RÉPUBLIQUE TUNISIENNE MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION …

RÉPUBLIQUE TUNISIENNE

MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION

SCIENCES PHYSIQUES

leme année de l'enseignement de base

COLLEGES PILOTES

Auteurs

Abdelhamid BAATOUT Hédi KHALED Taoufik BACCARI Inspecteur général de l'éducation Inspecteur principal des collèges Professeur principal

et des lycées secondaires

Évaluateurs de la version arabe

Fadhel DAHHA Ahmed ARDHAOUI Inspecteur principal Inspecteur principal des collèges

des collèges et des lycées et des lycées secondaires secondaires

Centre National Pédagogique

Avant-propos

C'est avec grand plaisir que nous vous présentons brièvement le contenu de ce modeste ouvrage didactique, tout en espérant qu'il sera à la hauteur de nos aspirations et nos ambitions, et qu'il atteindra les objectifs que nous nous sommes fixés.

Ce manuel de sciences physiques est destiné aux élèves de la neuvième année de l'enseignement de base, dans l'espoir de contribuer à :

- les aider à fixer les notions acquises en classe concernant l'atome et les réactions chimiques, les solutions aqueuses ioniques et leur conductibilité électrique, le courant alternatif et l'électricité domestique, ou encore la réflexion et la réfraction de la lumière ; et ce grâce à ce qu'ils ont réalisé, en classe, comme études expérimentales permettant d'analyser plusieurs phénomènes naturels, simples et courants, tels que la combustion de certains matériaux dans le dioxygène, la dissolution de certains autres dans l'eau, la propagation de la lumière et le changement de direction de sa propagation...

- les entraîner à employer pertinemment les savoirs et savoir faire acquis et à les intégrer dans la résolution des problèmes.

- les habituer à adopter, dans toute situation, la démarche scientifique. Afin de réaliser ces objectifs, nous avons tenu à suivre, dans la conception des leçons

proposées, une approche favorisant la stimulation de la motivation des apprenants et le développement de leur esprit d'initiative ainsi que leur sens de la responsabilité.

L'enseignement des sciences physiques dans les collèges ne constitue pas une fin en soi, mais vise essentiellement à doter l'apprenant d'une somme de connaissances, d'habiletés et d'attitudes, qu'il devra savoir employer dans la résolution des problèmes posés. Dans ce but, nous avons tenu à ce qu'on parte dans chaque cours, d'un ensemble d'observations et d'interrogations que l'élève est invité à déchiffrer et à expliquer d'une manière scientifique et exacte. Il sera ainsi prêt à réaliser les activités proposées, telles que les expériences en laboratoire, ou les recherches sur le terrain, et à répondre aux questions qui accompagnent ces activités afin de parvenir aux conclusions exactes.

Pour permettre à l'élève de s'autoévaluer et de mieux consolider ses acquis, nous avons prévu à la fin de chaque chapitre une rubrique où l'apprenant doit compter sur soi dans la résolution d'exercices et de problèmes variés. Ceux-ci peuvent aboutir soit à l'étude d'un document scientifique, en rapport avec le thème, soit à la réalisation d'un projet simple qui se fonde sur les règles et les concepts construits, ainsi que sur l'intégration de savoir faire théoriques et de savoir faire pratiques spécifiques essentiellement à la matière. Et pour ceux qui désirent acquérir plus de connaissances sur le sujet traité, nous proposons à chaque fois un choix de sites web, parfois une rubrique intitulée « Pour en savoir plus ! », ainsi qu'une rubrique amusante, permettant de se divertir et d'apprendre en même temps.

Enfin, notre souhait serait de voir nos élèves parvenir à atteindre les objectifs visés - objectifs pour lesquels a été institué l'enseignement des sciences physiques dans les collèges -, grâce à une utilisation spontanée et bénéfique de ce modeste ouvrage, et ce serait pour nous la véritable réussite.

LES AUTEURS

CARTE DU LIVRE

Objectifs Contenu

Leçon Pag Thème Chapitre

■ Reconnaître un courant électrique variable.

■ Reconnaître une tension électrique variable.

LU _i m < oc < >

1

Propriétés duCourant ÉLECTRIQUE

VARIABLE kl

15

■ Reconnaître une tension électrique alternative.

■ Reconnaître une tension sinusoïdale.

LU 3 o oc H O m _i m

2 Courant

ALTERNATIF lu

20

« Mesurer la valeur efficace d'une tension alternative sinusoïdale.

' Mesurer l'intensité efficace d'un courant alternatif sinusoïdal.

H Z < DC 3 O o

3

Caractéristiques du

COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAL lu

29

■ Citer les caractéristiques essentielles du courant du secteur.

■ Citer quelques usages du courant du secteur.

■ Citer les dangers de l'électricité domestique (ou courant du secteur).

■ Décrire des mesures de prévention des dangers du courant du secteur. É

LE

CT

RO

MA

GN

ET

ISM

E

CO

UR

AN

T

DU

SEC

TE

UR

4 Courant

du SECTEUR

M 44

■ Électriser un corps par frottement.

m 3

5 Électrisation

PAR FROTTEMENT EL

56

■ Électriser un corps par contact.

O H < H (/} O oc H O m

6 Électrisation

par CONTACT lu

59

■ Reconnaître le signe d'une charge électrique d'après son effet sur une autre charge connue.

_i -LU

7 Charge électrique

I

62

Objectifs

Citer quelques combustibles usuels. Citer les origines de quelques combustibles.

Décrire les méthodes de transport et de stockage des combustibles conformément aux règles de sécurité.

i Définir une réaction chimique, i Distinguer entre les

transformations physiques et les réactions chimiques,

i Distinguer entre les réactifs et les produits d'une réaction chimique.

Modéliser quelques réactions chimiques simples en s'appuyant sur des modèles moléculaires. Distinguer entre les corps purs simples et les corps purs composés.

Distinguer entre les constituants de l'atome.

Citer les symboles de quelques éléments chimiques naturels. Écrire les formules de quelques corps purs.

Ecrire et équilibrer quelques équations chimiques simples.

Contenu

Thème Chapitre

Définir une solution électrolytique. Reconnaître une solution électrolytique.

Comparer les concentrations molaires de deux solutions ioniques d'après leur conductibilité électrique.

LU CE 3

CO z < Q LU CC

-LU

(/} 3 m s o o < _l H m m S O H <

CO LU J CO O u

il Si CO o m

co LU 3 g z g CO z g H 3 _l O CO CO LU

Leçon

10

11

12

13

14

15

16

Les combustibles : LEURS GENRES,

ORIGINES ET USAGES

Transport des COMBUSTIBLES, LEUR

STOCKAGE ET LA PROTECTION CONTRE

LEURS DANGERS

Réaction chimique

L'atome

Structure de l'atome

Symbole de l'atome et

FORMULES CHIMIQUES

Equation d'une RÉACTION CHIMIQUE

Conductibilité ÉLECTRIQUE DES

SOLUTIONS AQUEUSES

Influence de la CONCENTRATION SUR

LA CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE D'UNE

SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE

73

76

86

89

95

A

rf

100

103

113

liff 116

Contenu Objectifs Leçon Page

Thème Chapitre

Distinguer entre l'ion et l'atome. Distinguer entre les anions et les cations.

Définir une solution aqueuse acide et une solution aqueuse basique. Distinguer entre une solution aqueuse acide et une solution aqueuse basique d'après les valeurs de leur pH.

Mesurer le pH d'une solution aqueuse avec un pH-mètre ou un papier pH.

Reconnaître le degré d'acidité d'une solution aqueuse acide, connaissant la valeur de son pH.

Reconnaître le degré de basicité d'une solution aqueuse basique, connaissant la valeur de son pH.

Retenir que le pH d'une solution aqueuse neutre est égal au pH de l'eau pure. Reconnaître une solution aqueuse neutre.

LU CE 3

CO z < Q LU CC

-LU

(/} m 3 g z g

CO z g H 3 _l o CO CO m

17

18

19

20

21

22

Anions et cations

Solution aqueuse ACIDE ET SOLUTION AQUEUSE BASIQUE

Mesure du pH

Degré d'acidité d'une solution AQUEUSE ACIDE

Degré de basicité d'une solution

AQUEUSE BASIQUE

Solution aqueuse NEUTRE

118

124

îf 127

A 131

\$t 137

m 143

Objectifs

Définir le phénomène de réflexion de la lumière. Énoncer les deux lois de réflexion de la lumière.

Construire l'image d'un objet réel, formée par un miroir plan.

Définir le phénomène de réfraction de la lumière. Enoncer les deux lois de la réfraction de la lumière. Tracer la marche d'un rayon ou d'un faisceau lumineux réfracté.

Expliquer les phénomènes de réfraction limite et de réflexion totale.

Expliquer le principe de fonctionnement d'une fibre optique. Expliquer le phénomène de mirage.

Réaliser l'expérience de dispersion de la lumière blanche par un prisme. Décrire le spectre de la lumière blanche. Expliquer la dispersion de la lumière blanche par un prisme. Expliquer le phénomène d'arc-en- ciel.

Contenu

Thème Chapitre

LU oc .LU S 3 _l < _l LU Q Z o H < (3 < Q. O

LU ff oc Q. LL

.LU LU o S 3 _l

LJ z o H O LU OC Q < _l LU Q H Z LU S LU O z < X o

Leçon

23

24

Réflexion de la lumière

Le miroir plan

25

26

Réfraction de la lumière

Réfraction limite ET RÉFLEXION

TOTALE

Applications du CHANGEMENT DE LA

27 DIRECTION DE PROPAGATION DE LA

LUMIÈRE

Les lumières 28 VISIBLES ET LA

LUMIÈRE BLANCHE

Uff 155

160

A 170

ri 176

182

lï

190

SB

LOGOS DU LIVRE

Travaux pratiques

J'observe et je m'interroge

1

Je cherche et je m'assure

Je manipule tout seul

Cours

Pour en savoir plus

J'étudie un document scientifique

Je m'amuse

Je m'appuie sur des ressources

*1

Je manipule et je constate

J'observe et je constate

/

J'évalue mes propres acquis

Résumé

si l;

J'analyse et j'explique - J'explique ce qui s'est produit

Je conclus

i m

Je m'entraîne à résoudre des

problèmes

PRÉSENTATION DU LIVRE

Comment utiliser mon livre ?

Thème proposé à étudier

Photographie illustrant le thème

Chapitres constituant le thème

* o

Prérequis indispensable à l'étude du thème proposé

L£QV3\S

S(IMO(Rs

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Leçons proposées

Photographie illustrant le chapitre

Stimuli sous forme de questionnements

Titre de la leçon

Contenu de la leçon : Activités variées basées sur

l'expérimentation et les recherches documentaires ou sur le terrain, déclenchées par des situations

choisies de la vie courante ou de l'environnement et suivies par des

tests d'autoévaluation

S *

'XX

O

o O

O

o cP

o o

CH d>

o %

O

1-

m

S Résumé : L'essentiel des

connaissances et concepts construits par le

traitement de tout le chapitre

Conclusion : L'essentiel des

connaissances et concepts tirés des

activités réalisées et qui traduisent les

objectifs visés

-®-

Je m'entraîne à résoudre des problèmes :

Série d'exercices et de problèmes avec la

résolution desquels j'évalue ma capacité de tirer profit de mes

propres acquis

J'étudie un document

scientifique : Document ou plus, sous forme de texte

se rapportant au contenu scientifique

du chapitre et suivi de questions visant l'aide

à la pratique de la démarche scientifique

dans l'étude des travaux d'autrui et au \ développement de

• l'esprit critique

S ^J'étudie

X ./

,x %

,?*•

✓

S

Rubrique de divertissement ciblé ou pour la proposition

d'une expérience possible à réaliser

chez soi sans aucun danger

Je puise davantage d'informations dans

Internets: Liste d'adresses de

sites web intéréssants

Pour en savoir plus : Extrait d'article

scientifique, une application

technologique ou une information

scientifique historique, dans un but culturel et d'approfondissement

11

ÉLECTROMAGNETISME

■ ■

!

<$> COURANT ÉLECTRIQUE VARIABLE

<$> COURANT DU SECTEUR

ÉLECTROSTATIQUE

PRÉREQUIS

SAVOIRS

1. Énumérer les effets du courant électrique.

2. Savoir que le courant électrique a un sens.

3. Savoir que l'intensité du courant est la même en tout point d'un circuit série.

4. Énoncer la loi de distribution de la tension électrique dans un circuit série (loi des

mailles).

5. Énoncer la loi de distribution du courant électrique dans un circuit comportant des

dérivations (loi des noeuds).

1. Distinguer entre générateurs et récepteurs.

2. Distinguer entre isolants et conducteurs.

3. Schématiser un circuit électrique.

4. Réaliser un circuit électrique série.

5. Réaliser un circuit électrique comportant des dérivations.

6. Préciser le sens du courant électrique dans un circuit fermé.

7. Mettre en évidence expérimentalement les effets du courant électrique.

8. Mesurer l'intensité d'un courant électrique.

9. Mesurer une tension électrique.

10. Vérifier l'adaptation d'un dipôle récepteur à un dipôle générateur.

SAVOIR FAIRE

COURANT ELECTRIQUE VARIABLE

1. PROPRIETES DU COURANT ELECTRIQUE VARIABLE

2. COURANT ALTERNATIF

3. CARACTERISTIQUES DU COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAL

1

Centrale électrique

■ Que signifie le symbole ~ figurant sur la plaque signalétique de plusieurs

appareils électriques ?

■ Quelle différence y a-t-il entre le courant électrique délivré par la S.T.E.G.

et le courant débité par une pile ?

Pourquoi faut-il utiliser un transformateur pour charger la batterie d'un

téléphone mobile ou pour faire fonctionner certains appareils électriques

avec le courant du secteur ?

-©-

QU'EST-CE QU'UN COURANT ÉLECTRIQUE VARIABLE ?


Que désigne-t-on par "courant électrique variable" ?

Est-ce que cela nous laisse penser qu'il y a des générateurs capables de débiter un

courant électrique différent de celui d'une pile sèche ou d'une batterie ?

P ] Je manipule et je constate

^ Je me procure le matériel suivant :

* une pile sèche,

* une alimentation stabilisée portant le

symbole ~ ou y(Fig.1a),

* deux diodes électroluminescentes

(diodes LED), une verte et une rouge

par exemple (Fig.lb),

* un rhéostat (pour la protection des

diodes),

* des fils de connexion.

STAB

» 0

Fig.la Fig.lb

•-

^ Je réalise le circuit électrique de la figure 2

tout en m'assurant que les deux diodes LED

sont montées en parallèle et en sens

inverses entre les points A et B.

& -l>|-

—W-

Fig.2

B

-©-

Je ferme le circuit et je note ce que

j'observe au niveau des diodes

électroluminescentes (Fig.3).

:

/ \ A

Kl

Fig.3

^ Je refais la même expérience mais

en remplaçant la pile sèche par

l'alimentation stabilisée portant le symbole

~ ou y.

Une fois le circuit fermé, les deux diodes

brillent simultanément (Fig.4).

&

&

►fc" / \

k/ B Kl

/\

Fig.4

J'analyse et j'explique

• Dans le premier montage, la diode verte ne brille pas parce qu'elle est insérée d'une

manière ne permettant pas au courant électrique d'y circuler du point A au point B (sens non

passant).

• Dans la deuxième expérience, le fait que les deux diodes brillent simultanément malgré leur

insertion de la même manière que dans la première expérience montre que l'alimentation

stabilisée utilisée (portant le symbole ~ ou y) débite dans le circuit extérieur un courant

électrique dans les deux sens inverses l'un de l'autre.

^ j Je conclus

Contrairement à la pile sèche, à la batterie et à d'autres alimentations qui, dans un circuit

fermé, font circuler le courant électrique dans un sens unique, il y a des alimentations qui

font circuler le courant électrique dans les deux sens inverses : un tel courant électrique est

qualifié de courant variable.

-©-

INTENSITÉ DE COURANT ÉLECTRIQUE VARIABLE

<9 ] J'observe et je m'interroge

Dans certains spectacles, l'éclairage change continuellement de luminosité. A quelle

caractéristique du courant électrique variable utilisé, cela est-il dû ?

|J_ ] Je manipule et je constate


* un générateur TBF (alimentation stabilisée spéciale délivrant un courant variable

particulier),

* une lampe électrique,

* une diode LED (verte par exemple)

>(< un rhéostat,

* un interrupteur,


TSF Je réalise le circuit électrique de la figure 5.

Dès que le circuit est fermé, le filament de la

lampe devient progressivement de plus en plus

rouge jusqu'à l'incandescence dont résulte

l'émission d'une lumière intense. Mais, celle-ci

ne persiste pas ; elle s'estompe avec le retour du

filament à l'état dans lequel il était avant la

fermeture du circuit. Puis, le filament devient de

plus en plus rouge jusqu'à l'incandescence et

ainsi de suite...

Simultanément, la diode LED clignote en émettant un éclat vert avec l'incandescence du

filament.

A Kl

Fig.5

Jî_ ] J'analyse et j'explique

On ne peut expliquer la variation de la brillance du filament de la lampe et la non persistance

de son incandescence que par la variation de l'intensité du courant électrique qui y circule.

Quant au clignotement de la diode LED, c'est une preuve de l'inversion continuée du sens de

ce courant dans le circuit, c'est-à-dire la circulation du courant dans le circuit alternativement

dans un sens et dans l'autre.

17

^ ] Je conclus

>- En plus de l'inversion continuée (ou répétitive) du sens de sa circulation dans un circuit

fermé, le courant électrique variable est caractérisé par une intensité non constante.

Définition du courant variable :

On appelle courant électrique variable tout courant électrique dont l'intensité varie

ou le sens change au cours du temps.

>- Tout appareil capable d'alimenter un circuit fermé par du courant électrique variable est

appelé générateur de courant variable.

Remarque :

Tout courant électrique circulant dans un sens unique avec une intensité constante comme

celui produit par une pile sèche ou une batterie dans un circuit fermé est qualifié de courant

continu. Par suite, tout courant non continu est un courant variable.


A la suite d'un usage de longue durée, la pile sèche devient incapable d'alimenter une

lampe de poche (par exemple) avec du courant continu. Pourquoi ? Est-ce parce que le

courant n'y circule plus dans un seul sens ou bien pour une autre raison que je dois

préciser ?

TENSION VARIABLE

Qu'est-ce qui fait que les générateurs de courant variable utilisés dans les deux expériences

précédentes débitent un courant électrique variant au cours du temps en sens et en

intensité ?

JJ ] Je manipule et je constate

^ En plus du matériel utilisé dans l'expérience

précédente, je me procure un oscilloscope.

^ Je réalise de nouveau le montage de la figure 5

tout en branchant les bornes du générateur TBF

à l'une des entrées de l'oscilloscope (Fig.6).

N.B. :

Afin de visualiser la tension électrique à étudier, je

suis la méthode pratique recommandée plus loin à

la page 27, mais sans faire fonctionner le système

de balayage, et ce après avoir effectué tous les

réglages préliminaires de l'oscilloscope.

V • f- "

: "y-i;: ; # v 5^ ÎC x - G Î ® *

TBF *

M

Fig.6

18

Ainsi, en circuit ouvert ou fermé et contrairement à ce qu'il subit avec un générateur

d'alimentation en courant continu (où le spot lumineux se déplace vers le haut ou bien

vers le bas pour occuper une position fixe), le spot lumineux ponctuel qui apparaît sur

l'écran de l'oscilloscope avec le générateur TBF ne reste pas fixe, mais oscille

verticalement, de part et d'autre du centre de l'écran.


Le déplacement du spot lumineux vers le haut ou vers le bas de l'écran de l'oscilloscope

montre que le générateur TBF maintient entre ses bornes une tension électrique non nulle,

tandis que ses oscillations autour du centre de l'écran montrent que cette tension délivrée

aux bornes du TBF est caractérisée par une valeur algébrique non constante (variant au

cours du temps en signe et en valeur absolue)

Je conclus

>- En plus des générateurs qui maintiennent entre leurs bornes une tension constante

connue sous le nom de tension continue, il y a des générateurs qui délivrent une tension non

constante en valeur algébrique connue sous le nom de tension variable. Par conséquent, les

générateurs du premier type sont qualifiés de générateurs de tension continue, tandis que

ceux du dernier type sont qualifiés de générateurs de tension variable.

>- Tout courant variable circulant dans un circuit fermé est dû à une tension variable délivrée

par le générateur utilisé.

Remarque

Généralement, on attribue à la grandeur physique variable une notation minuscule et à la

grandeur physique constante une notation majuscule.

Exemples :

• La tension électrique variable est notée u tandis que la tension électrique constante

est notée U.

• L'intensité de courant est notée I lorsqu'elle est constante et i lorsqu'elle varie au

cours du temps.

J'évalue mes propres acquis Ui

1. Les courbes de la figure 7 représentent

l'évolution de deux tensions u-, et U2 au cours

du temps.

Je précise si chacune des tensions est

variable ou constante.

2. Je désire faire fonctionner une lampe. Mais,

le générateur dont je dispose ne peut délivrer

entre ses bornes que l'une ou l'autre des

tensions u-, et U2.

Parmi u-, et U2, laquelle convient ? Justifier la

réponse.

U2

Fig.7

19

COURANT ALTERNATIF 11

QU'EST-CE QU'UN COURANT ALTERNATIF ?

^ j J'observe et je m'interroge

Au laboratoire, tout ampèremètre ou voltmètre

à aiguille est muni généralement d'un bouton

à deux positions indexées respectivement par

les symboles = et ~(Fig.1).

A quoi sert cette deuxième position repérée

par le symbole ~ alors que notre professeur

n'a pas cessé, tant en 7e qu'en 8e de base, de

nous prévenir que pour toute mesure, le

bouton sus-indiqué doit être du côté du

symbole = ?

|J_ ] Je manipule et je constate

^Je me procure le matériel suivant :

* un générateur de courant variable TBF,

* un voltmètre numérique,

* deux diodes électroluminescentes

(diodes LED), une verte et une rouge,

par exemple,

* un rhéostat,


^ Je réalise le circuit électrique schématisé

dans la figure 2.

En branchant le voltmètre aux bornes du

i ^ r

DTSTi MBjujc

Fig.1

1 t>

A '■ Kl

Fig.2

générateur, je constate qu'il affiche des valeurs de tensions variables, alternativement

positives et négatives.

En fermant le circuit, les deux diodes brillent en alternance : quand la tension u aux

bornes du générateur est positive, la diode rouge brille tandis que la diode verte reste

éteinte. Par contre, quand u est négative, c'est la diode verte qui brille.

20


La simultanéité de la brillance de la diode rouge et de l'affichage de valeurs positives de u par

le voltmètre montre que le courant électrique circule dans le circuit extérieur, du point A vers

le point B. Par conséquent, la borne du générateur située du côté du point A joue le rôle de

son pôle positif et la borne du côté du point B joue le rôle de son pôle négatif. L'alternance

de cette simultanéité avec celle de la brillance de la diode verte et l'affichage de valeurs

négatives de u montre que le courant électrique ne circule plus dans le circuit extérieur de A

vers B, mais plutôt de B vers A. Par conséquent, c'est la borne située du côté de B qui devient

pôle positif et celle située du côté de A devient pôle négatif. En d'autres termes, le générateur

est caractérisé par une inversion continuée des signes de ses pôles. Il s'en suit dans le circuit

extérieur, une circulation de courant alternativement dans un sens et dans l'autre.

Je conclus

>■ Parmi les tensions variables, il y a celles qui sont caractérisées par une valeur algébrique

qui change alternativement de signe au cours du temps : ce sont les tensions

alternatives.

>■ Un générateur de tension alternative débite dans un circuit fermé un courant électrique

circulant alternativement dans les deux sens. Un tel courant est appelé courant alternatif.

TENSION ALTERNATIVE SINUSOÏDALE


^ Je me procure le même matériel que précédemment et un chronomètre.

Dans le but d'analyser quantitativement la tension alternative u maintenue entre les

bornes du générateur TBF, je reprends le circuit de la figure 2 et, pendant au moins

trois minutes et toutes les 10 secondes, je relève avec le voltmètre numérique la valeur

algébrique que prend la tension u. En parallèle, je dresse le tableau de valeurs

expérimentales suivant :

t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 6 8,48 6 0 - 6 - 8,48 - 6 0 6 u(V)

t(s) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

8,48 6 0 - 6 - 8,48 - 6 0 6 8,48 6 0 u(V)

-©-

m

^ Je représente graphiquement la tension u en fonction du temps t. J'obtiens alors une

courbe formée par une succession de sinus (ou poches) identiques (Fig.3). Une telle

tension alternative dont le chronogramme est sinusoïdal (formé de sinus) est qualifiée

de tension alternative sinusoïdale.

