu’à ébullition afin de récupérer les gaz produits. On refroidit ensuite ces gaz dans un tube réfrigérant pour les liquéfier. p. 54

Écrasement Diminution d’une dimension d’un corps sous l’effet de forces de compression. p. 224 Embranchement Deuxième niveau de la classification des vivants, compris entre le règne et la classe. p. 78

Division cellulaire Mode de reproduction asexué par lequel les cellules se multiplient. Par division cellulaire, une cellule donne naissance à deux autres cellules. p. 118

Émigration Action d’un vivant qui quitte un territoire pour un autre. p. 80 Épicentre Endroit, à la surface de la Terre, d’où émane un tremblement de terre. p. 151

Dorsale océanique Longue chaîne de montagnes sous-marines formées de magma solidifié. Ce magma a surgi du manteau lors de l’éloignement des plaques tectoniques. p. 147

Épithète Deuxième mot latin (ou français) de la nomenclature binominale qui précise le genre du vivant. p. 72

320

F Facteurs abiotiques Éléments non vivants d’un milieu (comme le climat, le relief, la nature du sol, etc.). p. 93

Équinoxe Moment de l’année où la position moyenne de la Terre marque le début du printemps ou le début de l’automne. L’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud reçoivent alors, en quantité égale, les rayons du Soleil. p. 185

Facteurs biotiques Interactions entre les éléments vivants d’un milieu, c’est-à-dire l’ensemble des actions que les vivants d’un milieu ont les uns sur les autres (les végétaux qui servent de nourriture ou d’abri, les animaux qui servent de proies ou qui sont des prédateurs, etc.). p. 94

Érosion Usure et transformation des roches ou du sol par les glaciers, l’écoulement des eaux à la surface du sol et les agents atmosphériques (pluie, vent, gel). p. 88, 158, 161

Faille Fracture, dans la croûte terrestre, causée par des masses de roches qui ont glissé le long d’une fissure. p. 146, 151

Espace Région qui commence au-delà de la thermosphère (la dernière couche de l’atmosphère terrestre), soit à quelque 1000 km d’altitude audessus du niveau de la mer. p. 177

Famille Cinquième niveau de la classification des vivants, compris entre l’ordre et le genre. p. 78

Espèce Septième et dernier niveau (après le genre) de la classification des vivants. L’espèce regroupe des individus qui ont un aspect semblable et qui peuvent se reproduire entre eux pour donner naissance à des descendants féconds (qui pourront, eux aussi, se reproduire). p. 71, 78

Fécondation Union d’une cellule mâle et d’une cellule femelle. p. 123 Fécondation externe Fécondation qui se fait à l’extérieur de la femelle. p. 125

Étamine Organe mâle de la fleur, composé du filet et de l’anthère. p. 122

Fécondation interne Fécondation qui se fait dans l’organisme de la femelle. p. 125

Évaporation Transformation lente d’un liquide en gaz, sans bouillir. Dans la séparation des mélanges, la technique de l’évaporation consiste à laisser le constituant liquide d’un mélange s’évaporer à la température ambiante afin de récupérer le constituant solide. Dans le cycle de l’eau, cette transformation se produit lorsque l’eau qui reçoit de l’énergie du Soleil (ou d’une autre source) se transforme en vapeur d’eau. p. 44, 54, 164

Filet Longue tige de l’étamine, qui porte l’anthère. p. 122 Filtration Technique de séparation des mélanges. Cette technique consiste à faire passer un mélange à travers un filtre afin de séparer ses constituants. Le filtre retient les constituants solides et laisse passer les constituants liquides. p. 53

Évolution Lent processus qui amène des modifications chez les organismes vivants, ce qui leur permet de s’adapter aux changements du milieu. p. 90

Flexion Courbure d’un corps sous l’effet de plusieurs forces. Généralement, la flexion survient lorsque les forces agissent de façon perpendiculaire au corps. p. 224

Fjord Vallée profonde, aux parois abruptes, envahie par la mer. p. 159

321

Forces Actions qui peuvent provoquer le mouvement d’un corps ou modifier le mouvement de ce corps s’il est déjà en train de bouger. Ces forces peuvent également modifier la forme d’un corps. p. 207, 220