U(VU

8.48

30

2C 100 60 140 180

6.00

5 48

Fig.3

Remarque :

Il est possible de visualiser le

chronogramme de la tension u sur l'écran

d'un oscilloscope. Pour ce, je branche les

bornes du générateur TBF à l'une des

entrées de l'oscilloscope. En suivant la

méthode pratique recommandée plus loin

à la page 28, avec un choix convenable

du balayage et de la sensibilité verticale,

j'arrive à visualiser un oscillogramme

(Fig.4) de même forme que la courbe de

la figure 3.

Je conclus

>- Parmi les tensions alternatives, il y a celles qui sont caractérisées par une évolution

temporelle sinusoïdale.

>- De telles tensions sont qualifiées de tensions alternatives sinusoïdales.

p flfl H

V. B W

M ' ' ]

;

m WM |^V|

Fig.4

m


Les courbes (1) et (2) de la figure 5 représentent l'évolution temporelle des tensions

électriques u-, et U2, respectivement aux bornes d'une génératrice de bicyclette et aux bornes

d'une prise de courant du secteur.

Tout en justifiant la réponse, je précise si chacune des tensions u-, et U2 est variable,

alternative et sinusoïdale.

Ulf

(1)

(2)

' /v

Fig.5

P J Résumé

^ Tout courant électrique circulant dans un sens unique avec une intensité constante au

cours du temps est un courant continu. Sinon, il devient variable.

^ Tout courant variable est dû à une tension variable, tension de valeur algébrique non

constante au cours du temps.

^ Un générateur ne peut alimenter un circuit en courant variable que lorsqu'il maintient

entre ses bornes une tension variable.

^ Les tensions électriques variables sont variées. Entre autres, il y a celles qui changent,

de manière continue, alternativement de signe : de telles tensions sont dites alternatives.

^ Une tension alternative génère, dans un circuit fermé, un courant alternatif, courant

circulant continuellement au cours du temps alternativement dans un sens et dans l'autre.

^ La tension alternative sinusoïdale est une tension alternative dont le chronogramme est

de forme sinusoïdale.

^ La tension électrique du secteur est un exemple de tension alternative sinusoïdale.

-0-

JE COMPTE SUR MOI-MÊME

[jEj Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n0 1

Préciser pour chacun des QCM (Questionnaires à Choix Multiples) suivants, la

proposition juste.

1. Dans un circuit fermé, un courant électrique ne peut être variable que lorsque :

>K son sens change continuellement.

* son intensité varie continuellement.

>K le générateur qui le débite maintient entre ses bornes une tension qui varie au

cours du temps.

>K son sens change et son intensité varie continuellement.

2. La tension électrique variable est caractérisée par la variation :

* de sa valeur algébrique au cours du temps.

>K du signe de sa valeur algébrique uniquement.

>K de sa valeur absolue uniquement.

3. Un courant variable est alternatif lorsque :

* il circule dans un circuit fermé tantôt dans un sens tantôt dans l'autre.

* il change de sens avec la variation de la tension qui lui donne naissance.

>K son sens et sa valeur changent simultanément et continuellement.

* la variation de son intensité ne s'accompagne d'aucun changement de signe.

Exercice n02

Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le terme qui convient de

la liste suivante : tension - positives - négatives - variable - courant - alternative -

sinusoïdale.

* Un générateur de tension alimente un circuit fermé par un

variable au cours du temps.

>K On appelle tension toute tem

alternativement au cours du temps des valeurs

négatives.

* Un générateur de tension alternative

toute tension

débite dans un circuit

qui prend

et des valeurs

électrique fermé un

>K Une tension

alternatif sinusoïdal,

prend au cours du temps, des valeurs

et des valeurs positives.

Exercice n03

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste.

1. Une pile sèche alimente un circuit fermé par un courant électrique variable.

2. Un courant électrique variable est un courant de sens unique et d'intensité

variable.

3. Une tension variable est une tension dont la valeur algébrique n'est pas

constante.

4. Un courant électrique dont la valeur algébrique varie au cours du temps est

débité par un générateur de tension variable.

5. Tout courant électrique variable est un courant alternatif.

6. Qu'il soit variable ou continu, un courant électrique qui circule dans un circuit

fermé est débité par un générateur qui possède, à chaque instant, un pôle

positif et un pôle négatif.

7. Tout courant alternatif sinusoïdal est un courant variable.

□

□

□

□

□

□

□

Exercice n04

Dans le but d'allumer une diode LED, trois élèves réalisent chacun un des montages

électriques schématisés ci-dessous et portant les numéros (1), (2) et (3).

1. Préciser le montage dans lequel, à la fermeture, s'établit un courant électrique variable. Justifier la réponse.

2. Associer par une flèche, chaque montage à l'état dans lequel se trouve la diode LED en circuit fermé.

Montage Etat de la diode LED

Montage (1)

Montage (2)

Montage (3)

brille continuellement

ne brille pas

clignote

TBF -V'•

A. -KT

(1)

B

A -KL

(2)

B & KL

(3)

B

-®-

Exercice n05

Les courbes schématisées ci-dessous représentent l'évolution au cours du temps de

certaines tensions électriques.

u ^ Lt +

-> o

U A U A

> 0 L

U A U A

0 t

Parmi ces courbes, identifier celle(s) qui représente(nt) :

1. une tension variable.

2. une tension alternative.

-®-


Je m'entraîne à rutilisation d'un oscilloscope

11 1 10 8

Balaya |e | [Niveau ]

m n m/a ms \50

1.1 Xj m lu 0 2 _uminosite^

-ocus XYlDual -B 0.5

US Synchro

r

' ,^^20 Voie 8 2r YOC

5

50 20 [Voie A | 2 100

50

10 i ÎP nV mV

V

I - Je m'entraîne à rutilisation d'un oscilloscope

1 J Commande Marche / Arrêt 7 Réglage de la sensibilité verticale

2 Sélecteur 8 Réglage de la position horizontale du

spot lumineux

3 Borne d'entrée A 9 Réglage de la position verticale du spot

lumineux

4 Borne de masse 10 Réglage de la luminosité

5 Borne d'entrée B (2e entrée,

indépendante de A) 11 Focalisation

6 Réglage du balayage (ou de la sensibilité horizontale)

-©-

Il - J'effectue les réglages prélimiaires

1. Je mets l'oscilloscope en marche par action sur le bouton de commande (ou

interrupteur) 1

2. Je place le sélecteur 2 en position 0.

3. Si je n'observe rien sur l'écran de l'appareil, je tourne le bouton 9 dans un sens

ou dans l'autre jusqu'à l'apparition du spot lumineux.

4. Je règle le balayage : je tourne le bouton 6 jusqu'à ce que le spot lumineux se

stabilise sous forme d'un trait horizontal.

5. Je tourne le bouton 8 dans le sens adéquat jusqu'à ce que le spot lumineux

rectiligne couvre toute la largeur de l'écran.

6. Afin que le spot lumineux soit suffisamment fin et net, je règle sa luminosité ainsi

que la focalisation en agissant respectivement sur les boutons 10 et 11 .

7. Je tourne le bouton 9 dans le bon sens jusqu'à ce que le spot horizontal soit

centré à l'écran de roscilloscope.

Remarque : Pour m'assurer des bons réglages préliminaires que je viens d'effectuer,

le spot lumineux ponctuel (ayant la forme d'un point) que j'obtiens en l'absence de

tout balayage doit apparaître au centre de l'écran.

III. Je visualise une tension électrique (délivrée aux bornes d'un générateur par

exemple) à l'écran de l'oscilloscope.

1. Je bascule le sélecteur 2 en position ~ quel que soit le type de tension à

visualiser (continue ou variable).

2. Je branche le générateur à l'entrée A ou B de l'oscilloscope par la connexion de sa

borne rouge (pôle positif s'il s'agit de générateur de courant continu) à la borne 3

ou 5 et de sa borne noire (pôle négatif pour le générateur de tension continue

ou pôle désigné par 0 ou rh dans le cas du générateur de tension variable) à la

borne 4 de roscilloscope.

Remarque : Pour la commodité de travail, il est recommandé d'utiliser un fil de

connexion rouge entre les bornes rouges et un fil de connexion noir entre les

bornes noires.

3. Je règle le balayage 6 ainsi que la sensibilité verticale 7 de façon que

l'oscillogramme obtenu soit stable et étalé sur la plus grande surface de l'écran

sans dépasser les limites supérieure et inférieure, voire étalé sur quelques périodes

(1, 2, 3...) si la tension est alternative.

■

CARACTERISTIQUES DU

COURANT ALTERNATIF

SINUSOÏDAL


Qu'est-ce que l'on désigne par l'écriture

220 V - 50 Hz figurant sur la plaque

signalétique des appareils électriques

fonctionnant avec le courant du secteur ?

(Fig.1)

Pour faire fonctionner les appareils

électriques portant l'indication 110 V,

on doit utiliser un transformateur

portant l'indication 110 V - 220 V. Que

désigne-t-on par ces indications ?

(Fig.2)

CD RADIO CASSETTE-CORDER

AC; 220 V ~ 50Hz 20W

# DC: 9V- FLASHLIGHT BATTERY

R20 SIZE D X 6 OR EQUIVALENT

Fig.1

114 V

«

Fig.2

PERIODE D'UNE TENSION ALTERNATIVE SINUSOÏDALE

cQd] J'analyse et j'explique

Pour une analyse plus approfondie des

tensions alternatives sinusoïdales, je

m'appuie sur le chronogramme de la

page 22 qui m'a permis de dégager ce

que c'est qu'une tension alternative

sinusoïdale (Fig.3).

U{V)A

8.48- i: i:L:

lu: 140 ' i • : i

- 6.00 H

Fig.3

29

^ En observant attentivement la forme

sinusoïdale de la courbe, je constate qu'elle

est formée de petites portions identiques

dont la forme dépend du point Aj(12,3)

marquant son début et du point Bj(1 2,3)

marquant sa fin (Fig.4). En plus, quelle que

soit la forme de la portion choisie, la durée

d'évolution de la tension entre Aj et Bj est la

même : At, = At2 = At3 = 80 s. (Fig.4)

Cette constatation montre que la tension u

reprend au cours du temps la même valeur

algébrique à des intervalles de temps

successifs et égaux à 80 s.

Une telle tension u est une grandeur

physique périodique et la durée At = 80 s,

est sa période.

Fig.4

Je conclus

>- La tension alternative sinusoïdale est une grandeur physique périodique : elle prend la

même valeur algébrique à des intervalles de temps successifs égaux représentant

chacun la période T de cette tension.

>- Toute tension alternative sinusoïdale produit dans un circuit électrique fermé un courant

alternatif sinusoïdal. Par conséquent, l'intensité de ce courant est une grandeur

alternative sinusoïdale.

Donc, le courant alternatif sinusoïdal est un phénomène périodique.

>- La période d'un courant alternatif sinusoïdal est elle-même la période de son intensité et

de la tension qui le produit.

>- La période est une grandeur physique mesurable. Dans le système international, son

unité est la seconde.

U(V). At

•1 no

20 1 A

' un

•1

U(V)A

S 48" 6 00

100 140 1(5)

9.00

(At),

U (V)A (At)3

8 48-

lu. 140 ISO

-6 00-

>


Je réalise de nouveau le montage de la

figure 2 de la page 20. En visualisant sur

l'écran de roscilloscope la tension u aux

bornes du générateur TBF, j'obtiens

l'oscillogramme de la figure ci-contre.

Je mesure la période T sachant que la

sensibilité horizontale est égale à 0,2 s / div

(c'est-à-dire une division horizontale sur

l'écran représente 0,2 s).

mM

HT. kw

Wkm

■r I^I ; Hli|

WJM

FRÉQUENCE D'UN COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAL


Je reprends le montage que je viens de réaliser et, en agissant sur le bouton adéquat du

générateur TBF, je fais diminuer de manière continue la valeur de la période T de la

tension d'alimentation. Simultanément, je suis l'évolution de l'oscillogramme jusqu'à ce que

la valeur de la période T devienne égale à 0,5 s.

Remarque

Pour obtenir un oscillogramme net et stable, je

n'oublie pas de régler le balayage horizontal à

l'aide du bouton 2 de l'oscilloscope.

^ En prenant pour une sinusoïde, la portion de

courbe sinusoïdale sur une période, je

constate que sur une seconde, il y en a deux

(Fig.5). Autrement dit, la tension de période

T = 0,5 s se reproduit identique à elle-même

deux fois par seconde : on dit que cette

tension sinusoïdale u a une fréquence notée N

^ Quelle relation y a-t-il entre la fréquence N et la période T ?

La durée d'une répétition est T. Par conséquent, la fréquence qui n'est autre que le nombre

de répétitions en une seconde est N = 1/T.

1 At; = 1a 1

\ £1 —=t

r.

A m □ r m [> \

\ m 1 |i 1 1 1 /' \ 1 1 n N At K 9 n

1

\ / w M n 1 i 1

\ H □ i 11 i 1 1

\ / 1 r

K h \ □

Fig.5

et égale à deux répétitions par seconde.

-©-

Je conclus

En plus de la période, le courant électrique alternatif sinusoïdal est caractérisé par une

fréquence. Celle-ci est le nombre d'évolutions successives et identiques en une

seconde.

La fréquence est notée généralement N.

La fréquence d'un courant alternatif sinusoïdal est elle-même la fréquence de son

intensité et de la tension qui le produit.

La fréquence est une grandeur physique mesurable. Dans le système international, elle

s'exprime en hertz. Le symbole de l'hertz est Hz.

L'hertz a des multiples ; on en cite :

- le kilohertz (kHz) : 1kHz = 103 Hz.

- le mégahertz (MHz) : 1 MHz = 106 Hz.

- le gigahertz (GHz) : 1 GHz = 109 Hz.

La fréquence N d'un courant alternatif sinusoïdal est liée à sa période T par la relation :

n=t

J'évalue mes propres acquis .mv)

Le chronogramme de la figure 6 représente

l'évolution de la tension du secteur au cours

du temps.

En m'y appuyant, je détermine la fréquence

N du courant du secteur.

0.5 4.5 t{102 s)

Fig.6

VALEUR MAXIMALE D'UNE TENSION ALTERNATIVE SINUSOÏDALE

j Je manipule et je constate


>k un générateur de tension alternative sinusoïdale portant l'indication 12 V,

>k un oscilloscope,

>k un interrupteur,

>k des fils de connexion.

En reliant les bornes du générateur à l'une des entrées de l'oscilloscope, j'obtiens un

chronogramme sinusoïdal dont les sommets des crêtes et les fonds des creux sont

symétriques par rapport à l'axe des temps (Fig.7a).

-®-

Cela signifie que la tension u varie, au cours du temps, entre deux valeurs opposées

u-, = + 17 V et U2 = - 17 V.

La valeur maximale u-, est notée Um, tandis que la valeur minimale U2 est notée (- Um).

Fig.7a Fig.7b

Conseil pratique

Pour mesurer la valeur maximale Um d'une tension sinusoïdale u avec plus de précision, je

supprime le balayage. Ainsi, j'obtiens un spot rectiligne vertical (Fig.7b) de longueur L

représentant 2.Um.

Je conclus

>- Lors de son évolution au cours du temps, une tension alternative sinusoïdale varie de

manière continue entre une valeur maximale Llm et une valeur minimale opposée à la

première (- Llm).

-Um < u < + Un

>- Un oscilloscope permet de mesurer, en plus de la période, la valeur maximale d'une

tension alternative sinusoïdale.


Je reprends le montage de l'expérience précédente mais avec un générateur de tension

alternative sinusoïdale portant l'indication 6 V. En supprimant le balayage, j'obtiens un spot

rectiligne vertical étalé sur 3,4 divisions.

Sachant que la sensibilité verticale de l'oscilloscope est fixée à 5 V/div, je vérifie que la valeur

maximale U'm vaut 8,5 V.

33

VALEUR EFFICACE D'UNE TENSION ALTERNATIVE SINUSOÏDALE

Hî l Je manipule et je constate


* un générateur de tension alternative

sinusoïdale portant l'indication 6 V - 12 V,

* un générateur de tension continue 12 V,


* une lampe électrique (12 V),

* un voltmètre,

* un interrupteur,


^ Je réalise le circuit schématisé à la figure 8

en utilisant le générateur de tension

V

Fig.8

alternative sinusoïdale portant l'indication 6 V - 12 V et j'y choisis l'alimentation mentionnée

12 V. Lorsque je ferme le circuit, la lampe s'allume et le voltmètre indique une tension

constante U = 12 V.

^ Je refais la même expérience tout en remplaçant le générateur de tension sinusoïdale par

le générateur de tension continue (12 V). La lampe s'allume alors avec le même éclat et le

voltmètre indique aussi une tension constante de valeur U = 12 V.

^ Je réalise la même expérience en utilisant de nouveau le générateur de tension

sinusoïdale mais en choisissant l'alimentation mentionnée 6 V. La lampe ne brille pas avec

son filament qui devient à peine rouge (résultat prévisible évidemment) et le voltmètre affiche

une tension constante U' = 6 V.

^ Lorsque je remplace le générateur de tension sinusoïdale (6 V) par celui délivrant entre

ses bornes une tension constante 6 V, la lampe ne brille toujours pas avec son filament qui

devient rouge avec la même intensité que précédemment et le voltmètre indique la même

valeur constante 6 V.

En me rappelant que les valeurs maximales des tensions sinusoïdales délivrées par les

générateurs portant les indications (12 V) et (6 V) sont respectivement U U'

Um = 17 V et U'm = 8,5 V, je calcule les rapports — et -j-^ et je compare les résultats

trouvés avec la valeur décimale de \/2_ U U

-©-

Je conclus

>■ Toute tension alternative sinusoïdale est caractérisée par une grandeur appelée tension

efficace. Celle-ci est une tension constante de valeur égale à celle de la tension continue

qui donne à une lampe, le même éclat que celui obtenu avec cette tension alternative

sinusoïdale.

>■ La valeur efficace d'une tension alternative sinusoïdale est mesurable avec un voltmètre.

La valeur efficace U et la valeur maximale Llm d'une tension alternative sinusoïdale sont

> telles que : U,,, ^JÛ 2 .

H


La courbe de la figure 9 représente l'évolution de la tension du secteur au cours du temps.

1. A l'aide de la courbe, je précise la valeur maximale Llm de la tension du

secteur. 2. Je calcule sa valeur efficace U.

-311

U(VÏ

0.5 1 4.5 t(10 2s)

Fig.9

VALEUR EFFICACE DE L'INTENSITE DU COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAI

fl l Je manipule et je constate


* un générateur de tension alternative

sinusoïdale de valeur efficace U = 12 V,



* une lampe électrique (12 V),

* un ampèremètre,

* un interrupteur,


^ Je réalise le circuit électrique schématisé Fig.10

à la figure 10 tout en utilisant le générateur de tension alternative sinusoïdale. En fermant le

circuit, la lampe s'allume et l'ampèremètre indique une intensité de valeur constante I.

^ Je refais la même expérience tout en remplaçant le générateur de tension sinusoïdale par

le générateur de tension continue 12 V. La lampe s'allume alors avec le même éclat et

l'ampèremètre indique la même intensité constante I. On dit que cette valeur I est l'intensité

efficace du courant alternatif sinusoïdal.

35

Je conclus

L'intensité efficace est une autre grandeur caractérisant le courant alternatif sinusoïdal.

Sa valeur est égale à celle de l'intensité du courant continu qui donne à une lampe, un

éclat de même intensité que celui obtenu par ce courant alternatif sinusoïdal.

L'intensité efficace d'un courant alternatif sinusoïdal est mesurable avec un

ampèremètre.

La valeur efficace J^-et la valeur maximale lm de l'intensité d'un courant alternatif

sinusoïdal sont telles que : Im = I 2


Je dispose d'une lampe dont le fonctionnement normal est obtenu avec un courant continu

d'intensité égale à 0,5 A.

1. Est-il possible d'allumer la lampe avec un courant alternatif sinusoïdal ?

2. Dans l'affirmative, quelle est la valeur que doit avoir l'intensité efficace de ce courant

alternatif ?

i j Résumé

^ Le courant alternatif sinusoïdal est un courant périodique. Cette périodicité se manifeste

dans l'évolution de son intensité i ainsi que dans celle de la tension u à laquelle il est dû.

^ La période T d'un courant alternatif sinusoïdal est la durée de la plus petite évolution de

la tension u ou de l'intensité i qui se répète identique à elle-même au cours du temps, alors

que la fréquence N est le nombre d'évolutions identiques répétées en une seconde.

N = — T

^ L'oscilloscope est un appareil pratique à la visualisation des chronogrammes des

tensions électriques alternatives dont l'ordre de grandeur de leur fréquence rend le suivi

direct de leur évolution au cours du temps impossible.

^ En plus de leur périodicité temporelle, l'intensité d'un courant alternatif sinusoïdal ainsi

que la tension dont il est issu sont caractérisées par des valeurs maximales et des valeurs

efficaces vérifiant : Um = UN2 ; 1=1 N2

^ La tension efficace U et l'intensité efficace I sont deux grandeurs respectivement égales

à la valeur de la tension continue U et à celle de l'intensité I du courant continu qui donnent

à une lampe la même luminosité.

^ En courant alternatif sinusoïdal, le voltmètre et l'ampèremètre ne mesurent que les

grandeurs efficaces (tension efficace et intensité efficace).

^ Dans notre pays, la tension du secteur est une tension alternative sinusoïdale de

fréquence N = 50 Hz et de valeur efficace U = 220 V.

-®-


l-ZJ Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n0 1 Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le terme qui convient parmi les

termes suivants : oscilloscope - demi-période - période - l'ampèremètre - efficace - intensité - tension - courant - évoluant - sens.

^ Après chaque le alternatif sinusoïdal reprend la même en dans le même sens.

^ Après chaque le alternatif sinusoïdal change de tandis que son reprend la même valeur en évoluant dans

le même après chaque période.

^ Lorsqu'il s'agit d'une alternative sinusoïdale, on utilise le voltmètre pour mesurer sa valeur et pour mesurer sa valeur maximale.

^ Lorsqu'il s'agit d'un alternatif sinusoïdal n'est utilisé que pour mesurer la valeur de l'intensité.

Exercice n02 Compléter le tableau suivant par ce qui convient en grandeurs physiques, en unités de

mesure correspondantes et en symboles de ces unités de mesure.

Grandeur physique Période Tension efficace

Intensité maximale de courant

Unité de mesure Hertz Symbole de l'unité

de mesure

Exercice n03 1. Préciser dans ce qui suit, les propositions justes : * La tension alternative ne peut être que positive ou négative.

* On mesure la valeur maximale d'une tension sinusoïdale à l'aide d'un

voltmètre et sa valeur efficace à l'aide d'un oscilloscope. * La valeur maximale d'une tension alternative sinusoïdale est supérieure à sa

valeur efficace. * L'unité de mesure de la tension est le volt et l'unité de mesure de la période est l'Hertz. * La valeur d'une tension alternative varie au cours du temps.

2. Le schéma de la figure ci-contre représente l'oscillogramme d'une tension

électrique. On en déduit que cette tension est : * variable sinusoïdale.

* continue. >l< alternative non sinusoïdale.

□

□

□ □ □

-©-

3. Le schéma de la figure ci-contre représente l'oscillogramme d'une tension électrique.

Sachant que les sensibilités horizontale et verticale de l'oscilloscope sont fixées

respectivement aux valeurs 4 ms/div et 2 V/div, on a :

* Um = 6,5 mV ; T = 15 ms ; N = 66,7 Hz.

* Um = 13 V ; T = 15 ms ; N = 15 Hz.

* Um = 6,5 V ; T = 15 ms ; N = 66,7 Hz.

* Um = 6,5 V ; T = 7,5 ms ; N = 133 Hz.

_ B _ m

- r

il ■

L m

vf m m ... T ifJB L_

Ml

Exercice n04

La courbe schématisée à la figure ci-contre représente l'évolution de l'intensité i d'un

courant en fonction du temps t.

Choisir parmi les propositions figurant entre

parenthèses, la réponse juste :

1. Le courant utilisé est un courant

(continu/sinusoïdal)

2. La valeur Y représente la valeur

(efficace/maximale) de l'intensité du

courant.

3. La valeur X représente la valeur de la (période/fréquence) du courant électrique.

Exercice n05

Les quatre oscillogrammes de tensions de

la figure ci-contre sont obtenues avec les

mêmes sensibilités horizontale et verticale

de l'oscilloscope.

1. Montrer que les tensions étudiées

sont alternatives sinusoïdales.

2. Préciser les oscillogrammes des

tensions ayant la plus grande et la

plus petite valeur maximale.



plus petite période.



plus petite fréquence.

38

(b) A /A

V M

—J

(d)

W 1 Vi

Exercice n06

Le tableau suivant renseigne sur l'évolution, au cours du temps, de la tension u aux

bornes d'un générateur.

t(ms) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

u(V) 0 -6 - 10,4 - 12 - 10,4 -6 0 6 10,4 12 10,4 0

1. Tracer la courbe traduisant l'évolution de la tension u en fonction du temps t.

Echelle : 1 cm < > 2 ms sur l'axe des abscisses et 1 cm < > 2 V sur l'axe des

ordonnées.

2. La tension u, est-elle variable et alternative ?

3. Déterminer la période de la tension u. En déduire sa fréquence N.

Exercice n07

La tension du secteur fournie par la STEG est une tension alternative sinusoïdale de

valeur efficace U = 220 V et de fréquence N = 50 Hz.

1. Calculer la période T de la tension du secteur.

2. Tracer, sur deux périodes, le chronogramme de la tension du secteur.

Echelle : 2 cm < » 10 ms sur l'axe des abscisses et 1 cm < >100 V sur l'axe des

ordonnées.

3. Déterminer graphiquement, le nombre de fois où la tension s'annule pendant une

seconde.

4. Expliquer pourquoi une lampe branchée aux bornes d'une prise de courant brille

sans clignoter.

Exercice n08

On considère le montage schématisé à la figure ci-contre et

qui est formé de :

- un générateur électrique,

- deux diodes LED (D-,) et (D2),

- deux résistors pour protéger les diodes LED,

- un voltmètre branché aux bornes du générateur.

La courbe ci-dessous représente le chronogramme de la

tension aux bornes du générateur u = f(t).

A A / ̂ A

A

vv V/A J

\

r0!

D2 R

—D*—

—□ n. R

Reproduire le tableau suivant et le compléter en indiquant dans chaque case si la diode

(D-,) ou (D2) brille ou non.

t [0 ; 4 s] [4 ; 8 s] [8 ; 12 s]

(D1)

(D0

Exercice n09

La figure 1 représente l'oscillogramme d'une tension alternative sinusoïdale maintenue

aux bornes d'un générateur et la figure 2 montre les boutons de réglage des sensibilités

horizontale et verticale de l'oscilloscope.

Fig.1 : Oscillogramme de la tension u

ms 50 20 0.1 10 0.2

0.5

2 5 MS

V 500 200

100

50

10 \ 20

mV

Fig.2 : Boutons de réglage de l'oscilloscope

1. Lequel des boutons de la figure 2, permet de mesurer graphiquement la valeur

maximale d'une tension sinusoïdale. En déduire la valeur maximale de la tension u de

la figure 1.

2. Déterminer la valeur de la période T de la tension u. En déduire sa fréquence N.

3. Quelle est la valeur de tension mesurée par un voltmètre numérique ?

40

Exercice no10

La figure ci-dessous représente la façade avant d'un oscilloscope dont l'entrée A est

reliée aux bornes d'un générateur. Avec des réglages adéquats, apparaît sur son écran

cet oscillogramme sinusoïdal :

t

Xi i

a

î

O M'A

Luminoseè^'

Fcais ®

T , f .I.TOlj 1

m ®

A XY [Dual -B B

O1

Balayage) m s

© :

1®, , V.\50 20

\mv ôd ® §

m --"i^20 Voie B i 2/ë:M\100

ol ® ®1 x^-v

1 .Le générateur utilisé est-il un générateur de tension variable ou de tension continue ?

justifier la réponse.

2. Rappeler les caractéristiques de la tension visualisée.

3. Donner la valeur de la sensibilité horizontale utilisée ainsi que celle de la sensibilité

verticale.

4. - Préciser le nombre de divisions représentant la période et celui représentant la

valeur maximale de la tension visualisée.

- Calculer alors les valeurs de la tension maximale et de la période.

5. Déterminer la valeur de la fréquence de la tension étudiée.

6. Déterminer la valeur de la tension efficace. Quel est l'appareil permettant de mesurer

directement cette valeur ?


Les tensions alternatives en médecine

La contraction des muscles et des nerfs ainsi que toute autre activité biologique sont

accompagnées de variations de tension électrique. L'étude de telles variations de tension

permet de collecter des données et des informations pertinentes sur le fonctionnement des

différents organes de l'être humain, surtout le cœur et le cerveau.

Afin d'enregistrer les battements du cœur par exemple d'un patient, on fixe des électrodes

sur la peau (sur la poitrine, les bras et les jambes) par application locale d'une colle

conductrice et on les relie à un appareil sensible, muni d'un écran ou d'un enregistreur

mécanique. Ainsi, on obtient un électrocardiogramme (Fig.1), courbe représentant les

battements du cœur, où la petite crête A traduit le mouvement de l'oreillette et la partie BCDE

illustre celui du ventricule (Fig.2).

[S]

0, Ji rnV

c

L

C c

•

- ] | £

A \ il J\ A

a f D Ci Ô K

oreillette oreillette gauche i ^ droite

ventricule gauche

i ventricule droit

Fig.1 : Electrocardiogramme d'un homme adulte Fig.2 : Schéma d'une coupe faciale du cœur

La forme de l'électrocardiogramme dépend du rythme de battement du cœur (ou pouls),

c'est-à-dire la fréquence des pulsations Nc (nombre de pulsations du cœur par minute) qui

varie selon l'âge, l'activité musculaire et l'état psychologique de l'être humain. En fait, la

fréquence Nc augmente avec la concentration de quelques ions comme les ions calcium,

potassium et sodium dans le sang du cœur ; la fréquence Nc augmente aussi avec toute

élévation de température du corps due à une activité musculaire ou à une fièvre, comme elle

augmente avec toute élévation de température du milieu environnant. Cependant, la même

fréquence diminue avec l'âge : elle varie entre 140 et 160 pulsations/min chez le fœtus et

atteint les 70 pulsations/min chez l'adulte âgé de 45 ans. De même, le rythme cardiaque

dépend du genre. Il varie entre 64 et 72 pulsations/min chez l'homme adulte et entre 72 et 80

pulsations/min chez la femme de même âge.

Questions

1. Montre que la tension de la figure 1 est une tension alternative non sinusoïdale.

2. Déterminer à l'aide de l'électrocardiogramme de la figure 1, la fréquence Nc des

pulsations cardiaques en Hz et la convertir en pulsations/minute.

3. Préciser graphiquement la valeur maximale de la tension correspondant au

battement du cœur.

4. Calculer la valeur de ton pouls Nc à la suite d'un effort physique et vérifier qu'on la

retrouve avec la formule : (Nc = 220 - ton âge) en nombre d'années.

COURANT DU SECTEUR

4. COURANT DU SECTEUR

- ^

..parmi les utilisations du courant du secteur

Selon quelle caractéristique spécifique peut-on faire fonctionner

simultanément, sur une installation électrique domestique,

plusieurs appareils, sans qu'aucun de ces appareils ne voie son

bon fonctionnement perturbé ?

-®-

COURANT DU SECTEUR

NATURE DU COURANT DU SECTEUR ET SES CARACTÉRISTIQUES


En examinant la face avant d'un compteur d'électricité

domestique, je peux lire parmi les indications qui y

sont sérigraphiées :

127 V - 220 V, 50 Hz et 10 A - 40 A. Mais, sur le

disjoncteur à côté, il n'y a qu'une seule indication :

10 A ou bien 20 A par exemple.

Par conséquent, je reconnais que la tension du

secteur délivrée par la STEG (Société Tunisienne

d'Electricité et de Gaz) est une tension alternative de

fréquence égale à 50 Hz et que ce compteur convient

à tous les secteurs délivrant une tension de valeur

efficace 127 V ou 220 V. Mais, que signifie l'indication

10 A - 40 A et pourquoi a-t-on sérigraphié sur le

disjoncteur, 10 A ou bien 20 A ?


SOCIETE INDUSTRIELLE D'APPAREILLAGES ET DE MATERIELS ELECTRIQUES

GROMBALIA {TUNISIE)

e KWh

7 12 18

PROPRIETE1, STEG

COMPTEUR MONOPHASE TYPE E7SC C=1,666 Wh/tr 1=10-40 A F=50Hz U=127-220 V N°43662023 Année 2005 ^

2 FILS

Fig.1

L'indépendance du fonctionnement d'un appareil

électrique domestique de tout autre appareil branché

au secteur, sa commande avec son propre

interrupteur et l'indication 220 V sur tout appareil

domestique sont des preuves du branchement de

tous les appareils en parallèle aux bornes du secteur,

c'est-à-dire que l'installation ou le réseau domestique

n'est en quelque sorte qu'une multiplication de prises

de tension 220 V (Fig.2) à l'intérieur du bâtiment, et ce

pour la commodité de son exploitation.

D'ailleurs, cette constatation est confirmée par

l'électricien.

Le compteur sert à mesurer pour la STEG l'énergie

électrique consommée par les utilisateurs de

l'installation.

Compteur d'électncrtê domestique

Disjoncteur

ô © nsîallaïion électrique domestique

Fig.2

44

i Je manipule et je constate

En réalisant le montage schématisé dans la figure 3, il m'est possible de simuler une installation électrique réelle.


>K un générateur de tension alternative sinusoïdale portant l'indication 6 V,

>K trois lampes électriques portant l'indication 6 V,

>K un moteur fonctionnant avec du courant alternatif et portant l'indication 6 V,

>K une prise de tension 6 V constituée de

deux douilles fixées sur une planche,

>K 4 boîtes de dérivation fixées sur la

même planche, constituées chacune

de 3 douilles rouges reliées entre elles

et de trois douilles bleues reliées aussi

entre elles,

>K un ampèremètre,

>K 5 interrupteurs (quatre suffisent si le

générateur d'alimentation 6 V est muni

d'un interrupteur),

>K des fils de connexion bleus et rouges

en nombres égaux.

^ Je réalise le montage (Fig.3). Fig.3

Je ferme l'interrupteur K seulement et je note ce que je constate.

Je ferme les autres interrupteurs un à un, puis j'ouvre quelques uns d'entre eux. Alors, je

constate que plus les appareils qui marchent simultanément sont nombreux, plus l'intensité

efficace I affichée par l'ampèremètre est grande.

Je conclus

>- La tension électrique du secteur est une tension alternative sinusoïdale de 50 Hz de

fréquence et de valeur efficace égale à 220 V.

>- Les installations électriques domestiques sont conçues de manière à recevoir tous les

appareils à utiliser pour être montés en parallèle et, par suite, tous alimentés par la tension

du secteur 220 V efficaces.

>- Dans une installation électrique domestique, la valeur efficace de l'intensité du courant

principal augmente avec le nombre d'appareils mis simultanément en marche. Toutefois,

ce nombre ne peut être que limité du fait que la plus grande valeur permise de l'intensité

efficace ne doit pas dépasser la valeur indiquée sur le disjoncteur principal monté à côté

du compteur.

-®-

DANGERS DU COURANT DU SECTEUR ET MESURES PREVENTIVES

[g

<$>

<$>

Fig.4


En quoi consistent les dangers du courant du

secteur et comment en protéger les personnes et

les appareils ?

Pourquoi l'électricien n'utilise pas des fils

conducteurs de même couleur dans une installation

électrique ? Est-ce parce que tous les fils connectés

à une prise de courant (Fig.4) ne jouent pas le

même rôle dans une telle installation ?

Par conséquent, est-ce que les deux bornes de

la prise de courant n'ont pas la même fonction bien qu'elles

soient apparemment identiques ?

Pourquoi munir les prises de courant réservées aux

machines telles que le réfrigérateur et la machine à laver

d'une troisième borne qui est mâle en plus (Fig.5) ?

Qu'est-ce qui nous fait sentir parfois un choc électrique dès

que l'on touche la carcasse de quelques machines

électriques telles que le réfrigérateur ou la machine à laver

lorsqu'elles sont branchées au secteur ?

^ Quel est le rôle du disjoncteur ? Pourquoi le monter

directement à la sortie du compteur, c'est-à-dire à l'amont de l'installation électrique, et

pourquoi tous ces autres disjoncteurs ainsi que le disjoncteur différentiel montés sur le

tableau de distribution (Fig.6) qui se trouve dans un endroit dégagé à l'entrée de la

maison ?

Dans une salle de bain, pourquoi munir la prise de courant d'un couvercle en

plastique ?

Pourquoi est-il recommandé de ne pas toucher les appareils électriques avec des

mains mouillées ?

Fig.6

Fig.5

TTi ITI TTr ITTf rn

ir ic


Afin d'apporter des réponses justes à tous ces questionnements, je me renseigne auprès d'un

électricien, auprès de la STEG,...et je fais une recherche documentaire (par le recours à des

références scientifiques telles que des livres et des revues, par navigation sur Internet...) sur

les dangers de l'électricité domestique et les mesures préventives à prendre.

-®-

Je conclus

Fig.7

L'électricité est transportée de la centrale aux

zones urbaines dans des lignes. La ligne est

constituée de deux fils dont un est relié à la

terre. Celui-ci est appelé le fil neutre, l'autre

est appelé fil de phase (Fig.7).

Le secteur d'électricité domestique maintient

entre le fil de phase et le fil neutre une tension

alternative sinusoïdale de valeur efficace

égale à 220 V.

Afin de distinguer les fils de phase des fils neutres,

les techniciens choisissent pour les installations

d'électricité domestique, la couleur bleue pour les

gaines des fils neutres et la couleur rouge pour celles

des fils de phase.

Pour reconnaître la phase (borne reliée au fil de

phase) d'une prise de courant, le technicien utilise un

tourne vis testeur (Fig.8) : lorsque ce dernier y est, son

voyant s'allume.

L'électricité domestique a deux sortes de dangers : les

dangers que peuvent subir les personnes et ceux pouvant affecter l'appareillage :

>K Lorsqu'une personne touche une machine électrique ayant le défaut d'avoir sa

carcasse métallique non isolée du

fil de phase, elle subit un choc

électrique (Fig.9) qui peut

entraîner l'électrocution, et ce 2^ovT"

sous l'effet du courant électrique

qui passe à travers son corps, du

fil de phase vers la terre. Pour

éviter le risque d'un tel danger,

toute prise de courant réservée à

une machine électrique doit

comporter une troisième borne

(borne mâle de la prise de la

figure 5) que l'on relie à un fil

couvert d'une gaine bicolore (vert-jaune) appelé fil de terre du fait qu'il a l'autre

extrémité raccordée à la Terre à l'aide d'une tige de cuivre de 1,20 m de long

(Fig.11), plantée dans le sol loin de toute conduite souterraine de l'habitation.

Fig.8

Ci

Fig.9

-©-

220 V

!- 0 v\ /220 V \ *

y

D<i Vt

_

Si*vt 032A

y-

Fig.10a Fig.lOb Fig.11

>(< Les dangers susceptibles d'être provoqués par l'appareillage domestique consistent

en le risque de déclenchement d'incendie suite :

- à un court-circuit dû à un contact accidentel du fil de phase avec le fil neutre,

- à un dépassement trop élevé dans l'intensité efficace du

courant utilisé (valeur ne pouvant pas être supportée par le

réseau domestique) tout au niveau des dérivations (dans le cas

du fonctionnement simultané de plusieurs appareils branchés

sur la même prise de courant) qu'au niveau de la partie

principale de l'installation (du côté du compteur).

Pour la protection de l'installation domestique et de tout ce que

l'on y branche comme appareils ou machines, on la munit de

disjoncteurs :

>(t un disjoncteur principal (Fig.12) monté par le fournisseur

(STEG), juste à la sortie du compteur comme mesure préventive

de tout danger provenant d'un court-circuit ou du branchement d'un surplus

d'appareils ou de machines, en plus de son rôle d'interrupteur général,

>(< d'autres disjoncteurs surtout au niveau des dérivations du réseau, montés sur le

tableau de distribution comme à la figure 6 de la page 46.

Pour une protection sûre des personnes et des installations domestiques, il est

recommandé d'insérer un disjoncteur différentiel dans la partie principale du réseau

(disjoncteur situé à l'extrême gauche de la figure 6 et schématisé dans la figure

10.b).

Le disjoncteur différentiel joue le rôle d'interrupteur automatique sensible au courant

de fuite dans le fil de terre, d'intensité supérieure à 30 mA.

Fig.12

-®-


Certains appareils et machines électriques sont livrés avec un cordon d'alimentation muni

d'une fiche disposant de trois bornes dont deux sont mâles et l'autre est femelle. Une telle

fiche s'adapte bien à la prise de courant sécuritaire avec sa troisième borne mâle.

1. De quel genre de matériau est constituée la carcasse des appareils et machines sus

indiquées ?

2. Quelle est la partie de l'appareil ou de la machine avec laquelle la borne femelle de

la fiche doit être en contact par l'intermédiaire du cordon pour qu'elle soit

fonctionnelle ? Justifier la réponse.

Résumé

<$> L'installation électrique domestique est conçue de manière à ce que les dispositifs

y soient montés en dérivation aux bornes de la tension du secteur.

<§> Dans toute installation électrique domestique, le fil de phase et le fil neutre sont

fondamentaux : ils maintiennent entre eux la tension alternative sinusoïdale du secteur

(220 V efficaces chez nous). Quant au fil de terre, aux disjoncteurs et aux autres

accessoires de l'installation domestique, ils sont indispensables pour leur propriété

préventive.

<§> Les profits de l'électricité domestique sont variés et multiples. Mais, dans son

exploitation, il y a des dangers à éviter par le respect des règles de sécurité.

H

m

-0-


Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n0 1

Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot ou expression qui

convient : rouge - vert - bleue - indispensable -fils de terre - disjoncteur - conducteurs -

l'installation - composants du réseau.

* Pour reconnaître les électrique domestique, les techniciens utilisent

dans l'installation, des fils recouverts de gaine isolante

comme fils de phase et des fils recouverts de gaine isolante comme fils

neutres, tandis que pour les ils recourent aux fils recouverts de

gaine bicolore et jaune.

>K En plus du principal monté à côté du compteur d'électricité, le

disjoncteur différentiel est aussi parce qu'il protège

électrique domestique et les usagers de tout danger.

Exercice n02

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste :

1. Il n'y a pas de tension électrique entre le fil neutre et le fil de terre.

* Les appareils électriques d'usage domestique sont montés en série.

Le risque d'électrocution est probable à la maison malgré le montage

d'un disjoncteur différentiel dans le réseau local.

2. Quand il se produit, accidentellement, un contact électrique entre la

carcasse d'une machine à laver et le fil de phase, dans une installation

électrique munie d'un disjoncteur différentiel :

•k le courant électrique est coupé à cause du court circuit qui en résulte

dans l'installation.

la personne qui touche la carcasse de la machine est électrocutée.

le disjoncteur ne protège la personne qui touche la machine de

l'électrocution que si le fil de terre y est monté.

le disjoncteur protège la personne qui touche la machine de tout danger.

3. En voulant changer une lampe grillée dans ta chambre, tu montes sur un

escabeau en bois sans penser à ouvrir l'interrupteur et, inconsciemment, tu

touches les bornes de la douille de la lampe (contact direct entre le fil de

phase et le fil neutre). Avec cette maladresse et sachant que le réseau

électrique de chez toi n'est pas muni d'un disjoncteur différentiel :

il ne t'arrivera aucun mal du fait que l'escabeau t'isole de la terre.

il ne t'arrivera aucun mal parce que dès que tu touches les bornes de la

douille, il se forme un court-circuit qui entraîne la rupture du courant.

•k tu es exposé au danger d'électrocution parce que le courant électrique va

passer à travers ton corps.

-@-

m

Exercice n03

La figure suivante illustre un schéma d'installation électrique domestique.

220 V Fusible -

/

\ 10 A lu A 32 A Interrupteur

1. Montrer que l'interrupteur n'est pas correctement inséré dans l'installation.

2. Est-ce que les règles de sécurité sont respectées dans le branchement du

réfrigérateur ? Justifier la réponse.

3. On dispose d'un four électrique qui fonctionne au courant d'intensité égale à 12 A.

Que se passera-t-il si on le branche à la prise de courant encore disponible ?


Exercice n04

Pour réparer la douille de la veilleuse de ta chambre à coucher, tu as démonté son

interrupteur qui se trouve entre sa lampe et la prise de courant utilisée. Au cours de

l'opération, tu as eu une sensation désagréable dès que tu as touché l'un des fils du

cordon.

1. Quel est le défaut du montage électrique de la veilleuse ?

2. Quelle précaution aurais-tu dû prendre ?

3. Par quoi explique-t-on le fait que les interrupteurs des veilleuses modernes coupent

à la fois le courant dans les deux fils conducteurs du cordon ?


Grâce aux progrès de la science et de la technologie et avec le souci de développement

qui anime le citoyen tunisien, on est arrivé à couvrir tout le pays en électricité domestique, du

nord au sud, des plaines aux zones montagneuses et des zones urbaines aux zones rurales.

De ce fait, l'électricité est devenue l'un des piliers du développement ; elle est à la portée de

tout le monde et les usages sont devenus multiples et variés. On peut en citer, entre autres,

ce qui est indispensable au confort de la vie quotidienne, que ce soit à la maison ou au

bureau, comme l'éclairage et la mise en marche des appareils électroniques et

électroménagers. De même, on ne peut oublier son usage dans les secteurs économique,

industriel et agricole. Dans ce dernier, il aide à la valorisation des terres irriguées...

-©-

Tous ces avantages de l'électricité domestique sont très intéressants, mais non gratuits.

En fait, son exploitation non rationnelle peut être catastrophique ; la non gratuité réside dans

la consommation payante et a pour cause essentielle le risque d'épuisement des réserves

d'énergie indispensable à la production de l'électricité.

Par conséquent, une consommation rationalisée s'impose partout, à la maison, au bureau,

dans les établissements publics, dans les usines, dans la rue...

Quant au danger d'électricité qui ne pardonne pas, c'est l'électrocution que peut subir toute

personne qui ne gère pas avec précaution l'installation domestique et les appareils qui y sont

branchés.

En réalité, bien que le corps humain ne soit pas un bon conducteur du courant électrique,

s'il est humidifié, il arrive à conduire un courant d'intensité pouvant atteindre 25 mA quand on

touche les extrémités de deux fils entre lesquels il y a une tension de 25 V. Or, l'homme ne

peut supporter que le courant électrique dont l'intensité ne dépasse pas 5 mA.

Quand l'intensité du courant circulant dans un corps humain est comprise entre 10 mA

et 20 mA, la personne concernée peut subir en plus du choc électrique , une contraction dans

les muscles des membres.

Si l'intensité est comprise entre 25 mA et 30 mA, c'est la tétanisation de la cage

thoracique de la personne électrocutée. Celle-ci paraît alors comme étant morte.

Si l'intensité du courant atteint la valeur 50 mA, c'est la mort effective de la personne

sinistrée, et ce suite à un arrêt cardiaque qui persiste plus de 4 min.

Par conséquent, afin de sauver quelqu'un qui vient d'être électrocuté, une intervention

rapide est indispensable. Elle doit se faire sans affolement et se dérouler comme suit :

1. isoler la personne sinistrée par recours rapide à la coupure du courant électrique tout

en prenant ses précautions (main non mouillée) ou en l'éloignant de la source de courant

sans jamais le toucher directement, sinon le secouriste lui-même sera en péril.

2. Appeler d'urgence les secours de la Protection Civile (Tél. 198 D ).

3. En parallèle, porter les premiers secours à la victime, et ce par la réanimation de sa

respiration par un bouche à bouche (méthode de respiration artificielle qui consiste à

appliquer la bouche ouverte sur celle de la victime et à insuffler de manière progressive, sans

avoir oublié de lui boucher le nez en pinçant les narines) après l'avoir mise dans la position

latérale de sécurité. Si par chance, le secouriste est un médecin ou un expert, celui-ci sait

très bien qu'il doit faire subir à la victime un massage cardiaque si son pouls ne bat pas.

Questions

1. Enumérer les domaines d'exploitation de l'électricité dans notre pays.

2. En quoi consiste la contribution de l'usage de l'électricité dans la valorisation des

régions agricoles irriguées ?