Glaciation Période de l’histoire pendant laquelle une région a été recouverte d’une épaisse couche de glace. p. 161

Fossiles Traces d’êtres vivants disparus. p. 74, 88

Guidage du mouvement de rotation Dispositif qui permet de contrôler le mouvement de rotation d’une pièce ou d’une partie d’un objet technique. p. 237

Guidage Dispositif qui permet de contrôler le mouvement des pièces mobiles. p. 209, 236

Frottement Force qui réduit ou empêche le mouvement entre deux surfaces en contact. Le frottement agit toujours en sens inverse d’une autre force ou d’un mouvement. p. 222

Guidage du mouvement de translation Dispositif qui permet de contrôler le mouvement en droite ligne d’une pièce ou d’une partie d’un objet technique. p. 236

Fructification Formation d’un fruit qui porte des graines. p. 123

Guidage du mouvement hélicoïdal Dispositif qui permet de contrôler à la fois le mouvement de rotation et le mouvement de translation d’une pièce ou d’une partie d’un objet technique. p. 237

Fusion Passage de la phase solide à la phase liquide. p. 44

G

H

Gaz Substance qui n’a pas de volume défini ni de forme déterminée. Le gaz est compressible (il peut être comprimé). p. 15

Habitat Lieu précis où l’on rencontre habituellement une espèce et où cette espèce trouve les conditions nécessaires à sa survie. p. 93

Gemmule Une des deux petites excroissances (avec la radicule) qui apparaissent lorsque la graine d’une plante germe. La gemmule produit une tige et des feuilles. p. 124

Hydrosphère Ensemble des eaux du globe terrestre que l’on trouve sous les états liquide, solide et gazeux : océans, mers, lacs, fleuves, rivières, eaux souterraines, glaciers, vapeur d’eau en suspension dans l’atmosphère. p. 144, 163

Genre Sixième niveau de la classification des vivants, compris entre la famille et l’espèce. Le genre regroupe plusieurs espèces voisines ou qui ont un lien de parenté. Dans la nomenclature binominale, le genre est désigné par le premier mot latin (ou français). p. 72, 78

I Immigration Action d’un vivant qui arrive sur un territoire, en provenance d’un autre territoire. p. 80

Germination Période durant laquelle l’embryon contenu dans la graine se développe, puis fait pousser des racines et une tige. p. 123

322

Infiltration Pénétration de l’eau des précipitations dans le sol. p. 165

Lithosphère Enveloppe solide de la Terre qui englobe tous les éléments du relief : montagnes, plaines, plateaux, volcans, etc. p. 144, 145

Ingénierie Ensemble des actions qui ont pour but d’étudier, de concevoir et de réaliser des projets technologiques. p. 203

Lumière Rayonnement qui a la particularité de pouvoir être détecté par l’œil. p. 178

Isolant électrique Matériau qui empêche l’électricité de passer. p. 21

M

Isolant thermique Matériau qui empêche le transfert de la chaleur. p. 30

Magma Roche en fusion provenant du manteau de la Terre et sortant des volcans sous forme de lave. p. 143

L

Manteau Partie de la Terre comprise entre la croûte terrestre et le noyau et occupant la plus grande portion du volume terrestre (81%). Le manteau comprend une partie solide, près de la croûte terrestre, puis une partie partiellement fondue et formant une pâte épaisse. C’est de cette partie fondue que provient le magma (roche en fusion) qui sort des volcans sous forme de lave. p. 143

Liaison Tout ce qui peut maintenir ensemble au moins deux pièces d’un objet technique. p. 208, 233 Liaison fixe Liaison qui ne permet aucun mouvement des pièces d’un objet technique. p. 235

Marcottage Mode de reproduction asexué qui consiste à provoquer l’émission de racines sur une petite branche, sans que celle-ci se détache de la plante dont elle est issue. p. 120

Liaison mobile Liaison qui permet le mouvement d’une ou de plusieurs pièces d’un objet technique. p. 236 Liaison non permanente Liaison que l’on peut démonter ou dont on peut séparer les éléments sans endommager les pièces de l’objet. p. 234

Masse Mesure de la quantité de matière qui compose un corps. p. 8 Masse volumique Masse par unité de volume. p. 22, 142

Liaison permanente Liaison qu’on ne peut démonter sans endommager les pièces qui ont été liées ou les éléments de liaison. p. 234

Matériau Substance qui a été transformée par l’être humain. Le matériau est utilisé tel quel dans la fabrication d’un objet. p. 211

Liquide Substance qui a un volume défini, mais qui n’a pas de forme déterminée. Le liquide est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative). p. 15

Matériel Ensemble des appareils, des machines, des instruments, des véhicules et des outils qui servent à la fabrication d’un objet. p. 212

323

Matière Tout ce qui a une masse et qui occupe un volume. La matière existe généralement sous trois états : solide, liquide ou gazeux. p. 4, 13

Mésosphère Couche de l’atmosphère commençant à environ 50 km d’altitude au-dessus du niveau de la mer et suivant immédiatement la stratosphère. p. 167

Matière première Substance d’origine naturelle. La matière première devra être transformée avant d’être utilisée dans la fabrication d’un objet. p. 211

Mimétisme Adaptation physique au milieu qui consiste à imiter d’autres organismes pour se protéger des prédateurs. p. 85

Mécanisme de transformation du mouvement Mécanisme qui transforme un type de mouvement en un autre type de mouvement. p. 232 Mécanisme de transmission du mouvement Mécanisme qui transmet le même type de mouvement d’une partie d’un objet à une autre. p. 231

Montagne Relief très élevé, né du plissement de la croûte terrestre lors de la collision de plaques tectoniques et caractérisé par une forte pente. Lorsque des montagnes se suivent sur une longue distance et occupent une grande superficie, il s’agit d’une chaîne de montagnes. p. 158

Mélange Association de plusieurs substances. Les propriétés d’un mélange dépendent des substances qui le composent. p. 47

Mouvement de rotation Mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle tourne autour d’un axe. p. 207, 229

Mélange hétérogène Mélange composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caractéristiques d’un mélange hétérogène est que l’on peut distinguer ses différents constituants. Un mélange hétérogène a donc plusieurs phases (solide, liquide ou gazeuse) visibles. p. 47

Mouvement de translation Mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle se déplace en ligne droite. p. 207, 228 Mouvement hélicoïdal Mouvement que fait une pièce ou une partie d’un objet lorsqu’elle se déplace en ligne droite le long d’un axe, en tournant sur cet axe. p. 230

Mélange homogène Mélange composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caractéristiques d’un mélange homogène est que l’on ne peut pas distinguer ses différents constituants. Un mélange homogène n’a donc qu’une phase (solide, liquide ou gazeuse) visible. p. 49

N Neutre Se dit d’une substance dont le pH est exactement 7. p. 28

Membrane cellulaire Mince enveloppe qui entoure toute la cellule. Elle contrôle les échanges entre l’intérieur de la cellule et le milieu extérieur. p. 114

Niche écologique Rôle global que joue un vivant dans son milieu. p. 96

Membrane nucléaire Mince barrière qui entoure le noyau. Elle contrôle les échanges entre le noyau et les organites du cytoplasme. p. 115

Nomenclature binominale Système de dénomination des êtres vivants composé de deux mots latins

324

(ou français). Le premier mot indique le genre auquel le vivant appartient alors que le deuxième mot désigne l’épithète, qui vient préciser le genre. Cette façon de nommer les vivants est universellement reconnue. p. 71

Ovule Chez la fleur, cellule (femelle) de l’ovaire qui se transforme en graine après avoir été fécondée par une cellule (mâle) du pollen. p. 122

Noyau (de la cellule) Partie de la cellule qui contrôle les activités cellulaires et contient l’information héréditaire. C’est le « cerveau » de la cellule. p. 115

P Paroi cellulosique Épaisse barrière qui entoure la membrane cellulaire de chaque cellule végétale. p. 116

Noyau (de la Terre) Partie située au centre de la Terre. Cette partie, qui est la plus chaude, comprend une portion solide (noyau interne) et une portion liquide (noyau externe). p. 143

Pédoncule Partie de la fleur qui lui sert de support (avec le sépale). p. 122 Pétale Partie de la fleur, généralement colorée, qui attire les insectes. p. 122