3. Qu'est-ce qu'on entend par "consommation rationalisée de l'électricité" ?

(Pour répondre à cette question, il faut s'appuyer sur des comportements et attitudes

pratiques.)

4. Expliquer pourquoi au laboratoire, on transforme la tension du secteur 220 V

efficaces en une tension 12 V efficaces ou moins ?

5. En plus de ce qui est cité dans le texte, y a-t-il d'autres dangers de l'électricité

domestique ? Lesquels ?

Les auteurs

0 Je m'amuse

1. Mots croisés

Chercher les notions ou les concepts physiques que signifient les expressions suivantes,

puis remplir la grille ci-dessous comme il est indiqué, avec les mots trouvés.

1 ► Propriété d'une tension sinusoïdale 5 ▼ Durée caractérisant une tension

sinusoïdale

2^ Non continu 6^ Interrupteur automatique du

courant électrique

3^ Unité de mesure de la fréquence ▼ 7 Inverse de la période

^4 Propriété du courant du secteur 8 ►

Caractéristique de tension

sinusoïdale, mesurable avec le

voltmètre

6T 3T

7T IV

2T

▲

oc A

S R

5T m

1 ► R Q V

E /-à JÊ&k

I

n & il

▲4

2. A qui est cette photo ? Il s'agit d'un physicien allemand né en 1857 à Hambourg et décédé en 1894 à Bonn. Il fut intéressé par l'étude de l'électromagnétisme et y effectua beaucoup de recherches expérimentales. Pour dégager son nom, recopier dans l'ordre consigné ci-dessous, les lettres des cases repérées par un chiffre romain.

iv | m 1 n V

Si l'on désire en savoir plus, on peut visiter par exemple le site web : www.dspt.club.fr

—(J)-

Je puise davantage d'informations dans Internet

SUJET ADRESSES SURLE WEB

www.ac-strasbourg.fr/disciplines/physchim/college

physiquecollege.free.fr/troisieme.htm

www.dspt.club.fr

Courant électrique

missiontice.ac- besancon.fr/sciences_physiques/eleves/index.php

variable, alternatif et ww2.ac-po itiers.fr/sc_phys/spip.php?rubrique22

alternatif sinusoïdal, électricité

domestique

colleges.ac-rouen.fr/ianglois/physique

www.steg.com.tn

www.ideasmaison.com

www.ac-nancy-metz,fr/enseign/physique/Sc_index.htm

www.ac-orleans-tours.fr/physique/phyei/trois/pageac/uac.htm

-©-

ÉLECTROSTATIQUE

5. ÉLECTRISATION PAR FROTTEMENT

6. ÉLECTRISATION PAR CONTACT

7. CHARGE ÉLECTRIOUE

h Le ciel, lorsqu'il est fendu par l'éclair...

■ Par quoi explique-t-on le frissonnement que l'on sent lorsqu'on

approche le dos de la main de l'écran d'un téléviseur ?

■ Expliquer la légère secousse que l'on subit parfois en touchant la

carrosserie d'une voiture qui vient de s'arrêter.

■ L'éclair, le tonnerre et la foudre, quand et où se produisent-ils ?

Ouelle est leur origine ?

-®-

5

ELECTRISATION PAR

FROTTEMENT

LE PHENOMENE D'ELECTRISATION


- Quelle est la cause du léger crépitement entendu lors du brossage des cheveux secs ou

lors de la séparation de deux feuilles transparentes l'une de l'autre ?

- A quoi est dû le picotement que l'on sent quand on ôte un sous-vêtement en nylon ?

P. ] Je manipule et je constate


* un bâton d'ébonite (caoutchouc rendu

dur par traitement avec le soufre),

* un bâton de verre,

* un morceau de fourrure,

* un morceau de soie,

* un pendule électrique dispositif

constitué d'une petite boule de sureau

suspendue à un fil de soie. (Fig.1)

Quand j'approche l'une des extrémités du

bâton d'ébonite de la boule de sureau, rien ne

se produit (Fig.2a).

^ Je frotte la même extrémité du bâton avec

un morceau de fourrure. Puis, je l'approche de

la boule de sureau. Celle-ci est alors attirée

par l'extrémité frottée (Fig.2b).

^ Je réalise la même expérience, mais en

utilisant au lieu du bâton d'ébonite le bâton de

verre frotté avec le morceau de soie et je note

mes observations (Fig.Sa) et (Fig.Sb).

Fig.1

r\

Fig.2a Fig.2b

Fig.Sa Fig.Sb

56


^>Par frottement de l'extrémité du bâton d'ébonite avec le morceau de fourrure ou de

l'extrémité du bâton de verre avec le morceau de soie, chacun des deux bâtons acquiert la

propriété d'attirer les corps légers par l'extrémité frottée.

Dans les deux cas, on dit que l'extrémité frottée devient électrisée, c'est-à-dire qu'elle

devient porteuse d'une quantité d'électricité.

Puisque l'électrisation n'affecte que la partie frottée du bâton utilisé, la quantité d'électricité

obtenue reste localisée là où elle apparaît, d'où la terminologie «électrostatique».

Remarque

L'appellation «pendule électrique» du pendule utilisé dans l'expérience précédente revient

à sa propriété d'interagir avec l'électricité.

Je conclus

Sous l'influence du frottement, les matériaux deviennent susceptibles d'attirer les

corps légers : c'est le phénomène d'électrisation.

Tout corps électrisé porte une quantité d'électricité localisée à sa surface.

Le pendule électrique est un instrument détecteur du phénomène d'électrisation.


Quand je frotte l'une des deux extrémités d'un bâton d'ébonite avec un

morceau de fourrure, puis j'approche la partie frottée de la boule de

sureau du pendule électrique, celle-ci manifeste exactement ce qu'elle

a subi face à l'extrémité du bâton de l'expérience précédente (Fig.4).

Expliquer cette constatation.

L'ÉLECTROSCOPE

%

Fig.4


Est-ce que le pendule électrique est le seul instrument utilisé au laboratoire pour détecter le

phénomène d'électrisation ?

fl j Je manipule et je constate

^ En plus du matériel utilisé dans l'expérience précédente, je me

procure un électroscope. Celui-ci est un dispositif formé d'une cage

munie de deux faces en verre transparent et par la face supérieure

passe forcément une tige métallique à travers un bouchon troué en

caoutchouc qui lui est solidaire. A son extrémité supérieure, la tige est

munie d'un plateau métallique. En son milieu, est attachée une feuille

métallique mobile ( Fig.5). Fig.5

57

^ Je réalise la même expérience que précédemment, mais en utilisant

cette fois-ci l'électroscope au lieu du pendule électrique, et ce en

approchant l'extrémité frottée du bâton de verre ou d'ébonite au

disque de l'électroscope. Je constate que la feuille métallique s'écarte

de la partie inférieure de la tige métallique comme dans la figure 6.

Remarque

La tige reprend sa position initiale dès qu'on éloigne du plateau

l'extrémité électrisée du bâton.

Je conclus

Fig.6

>- L'électroscope est un instrument de laboratoire qui sert à détecter le phénomène

d'électrisation


Je me procure un bâton de cuivre et je frotte l'une de ses extrémités avec un morceau de

tissu. Puis, en l'approchant du plateau de l'électroscope, je constate que la feuille métallique

ne s'éloigne de la tige de l'électroscope que lorsqu'on tient le bâton par un manchon en verre

par exemple (Fig.7).

1) Montrer que le non écartement de la feuille métallique de la tige de l'électroscope,

lorsque le bâton de cuivre est tenu directement par la main, n'est pas une preuve d'une

non électrisation de son extrémité frottée.

Expliquer alors le non écartement de la feuille métallique, constaté dans ces

conditions.

2) Peut-on montrer alors avec cette expérience que tous les corps solides peuvent

être électrisés par frottement ?

0

I

Fig.7

58

ÉLECTRISATION PAR

CONTACT

LE PHENOMENE D'ELECTRISATION PAR CONTACT.

M J'observe et je m'interroge

- Est-ce que l'électrisation ne peut se produire que par frottement ?

- Par quoi puis-je expliquer le picotement que je sens lorsque je touche par hasard l'écran

d'un téléviseur qui vient d'être éteint ?


Expérience N°1


* un bâton d'ébonite ou de plexiglas,

* un bâton de verre,

* un morceau de fourrure,

* un morceau de soie,

* deux pendules électriques.

J'approche doucement les deux pendules

électriques l'un de l'autre. Pourtant, aucune

interaction ne se produit entre leurs boules A et

B (Fig.la).

J'électrise le bâton d'ébonite ou de plexiglas

par frottement, puis j'approche l'extrémité

frottée de la boule A jusqu'au contact mutuel et

tout en maintenant le second pendule à côté.

En laissant le bâton à côté, j'approche de

nouveau les deux pendules l'un de l'autre et je

note ce que j'observe (Fig.lb).

-0-

m

A B

Fig.la

AèéB

Fig.lb

^ Je refais la même expérience, mais en

remplaçant le bâton d'ébonite par un bâton de / \

plexiglas et je prends note de tout ce que

j'observe et je constate (Fig.2). ^

n

B

*

*

*

*

Fig.2a

Expérience N°2


* deux bâtons d'ébonite ou de plexiglas

deux bâtons de verre,

un morceau de fourrure,

un morceau de soie,

un électroscope.

J'électrise l'un des bâtons d'ébonite ou de plexiglas par

frottement et je m'en assure par l'écartement de la feuille métallique

de la tige de l'électroscope dès que j'approche l'extrémité frottée du

plateau de ce dernier (Fig.3).

Ensuite, je mets l'extrémité frottée en contact avec l'une des

extrémités du second bâton de même nature.

^ En approchant de nouveau l'extrémité frottée du plateau de

l'électroscope, la feuille métallique s'écarte encore une fois, mais

moins que précédemment (Fig.4).

^ J'approche maintenant du plateau de l'électroscope l'extrémité

du second bâton qui a été mise en contact avec l'extrémité frottée

du premier. La feuille métallique s'écarte alors de la tige.

^ Je refais la même expérience, mais en remplaçant les deux

bâtons d'ébonite par les deux bâtons de verre et je prends note des

observations et constatations faites.

uÇo] J'analyse et j'explique

B

Fig.2b

\

Fig.3

Fig.4

Dans la première expérience, l'attraction de la boule (B) par la boule (A) est une preuve de

l'électrisation de la boule (A) à la suite de son contact avec l'extrémité du bâton électrisé par

frottement.

Dans la deuxième expérience, lors du contact du bâton électrisé par frottement avec le bâton de

même nature, ce dernier s'électrise par acquisition d'une partie de la quantité d'électricité localisé à

l'extrémité frottée du premier et cela explique l'écartement moindre de la feuille métallique comme

réponse à l'approche de l'extrémité frottée pour la deuxième fois du plateau de l'électroscope.

60

Je conclus

En plus de l'électrisation par frottement, il est possible d'électriser un corps par contact.


Après l'arrêt de sa voiture, le conducteur sent parfois une légère secousse quand

touche inconsciemment la carrosserie.

Par quoi explique-t-on ce fait (le léger choc) ?

-©-

LA CHARGE ÉLECTRIQUE

LES DEUX ESPECES D'ELECTRICITE


* Pourquoi ne pas utiliser la même matière pour électriser aussi bien un bâton d'ébonite

qu'un bâton de verre ?

* On sait très bien que lorsque la boule d'un pendule électrique s'électrise par contact avec

un bâton électrisé, elle ne reste pas attirée par ce dernier du fait qu'elle s'en éloigne tout de

suite. Puis-je expliquer cette répulsion ?

P 1 Je manipule et je constate


* deux bâtons d'ébonite ou de plexiglas,

>K deux bâtons de verre,

* un morceau de fourrure et un morceau de soie,

>l< deux supports constitués chacun d'un étrier suspendu à un

fil fin de soie (Fig.1).

J'électrise les deux bâtons d'ébonite ou de plexiglas par

frottement (avec un morceau de fourrure). Puis, je place chaque

bâton sur un étrier tout en veillant à ce que les extrémités

électrisées soient face à face et très proches l'une de l'autre.

Dès que le système est abandonné à lui-même, les deux

extrémités électrisées se repoussent (Fig.2).

^ Je refais la même expérience, mais en remplaçant les deux

bâtons d'ébonite par deux bâtons de verre et je prends note de

ce que j'observe (Fig.3).

^ Je réalise encore une autre fois la même expérience, mais en

utilisant deux bâtons différents, l'un en ébonite (ou en plexiglas)

et l'autre en verre. Au lieu d'une répulsion, il se produit une

attraction (Fig.4).

Fig.1

o

Fig.2

A ^

Fig.3

y

Fig.4

62


Dans les deux premières expériences, la répulsion produite entre les deux bâtons identiques,

au niveau des extrémités frottées avec le même morceau de tissu, explique l'apparition

d'électricités de même espèce. Quant à l'attraction, remarquée dans la troisième expérience,

entre les deux bâtons différents en nature, elle montre que l'électricité, qui apparaît au niveau

du bâton de verre, diffère de celle qui apparaît au niveau du bâton d'ébonite ou de plexiglas.

En effet, les études expérimentales ont montré qu'avec l'électrisation par frottement, il

apparaît une électricité de même espèce que celle qui apparaît sur un bâton d'ébonite frotté

avec de la fourrure ou bien de même espèce que celle qui apparaît sur un bâton de verre

frotté avec un morceau de soie.

Je conclus

Il y a deux espèces d'électricité, l'électricité vitreuse et l'électricité résineuse. - l'électricité vitreuse est celle de l'espèce qui apparaît par frottement sur du verre.

Exemple : cas du quartz frotté avec du coton - L'électricité résineuse est celle de l'espèce qui apparaît par frottement sur de l'ébonite.

Exemple : cas du bâton d'ébonite ou de plexiglas frotté avec de la fourrur > Deux quantités d'électricité de même espèce se repoussent, tandis que deux

électricités d'espèces différentes s'attirent.


Je dispose d'un bâton (T) en mica, électrisé par frottement.

1. Afin d'identifier l'espèce d'électricité portée par la partie frottée du bâton de mica, je

propose une expérience simple, réalisable avec le matériel approprié de la liste

suivante : un bâton d'ébonite, un bâton de verre, un morceau de fourrure, un

morceau de soie et deux étriers.

2. Si j'ai utilisé l'un des bâtons d'ébonite et de verre dans l'expérience proposée, je

dégage l'interaction qui se manifestera entre le bâton (T) et l'autre bâton de la liste

à la suite de l'électrisation de ce dernier par frottement.

LA CHARGE ÉLECTRIQUE


* Pourquoi qualifie-t-on l'une des bornes d'une pile par pôle positif et l'autre par pôle négatif ?

* Quel est le principe de fonctionnement du paratonnerre, ce dispositif que l'on installe sur le

toit d'un édifice haut afin d'éviter les dangers des coups de foudre ?


En revoyant les différentes expériences que j'ai réalisées sur l'électrisation par frottement en

utilisant comme détecteur que ce soit le pendule électrique ou l'électroscope, je constate que

l'acuité d'écartement de la boule du pendule ou celle de la feuille métallique de l'électroscope

diffère d'un cas à l'autre ; elle augmente par exemple avec la durée de l'opération de

frottement du bâton de verre avec un morceau de soie par exemple. J'en déduis alors que les

quantités d'électricité diffèrent d'une électrisation à l'autre.

d (Lj

H

0

m

yy


Afin d'expliquer la différence remarquée entre les quantités d'électricité, j'admets que toute

la quantité d'électricité qui apparaît sur le verre par frottement est constituée de très petites

quantités, égales et indivisibles, chacune appelée charge électrique élémentaire et notée e.

Par suite, toute quantité d'électricité vitreuse est une charge électrique notée q et constituée

d'un nombre n bien déterminé de charges électriques élémentaires, d'où :

q = n.e

Afin de distinguer entre les deux espèces d'électricité, on qualifie la charge matérialisant

l'électricité vitreuse comme étant une charge positive (q > 0) et la charge matérialisant

l'électricité résineuse comme étant une charge négative (q < 0).

Par suite, la charge électrique positive s'écrit : q = + ne,

tandis que la charge électrique négative s'écrit : q = - ne.

La charge électrique est une grandeur mesurable ; son unité internationale est le coulomb

et son symbole est «C».

La charge électrique élémentaire a la valeur :

e = + 1,6.10-19 C Remarque :

Bien que la charge électrique obtenue par électrisation soit formée d'un grand nombre de

charges électriques élémentaires, sa valeur reste encore très petite, ce qui justifie l'utilisation

de quelques sous multiples du coulomb comme unités de mesure pratiques :

- Le microcoulomb (pC) : 1 pC = lO6 C

- Le millicoulomb (mC) : 1 mC = lO3 C

Je conclus

> La charge électrique est une grandeur physique qui représente la quantité d'électricité

portée par un corps électrisé.

>- La charge électrique est une grandeur mesurable. Dans le système international, son

unité de mesure est le coulomb (C).

> Les charges électriques sont de deux espèces : les charges positives et les charges

négatives.

>- La valeur absolue d'une charge électrique est un multiple de la charge électrique

élémentaire. |q| = n.e , n E IN*

>- Deux charges électriques de même signe se repoussent, tandis que deux charges de

signes contraires s'attirent mutuellement.

m

-©-


Sachant que la charge électrique positive apparue sur un bâton de verre suite à son

frottement par un morceau de soie a une valeur égale à 0,032 pC :

1 - déterminer le nombre de charges élémentaires constituant la charge

q = 0,032 pC.

2 - montrer que la charge qui apparaît à la surface du morceau de soie est négative.

Résumé

^ Le phénomène d'électrisation peut se produire par frottement ou par contact.

^ En plus de l'électroscope, le pendule électrique est utilisé comme détecteur du phénomène

d'électrisation.

^ La charge électrique est une grandeur mesurable ; dans le système international, son

unité de mesure est le coulomb (C).

^ La charge électrique élémentaire a la valeur : e = 1,6.10-19 C.

^ Tout corps électrisé porte une charge électrique q dont la valeur absolue est un multiple

de la valeur de la charge électrique élémentaire.

|q| = n.e , n G IN*

^ Deux charges électriques de signes contraires s'attirent, tandis que deux charges

électriques de même signe se repoussent.



Exercice n0 1

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition

juste.

1- On obtient de l'électricité par électrisation d'un corps.

2- Un corps matériel ne s'électrise que par frottement.

3- L'électrisation est une méthode pratique à l'apparition d'une quantité

d'électricité.

4- Le pendule électrique est un détecteur de l'électrisation des corps.

5- Tout corps matériel électrisé est un conducteur de courant.

6- Tout corps électrisé par contact porte une charge.

7- Deux corps ne se repoussent que lorsqu'ils portent deux charges

électriques de même signe.

0

m

m

Exercice n0 2

Préciser pour chacun des QCM (Questionnaires à Choix Multiples) suivants, la proposition

juste.

1. Tout bâton de verre électrisé par frottement attire :

>(< tout autre bâton de verre électrisé de la même façon.

>(<tout bâton d'ébonite électrisé par frottement.

>(<tout autre bâton de verre électrisé par contact avec un bâton d'ébonite électrisé

par frottement.

2. Suite à l'électrisation des corps matériels, il apparaît :

>(< localement, une quantité d'électricité.

>(< simultanément, une charge électrique négative et une charge électrique positive.

>(< une charge électrique.

3. Sachant que la boule A d'un pendule électrique porte une charge négative et la boule

B d'un autre pendule porte une charge positive, lorsqu'on approche les deux pendules

doucement l'un de l'autre :

* les deux boules A et B se repoussent.

* les deux boules A et B s'attirent.

>(< rien ne se produit.

4. On dispose de trois corps A, B et C électriquement chargés. Le corps A attire le corps

B et repousse le corps C. En approchant les corps B et C l'un de l'autre, on obtient :

>(< une attraction mutuelle.

* une répulsion mutuelle.

>(< un transfert d'une quantité d'électricité de l'un à l'autre.

5. Lors de l'électrisation du bâton d'ébonite avec un morceau de fourrure :

>(< le morceau de fourrure ne s'électrise pas.

* il apparaît une charge électrique négative au niveau du bâton d'ébonite.

* il apparaît une charge électrique négative au niveau du morceau de fourrure.

Exercice n0 3

Compléter le tableau suivant en précisant l'interaction (attraction ou répulsion) qui se

manifeste entre chacun des bâtons de la colonne de gauche et chacun des bâtons de la ligne

supérieure.

Bâton de verre

électrisé par

frottement

Bâton de plexiglas

électrisé par

frottement

Bâton d'ébonite

électrisé par contact

avec un bâton de

plexiglas électrisé

par frottement

Bâton de verre électrisé

par frottement

Bâton de verre électrisé

par contact avec un

bâton d'ébonite

électrisé par frottement

Exercice n0 4

On dispose d'un corps électrisé A et d'une boule de fer B portant une charge électrique

positive ; celle-ci est suspendue à un fil fin et isolant. Quand on approche les deux corps l'un

de l'autre, la boule B est attirée par le corps A. Mais, dès qu'elle le touche, elle s'en éloigne.

Interpréter tout ce qui s'est produit entre A et B tout en déterminant le signe de la charge

portée initialement par la boule B.

Exercice n0 5

Un corps matériel porte une charge électrique q = 4,8.ICH4 C.

1 - Rappeler la valeur de la charge électrique élémentaire.

2 - Déterminer le nombre de charges électriques élémentaires formant la charge q.

3 - Comparer ce nombre de charges élémentaires avec celui qui constitue la charge

q' = - 4,8.10"14 C.

Exercice n0 6

Avec deux corps électrisés A1 et A2, on réalise les deux expériences suivantes :

Expérience n°1 : en approchant le corps A1 d'un autre corps électrisé B, il se produit une

attraction mutuelle.

Expérience n°2 : on met le corps A2 en contact avec un corps C non électrisé.

Sachant que les charges électriques portées par les deux corps A1 et A2 sont positives :

1 - déterminer le signe de la charge électrique portée par le corps B.

2 - montrer que le corps C acquiert une charge électrique dont on précisera le signe.

3 - déterminer ce qui se produira si l'on approche le corps B du corps C.

-©-

SI Je bricole

Je fabrique un électroscope

Je me procure le matériel suivant :

un flacon en verre transparent, un fil métallique rigide, une feuille mince d'aluminium comme

celle utilisée en cuisine pour l'emballage, une feuille métallique identique à celle utilisée pour

enrober les bonbons, un stylo, un morceau de soie, une feuille de carton, un tube de colle

forte, du ruban adhésif, une pince et des ciseaux.

>K Je découpe dans la feuille de carton, un disque ayant la même forme et la même

dimension que le col du flacon de

verre.

* Avec la pince, je plie en coude l'une

des extrémités du fil métallique rigide.

Puis, je fais passer l'autre extrémité à

travers le centre du disque cartonné

et, avec de la colle, je le rends

solidaire du fil.

* Dans la feuille métallique, je découpe

un petit ruban, je le plie en deux et je

l'accroche à l'extrémité coudée du fil

rigide (Fig.1).

* Avec le ruban adhésif, je fixe le disque

contre le col du flacon après y avoir

introduit le fil portant à son extrémité

coudée le petit ruban métallique

(Fig.2).

>K Je donne à la feuille d'aluminium la

forme d'une petite boule. Puis, je la

fixe directement à l'extrémité

supérieure du fil (Fig.3).

* J'électrise le corps plastique du stylo

par le frottement de son extrémité libre

avec le morceau de soie. Puis, dès

que j'approche la partie électrisée de

la boule d'aluminium, les deux

extrémités du petit ruban métallique se

repoussent (Fig.4). Ainsi, je vérifie que

mon électroscope fonctionne.

X

Fig.1

o

x

Fig.3

A

x

Fig.2

2

x

Fig.4

68

Pour en savoir plus.

L'électrostatique

Jusqu'au XVIIIe siècle, l'électricité n'a intéressé qu'une minorité de savants. Toutefois, les

Grecs ont reconnu quelques phénomènes électriques. Par exemple, le philosophe Thalès a

constaté vers l'année 600 avant JC qu'en le frottant avec du tissu, un morceau d'ambre attire

les plumes d'oiseux, les fils et les duvets de laine ou de coton. Mais, à cette époque, la plupart

des gens prenaient ces observations comme étant dues à un phénomène étrange et d'une

importance secondaire.

William Gilbert était le médecin de la reine d'Angleterre

Elizabeth lère. Il était l'un des premiers savants qui s'intéressaient

à l'étude des phénomènes électriques. Il avait montré que l'ambre

n'est pas le seul à pouvoir attirer les corps légers quand il est

frotté, il y a le verre et le soufre qui font de même. De plus, ce

savant avait cherché un nom à cette force qui attire les corps

légers, de nature encore inconnue et lui avait choisi le nom

"électricité" qui dérive du terme grec "élektron" qui désigne

l'ambre. Quant à nous autres, arabes, nous lui avons attribué le

nom "Kahrabê" qui dérive du mot "Kahramène"

qui désigne "sureau".

Par la suite et sur trois demi siècles, très rares étaient les savants

qui s'intéressaient à l'électricité. Puis, en 1733, le chimiste et

physicien français Charles François Dufay constata que, par

frottement, il y a des corps qui s'attirent tandis que des corps

identiques se repoussent. En fait, il avait remarqué que si l'on

approchait deux bâtons de sureau électrisés par frottement l'un de

l'autre, ils se repousseraient. Ainsi, il avait mis en évidence

l'existence de deux espèces d'électricité : l'électricité "vitreuse" qui

est due au frottement du verre, des cheveux ou de la laine et

l'électricité "résineuse" qui est due au frottement du sureau ou de

la soie, comme il avait montré que les électricités de même

espèce se repoussent tandis que les électricités d'espèces

différentes s'attirent.

Extrait de l'encyclopédie des applications scientifiques (élaborée en arabe)

-0-

te

William Gilbert (1544-1603)

! -v* m

.j

Charles François Dufay (1698-1739)

LA MATIERE DANS

LA NATURE

/

o

G

L'ATOME ET LA COMBUSTION

<$> LES SYMBOLES CHIMIQUES

<$> LES SOLUTIONS IONIQUES

PRÉREQUIS

SAVOIRS

1. Préciser l'état physique auquel est un corps donné.

2. Définir un corps pur.

3. Enumérer les transformations physiques de la matière.

4. Enumérer les caractéristiques des corps gazeux, liquides et solides.

5. Citer l'importance du dioxygène dans la combustion.

6. Définir la masse et le volume.

7. Définir la masse volumique d'un corps.

8. Définir la molécule et le corps pur moléculaire.

1. Réaliser des expériences qui montrent des transformations physiques.

2. Mettre en évidence l'existence du dioxyde de carbone.

3. Reconnaître les produits de la combustion.

4. Reconnaître la combustion complète et la combustion incomplète par leurs produits.

5. Mesurer la masse et le volume d'un corps.

6. Distinguer entre solvant et soluté.

7. Réaliser des expériences de dissolution.

8. Reconnaître un mélange homogène et un mélange hétérogène.

9. Séparer les constituants d'un mélange.

10. Expliquer le phénomène de dissolution par la discontinuité de la matière.

11. Mettre en marche un bec de gaz (bec Bunsen).

12. Reconnaître les dangers de la combustion incomplète sur la vie et l'environnement.

SAVOIR FAIRE

L'ATOME ET LA COMBUSTION

8. LES COMBUSTIBLES : LEURS GENRES, ORIGINES ET USAGES

9. TRANSPORT DES COMBUSTIBLES, LEUR STOCKAGE ET LA

PROTECTION CONTRE LEURS DANGERS

10. RÉACTION CHIMIQUE

11. L'ATOME

12. STRUCTURE DE L'ATOME

n -

V - r ai il jv

■

s

L^-J ■i

;

u ■ ji

En quoi consiste le raffinage du pétrole ? Quel est son intérêt ?

Pourquoi il est toujours conseillé de rationaliser la consommation

des combustibles ?

Qu'est-ce qui fait que les produits de la combustion sont différents

du combustible et du comburant ?

Pourquoi, partout dans le monde, toute cette attention particulière

au gaz naturel malgré la délicatesse des précautions multiples à

prendre dans les différentes étapes de son exploitation ?

Est-ce que la combustion est une transformation physique ou bien

chimique ?

Quelle différence y a-t-il entre l'atome et la molécule ?

72

8

LES COMBUSTIBLES :

LEURS GENRES, ORIGINES

ET USAGES

0 J'observe et je m'interroge

^ Quelle est la matière contenue dans une bouteille de gaz et quelle est son origine ?

^ Pourquoi appelle-t-on cette bouteille «bouteille de gaz» bien qu'en la secouant, on entend

dedans un bruit résultant du choc d'une quantité de liquide agité contre la paroi intérieure de

la bouteille ? Est-ce qu'il s'agit du même liquide contenu dans le briquet à gaz ?

^ Pourquoi toute cette diversité de carburants dans les stations de

service appropriées ? D'où proviennent -ils ?

v*' T:

« •l S!

S Bl

w

^ Plusieurs combustibles sont extraits du pétrole.

Quels sont ces combustibles ? Comment sont-ils obtenus ?

Quels sont leurs domaines d'utilisation ?

Chez nous, nombreuses sont encore les familles qui font

recours au charbon pour satisfaire plusieurs besoins

domestiques (chauffage, cuisson...). Quelle est son origine ?

Comment peut-on conserver sa bonne qualité ? # S

73

^||JL j Je manipule et je constate

Je fais une recherche documentaire en me référant à diverses sources telles que les livres,

les revues, les magazines, l'Internet, et si c'est possible, je fais une recherche sur terrain (en

contactant l'agence nationale pour la maîtrise d'énergie, en visitant un centre d'extraction de

pétrol itères... )

Je conclus

>- Les combustibles usuels sont multiples. Ils se trouvent à l'état liquide tels que l'essence,

le gasoil et le fuel, à l'état gazeux tels que le butane et le méthane, et à l'état solide tels

que le charbon et le bois.

L'importance des combustibles dépend de leur abondance, de leur diversité et des

domaines de leur utilisation.

Combustible Domaines d'utilisation Origine

Le charbon Utilisations domestiques essentiellement

Carbonisation du bois dans un four (méthode industrielle) ou bien dans une charbonnière (méthode traditionnelle connue chez nous sous le nom de «mardouma»)

La houille

Production d'électricité - sidérurgie - métallurgie - chauffage - production de combustibles gazeux (dihydrogène - éthane...)

Mines de roches fossiles, de couleur noire ou marron

Le butane et le propane

Utilisations domestiques essentiellement

Le pétrole : huile minérale d'origine organique, provenant de la décomposition de matières organiques, végétales essentiellement, à l'abri de la lumière

L'essence Voitures La paraffine Bougies Le kérosène Avions

Le gasoil Tracteurs- paquebot - appareils de chauffage

Le gaz naturel

Cuisson - chauffage...

Le gaz naturel se forme par fermentation de matières organiques (résidu des planctons et des bactéries aquatiques), il se trouve dans des roches poreuses souterraines. C'est essentiellement : - du gaz associé (en solution dans le pétrole), séparé lors de l'extraction du pétrole de son gisement, - du gaz non associé (la forme la plus répandue de gaz naturel), extrait de gisements terrestres ou sous-marins, séparés des gisements de pétrole.

-0^


En mobilisant mes acquis et en m'appuyant sur le document suivant, j'énumère les combustibles extraits du pétrole et je précise leurs domaines d'utilisation.

Tour de distillation fractionnée à la pression atmosphérique ■

Pétrole brut

Gaz et essence

120oC l Naphta

180oC kérosène

260oC gazoil

340oC Fuel domestique

360oC Fuel industriel

370oC

Produits chimiques

Tour de distillation sous basse pression

,G- Q O

ï. Matériaux pour la conversion

Huiles lubrifiantes

Fuel lourd

400

Asphale industriel

Produits chimmiques

yr

-0^

TRANSPORT DES COMBUSTIBLES,

LEUR STOCKAGE ET LA PROTECTION

CONTRE LEURS DANGERS


On utilise assez souvent la mousse de savon pour s'assurer de

l'absence de fuite de gaz de la bouteille de butane. Pourquoi

prendre cette précaution et que peut-on risquer d'une fuite du gaz ?

^ Que signifie le pictogramme de la figure ci-contre ?

, ®

^ Dans plusieurs émissions télévisées ou radiophoniques, on

recommande de changer régulièrement le tuyau qui raccorde la

bouteille de butane à l'appareil qui fonctionne avec ce gaz.

Pourquoi cette recommandation et qu'est-ce qui pourra se produire

si on continue à utiliser le même tuyau pour longtemps ?

^ Pourquoi il faut éviter de laisser la bouteille d'alcool domestique

ouverte, et surtout à proximité d'une source de chaleur ?

w

'"S 253-

L'extincteur d'incendie est indispensable dans les lieux publics.

Pourquoi ?

76


Je fais une recherche documentaire en me référant à diverses sources telles que les livres,

les revues, les magazines, l'Internet, et si c'est possible, je fais une recherche sur le terrain

(en contactant l'agence nationale pour la maîtrise d'énergie, en visitant un centre

d'extraction de pétrolifères...)

Combustible Moyen de transport et stockage

Le gaz naturel

Le gaz naturel est transporté

comprimé dans des réseaux de

gazoducs (conduites souterraines

de grand diamètre) ou bien

liquéfié dans des méthaniers

(bateaux basés sur la liquéfaction

du gaz naturel).

Le gaz naturel est stocké dans

des réservoirs naturels du sous

sol par pompage dans une strate

de sable ou de roches poreuses

(voir la figure ci-contre), comme il

peut être stocké en "cavités

salines" (cavités creusées dans

des couches de sel).

Station de détente Puits de contrôle

Pujts de pompage et d'extraction

Couche d'argile imperméable

Il I Distribution

Gaz Eau et sable

j

a

s?

Le butane et le propane

(GPL : gaz de pétrole liquéfié)

Etant mélangés dans des

proportions différentes, le butane

et le propane sont stockés à l'état

liquide dans des bouteilles et des

citernes en fer, sous une pression

élevée.

-(zh

Combustible Moyen de transport et et stockage

Produits

pétroliers

Les produits pétroliers combu-

stibles sont stockés dans de

grands réservoirs en fer, installés

à l'intérieur ou bien à l'extérieur

des raffineries de pétrole. Ils sont

transportés aux stations de ser-

vice dans des citernes spéciales.

*

dm M

W t

i

:

r-

rr:

'k s.* Le charbon

Le charbon est stocké dans des

caves et des dépôts. Pour la

consommation, il est transporté et

vendu dans des sacs.

78

Protection contre les dangers des combustibles

Type de danger

Dangers et règles de sécurité

Dangers des incendies

Tout combustible gazeux est inflammable même en l'absence de brûleur.

Afin d'éviter le danger dû à une inflammation, il faut respecter les règles de

sécurité suivantes :

1- Suivre une méthode pratique

correcte pour allumer un bec

de gaz (bec Bunsen).

2- Eloigner toute flamme et éviter

toute étincelle à proximité des

combustibles.

3- Stocker le combustible en un

lieu aéré.

4- Procéder par une installation

apparente du réseau (en tubes

de cuivre) d'alimentation domestique en gaz de ville.

5- Contrôler le bon état du tuyau (en caoutchouc) de raccordement de la

bouteille de butane à l'appareil qui fonctionne avec ce gaz et le changer

à temps (lorsqu'il est périmé).

6- Equiper tout lieu public d'un extincteur d'incendie.

>-

■jy 13

Dangers d'explosion

Les fuites des combustible gazeux et même liquides (surtout que les

produits pétroliers sont volatils) dans un espace fermé peuvent provoquer

des explosions. Afin d'éviter ce risque, il faut respecter plusieurs règles de

sécurité dont essentiellement :

1- Stocker le combustible dans une zone aérée.

2- Introduire dans les combustibles gazeux, à l'usine de distribution, des

impuretés d'odeur permettant de détecter toute fuite de gaz.

3- Contrôler le stockage du combustible dans le réservoir approprié afin

d'éviter toute fuite accidentelle dans l'espace environnant.

4- Eloigner toute flamme ainsi que la production de toute étincelle dans le

lieu de stockage.

5- Eviter de faire fonctionner un brûleur à gaz (bec Bunsen, cuisinière à

gaz...) avant de s'assurer de l'absence de toute fuite de gaz par odorat.

-0^

Type de danger

Danger d'asphyxie

Protection contre les dangers des combustibles

Dangers et règles de sécurité

La combustion incomplète peut causer l'asphyxie. Donc, il faut veiller à ce

que la combustion exploitée soit complète. Pour cela, il est recommandé

de respecter les règles de sécurité dont essentiellement :

1- Entretenir les appareils qui fonctionnent avec du gaz (cuisinières,

chauffage, chauffe eau...), et ce en munissant le brûleur du gicleur qui

s'y adapte et en le nettoyant régulièrement.

2- Prendre soin du bon fonctionnent de l'appareil ou avertir un

professionnel pour faire le nécessaire à chaque fois que l'on constate

que la flamme émanant du brûleur est fuligineuse (elle est salissante).

3- Aérer tout espace où on a besoin d'exploiter la combustion.

4- Installer les appareils fonctionnant avec du gaz dans des pièces

équipées d'un système d'aération et de ventilation de l'air qui y circule.

Je conclus

Malgré la diversité et l'importance des domaines d'exploitation des combustibles, les

dangers provenant d'utilisations non conscientisées de ces produits peuvent conduire à

des catastrophes environnementales et humaines, comme les incendies, les explosions

et l'asphyxie.

La consommation rationalisée des combustibles nécessite un stockage bien étudié,

prenant enconsidération leur nature et les facteurs dont dépend leur combustion

accidentelle.

Pour prévenir tout danger dû à une exploitation de combustibles, un ensemble de

mesures préventives doit être pris en compte dans le stockage et des règles de sécurité

adéquates doivent être fixées au niveau de la consommation.


Quels sont les facteurs dont dépend l'inflammation accidentelle des combustibles gazeux ?

Pourquoi il est interdit de laisser le moteur de voiture en état de fonctionnement dans les

stations de service, lors de l'approvisionnement de la voiture en carburant ?

80



Exercice n" 1

Répondre par oui ou par non :

1. Le gaz naturel est un mélange de plusieurs gaz.

2. Le pétrole renferme des corps purs composés. IZ

3. La distillation fractionnée du pétrole est une opération chimique. Z

4. Les combustibles se trouvent dans le pétrole dans trois états physiques

différents. Z

Exercice n02

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition correcte :

1. La distillation fractionnée du pétrole brut donne :

a- du charbon. Z

b- de l'essence. Z

c- de la paraffine. Z

d- du soufre. Z

2. La qualité des combustibles dérivés du pétrole :

a- est indépendante de la qualité du pétrole. Z

b- dépend du gisement de pétrole. Z

c- dépend du raffinage.

-(Zy

Exercice n03

Reconnaître, dans la liste suivante, les corps appartenant à la famille des

combustibles, en précisant l'état physique de chacun d'eux dans la nature :

Le bois, l'eau, la houille, le méthane, le cuivre, le propane, le butane, l'essence, le

kérosène, le gasoil, l'alcool, le charbon et le dihydrogène.

Exercice n04

Je relie, par une flèche, le combustible à son origine :

Combustible Origine

Le butane

Le charbon

Le gaz naturel

La houille

Le bois

Le pétrole

Accumulation de résidus végétaux et animaux marins au

fil des années

Mines des roches stratifiées, d'origine végétale

Exercice n05

Les numéros figurant dans le tableau suivant représentent un ensemble de combustibles, alors que les lettres représentent des appareils qui fonctionnent avec l'un ou l'autre de ces combustibles.

1 gaz butane a motocycle

2 kérosène

B

bougie

3 essence c avion

B

paraffine

B

voiture

5 fuel e Appareil de chauffage

Attribuer à chaque numéro de carburant, la lettre représentant l'appareil qui lui convient.

Exercice n06

Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot ou expression qui convient : carbonisation du bois, mine rocheuse d'origine végétale, butane, pétrole, kérosène, essence, gasoil, fuel.

1- le charbon provient de la

2- Le briquet de poche contient du d'origine le

3- Les avions utilisent le comme carburant.

4- On trouve dans les stations de service plusieurs carburants comme le

et le

Exercice n07

Citer deux exemples de combustibles domestiques ainsi que leur origine.

Exercice n08

Dans la salle de bain schématisée dans la figure ci-contre, les règles de sécurité sanitaire ne sont pas respectées. Pourquoi ?

Préciser, dans un petit paragraphe, les

précautions à prendre afin de prévenir tout

danger.

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Le pétrole

Le pétrole est un liquide minéral de couleur sombre. C'est un mélange d'un grand nombre de produits chimiques dont certains sont des gaz dissous comme le butane et d'autres sont liquides comme l'essence ou solides comme le goudron et l'asphalte. Il se forme à la suite d'une décomposition, à l'abri du dioxygène, de matières organiques (débris végétaux et animaux) enfuis sous des sédiments solides, accumulés au fil des années. Après leur exploration, certains puits (ou gisements) de pétrole sont transformés en puits productifs et le forage d'autres puits sera proportionnel avec l'étendue des réserves en la matière. Pour le transport de la production, on pose des oléoducs entre les puits et une station de collecte où, à la suite d'une décantation, on débarrasse les quantités de pétrole collectées, de l'eau et des impuretés qu'elles contiennent. De là, le pétrole brut purifié est pompé dans d'autres oléoducs afin de le transporter aux raffineries ou bien aux ports maritimes pour l'exportation.

Au cours des étapes d'exploration, de production et d'approvisionnement des raffineries en pétrole brut, le transport de ce dernier, du gisement vers les raffineries, ne manque pas d'importance devant le transport de ses dérivés vers le consommateur. L'importance que revêt le transport du pétrole avant et après son raffinage est due au fait que ce produit est consommé dans des régions situées très loin des zones de sa production. On déploie de grands efforts pour faciliter ces opérations de transport des gisements vers les ports d'exportation. Des grands pétroliers (navires citernes) sont conçus et construits pour transporter le produit vers les lieux de consommation et une infrastructure d'oléoducs est mise en oeuvre afin d'éviter la navigation des pétroliers dans des détroits où il y a beaucoup de trafic maritime, comme dans le canal du Suez. En ce qui concerne le transport des dérivés du pétrole, on cite les navires conçus pour le transport et la distribution du GPL (gaz de pétrole liquéfié), mélange de butane et de propane. De même, on cite les barils de zinc et de fer-blanc pour le transport et la distribution d'essence et de kérosène, ainsi que les barriques et les boîtes pour la distribution des huiles lubrifiantes, des graisses, etc.

D'autre part, le stockage du pétrole est une composante intégrante du secteur de transport et des communications, et ce à cause des difficultés qu'on y rencontre pour la conservation des combustibles sur le plan des conditions techniques à satisfaire dans les dépôts. Traditionnellement, on a pris l'habitude de stocker les combustibles pétroliers dans des réservoirs en fer, à ciel ouvert. Mais, le besoin de stocker de grandes quantités et pour une longue durée a incité au recours à une méthode plus attrayante qui consiste en le stockage dans le sous sol, dans les montagnes ou dans les collines. A cet effet, quatre emplacements sont exploités : les mines épuisées de sel, l'utilisation partielle des mines en état d'exploitation, les grottes souterraines résultant d'une exploitation antérieure de mines particulières désaffectées et le stockage dans des cavités d'eau souterraines.

D'après un texte du livre rédigé en langue arabe : «L'énergie et la nouvelle technologie»

Questions 1- Quels sont les combustibles qu'on peut extraire du pétrole ? 2- Quels sont les moyens de transport des combustibles pétroliers ? 3- Où et comment stocke-t-on du pétrole afin de l'exploiter plus tard ?

-®-

Le gaz naturel

Le gaz naturel est l'un des meilleurs combustibles

existant dans la nature car, en plus du fait

qu'il est facilement inflammable, il ne laisse aucune

impureté polluante de l'environnement et il est

disponible dans les régions pétrolières.

On trouve le gaz naturel dans des compositions

souterraines et peut être classifié essentiellement dans

deux types : le gaz associé au pétrole et le gaz non

associé (extrait de gisements terrestre ou sous marins,

séparés des gisements de pétrole). Dans tous les cas,

le méthane est le composant essentiel du gaz naturel

qui renferme en plus d'autres matières comme l'éthane,

le propane et le butane. Parfois, on trouve aussi, dans

les gisements de gaz naturel, des essences naturelles

(liquides), du dioxyde de carbone, du diazote et de l'eau.

En plus de son utilisation domestique traditionnelle en

cuisine et pour le chauffage, le gaz naturel est une

source d'énergie dans plusieurs fabriques et usines.

Le gaz naturel est transporté dans des réseaux de gazoducs de grand diamètre, sous des

pressions élevées, même au fond des mers et des océans. De même, au cas où il est difficile

de le transporter par la pose de gazoducs, on peut charger le gaz naturel par voie maritime

et le transporter à l'état liquide dans des bateaux construits pour cette fin et appelés des

méthaniers, vers des stations implantées à proximité des centres de sa consommation.

Enfin, le gaz est distribué à travers des gazoducs ou bien il est chargé dans de petites

bouteilles.

D'après un texte du livre rédigé en langue arabe :

«L'énergie et la nouvelle technologie»

Questions

1- Quelles sont les caractéristiques du gaz naturel ayant permis de le classifier comme

étant l'un des meilleurs combustibles ?

2- Citer des exemples de fabriques ou d'usines où le gaz naturel est utilisé comme source

d'énergie.

3- Pourquoi transporte-t-on parfois le gaz naturel dans des méthaniers, à l'état liquide,

malgré les dangers que l'on court avec ce moyen de transport ?

85

RÉACTION CHIMIQUE î

COMBUSTION DU CARBONE

, S1 Je manipule et je constate

^ Je me procure le matériel et les produits suivants :

* un morceau de charbon,

* un support,

* un bec Bunsen,

* un flacon de dioxygène,

* de l'eau de chaux.

^ Je réalise le montage ci-contre.

Je chauffe un point d'un morceau de charbon jusqu'à

ce qu'il devienne rouge, puis j'introduis le morceau dans

un flacon rempli de dioxygène. Le morceau de charbon

brûle alors pendant un moment avec projection

d'étincelles et se recouvre d'une couche mince de

cendre. De plus, après agitation, la quantité d'eau de

chaux versée dans le flacon devient trouble.

•4 Support

Morceau de charbon ^

Support

Morceau de charbon

Dioxygène (gaz)

Bec Bensen

L'eau de chaux devient trouble

-0^

J'interprète ce qui s'est produit

Pendant la combustion, le charbon ne s'est pas transformé en un autre état physique et

aucun des deux corps ne s'est dissout dans l'autre. Mais, la quantité de dioxygène est

complètement épuisée et le morceau de charbon s'est aminci, et en même temps, il s'est

formé du dioxyde de carbone (gaz troublant l'eau de chaux). Ces constatations montrent que

le carbone et le dioxygène sont transformés en dioxyde de carbone.

Donc, la combustion du carbone dans le dioxygène ne peut être une transformation physique,

mais c'est une autre transformation connue sous le nom de transformation (ou réaction) chimique.

On dit que le carbone et le dioxygène ont réagi entre eux, et de ce fait, chacun des deux corps

a joué le rôle de réactif. Par contre, étant un corps nouveau obtenu par cette réaction, le

dioxyde de carbone est appelé produit de la réaction.

Carbone + Dioxygène Dioxyde de carbone

(Deux réactifs) (Produit de la réaction)

COMBUSTION COMPLÈTE DU MÉTHANE


^ Je réalise le montage ci-contre.

J'allume le bec Bunsen et je le dispose de

telle sorte que sa flamme soit juste au

dessous de l'entonnoir. La paroi intérieure de

l'entonnoir se recouvre alors de buée, un gaz

barbote dans l'eau de chaux et celle-ci

devient trouble.

Vapeur d'eau

■Le

Gaz Eau de methane chaux

J'interprète ce qui s'est produit

On sait que lorsqu'une quantité de matière change d'état ou se dissout dans l'eau, sa nature

est conservée telle quelle et sa composition (ou structure) ne change pas. Or, au cours de

l'expérience de sa combustion complète, le méthane a réagi avec le dioxygène pour donner

deux corps nouveaux qui sont le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau.

Donc, la combustion complète du méthane ne peut être une transformation physique, c'est

plutôt une réaction chimique semblable à celle produite entre le carbone et le dioxygène.

On dit que, dans cette réaction, le méthane et le dioxygène ont joué le rôle de réactifs, tandis

que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau sont les produits de la réaction.

Méthane + Dioxygène Dioxyde de carbone + Eau

(Réactifs) (Produits de la réaction)

-0-

Je conclus

La réaction chimique est une transformation au cours de laquelle des corps

disparaissent et des corps nouveaux apparaissent.

Les corps qui réagissent entre eux sont les réactifs et les corps nouveaux qui

apparaissent sont les produits de la réaction.