O

pH Mesure exprimant l’acidité ou la basicité d’une substance, représentée par une échelle graduée de 1 à 14. p. 28

Ordre Quatrième niveau de la classification des vivants, compris entre la classe et la famille. p. 78

Phases de la Lune Parties de la Lune éclairées par le Soleil, telles qu’elles sont vues de la Terre. p. 186

Orogenèse Ensemble de processus qui entraînent la formation des montagnes. p. 146, 149

Photosynthèse Transformation par les plantes, à l’aide de la lumière, du gaz carbonique de l’air en nourriture. p. 116

Ovaire Chez la fleur, partie du pistil qui contient les ovules. p. 122 Ovipares Se dit des animaux dont les œufs se développent entièrement à l’extérieur de la femelle. Il n’y a pas d’échanges de substances entre la mère et l’embryon. p. 126

Pistil Organe femelle de la fleur, composé de l’ovaire et du style. p. 122 Plaine Relief généralement plat et peu élevé. La plaine peut être une ancienne mer qui s’est asséchée et au fond de laquelle des dépôts de sable, de graviers et de roches se sont accumulés. p. 160

Ovovivipares Se dit des animaux dont les œufs se développent dans le corps de la femelle jusqu’à ce qu’ils soient prêts à éclore. Toutefois, comme chez les ovipares, il n’y a pas d’échanges de substances entre la mère et l’embryon. p. 126

Plante-mère Plante « parent » dont sont issues d’autres plantes. p. 117

325

Plaques tectoniques Grands morceaux de la lithosphère flottant sur la partie partiellement fondue du manteau de la Terre et formant le fond des océans ainsi que les continents. p. 145

Producteur Organisme végétal dont le rôle est de produire de la matière vivante (organique) en absorbant et en réorganisant la matière non vivante. p. 97

Plateau Vaste étendue de terrain plutôt plane, située à une certaine altitude par rapport à ce qui l’entoure. p. 159

Proie Organisme vivant qui est capturé par un prédateur. p. 81 Propriété Qualité propre à une substance, à un objet, à un groupe de substances ou à un groupe d’objets. p. 5

Poids Force avec laquelle un corps attire un autre corps. Dans le langage courant, le poids désigne la force avec laquelle la Terre attire un corps. p. 9

Propriété caractéristique Propriété qui permet d’identifier une substance ou un objet, de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet, ou de prévoir l’effet qu’aura une substance ou un objet sur l’environnement. p. 6

Point d’ébullition Température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux. p. 19 Point de fusion Température à laquelle une substance passe de l’état solide à l’état liquide. p. 18

Propriété non caractéristique Propriété qui ne permet ni d’identifier une substance ou un objet, ni de déterminer l’usage qui peut être fait d’une substance ou d’un objet, ni de prévoir l’effet d’une substance ou d’un objet sur l’environnement. p. 6

Pollen Poussière faite de grains microscopiques produits par l’anthère de l’étamine. Le pollen est l’équivalent des spermatozoïdes chez les animaux. p. 122 Pollinisation Transport du pollen de l’anthère de l’étamine vers le stigmate du pistil. p. 122

R

Population Ensemble des individus d’une même espèce qui vivent sur un territoire géographique déterminé. p. 80

Radicule Une des deux petites excroissances (avec la gemmule) qui apparaissent lorsque la graine d’une plante germe. La radicule fournit les racines. p. 124

Précipitations Dans le cycle de l’eau, stade qui survient lorsque les minuscules gouttelettes d’eau composant les nuages tombent sous forme liquide (pluie, bruine, brouillard) ou solide (neige, grêle). p. 165

Règne Premier niveau de la classification des vivants. Le règne se divise en cinq catégories : le règne des animaux, le règne des végétaux, le règne des champignons, le règne des monères, le règne des protistes. p. 74

Prédateur Organisme vivant qui capture des proies vivantes pour s’en nourrir ou pour nourrir ses petits. p. 81