La combustion est un exemple de réaction chimique.


Je réalise l'expérience de combustion du soufre

bec Bunsen ou allumette -

Fournitures

Soufre en poudre - fil métallique - pince

flacon rempli de dioxygène - seringue

Première expérience

Avec la pince, je découpe un brin de fil métallique de 50 cm de

longueur environ et je le plie, en l'une de ses deux extrémités, sur lui-

même pour avoir un anneau d'un diamètre ne dépassant pas 0,5 cm.

* J'introduis l'anneau dans un petit tas de soufre en poudre (de

préférence, trempé à l'avance dans l'eau pour qu'il retienne

suffisamment de soufre)

* Tenant le fil par l'autre bout, je brûle les grains de soufre, retenus

par l'anneau.

Quelle est la couleur de la flamme du soufre qui brûle ?

Deuxième expérience

* je refais la même expérience, mais en introduisant l'anneau

portant les grains de soufre enflammé, dans le flacon de

dioxygène. Le soufre continue alors à brûler avec une flamme

vive et en dégageant un gaz incolore et d'odeur suffocante,

appelé le dioxyde de soufre.

Très important :

Sans tarder, je dois retirer le fil métallique et fermer directement

le flacon afin d'éviter d'inhaler les vapeurs de dioxyde de soufre

Exploitation de l'expérience réalisée

1-Je montre que, dans les expériences réalisées, il s'est produit

une réaction chimique.

2-Je précise les réactifs et le (ou les) produit(s) de la réaction.

)

X4/

iir7

88

1

L'ATOME î

EXISTENCE DE L'ATOME


Je sais que, nombreux sont les corps purs constitués de particules microscopiques identiques

appelées molécules.

Si la molécule, ce plus petit corpuscule qui puisse provenir de la discontinuité de la matière,

ne peut subir aucune décomposition, comment et par quoi puis-je expliquer les réactions

chimiques possibles entre des molécules différentes ?

J'admets l'existence de l'atome

Afin de pouvoir interpréter une réaction chimique, j'admets le fait que la molécule peut subir

une décomposition.

En effet, les expériences et les recherches ont montré que la molécule est formée par un

assemblage d'autres particules, appelées atomes.

Par exemple, la molécule de dioxygène est formée de deux atomes identiques (deux atomes

d'oxygène), tandis que la molécule de dioxyde de carbone est constituée de deux atomes

d'oxygène et d'un atome de carbone.

Je modélise l'atome et la molécule

Afin de rendre la structure de la molécule percevable à l'œil nu, je confère à la molécule un

modèle dans lequel les atomes se présentent sous forme de boules solidaires les unes aux

autres.

Afin de distinguer entre les atomes différents au sein de la même molécule, je choisis pour

leurs modèles des dimensions et des couleurs différentes.

Exemples :

Atome Carbone Oxygène Hydrogène Soufre Chlore

Modèle associé O O O o

O

Boule noire Boule rouge Boule blanche Boule jaune Boule verte

Molécule Dioxygène Carbone carbone

Modèle

O ooo r> O

89

Je conclus

>- La molécule est constituée de particules extrêmement petites, invisibles à l'œil nu et

même au microscope optique, appelées atomes.

>- Pour un corps donné, la diversification des atomes de ses molécules dépend de la nature

de sa matière.

> Pour modéliser les molécules, on y représente les atomes par des boules sphériques.

SIMULATION DE LA COMBUSTION DU CARBONE PAR LES MODELES

MOLECULAIRES

Sachant que le dioxyde de carbone est le produit de la réaction du carbone avec le dioxygène

(combustion), je cherche comment obtenir le modèle de la molécule de dioxyde de carbone

à partir du modèle de la molécule de dioxygène et du modèle de l'atome de carbone.

Je constate alors que je ne peux reconstruire le modèle de la molécule de dioxyde de carbone

que par le démontage du modèle de la molécule de dioxygène pour fixer par la suite les

modèles des deux atomes d'oxygène dissociés sur un modèle de l'atome de carbone.

OO^C—►coo

La combustion du carbone est une réaction chimique qui peut être schématisée par les

modèles moléculaires comme suit :

O + 00—^ 000

. . Molécule de dioxyde Atome de Molecule de . , Atome de carbone dioxygène

de carbone

CORPS PURS SIMPLES ET CORPS PURS COMPOSES

J'observe et je constate

J'observe les modèles moléculaires de

quelques corps purs, figurant dans le tableau ci-contre et je compare leur structure. Je constate alors qu'il y a des molécules

constituées d'atomes identiques comme celles de dioxygène, de dichlore et d'ozone, et il y a d'autres molécules constituées d'atomes différents comme :

* la molécule d'eau qui est constituée d'un

atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène,

* la molécule de dioxyde de carbone qui est

constituée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène,

* la molécule de méthane qui est constituée d'un atome de carbone et de quatre

atomes d'hydrogène.

Je conclus

> Les corps purs moléculaires sont de deux

types :

> les corps purs dont les molécules sont

constituées d'atomes identiques, ils sont

appelés corps purs simples.

Exemples : le dioxygène, le dichlore et

l'ozone.

> les corps purs dont les molécules sont

constituées d'atomes différents, ils sont

appelés corps purs composés

Exemples : l'eau, le méthane et le

dioxyde de carbone.


A l'aide des modèles moléculaires de la figure

ci-contre, je classifie les corps purs qu'ils

représentent, en corps purs simples et corps

purs composés.

lZJ

Corps pur Modèle moléculaire

Le dioxygène OO

L'eau O

Le dioxyde de carbone

000

Le dichlore

00

Le méthane n

L'ozone

00

Le diazote

Oo

Le dioxyde de soufre

Le dihydrogène

cO>

L'ammoniac

-(Ey



Exercice n" 1

Ecrire le nom ou le terme scientifique que signifie chacune des expressions

suivantes :

1. Transformation d'un corps pur d'un état physique à un autre

2. Transformation au cours de laquelle des corps disparaissent et des corps

nouveaux apparaissent

3. Des corps qui disparaissent au cours d'une réaction chimique

4. Des corps qui apparaissent au cours d'une réaction chimique

5. Corps pur dont les molécules sont constituées d'atomes identiques

Exercice n" 2

Reproduire et compléter le tableau suivant :

Réaction chimique Réactifs Produits de la réaction

Combustion du carbone Dioxyde de carbone

Combustion complète du Butane et dioxygène

Combustion d'un alcool L'alcool et

Exercice n" 3

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition

correcte :

1. Les atomes et les molécules sont représentés par des modèles sphériques. n

2. Tout corps pur constitué par des molécules identiques est appelé corps pur

simple. n

3. L'atome peut être constitué d'une molécule ou plus. n

4. La molécule peut être constituée d'un atome ou plus. n

Exercice n" 4 A l'aide des modèles moléculaires de la figure ci-dessous et qui représentent des corps purs différents, mettre une croix devant le nom de chaque corps pur composé.

Modèle moléculaire

Corps pur

Tu

Ethane Ozone

00

Acétylène

Modèle moléculaire

30 00

Corps pur Dihydrogène Ethanol Dichlore

Exercice n" 5

On désigne par l'atomicité, le nombre d'atomes constituant une molécule.

Exemple : Du fait que la molécule d'eau est constituée d'un atome d'oxygène et de deux

atomes d'hydrogène, on dit que l'atomicité de la molécule d'eau est égale à 3.

Déterminer alors l'atomicité de chacun des corps suivants : le dihydrogène, le dioxygène,

l'ammoniac, le dioxyde de carbone et l'éthane.

Exercice n" 6

1. A l'aide des données du tableau ci-contre :

a. préciser, parmi les atomes qui y figurent,

celui ayant le volume le plus petit.

b. calculer la masse de la molécule d'eau et

celle de la molécule de méthane.

2. on dispose d'un morceau de charbon de

masse m = 20 g. En supposant que le morceau

de charbon est constitué uniquement d'atomes

de carbone :

a. déterminer le nombre d'atomes de carbone contenus dans ce morceau.

b. calculer la longueur de la chaîne obtenue si on dispose tous ces atomes de

carbone alignés, l'un contre l'autre.

Atome Diamètre (10-10m)

Masse (10-27 kg)

Carbone 1,5 19,9

hydrogène 1,1 1,67

Oxygène 1,4 26,6

Azote 1,4 23,3


L'atome

La chimie est une science qui ne se préoccupe pas seulement de l'étude des propriétés

des corps et de leurs interactions mutuelles (ou réactions), elle s'intéresse aussi à la

découverte des constituants de base de la matière, et que l'on appelle éléments

chimiques tels que l'or, le cuivre, le carbone...

Si la matière est divisée en morceaux de plus en plus petits, on obtient à la fin, des

particules très petites qui conservent les propriétés de l'élément chimique, appelées

atomes. Le mot atome est d'origine grecque "atomos" qui signifie "partie indivisible".

L'atome est donc la plus petite particule matérielle qui puisse exister à l'état libre. Elle est

généralement modélisée en forme par une petite boule sphérique, et étant de dimension

microscopique, son diametre ne dépassé pas—!— m.

Questions

1. En se référant au texte (document scientifique), montrer que l'atome ne peut être

observé ni à l'œil nu, ni avec un microscope optique.

2. Est-ce que toutes les matières qui nous entourent sont constituées par des atomes

identiques ? Justifier la réponse.


Comment puis-je écorcer un œuf sans le casser ?

, ®

Matériel et produits :

Oeuf cru, un bêcher en verre et du vinaigre


1.

2.

Je pose avec soin l'œuf dans le bêcher.

* Je verse du vinaigre dans le bêcher jusqu'à la

submersion de l'œuf.

* Après trois jours, je dégage soigneusement l'œuf du

bêcher et je l'expose à la lumière.

* J'essaie d'observer ce qu'il y a à l'intérieur de l'œuf.


Je montre que ce qui s'est produit est dû à une réaction

chimique dont je précise les réactifs.

Je vérifie si le vinaigre a réagi avec la membrane de la coquille

de l'œuf ou non.

Vinaigre

Jaune d'oeuf

94

tr

*

STRUCTURE

DE L'ATOME

DIMENSION ET MASSE DE L'ATOME


Puisque la molécule est formée par un assemblage d'atomes, il est évident que l'atome est

plus petit que la molécule. Mais, comment peut-on savoir les dimensions et la masse d'un

atome ?


En faisant une recherche documentaire (dans Internet,

dans les bibliothèques...) sur le sujet, on retient que, à

cause de l'extrême petitesse de l'atome, les chercheurs

n'ont pu confirmer l'existence de cette particule que par

l'utilisation d'un microscope électronique avec lequel les

dimensions réelles sont agrandies 50 millions de fois. De

plus, on arrive à montrer que les atomes du même

élément chimique (l'oxygène par exemple) sont identiques

(ils ont la même dimension et la même masse), mais ils

sont légèrement différents de ceux d'un autre élément (le

carbone par exemple). Toutefois, le diamètre d'un atome

ne dépasse pas, dans tous les cas, quelques dixièmes du

nanomètre (nm)* , c'est-à-dire quelques dixièmes du

milliardième du mètre. Quant à la masse, elle est

extrêmement petite et s'évalue à quelques 10-26 kg.

* 1 nm = 10"9 m

/ • ■-** V * "

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' wv ■•-•>' ; ■ ;«i •• •* ' - S '■■ '■ ■ ■. î- ' •• '/ ^

A.;:#,- j'/

Image d'atomes de tungstène, prise avec un microscope

électronique

Exemples :

Atome Hydrogène Oxygène Carbone Fer Plomb

Diamètre (nm) 0,11 0,14 0,15 0,26 0,36

Masse (10-26 kg) 0,2 2,7 2,0 9,3 34,4

Remarque L'atome d'hydrogène est l'atome le plus petit et le plus léger, l'atome de fer est de dimension moyenne, mais l'atome de plomb est classé parmi les atomes les plus grands et les plus lourds.

95

Je conclus

L'atome est d'un diamètre qui ne dépasse pas quelques dixièmes du nanomètre. Quant

à sa masse, elle varie en fonction de sa nature entre deux dixièmes et quelques unités

de la valeur 10-26 kg.


Sachant que les étincelles projetées du feu du bois sont des petits grains de carbone

de 0.2 mm de diamètre :

1-déterminer le nombre d'atomes formant un grain de carbone, et ce en supposant

qu'il n'y a pas d'espace vide entre les différents atomes du grain.

1-calculer la masse de l'un de ces grains de carbone.

CONSTITUANTS DE L'ATOME

H


Lors de l'électrisation d'un bâton de verre par frottement, je sais que le morceau de soie utilisé

s'électrise aussi, mais par l'acquisition d'une charge électrique négative. Cependant, par quoi

puis-je expliquer ce signe contraire de celui de la charge qui apparaît (charge positive) sur le

bâton de verre frotté ?

M

J'émets des hypothèses

Puisque l'électrisation ne modifie pas la nature de la matière devant le fait que le verre

(matériau du bâton frotté) reste du verre et la soie reste de la soie, on peut affirmer qu'il

n'y a eu aucun changement dans les compositions du verre et de la soie.

Donc, on peut supposer que l'atome lui-même est constitué au moins de deux types de

particules : des particules portant une charge électrique positive et d'autres particules qui

portent une charge électrique négative opposée à la première, ce qui explique la

neutralité électrique de la matière.

Par conséquent, sous l'effet du frottement, il se peut que le morceau de soie ait arraché,

des atomes de verre, quelques charges négatives, comme il se peut que le bâton de

verre ait arraché, des atomes de soie, quelques charges positives. De toute manière,

dans les deux cas, le résultat est le même : le bâton de verre devient porteur de charge

électrique positive et le morceau de soie porteur de charge électrique négative.


Je lis le document scientifique suivant :

Constituants de l'atome

Dans l'univers, des grains de sable aux astres les plus grands et les plus lointains, tout

objet matériel est constitué de particules infimes nommées atomes. Les atomes sont si

minimes et si petits au point qu'il est impossible de les voir même avec les microscopes

les plus puissants. On peut quand même en observer une image, mais uniquement avec

un microscope à balayage électronique, de très grand pouvoir de résolution (capacité à

distinguer des détails fins). En fait, le point à la fin d'une phrase par exemple (point de

ponctuation) contient plus de deux milliards d'atomes. Le concept d'atome a beaucoup

évolué au cours du temps. Les philosophes grecs avaient pensé, depuis plus de deux

mille ans, que l'atome est la plus petite partie indivisible de la matière. En l'année 1804,

le chimiste anglais John Dalton a émis l'idée disant que tous les atomes d'un élément

chimique donné (atomes d'oxygène par exemple) sont tout à fait identiques, mais

différents des atomes d'un autre élément (atomes de carbone par exemple)... Cette

conception était acceptée pendant une bonne période, mais non pour longtemps car les

chimistes avaient de plus en plus mis en cause sa crédibilité. Ce doute est devenu une

réalité quand les expériences du savant britannique Joseph John Thomson ont amené à

découvrir, en 1897, l'existence de corpuscules infimes, 1836 fois plus légers que le plus

petit atome connu qu'est l'atome d'hydrogène. Ces corpuscules sont appelés des

électrons parce qu'ils portent chacun une charge électrique. En plus, Thomson a pensé

que ces électrons se répartissent à la surface de l'atome comme les grains de raisin qui

garnissent un gâteau.

En 1911, les expériences du savant Ernest Rutherford (né en Nouvelle-Zélande) ont

permis de montrer que l'atome est constitué d'un noyau central, extrêmement dense et

autour duquel gravitent des électrons dans un "nuage" relativement vaste et lacunaire en

majeure partie. De même, on a pu tirer de ces expériences que le noyau occupe un

volume très petit à l'intérieur de l'atome. Toutefois, il renferme la presque totalité de la

masse de l'atome.

Deux ans seulement, après la découverte de Rutherford, le physicien danois Niels Bohr

a proposé le fait que, dans l'atome, les électrons

sont des corpuscules extrêmement petits,

chargés négativement et gravitent, autour du

noyau chargé positivement, sur des orbites bien

définis et en nombre limité, comme les planètes

autour du soleil. De plus, ces orbites sont

ordonnées en se succédant dans des couches ou

enveloppes comme dans un chou.

Actuellement, les chercheurs ont réussi à montrer

que l'atome est constitué d'un noyau portant une

charge électrique positive et d'un ensemble

d'électrons porteurs d'une charge négative,

globalement opposée à celle du noyau.

-0-

& v-. J

^ . .. V.

r

V

Le noyau occupe le centre de l'atome et la presque totalité de la masse de celui-ci y est

concentrée, et ce malgré le très petit volume que le noyau occupe. En effet, le noyau a

un diamètre 100000 fois plus petit que celui de l'atome. Quant aux électrons, il s'est

avéré qu'il est impossible d'identifier la nature de leur mouvement autour du noyau

atomique. En fait, on ne peut déterminer, à un instant donné, que la probabilité de

présence d'un électron en un point précis autour du noyau.

J'exploite le texte

1. Préciser les différents concepts de l'atome, évoqués dans le texte.

2. Chercher les causes qui ont empêché historiquement les savants à adopter le même

concept de l'atome.

3. Retrouver les constituants ainsi que les caractéristiques de l'atome sur lesquels il y a

une entente de la communauté scientifique.

4. Relever, des anciens concepts, les aspects qui sont en accord avec ceux du concept

actuel de l'atome et préciser les points faisant l'objet d'une divergence.

5. Relever les constituants de l'atome, susceptibles d'être arrachés par frottement.

6. Montrer que la perte de charges négatives est l'hypothèse valable pour expliquer

l'électrisation du verre par frottement.

>- L'atome est constitué d'un noyau central entouré d'un cortège d'électrons en

mouvement incessamment désordonné.

>- Tous les électrons sont identiques, mais dans un atome, leur nombre diffère d'une

matière à une autre. Donc, le nombre d'électrons est l'une des caractéristiques de

l'atome.

>- L'électron a une très petite masse, de valeur me = 9,11.10'31 kg.

>- Malgré son diamètre 100000 fois plus petit que celui de tout l'atome, le noyau a une

masse pratiquement égale à celle de l'atome, et ce parce que les électrons d'un

atome ont une masse totale négligeable devant celle du noyau.

> Le noyau porte une charge électrique positive, tandis que chaque électron porte une

charge électrique négative de valeur opposée à la charge électrique élémentaire

>- L'atome est une entité électriquement neutre, et ce parce que la charge totale de ses

électrons est opposée à celle de son noyau.

> Avec sa masse et sa charge électrique, le noyau est une autre caractéristique de

l'atome.

Déterminer le nombre d'électrons de l'atome de chlore sachant que son noyau porte une

charge électrique égale à 27.10"19 C.

D'après l'ouvrage en langue arabe :

«Encyclopédie des applications scientifiques simplifiées»

e : q = - e

LES SYMBOLES CHIMIQUES

13. SYMBOLE DE L'ATOME ET FORMULES CHIMIQUES

14. ÉQUATION D'UNE RÉACTION CHIMIQUE

' mm n:

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18 r-'/V

V.v V? Ai

Modèle de la molécule d'aspirine qui est constituée d'un assemblage d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène

■ Y a-t-il une écriture scientifique montrant la structure de chaque

molécule ?

■ Quelle est la signification de l'écriture CO2 figurant sur la plaque

signalétique d'un extincteur d'incendie ?

■ Parmi les équations utilisées en sciences, il y a les équations

mathématiques et les équations chimiques. Quelle différence y a-t-il

entre ces équations ?

-0-

3

SYMBOLE DE L'ATOME

ET FORMULES CHIMIQUES


Que désigne-t-on par l'écriture CO2 sur l'étiquette d'un extincteur

d'incendie, par l'écriture H2SO4 sur l'étiquette d'une bouteille d'acide

sulfurique et par toutes ces écritures semblables sur les étiquettes

des boîtes de médicaments ?


J'examine bien les modèles moléculaires de la figure ci-contre , et

pour les représenter d'une manière simple et facilement

déchiffrable, j'attribue à chaque molécule une formule permettant

de rendre compte de sa composition en nature et en nombre

d'atomes.

Pour cela, l'association d'un symbole à chaque atome s'impose.

En me référant aux conventions internationales en vigueur, j'identifie

les symboles des atomes suivants entre autres :

* Pour l'atome d'hydrogène, c'est H, première lettre de son nom.

* Pour le carbone, c'est C, première lettre de son nom.

* Pour l'oxygène, c'est O, première lettre de son nom.

* Pour l'aluminium, c'est Al, les deux premières lettres de son nom.

* Pour le chlore, c'est Cl, première et troisième lettres de son nom,

et ce pour éviter toute confusion avec le symbole de l'atome de

carbone.

Ainsi, je suis en mesure d'attribuer aux molécules de méthane et

d'éthane, constituées chacune d'atomes de carbone et d'hydrogène,

par la même formule provisoire CH. Puis, afin de pouvoir distinguer

entre les deux molécules, j'affecte chaque symbole d'atome d'un

indice à droite, précisant le nombre total d'atomes de ce type

rentrant dans la constitution de la molécule. De cette manière, on a

la formule CH4 pour le méthane et la formule C2H6 pour l'éthane.

Remarque :

En fait, la formule de la molécule de méthane est C1H4. Cependant,

il est commode d'écrire CH4 parce que la molécule renferme un seul

atome de carbone.

y

n

100

Cette manière de faire est généralisée à tous les atomes intervenant dans la constitution

d'une molécule en quantité égale à l'unité. En d'autres termes, lorsque l'indice affectant

l'atome est 1, il n'est pas écrit dans la formule d'une molécule.

Ainsi, par la pratique de la même démarche, j'obtiens la formule :

* O3 pour la molécule d'ozone,

* H2O pour la molécule d'eau,

* HCI pour la molécule d'acide chlorhydrique. nrt

Je conclus

>- L'atome est symbolisé par la première lettre de son nom, écrite en majuscule. Dans

quelques cas, on lui ajoute généralement la deuxième lettre, écrite en minuscule, et ce

afin de ne pas confondre le symbole avec celui d'un autre atome dont le nom commence

par la même lettre de l'alphabet.

Exemples

Nom de l'atome Hydrogène Oxygène Carbone Soufre Fluor Fer

Symbole H 0 C S F Fe

Nom de l'atome Aluminium Cuivre Chlore Calcium Sodium* Azote**

Symbole Al Cu Cl Ca Na N

* Le symbole Na de l'atome de sodium provient du latin Natrium.

** Le symbole N de l'atome d'azote provient du latin Nitrogène.

>- La formule d'une molécule s'obtient par l'écriture des symboles des atomes qui rentrent

dans sa constitution en affectant chacun à sa droite d'un indice égal au nombre

d'atomes correspondants et présents dans la molécule.

Exemples

Nom de la molécule Dioxygène Dihydrogène Eau Méthane Dioxyde de

carbone

Constituants Deux atomes

d'oxygène Deux atomes d'hydrogène

Deux atomes

d'hydrogène et un atome d'oxygène

Un atome de carbone et quatre atomes

d'hydrogène

Deux atomes d'oxygène et un atome de

carbone

Formule O2 H2 H2O CH4 CO2

-0^

Remarque

L'indice désignant le nombre d'atomes figurant dans une molécule n'est écrit que lorsque

ce nombre est supérieur ou égal à deux.

1- Ecrire la formule de la molécule du gaz butane sachant qu'elle est formée de quatre

atomes de carbone et de 10 atomes d'oxygène.

2- Compléter la formule C....H....O.... de la molécule d'éthanol (alcool de pharmacie) qui

est composée de six atomes d'hydrogène, de deux atomes de carbone et d'un atome

d'oxygène.

3- Etant donné que la formule d'une molécule d'acide sulfurique est H2SO4, préciser les

atomes qui la constituent, en nature et en nombre.

4

EQUATIONS D'UNE

RÉACTION CHIMIQUE î


Ayant attribué à l'atome un symbole et à la molécule une formule, puis-je les utiliser pour

schématiser une réaction chimique et comment ?

Je manipule et je constate , ®

^Je me procure le matériel et les produits suivants :

* une balance électronique (balance Roberval dans le

cas échéant),

* deux béchers,

* une solution aqueuse de sulfate de cuivre,

* une solution aqueuse de soude.

Je verse un peu de solution aqueuse de sulfate de

cuivre dans l'un des deux béchers et un peu de

solution aqueuse de soude dans le second bêcher.

Je vérifie que l'afficheur de la balance électronique est

réglé à zéro. Ensuite, je pose les deux béchers

contenant les solutions aqueuses sur son plateau et je

lis sur l'afficheur, la valeur de la masse totale de la

charge du plateau.

En versant doucement le contenu de l'un des deux

béchers dans l'autre, il se forme un précipité bleu dès

que les deux solutions sont mélangées.

^ Je lis de nouveau la valeur de la masse totale de la

charge et je la compare avec celle obtenue

précédemment.


Solution de soude

|00,00g |

Solution de —k sulfate de cuivre

200

200,0 g

* L'apparition du précipité bleu s'explique par la production d'une réaction chimique entre

les solutions de soude et de sulfate de cuivre.

* L'égalité des valeurs des masses totales des charges du plateau de la balance, avant et

après la réaction produite, montre que celle-ci n'a entraîné aucune variation de masse.

Par conséquent, puisque la matière est constituée d'atomes, je peux affirmer que la réaction

chimique n'a pas touché le nombre total des atomes des quantités de matière mises en jeu.

103

Je conclus

Principe de conservation de la matière

Au cours d'une réaction chimique, il y a conservation de matière, ce qui revient à dire, qu'au

cours d'une réaction chimique, il y a conservation du nombre total des atomes constituant les

quantités de matière mises en jeu.

ÉQUATION D'UNE EQUATION CHIMIQUE


Je me procure des modèles moléculaires.

En me référant à la leçon n. 10 qui traite la notion de réaction chimique, je schématise la

combustion du méthane à l'aide des modèles moléculaires.

Méthane + Dioxygène Dioxyde de carbone + Eau

SI

U + 00 —30 + q

<$> Par l'utilisation des formules chimiques, il m'est possible donc, de symboliser cette réaction

par l'équation suivante :

CH4 + O2 ► CO2 + H2O

Mais, est-ce que cela signifie que la combustion d'une molécule de méthane nécessite une

seule molécule de dioxygène ?

S'il en est ainsi, le principe de conservation de la matière n'est pas respecté. Donc, quel est

le nombre de molécules de dioxygène nécessaires à la combustion d'une seule molécule de

méthane ?

^ Je démonte le modèle d'une molécule de méthane et celui d'une molécule de dioxygène.

Puis, je cherche comment construire avec les modèles atomiques séparés, ceux des

molécules des produits de la réaction (dioxyde de carbone et eau) :

'• ")

O

Modèles des atomes obtenus par le démontage des modèles de la molécule de méthane et de celle de dioxygène

OOO

O o ou bien

O o o

)

Je constate qu'on ne peut obtenir à la fois les modèles des deux produits de la réaction

que lorsqu'on part des modèles de deux molécules de dioxygène et du modèle d'une

molécule de méthane.

OO

n +

oo

o

o

^ Cela signifie que la combustion d'une seule molécule de méthane nécessite deux

molécules de dioxygène. Par conséquent, l'équation de la réaction de combustion du

méthane, écrite précédemment, doit être équilibrée comme suit :

CH4 + 2 O2 ► CO2 + 2 H2O

On constate que l'équation de la réaction est équilibrée par l'égalité du nombre d'atomes

avant la réaction (selon le nombre de molécules des réactifs mises en jeu) avec le nombre

d'atomes après la réaction (selon le nombre de molécules des produits de la réaction).

Je conclus

Toute réaction chimique est symbolisée par une équation équilibrée, s'écrivant avec les

formules chimiques des réactifs et de ses produits.

L'équation d'une réaction chimique n'est équilibrée que lorsque, dans son écriture, on a

satisfait le principe de conservation de la matière.


Ecrire l'équation équilibrée de la combustion complète :

1- du carbone C,

2- de l'éthane C2H6 sachant que ses produits sont les mêmes que ceux de la combustion

complète du méthane.

Résumé

^ Pour une exploitation commode du concept de l'atome dans l'étude des réactions

chimiques :

1-on attribue à chaque type d'atome un symbole spécifique qui n'est autre que la

première lettre majuscule de son nom (suivie dans quelques cas de la deuxième

ou troisième lettre, écrite en minuscule).

2-on confère à toute molécule, une formule chimique dans l'écriture de laquelle on

tient compte de ses constituants atomiques en nature et en nombre.

^ Toute réaction chimique satisfait le principe de conservation de la matière.

^ L'équation d'une réaction chimique ne peut être utilisée à bon escient que lorsqu'elle

est équilibrée.

-(3^



Exercice n" 1

Recopier les phrases suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste :

1- Deux corps différents peuvent être constitués d'atomes de même nature. □

2- Le dioxyde de carbone est un corps pur composé. n

3- La valeur absolue de la charge d'un électron d'un atome est égale à la valeur

de la charge de son noyau. n

4- On attribue un symbole à la molécule et une formule à l'atome. n

5- He est le symbole de l'atome d'hydrogène. □

6- Pour l'écriture d'une réaction chimique, on utilise une équation chimique. n

7- L'équation d'une réaction chimique ne peut être équilibrée que si le principe de

conservation de la matière est respecté dans son écriture. n

8- L'atome est plus petit que la molécule. n

Exercice n" 2

Recopier les QCM suivants en mettant une croix X devant la proposition juste :

1- La molécule de dioxyde de carbone est constituée de :

• trois atomes identiques. □

• un atome d'oxygène et de deux atomes de carbone. n

• un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène. n

2- Les molécules de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone ont

même :

• nombre d'atomes □

• nature d'atomes

• masse

3- La molécule de dioxyde de carbone et la molécule d'eau ont :

• le même nombre d'atomes. n

• la même nature d'atomes.

• la même masse.

□

□

n

n

Exercice n" 3

Réécrire et équilibrer les équations chimiques suivantes :

1 .... C3H8 + ■■■■ o2 —► ... co2 + .... H20

2 .... MCI + . ... Al ... H2 + ... . AICI3

3 .... N2 + ... ■ o2 —>- ... NO2

4 .... H2S + . ... Cl2 —»- ... MCI + ... ,. S

5 .... CH4 + . ... Cl2 —- ... MCI + ... ,. C

Exercice n" 4

Classifier les corps purs dont les noms et les formules chimiques sont consignés dans le

tableau suivant, en corps purs simples et en corps purs composés :

Corps Molécule

1 Dioxygène O2

2 Propane C3H8

3 Diiode '2

4 Chlorure d'aluminium AICI3

5 Ethanol C2H60

Exercice n" 5

Corps pur Modèle moléculaire Formule moléculaire

1 Acétylène GC

2 Méthane n

3 Ethane DU

4 Ethanol oô

1-Montrer si les corps dont les noms sont consignés dans le tableau ci-dessus, sont des

corps purs simples ou bien composés, sachant que la boule grise représente le

modèle de l'atome d'hydrogène , la boule noire représente celui de l'atome de carbone

et la boule rouge représente celui de l'atome d'oxygène.

2-Compléter le tableau par l'écriture des formules de ces corps.

-0-

Pour en savoir plus

LE MODELE ATOMIQUE

.

Au début de la moitié du cinquième siècle avant J.C., les deux philosophes grecs Leucippe et Platon ont émis la conception de la divisibilité de la matière avec laquelle on aboutit à des très petites particules qu'ils ont appelées ATOMOS (terme grec désignant l'indivisibilité).

A la fin de la moitié du cinquième siècle avant J.C., la conception de Leucippe-Platon a été abandonnée et on a adopté celle d'Aristote (autre philosophe grec) d'après laquelle le monde est décomposable en quatre éléments qui sont l'eau, l'air, la terre et le feu.

En 1803 et après une étude scientifique ; John Dalton a approuvé la pertinence de l'idée de Platon. Par conséquent, on a rejeté celle d'Aristote et l'atome a été modélisé par une très petite boule sphérique.

c

En 1913, Niels Bohr a émis pour l'atome un nouveau modèle d'après lequel l'atome est constitué d'un noyau chargé positivement, autour duquel des électrons (chargés négativement) gravitent incessamment sur des orbites en nombre limité et dont les rayons ne peuvent prendre que des valeurs bien précises. Ce modèle est connu sous le nom du modèle de Bohr.

Je m'amuse

1- Mots croisés

Je cherche les concepts ou les termes scientifiques désignés par les expressions

suivantes. Puis, je complète la grille figurant à la page suivante.

Corps qui réagissent entre eux 5T Corps obtenu par une réaction chimique

2T Caractère de l'équation d'une réaction chimique

6 ► Entité composée d'un nombre limité d'atomes

3 ► Elle symbolise une réaction chimique

7T La plus petite particule constituant la matière

4^ Transformation au cours de laquelle des corps disparaissent et d'autres apparaissent

5T 2T 7T

|3>J 1 II

6^ III IV

1^11^

!► V

4^1 VI

2- A qui est cette photo ?

C'est un savant qui a conçu l'atome comme étant une particule indestructible.

Pour dégager son nom, recopier dans l'ordre consigné ci-dessous, les lettres des cases

repérées par un chiffre romain.

II V IV VI III I


SUJET ADRESSE SUR LE WEB

Les combustibles www.web.science.com

ifci-iipc.ntc-cnrc.ge.ca/technology_sf.html

Pétrole et dérivés www.ac-orlean-tours.fr/hist-geo3/carto-belin/petrole.htm

Gaz naturel www.bretagnenet.com/stobinet/degazges/petrole.htm

Le carbone www.dotpea.com/noiranimal.htm

L'atome www.culturediff.org/hostosciences.htm

www.web.science.com

Histoire de l'atome perso.club-internet.fr

Réactions www.seed.slb.com

chimiques www.ishm.net

LES SOLUTIONS IONIQUES

_

<$> COMPOSITION D'UNE SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE

<$> SOLUTIONS ACIDES ET SOLUTIONS BASIQUES

<$> SOLUTIONS NEUTRES

PRÉREQUIS

SAVOIRS

1. Définir un mélange.

2. Définir un corps pur simple et un corps pur composé.

3. Définir la dissolution.

4. Définir un solvant.

5. Définir un soluté.

6. Définir la concentration.

7. Définir la solubilité.

8. Définir une solution saturée.

9. Définir une réaction chimique.

10. Définir la molécule et l'atome.

11. Écrire les symboles des atomes.

SAVOIR FAIRE

1. Séparer les constituants d'un mélange homogène.

2. Réaliser des expériences de dissolution.

3. Distinguer les réactifs des produits d'une réaction chimique.

4. Distinguer entre transformations physiques et réactions chimiques.

5. Écrire des équations chimiques simples.

-©-

COMPOSITION

D'UNE SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE

15. CONDUCTIBILITE ÉLECTRIQUE DES SOLUTIONS AQUEUSES

16. INFLUENCE DE LA CONCENTRATION SUR LA CONDUCTIBILITE

ÉLECTRIQUE D'UNE SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE

17. ANIONS ET CATIONS

■ Que désigne-t-on par eau minérale sans nitrate ?

■ Que désigne-t-on par une terre pauvre en fer ? est-ce du fer solide ?

Quels sont les principaux constituants des engrais azotés et phosphatés ?

s

CODUCTIBIUTÉ ÉLECTRIQUE

DES SOLUTIONS AQUEUSES î

CONDUCTIBILITE ELECTRQUE DE L'EAU PURE


Pour allumer une lampe, il est conseillé de ne pas toucher l'interrupteur avec des mains

mouillées. Pourquoi ?

Je manipule et je constate , ®

Q+ I s -J<2) o &


* un générateur de tension continue (6V) ; un électrolyseur à électrodes en platine ; une

lampe électrique portant l'indication 6V ; un

ampèremètre à affichage numérique ; un

interrupteur ; des fils de connexion.

* de l'eau pure (eau distillée).

Pour m'assurer que la lampe est adaptée au

générateur, je réalise une expérience préliminaire qui

consiste à monter le générateur en série avec

l'interrupteur et la lampe (Fig.1). Fig.1

je verse dans l'électrolyseur 100 mL d'eau pure (une

quantité suffisante pour l'immersion des deux

électrodes), puis j'insère l'électrolyseur dans le circuit

précédent, en série avec les autres composants (Fig.2)

Solution aqueuse de sel

I

Fig.2

113

Je ferme le circuit, mais la lampe ne s'allume pas.

Est-ce que cela signifie que l'eau pure ne conduit pas le

courant électrique ?

Pour m'assurer, j'insère l'ampèremètre digital dans le

circuit et je le ferme de nouveau. L'ampèremètre

détecte alors un courant d'intensité très faible (Fig.3).

Eau pure

r\.

Fig.3

Je conclus

L'eau pure conduit très faiblement le courant électrique.

CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE DES SOLUTIONS AQUEUSES


<$> Pour entretenir une batterie, le fabricant recommande d'y ajouter de l'eau acidulée et non

pas de l'eau de robinet. Pourquoi ?

Est-ce que les liquides ont la propriété de conduire le courant électrique ?

Je manipule et je constate , s'

^ Je me procure le matériel et les produits chimiques suivants :

* un générateur de tension continue (6V) ; un électrolyseur ; une lampe électrique portant

l'indication 6V ; un ampèremètre numérique ; un interrupteur ; des fils de connexion

* des solutions aqueuses de même concentration :

- de sel de cuisine,

- de sucre,

- d'alcool de pharmacie,

- de sulfate de cuivre.

Dans l'électrolyseur du circuit précédent, je remplace

l'eau pure par 100 mL de la solution aqueuse de sel de

cuisine. Lorsque je ferme le circuit, le filament de la

lampe devient à peine rouge et l'ampèremètre indique

une intensité de courant nettement plus grande que celle

du courant électrique conduit par l'eau pure (Fig.4).

114


ïï-.

Fig.4

^ Je refais la même expérience trois fois de suite en utilisant consécutivement et une à

une les solutions aqueuses de sucre, d'alcool de pharmacie et de sulfate de cuivre. Je

constate que :

- avec les solutions aqueuses de sucre et d'alcool, l'ampèremètre indique une intensité de

courant électrique très faible, comparable à celle obtenue avec de l'eau pure.

- avec la solution de sulfate de cuivre, l'ampèremètre indique une intensité de courant

électrique nettement plus grande que celle obtenue avec de l'eau pure et comparable à

l'intensité du courant conduit par la solution aqueuse de sel de cuisine.

J'interprète ce qui est produit

Contrairement aux solutions aqueuses de sucre et d'alcool de pharmacie, les solutions

aqueuses de sel de cuisine et de sulfate de cuivre conduisent mieux le courant électrique que

l'eau pure.

Je conclus

Les solutions aqueuses se prêtent plus ou moins à conduire le courant électrique : il y a

des solutions qui conduisent difficilement le courant électrique comme l'eau pure et des

solutions qui conduisent beaucoup mieux le courant électrique que l'eau pure.

Toute solution aqueuse qui conduit le courant électrique mieux que l'eau pure est

qualifiée de solution électrolytique.

Exemples :

Solution de sulfate de cuivre

Solution de bichromate de potassium

Solution de chlorure de potassium


Sachant que la solution aqueuse de chlorure d'aluminium est une solution électrolytique,

comparer sa conductibilité électrique avec celle d'une solution aqueuse d'alcool de

pharmacie.

INFLUENCE DE LA CONCENTRATION SUR LA

CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE D'UNE

^ SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE

î


Pour entretenir une batterie, on utilise une solution acide diluée

connue sous le nom d'eau de batterie. Pourquoi ne pas utiliser

une solution acide concentrée ou bien de l'eau pure ?


i ♦ I

Batterie

^ Je me procure le matériel et les produits chimiques suivants :

* un générateur de tension continue (12 V) ; un interrupteur ; un bêcher de

contenance 100 mL ; deux électrodes en graphite ; un agitateur ; une spatule ; un

ampèremètre ; des fils de connexion,

* de l'eau pure (eau distillée),

* du sel de cuisine, du sulfate de cuivre et du nitrate de

potassium en poudre.

^ Je réalise le circuit série formé par le générateur,

l'interrupteur, l'ampèremètre et l'électrolyseur (formé

par le bêcher et les deux électrodes) (Fig.1).

Je remplis le bêcher à moitié avec de l'eau distillée,

l'ampèremètre indique évidemment le passage d'un

courant d'intensité l0 très faible (Fig.2).

r

Fig.1

Eau pure

J'ouvre le circuit. Puis, avec la spatule, j'ajoute à la

quantité d'eau pure de l'électrolyseur une pincée de sel

de cuisine que je dissous par agitation. En fermant par

la suite le circuit, l'ampèremètre indique évidemment le

passage d'un courant d'intensité ^ nettement

supérieure à l0 (Fig.3).

e

Fig.2


+ ra

o

Fig.3

116

^ J'ouvre de nouveau le circuit et j'ajoute à la solution

contenue dans l'électrolyseur une autre pincée de sel

de cuisine. Après agitation, je ferme le circuit.

L'ampèremètre indique alors le passage d'un courant

d'intensité I2 supérieure à l1 (Fig.4).

Je rince le bêcher et je le remplis de nouveau à moitié \\ I /

d'eau distillée. Puis, je refais la même expérience, p|g ^

mais en utilisant le sulfate de cuivre au lieu du sel de

cuisine et je note les observations que je fais à toutes les étapes.

Je rince le bêcher et je le remplis de nouveau à moitié d'eau distillée. Puis, je refais

la même expérience, mais en utilisant le bichromate de potassium au lieu du sulfate

de cuivre et je procède de la même manière pour les observations.

En augmentant la quantité de soluté sans changement de volume, on sait que la

concentration de la solution augmente. Par conséquent, l'augmentation progressive de

l'intensité du courant est due à l'augmentation de la concentration de la solution électrolytique

étudiée. En d'autres termes, la conductibilité électrique d'une solution électrolytique

augmente avec sa concentration.

La conductibilité électrique d'une solution électrolytique dépend de sa concentration. Elle est

d'autant plus importante que la concentration est plus grande et inversement.

Je dispose de deux flacons non étiquetés, l'un contenant une solution aqueuse incolore,

saturée et l'autre contenant une solution aqueuse non saturée du même soluté.

Je réalise une expérience qui me permet d'identifier le flacon renfermant la solution aqueuse

saturée.

7

ANIONS ET CATIONS

0

} ■ 'M ^ Légère et équilibrée


^ Qu'est-ce qui fait que les solutions électrolytiques conduisent mieux le courant électrique que l'eau pure ? Qu'est-ce que cette classification d'entités chimiques en cations et anions qui figure sur l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale ?

r^l Je manipule et je constate

LES ANIONS DwwbonatM

FKxxur»* CATIONS MagnAwum Sodium PotAMlum

146.0 2S.0 21.0 (0) 0.0 0.2 32,0 14,6 11.4 3.5

200.0

dljSg»

V- 6

Je me procure le matériel et les produits chimiques suivants : * un générateur de tension continue (24 V) ; un interrupteur ; une plaque de verre (10 cm x 15 cm) ; deux lames de cuivre ou de zinc (3 cm x 15 cm) munies chacune d'une borne électrique ; une pile de papier filtre d'épaisseur 5 mm au minimum ; un compte gouttes ; un agitateur ; deux noix de serrage ; des fils de connexion.

* des solutions électrolytiques concentrées : - de chlorure de potassium (solution incolore), - de sulfate de cuivre (solution bleue), - de bichromate de potassium (solution orangée), - de bichromate de cuivre.

^ J'étale la pile de papier filtre sur la plaque de verre. Puis, je l'imbibe avec de la solution de chlorure de potassium.

^ Pour me débarrasser des poches d'air à l'intérieur de la pile étalée de papier filtre, j'appuie dessus en faisant rouler l'agitateur à sa surface.

^Je pose les deux lames métalliques sur le papier, l'une en face de l'autre, sur deux bords en regard de la plaque de verre et je fixe chacune d'entre elles avec une noix de serrage. Ce faisant, je viens de réaliser un électrolyseur (Fig.1).

Borme électrique

Noix de serrage

Pile de papier filtre

7 Lame

de cuivre

Plaque de verre

Fig.1

118

^ En reliant les deux lames métalliques au générateur et à l'interrupteur comme indiqué à la figure 2, je réalise un circuit série.

Fig.2

A l'aide du compte gouttes, je verse sur la pile de papier filtre une goutte de la solution de sulfate de cuivre en un point A, une goutte de la solution de bichromate de potassium en un point B et une goutte de la solution de bichromate de cuivre en un point C aligné avec A et B. (Fig.3)

^ Le circuit étant fermé, il apparaît à la surface supérieure de la pile de papier filtre une propagation progressive : - de la coloration bleue, du point A vers la cathode (borne de l'électrolyseur reliée au pôle négatif du générateur). - de la coloration orangée, du point B vers l'anode (borne de l'électrolyseur reliée au pôle positif du générateur). - à partir du point C, d'une coloration bleue vers la cathode et d'une coloration orangée vers l'anode (Fig.4)


- o

Fig.3

Fig.4

La propagation de la coloration bleue à partir des points A et C vers la cathode s'explique par le fait que les solutions aqueuses de sulfate de cuivre et de bichromate de cuivre renferment des entités de même espèce provenant du cuivre, appelées ions de cuivre. La migration des ions de cuivre vers la cathode résulte d'une attraction mutuelle qui montre que l'ion de cuivre est porteur de charge positive. De même, la propagation de la coloration orangée des points B et C vers l'anode s'explique par le fait que les solutions aqueuses de bichromate de cuivre et de bichromate de potassium renferment d'autres entités de même espèce, appelées ions bichromate. La migration des ions bichromate vers l'anode résulte d'une attraction mutuelle qui montre que l'ion bichromate est porteur de charge négative. Ainsi, il s'avère que la solution aqueuse de bichromate de cuivre renferme les ions de cuivre et les ions bichromate.

-0-

Etant porteur de charge positive, l'ion de cuivre est qualifié d'ion positif ou cation, tandis que l'ion bichromate qui est porteur de charge négative est qualifié d'ion négatif ou anion.

■ D'après ce qui précède, je peux affirmer que la solution de sulfate de cuivre renferme, en plus de ions positifs de cuivre, une autre espèce d'ions mais négatifs. Ceux-ci ne peuvent être que les ions sulfate. De même, la solution de bichromate de potassium renferme, en plus des ions négatifs bichromate, une autre espèce d'ions mais positifs. Ceux-ci ne peuvent être que les ions de potassium. Ainsi, j'explique la conductibilité électrique de la solution

■ aqueuse :

- de bichromate de cuivre par la migration des ions positifs de cuivre (cations) vers la cathode et par la migration des ions négatifs bichromate (anions) vers l'anode (Fig.5). - de sulfate de cuivre par la migration des ions positifs de cuivre vers la cathode et des ions négatifs sulfate vers l'anode (Fig.5) bien qu'il ne soit pas possible, à l'œil nu, de suivre leur migration au cours de l'expérience. - de bichromate de potassium par la migration des ions négatifs bichromate vers l'anode et des ions positifs de potassium vers la cathode (Fig.5) bien qu'il ne soit pas possible, à l'œil nu, de suivre leur migration au cours de l'expérience.

+IK-

+ - + - - - + - + -

mJ T

- +-

Fig.5

j Je conclus

>- Toute solution aqueuse électrolytique renferme deux types d'ions : des ions positifs et des ions négatifs, d'où sa qualification de solution aqueuse ionique.

>- La conductibilité d'une solution aqueuse électrolytique est assurée par un mouvement d'ensemble de chaque type d'ions dans un sens bien déterminé : - les ions positifs qui migrent vers la cathode, d'où leur dénomination de cations. Exemples : ions de cuivre ; ions de potassium. - les ions négatifs qui migrent vers l'anode, d'où leur dénomination d'anions. Exemples : ions bichromate ; ions sulfate.

^ j J'évalue mes propres acquis

En m'appuyant sur l'expérience précédente, je détermine la composition de la solution aqueuse ionique de chlorure de potassium tout en précisant si les ions chlorure sont des cations ou bien des anions.

Résumé

^ Une solution aqueuse électrolytique conduit mieux le courant électrique que l'eau pure. ^ La conductibilité d'une solution électrolytique est d'autant plus forte que la concentration

de la solution électrolytique est plus grande et inversement. ^ Toute solution électrolytique renferme deux types d'ions : les ions positifs et les ions négatifs. ^ Les ions positifs sont appelés cations, tandis que les ions négatifs sont appelés anions. ^ La circulation d'un courant électrique dans une solution électrolytique est due à un

déplacement d'ensemble d'ions : les cations se déplacent toujours dans le sens contraire à celui des anions.

-©-


rn Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n" 1 Recopier les propositions suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste.