326

Relief Ensemble des formes que l’on trouve à la surface de la lithosphère (élévations, dépressions, pentes). p. 158

ce type de dessin, les forces et les mouvements en jeu sont bien indiqués. p. 204, 207 Sélection naturelle Sélection qui s’opère naturellement au sein d’une population. Cette sélection va favoriser les organismes qui ont des caractéristiques héréditaires favorables à leur survie. p. 91

Reproduction asexuée Reproduction qui se fait avec un seul parent. Celui-ci produit alors une ou plusieurs « copies » de lui-même. p. 117 Reproduction sexuée Reproduction qui se fait par l’union de deux cellules, une cellule mâle et une cellule femelle. p. 118

Sépale Partie généralement verte de la fleur, qui peut parfois être d’une autre couleur. Le sépale, tout comme le pédoncule, sert de support à la fleur. p. 122

Révolution de la Terre Mouvement de la Terre autour du Soleil, qui se fait en 365,25 jours. Ce mouvement s’effectue selon une trajectoire ovale appelée « orbite terrestre ». p. 184

Sismographe Appareil qui mesure l’amplitude (la « grandeur ») des vibrations que produisent les tremblements de terre. p. 152

Rotation de la Terre Mouvement de la Terre qui s’effectue en 24 heures environ et qui se fait de l’ouest vers l’est. p. 182

Sismologue Scientifique qui étudie les tremblements de terre. p. 152 Solide Substance qui a un volume défini et une forme qu’elle a tendance à garder, mais qui peut être modifiée. Le solide est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative). p. 14

Ruissellement Écoulement de l’eau provenant des précipitations et circulant à la surface du sol sans y pénétrer. p. 165 Rupture Déchirure ou cassure d’un objet ou d’un matériau due à une force trop grande ou exercée de façon répétée. p. 227

Solidification Passage de la phase liquide à la phase solide. p. 44 Solstice Moment de l’année où la position extrême de la Terre marque le début de l’été ou le début de l’hiver. L’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud reçoivent alors, en quantité inégale, les rayons du Soleil. p. 185

S Schéma de construction Dessin qui représente, de façon simplifiée, les pièces et les matériaux qui seront utilisés dans la fabrication d’un objet. Dans ce type de dessin, on indique comment les pièces vont être liées. p. 204, 208

Solubilité Capacité qu’a une substance de se dissoudre plus ou moins dans une autre substance. p. 26

Schéma de principe Dessin qui représente, de façon simplifiée, le fonctionnement d’un objet. Dans

Soluté Substance qui est dissoute dans une autre substance appelée « solvant ». p. 50

327

Solution Mélange homogène dans lequel une substance ou plusieurs substances sont dissoutes dans une autre substance. p. 50

Taxonomie Science qui classifie les êtres vivants dans diverses catégories. p. 74 Techniques En technologie, moyens mis en œuvre pour fabriquer les objets, les appareils, les systèmes, les édifices, etc. p. 202

Solvant Substance qui dissout une autre substance appelée « soluté ». p. 50 Stigmate Extrémité du pistil de la fleur. p. 122

Technologie Étude des différentes techniques, c’està-dire des moyens qui sont mis en œuvre pour fabriquer les objets, les appareils, les systèmes, les édifices, etc. p. 202

Stolon Tige provenant de la tige principale d’une plante, qui croît à la surface du sol et s’enracine en produisant de nouveaux plants. p. 117 Stratosphère Couche de l’atmosphère située directement au-dessus de la troposphère et commençant à environ 10 km au-dessus du niveau de la mer. C’est dans la stratosphère que se trouve la couche d’ozone. p. 167

Tectonique des plaques Théorie selon laquelle la lithosphère est découpée en plus d’une douzaine de plaques tectoniques flottant sur la partie partiellement fondue du manteau de la Terre. Le mouvement de ces plaques explique le relief de la Terre. p. 145

Stratovolcan Haute montagne volcanique au sommet pointu et aux flancs très en pente. La lave qui s’en échappe est très visqueuse. p. 156

Température Mesure de l’état plus ou moins chaud d’une substance ou d’un objet. p. 11

Style Long tube du pistil reliant l’ovaire au stigmate de la fleur. p. 122

Tension Force qui tire sur un corps. Cette force peut provoquer ou modifier le mouvement de ce corps. Elle peut aussi causer sa déformation. p. 222

Sublimation Passage direct de la phase solide à la phase gazeuse, sans passer par la phase liquide. p. 45

Thermosphère Couche de l’atmosphère la plus éloignée de la Terre. Elle commence à environ 80 km d’altitude au-dessus du niveau de la mer et se rend jusqu’à la limite de l’espace, à quelque 1000 km d’altitude. p. 168

Substance pure Substance dont toutes les particules sont semblables. p. 18

Torsion Effet qui se produit lorsque deux forces sont exercées dans un mouvement de rotation et dans des directions opposées. p. 225

T Tamisage Technique de séparation des mélanges. Cette technique permet de séparer, selon leur grosseur, les constituants solides d’un mélange en les faisant passer par un ou plusieurs tamis. p. 53

Transformation Changement qui modifie une des propriétés d’une substance. p. 42 Transpiration Forme d’évaporation chez les êtres vivants. p. 165

328

Vivipares Se dit des animaux dont les œufs se développent à l’intérieur de la femelle. L’embryon est relié à la mère, qui lui fournit tout ce qui est nécessaire à son développement. p. 126

Tremblement de terre Vibration (secousse, mouvement brusque) du sol causée, entre autres, par le déplacement soudain des roches le long d’une faille, par un volcan, etc. Synonyme : séisme. p. 151

Volcan Lieu où du magma provenant du manteau traverse la croûte terrestre pour se rendre jusqu’à la surface de la Terre. p. 154

Troposphère Couche de l’atmosphère la plus près de la Terre et mesurant environ 10 km d’épaisseur. C’est dans cette couche que l’air est le plus dense et que se produisent la plupart des phénomènes météorologiques : nuages, pluie, neige, tempêtes, arcs-en-ciel, etc. p. 166

Volcan-bouclier Grande montagne volcanique dont la pente douce et le large sommet lui donnent la forme d’un bouclier. La lave qui s’en échappe est peu visqueuse. p. 155

Tsunami Série de vagues immenses provoquée par le mouvement brusque d’une partie importante du fond de l’océan sous l’influence d’un tremblement de terre, d’un volcan ou d’un glissement de terrain sous-marins. Les vagues se propagent de façon circulaire sur de grandes distances et peuvent former un mur de plus de 20 m de hauteur. Ce mot vient du mot japonais tsunami, qui signifie « vague portuaire ». p. 153

Volume Mesure de la place qu’un corps occupe dans l’espace, que ce corps soit à l’état solide, liquide ou gazeux. p. 10

V Vacuole Petite poche située dans le cytoplasme de certaines cellules végétales ou animales. La vacuole sert à emmagasiner le sucre ou les déchets chez les végétaux, ou encore les graisses chez les animaux. p. 116 Vallée Étendue basse et allongée, située généralement entre deux montagnes et façonnée par un cours d’eau. p. 158 Vaporisation Passage de la phase liquide à la phase gazeuse. p. 44

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46 (2.9) 68 (3.10) 80 (3.47) 81 (3.48) 110 (4.3) 132 (4.47) 139 150 (5.20) 152 (5.23, 5.24) 153 (5.25) 154 (5.26) 157 (5.31) 161 (5.41) 168 (5.51) 172 (5.52, 5.53) 201 212 (7.16) 221 (8.5) 226 (8.14)

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p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p.

146 147 148 149 151 155 164 167 186 187 188 190 193 205 223 232 234 237 266

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p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p.

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122 123 124 127 130 131 144 145 149 182 183 185 186 195 202 207 208 210 214

(4.31) (4.33) (4.35, 4.36) (4.42) (4.45) (4.46) (5.8) (5.9) (5.16) (6.10) (6.11) (6.15) (6.17) (6.27) (7.1) (7.9) (7.11) (7.13) (7.17, 7.18)

p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p. p.

220 221 223 224 225 226 230 231 241 260 261 271 273 275 280 282 292

(8.3, 8.4) (8.6) (8.9) (8.10, 8.11) (8.12, 8.13) (8.15) (8.23) (8.24) (8.39, 8.40) (S3.2) à 263 et 272 (S4.4) (S4.8) et 283 à 295