1. Une solution aqueuse concentrée de sel de cuisine conduit faiblement le courant électrique.

2. L'eau distillée est un bon conducteur du courant électrique.

3. Les solutions conductrices de courant électrique contiennent beaucoup de cations et peu d'anions.

4. Les solutions ioniques conduisent le courant électrique.

5. Chaque solution aqueuse ionique renferme un seul type d'anions et un seul type de cations.

Exercice n02 Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot (ou expression) qui convient : anions - cations - ionique - dispersés - conductibilité - conducteur - l'eau pure - isolant - mieux.

>K L'eau pure est un mauvais de courant électrique.

>(< Toute solution aqueuse qui conduit le courant électrique que

est une solution électrolytique.

>K La électrique d'une solution aqueuse dépend de sa

concentration.

>(< Une solution aqueuse électrolytique est formée de cations et d'anions

dans l'eau.

>(< La conductibilité électrique d'une solution ionique est assurée par un mouvement

d'ensemble des vers la cathode et des vers l'anode.

Exercice n03 On dispose de deux tubes à essais, l'un contenant une solution aqueuse de sel de cuisine et l'autre contenant de l'eau distillée. Décrire une expérience permettant d'identifier le contenu de chaque tube en prenant soin d'indiquer avec précision le matériel à utiliser.

Exercice n04 Pour comparer les concentrations de deux solutions aqueuses d'une même matière, on a réalisé les deux expériences schématisées ci-dessous :

Expérience 1 Expérience 2

Solution aqueuse [rri

.^fl

o.ou | LIE % ' r

J V

\-\

Solution aqueuse

r

O

1. En comparant les intensités de courant électrique affichées par les ampèremètres numériques dans les expériences 1 et 2, identifier parmi les deux solutions utilisées celle qui conduit mieux le courant électrique que l'autre.

2. En déduire la solution la plus concentrée.

Exercice n05 Une solution aqueuse de permanganate de potassium renferme les ions de potassium et les ions permanganate. En réalisant l'expérience de migration des ions de la leçon 17, mais en utilisant uniquement la solution de permanganate de potassium, on a observé une propagation progressive de la coloration violette dans le sens indiqué sur la figure ci-contre.

1. Préciser l'électrode vers laquelle s'est propagée la coloration violette.

2. Sachant que la couleur violette est due à la présence des ions permanganate, montrer si ceux-ci sont des anions ou bien des cations.

3. Est-il possible de reconnaître si les ions permanganate sont des anions ou bien des cations sans le recours à cette expérience si l'on sait que les ions bichromate d'une solution aqueuse de bichromate de potassium sont des anions ? Justifier la réponse.

o

à

SOLUTIONS ACIDES ET SOLUTIONS BASIQUES

18. SOLUTION AQUEUSE ACIDE ET SOLUTION AQUEUSE BASIQUE 19. MESURE DU pH 20. DEGRÉ D'ACIDITÉ D'UNE SOLUTION AQUEUSE ACIDE 21. DEGRÉ DE BASICITÉ D'UNE SOLUTION AQUEUSE BASIQUE

i Ch:T 1

l.ir

;

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IVsbjsJ Vw

C t. j *- *> > M r

Quelques fruits acides et leurs jus

■ Certains fruits sont dénommés "agrumes". Pourquoi ?

■ A quoi est due la saveur aigre des jus de citron et de tomates ?

■ Que désigne-t-on par pluies acides ? Quels sont les facteurs dont elles

dépendent ? Quels sont leurs dangers ?

■ Quelle est la caractéristique des solutions utilisées pour soigner les inflammations

dues aux piqûres d'abeilles, et pourquoi ?

-0-

t

SOLUTION AQUEUSE ACIDE

ET SOLUTION AQUEUSE

BASIQUE


<$>

<$>

<$>

Quel appareil utilise-t-on pour contrôler la qualité des

produits alimentaires liquides pour ou en solution aqueux?

Que désigne-t-on par l'indication « pH = 7» sur une

bouteille d'eau minérale et « pH = 7,5 » sur une autre ?

Que désigne-t-on par l'indication « pH = 5,5 » sur une boîte

de serviettes démaquillantes et par l'indication « pH = 8 »

sur une boîte de médicament à base d'aspirine ?

/EN/URE DKODOKAS "rrr^ETTiNE

-{ p.H.5.5

)io attiyf

^kènide


Je me procure le matériel et les produits suivants :

>K un pH-mètre : appareil numérique ou à aiguille, à cadran

gradué de 0 à 14 et muni d'une sonde (Fig.1), béchers

de contenance 100 mL, papier filtre, matériel nécessaire

pour l'expérience de la conductibilité électrique. Sonde

* de l'eau pure (eau distillée), jus d'orange ou de citron,

eau de javel, solution aqueuse de soude, solution aqueuse

d'acide chlorhydrique.

Je réalise une expérience préliminaire permettant de

reconnaître la conductibilité électrique de l'eau de javel et du

jus d'orange (ou de citron).

Fig.1

-©-

Je verse de l'eau distillée dans un bêcher, puis j'y immerge la

partie sensible de la sonde. Le pH-mètre affiche la valeur 7

(Fig.2).

Je refais la même expérience mais avec de l'eau de javel. Le

pH-mètre affiche alors la valeur 11.

Je réalise de nouveau, et plusieurs fois, la même expérience,

en utilisant successivement du jus (de citron ou d'orange), la

solution aqueuse de soude et la solution aqueuse d'acide

chlorhydrique.

Le pH-mètre affiche les valeurs :

- 2,3 pour le jus,

- 13 pour la solution aqueuse de soude,

- 1 pour la solution aqueuse d'acide chlorhydrique (Fig.3).

I 707 I

- -iO

I 1304 |

100 -40

Eau distillée

Fig.2

Solution 'ide soude

Fig.3

j Je conclus

^ Toute solution aqueuse ionique est caractérisée par un nombre compris entre 0 et 14 à

250C. Ce nombre est la valeur d'une grandeur appelée pH de la solution.

^ Le pH d'une solution aqueuse est une grandeur mesurable, son appareil de mesure est

le pH-mètre.

^ A 250C, le pH de l'eau pure est égal à 7.

Des solutions aqueuses ioniques, on distingue celles qui sont caractérisées par :

• un pH < 7 à 250C : elles sont considérées comme étant des solutions acides.

• un pH > 7 à 250C : elles sont considérées comme étant des solutions basiques.

/ Définitions A

On appelle solution acide toute solution ionique de pH inférieur à celui de l'eau pure à une température donnée.

Solution acide solution électrolytique de pH < 7 à 25 "C

Exemples : jus de citron, solution aqueuse d'acide chlorhydrique, solution

aqueuse d'acide ascorbique (vitamine C)...

On appelle solution basique toute solution ionique de pH supérieur à celui de

l'eau pure à une température donnée.

Solution basique solution électrolytique de pH > 7 à 25 "C

Exemples : solution aqueuse de soude, eau de Javel, eau de mer, solution

aqueuse d'ammoniac...

On m'a présenté trois béchers tout en me disant que l'un d'entre eux contient de l'eau pure, que le deuxième contient une solution acide tandis que le troisième renferme une solution basique et on m'a demandé de reconnaître expérimentalement la solution acide et la solution basique. A cette fin, je propose une démarche nécessitant l'utilisation d'un pH-mètre.

-19

MESURE DU pH

UTILISATION DU pH-MÈTRE


^ Je me procure le matériel et les produits suivants : >K un pH-mètre calibré (Fig.1), des béchers de contenance 100 mL, du papier filtre. * de l'eau pure (eau distillée), solution aqueuse d'acide éthanoïque, solution aqueuse

de soude, solution aqueuse d'acide chlorhydrique, solution aqueuse d'ammoniac.

m

1 j

j

aso

S55 fil

Différents modèles de pH-mètre Fig.1

Je commence par la mesure du pH de la solution aqueuse d'acide éthanoïque par exemple, en procédant comme suit :

- Je verse dans un bêcher une quantité d'acide éthanoïque suffisante à l'immersion de la partie sensible de la sonde.

- Je fais glisser doucement la sonde dans son support (Fig.2) jusqu'à ce que sa partie sensible soit complètement immergée dans la solution. Tout en m'assurant que cette partie ne touche pas le fond du bêcher (afin d'éviter tout risque de casse), je serre dessus pour qu'elle reste bien fixe.

© ^3 ^3

Fig.2

127

Je mets le pH-mètre en marche et je note la valeur du pH lorsqu'elle se stabilise sur l'afficheur (Fig.3).

3.45

s © ©

J'arrête le pH-mètre. Puis, je dégage la sonde de la solution et je la fixe plus haut, loin du bêcher.

Fig.3

[1=1=4=

s © ©

En laissant le bêcher de côté, je rince la sonde (Fig.4) et je l'essuie avec du papier filtre (Fig.5).

Fig.4

4-.

1 »

PH

e e ©

Fig.5

En suivant la même démarche, je mesure le pH des solutions aqueuses d'acide

chlorhydrique, de soude et d'ammoniac. Ainsi, j'obtiens les valeurs de pH

consignées dans le tableau suivant :

Solution aqueuse

Solution d'acide éthanoïque

Solution de soude

Solution d'acide chlorhydrique

Solution d'ammoniac

pH 3,45 12,04 1,98 10,57

-©-

Je conclus

^ Une bonne mesure du pH d'une solution demande le respect des règles principales

suivantes :

• l'étalonnage du pH-mètre,

• l'immersion totale de la partie sensible de la sonde dans la solution,

• le rinçage de la sonde avec de l'eau distillée, avant et après toute opération

de mesure.

^ Le pH-mètre est un appareil de mesure précis, sa sensibilité peut atteindre le 1/100 de

l'unité de pH.

UTILISATION DU PAPIER pH

,53? Je manipule et je constate

VA

PH 1-14

Je me procure le matériel et les produits suivants : >K boîte de papier pH sous forme de ruban en rouleau

(Fig.6) ou sous forme de bandelettes (Fig.7), béchers de contenance 100 mL, compte gouttes.

>K de l'eau pure (eau distillée), solution aqueuse d'acide éthanoïque, solution aqueuse de soude, solution aqueuse d'acide chlorhydrique, solution aqueuse d'ammoniac.

C&JEUUIN . V ^ A l'aide du compte gouttes, j'imbibe une bandelette (ou un

bout de ruban du rouleau) par la solution d'acide éthanoïque. Puis, pour reconnaître la valeur du pH de la Qnliitinn iitiliQf^ rnmnpm la Qaria Ha mnlaiirQ annamaQ

4% O*

solution utilisée, je compare la série de couleurs apparues sur la bandelette (ou la coloration du bout de ruban) avec les séries de couleurs figurant sur le coffret (ou la série de Fig.6 couleurs figurant sur la boîte).

{|| I

|

Fig.7

Je refais la même expérience avec les autres solutions aqueuses qui sont à ma disposition, une à une. Ainsi, j'obtiens les valeurs de pH figurant dans le tableau suivant :

129

Solution aqueuse

Solution d'acide éthanoïque

Solution de soude

Solution d'acide chlorhydrique

Solution d'ammoniac

pH 3,5 12 2 10,5

^ En comparant, cas par cas, la valeur de pH obtenue avec celle obtenue précédemment avec le pH-mètre, je constate qu'elles sont très proches les unes des autres si elles ne sont pas égales.

J Je conclus

> Le papier pH est un autre moyen de mesure du pH des solutions aqueuses ioniques,

mais il est moins précis que le pH-mètre.

>- L'utilisation du papier pH présente l'avantage d'être une méthode de mesure rapide

quoi qu'approximative.

-©-


Qu'est-ce qui fait que, plus le raisin et les oranges sont mûrs, moins leur saveur est aigre ? Que désigne-t-on par l'indication "eau acidulée 5%" marquée sur la bouteille d'eau de batterie ? On sait que l'acide chlorhydrique est un liquide dangereux. Qu'est-ce qui fait que, moins sa solution est concentrée, moins le danger qu'elle présente est grave ? Les agrumes, le vinaigre et les jus de quelques fruits comme les fraises, les carottes et les tomates sont qualifiés comme étant des acides doux tandis que l'acide chlorhydrique et l'acide sulfuriques sont reconnus comme étant des acides dangereux. Pourquoi ? On sait que l'acide éthanoïque est un produit chimique corrosif et de saveur très piquante. Comment expliquer alors la présence du flacon de vinaigre qui contient de l'acide éthanoïque sur la table de la salle à manger ?

J'observe et je prends note

On ne peut pas boire du jus de citron pur même en essayant de le rendre sucré, et ce à cause de sa saveur très aigre. Toutefois, avec une dilution modérée avec de l'eau, ce jus prend une saveur moins aigre. Mais, si on le rend trop dilué, il perd la saveur aigre et devient comme de l'eau sucrée.

^ Etant un produit chimique très dangereux à cause de l'irritation et des brûlures très graves qu'elle peut provoquer comme l'indique son pictogramme, la solution aqueuse concentrée d'acide chlorhydrique ne peut être utilisée au laboratoire que lorsqu'on prend des mesures de sécurité très précises et de très grandes précautions. Mais, avec sa dilution, on obtient une solution peu dangereuse.

Je sais que le jus de citron est une solution acide et sa saveur aigre est un signe d'acidité. De même, la corrosion et l'irritation que l'acide chlorhydrique peut provoquer sont deux signes de son acidité. Par conséquent, toute dilution du jus de citron et de la solution aqueuse d'acide chlorhydrique entraîne une diminution de leur acidité.

> Il n'y a pas d'acidité absolue : toute solution acide est caractérisée par un degré d'acidité

bien déterminé qui croît avec sa concentration et inversement. > Plus son degré d'acidité est élevé, plus la solution acide est aigre (pour les produits

alimentaires), irritante et corrosive.


Je me procure le matériel et les produits suivants : >K un pH-mètre, des béchers de contenance 100 mL, un agitateur. * de l'eau de robinet, du jus de citron ou d'orange.

Expérience.1

Je verse dans un bêcher une quantité de jus de citron suffisante à l'immersion de la partie sensible de la sonde. Puis, je mesure le pH du citron. Je dilue progressivement la quantité de jus de citron, en ajoutant à chaque fois 10 mL d'eau de robinet et je mesure le pH. Je constate que la valeur du pH augmente avec la dilution de la solution utilisée.

Expérience.1

Je verse dans un bêcher une quantité d'eau de robinet suffisante à l'immersion de la partie sensible de la sonde. Puis, je mesure le pH de l'eau. J'ajoute progressivement d'importantes quantités de jus de citron et je mesure à chaque fois le pH de la solution. Je constate que la valeur du pH diminue lorsque la solution devient de plus en plus concentrée.

Remarque : Avant chaque mesure de pH, je dois agiter le mélange.

Plus le degré d'acidité d'une solution aqueuse ionique est élevé, plus le pH de la solution

est faible et inversement.

Plus le pH d'une solution aqueuse acide est faible, plus le degré d'acidité de cette solution

est élevé et inversement.

Définition Le pH est une grandeur permettant de reconnaître le degré d'acidité d'une solution aqueuse ionique.

V


Je dispose d'un jus de citron de pH égal à 2,3 et du vinaigre de pH égal à 2,8. 1. Je compare le degré d'acidité du jus de citron à celui du vinaigre. 2. Je propose une expérience permettant de faire varier le pH du citron jusqu'à ce qu'il

devienne égal à celui du vinaigre.

^ Les solutions aqueuses acides sont des solutions ioniques de pH < 7 à 25 0C.

^ Le degré d'acidité d'une solution aqueuse ionique est fonction de sa concentration.

^ Avec la détermination de la valeur de son pH, on reconnaît le degré d'acidité d'une solution aqueuse.

^ La diminution de la valeur du pH signifie une élévation du degré d'acidité d'une solution

aqueuse acide et inversement.

-©-



Exercice n" 1 Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot (ou expression) qui convient : grandeur, nombre, acide, basique, quatorze, sept, plus précise, moins précise.

^ Toute solution aqueuse ionique est caractérisée par une de valeur comprise entre zéro et appelée pH.

^ Le pH d'une solution aqueuse ionique est une mesurable à l'aide d'un pH mètre.

^ Une solution aqueuse est caractérisée par une valeur de pH inférieure à sept à 250C.

^ La mesure du pH d'une solution avec un pH-mètre est que sa mesure avec le papier pH.

Exercice n" 2 1. Recopier les propositions suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste.

^ Toute solution acide est caractérisée par un degré d'acidité qui

augmente lorsque la concentration diminue et inversement.

^ Le pH est une grandeur avec laquelle on reconnaît le degré d'acidité

des solutions aqueuses ioniques.

^ La détermination de la concentration d'une solution ionique permet de —

reconnaître le degré d'acidité de cette solution.

^ Le degré d'acidité d'une solution aqueuse ionique est fonction de sa concentration.

^ L'augmentation de la valeur du pH d'une solution ionique est une

preuve de l'augmentation du degré de son acidité et inversement. 2. Reformuler correctement les propositions fausses.

Exercice n" 3 Fais une recherche qui t'aide à identifier les matières acides parmi celles de la liste suivante : jus de pomme, solution de soude, jus de fraise, eau distillée, solution d'acide chlorhydrique, eau potable, solution de potasse, solution d'acide nitrique.

Exercice n" 4 On dispose du lait de pH = 6,5 et du jus de fraise de pH = 5,5 à 250C. 1. Montrer que ces deux liquides sont acides. 2. Comparer leur degré d'acidité. 3. Proposer une expérience avec laquelle on fait varier le pH du jus de fraise afin de le

rendre égal au pH du lait.

Exercice n" 5 En s'appuyant sur la valeur de leur pH, classer les liquides consignés dans le tableau ci- dessous par ordre croissant de leur degré d'acidité.

Liquide Eau

distillée Jus

de tomate Jus

d'orange Jus de citron

Acide nitrique

pH à 25°C 7 2,4 3,5 3,2 2

Exercice n06 On dispose de cinq béchers numérotés de 1 à 5, contenant chacun 100 mL d'une solution acide de pH = 2,9 à 25 X. Au contenu de chaque bêcher, on ajoute une quantité d'eau de volume V fixé comme suit :

Bêcher n° 1 2 3 4 5

V (mL) 100 300 700 900 1000

La mesure à 250C, du pH des solutions obtenues donne les valeurs désordonnées

suivantes : 3,5 ; 3,2 ; 3,4 ; 3,05 ; 3,57.

1. Expliquer la différence entre les valeurs des pH des solutions obtenues.

2. Associer au contenu de chaque bêcher le pH correspondant.

J'étudie un document scientifique.

Les pluies acides

Les eaux de pluie sont caractérisées par un pH

pratiquement égal à 7. Cependant, en traversant

l'atmosphère, elles réagissent avec le dioxyde de

carbone, ce qui les rend acides surtout dans les

zones industrielles où le degré d'acidité est plus

élevé et le pH peut atteindre la valeur 5,6.

Lorsque l'air de l'atmosphère est chargé de gaz

polluants tels que les oxydes de soufre et d'azote,

les pluies deviennent encore plus acides et leur pH

peut atteindre la valeur 4,2.

[ffli]

m*

Les pluies acides détériorent les arbres.

Les pluies qui tombent dans les zones industrielles entraînent la détérioration de

grandes surfaces de forêts et de végétations limitrophes. Au début, les arbres cessent de croître, leurs feuilles jaunissent, puis tombent. Par la suite, et au bout de deux ans environ, c'est le dépérissement des arbres et

des forêts devenus déjà sans feuillages.

De plus, les sculptures marbrées ainsi que tous les ouvrages et les statues métalliques qui ornent les villes industrielles se dégradent par la corrosion due à ces pluies

acides.

Corrosion de la statue du Sphinx

Questions 1. Définir les pluies acides. 2. Relever du texte, les conséquences négatives des pluies acides sur la nature et

l'environnement. 3. Proposer des solutions permettant de réduire la gravité de ce phénomène.

->v, 1

:• * P *» '


^ Que désigne-t-on par l'écriture "hydroxyde de sodium 29%" marquée sur les bouteilles des produits liquides utilisés pour détartrer ou désinfecter les sanitaires ou les WC ?

^ A quoi est due l'irritation de la peau que l'on subit parfois lorsqu'on se lave avec l'eau et le savon ?

ilM Je manipule et je constate

Je me procure le matériel et les produits suivants : * des béchers, un agitateur, une petite cuillère. >K un sachet de levure et de l'eau.

Je verse une cuillerée de levure dans un bêcher contenant 100 mL d'eau. Après agitation du mélange, j'obtiens une solution de levure, solution visqueuse et de saveur amère. Après dilution, la solution devient de moins en moins amère et son aspect visqueux disparaît pratiquement.

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tfr#

J'observe et je prends note

Comme dans le cas de l'acide chlorhydrique en solution concentrée, une solution aqueuse de soude doit être maniée avec beaucoup de précautions et en prenant des mesures de sécurité très strictes, et ce à cause des dangers qu'elle présente par le fait qu'elle est caustique et corrosive comme l'indique son pictogramme. Mais une fois diluée, la solution aqueuse de soude devient moins dangereuse.

J'analyse

Je sais que la saveur amère et l'aspect visqueux de la solution de levure ainsi que la causticité d'une solution de soude renseigne sur leur basicité (ou caractère basique). Par conséquent, toute dilution de la solution de levure et de la solution de soude entraîne une diminution de leur basicité.

-©-

Je conclus

> Il n'y a pas de basicité absolue : toute solution basique est caractérisée par un degré

de basicité bien déterminé qui augmente avec sa concentration et inversement. > Plus son degré de basicité est élevé, plus la solution basique est amère (pour un

produit alimentaire) et caustique.

^|||L j Je manipule et je constate

^ Je me procure le matériel et les produits suivants : >K un pH-mètre, des béchers de contenance 100 mL, un agitateur. * de l'eau de robinet, de l'eau de mer ou de l'eau de Javel.

Expérience.1 Je verse dans un bêcher une quantité d'eau de Javel suffisante à l'immersion de la partie sensible de la sonde. Puis, je mesure le pH du liquide. Je dilue progressivement l'eau de Javel, en ajoutant à chaque fois 10 mL d'eau de robinet et je mesure le pH. Je constate que la valeur du pH diminue avec la dilution.

Expérience.2 ^ Je verse dans un bêcher une quantité d'eau de robinet suffisante à l'immersion de la

partie sensible de la sonde. Puis, je mesure le pH de l'eau. <$> J'ajoute progressivement d'importantes quantités d'eau de Javel et je mesure à

chaque fois le pH de la solution. Je constate que la valeur du pH augmente lorsque la solution devient de plus en plus concentrée.

Remarque : Avant toute mesure de pH, je ne dois pas oublier d'agiter le mélange.

Je conclus

Plus le degré de basicité d'une solution aqueuse ionique est élevé, plus le pH de la solution

est élevé et inversement.

Plus le pH d'une solution aqueuse basique est grand, plus le degré de basicité de cette solution est élevé et inversement.

Définition Le pH est une grandeur permettant de reconnaître, en plus du degré d'acidité, le degré de basicité d'une solution aqueuse ionique.

-©-


Sachant qu'une solution aqueuse de soude a un pH égal à 12 et une solution aqueuse d'ammoniac a un pH égal à 10,8 : 1. je compare le degré de basicité de la solution de soude à celui de la solution d'ammoniac. 2. je propose une expérience permettant de faire varier le pH de la solution de soude au point

de le rendre égal à celui de la solution d'ammoniac.

^ Les solutions aqueuses basiques sont des solutions ioniques de pH > 7 à 250C.

^ Le degré de basicité d'une solution aqueuse basique est fonction de sa concentration.

^ Avec la détermination de la valeur de son pH, on reconnaît le degré de basicité d'une

solution aqueuse.

^ L'augmentation de la valeur du pH signifie une élévation du degré de basicité d'une

solution aqueuse basique et inversement.

-©-



Exercice n" 1 Recopier les propositions suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste et corriger les propositions inexactes.

1. Toute solution basique est caractérisée par un degré de basicité qui augmente avec sa concentration et inversement.

2. La diminution de la valeur du pH d'une solution ionique est une preuve de l'augmentation du degré de sa basicité et inversement.

3. Une solution basique est toute solution ionique dont le pH est supérieur à 7 à 250C. 4. La détermination de la concentration d'une solution ionique permet de reconnaître le

degré de basicité de cette solution.

Exercice n02 On dispose d'un flacon contenant une solution basique et portant une étiquette sur laquelle est noté pH = 13. On prélève de cette solution trois échantillons, de volume 1mL chacun, que l'on verse dans des béchers numérotés (1), (2) et (3). Aux contenus des béchers (1), (2) et (3), on ajoute respectivement les quantités d'eau de volumes V-| = 9 mL, V2 = 99 mL et V3 = 999 mL.

La mesure des pH des trois solutions diluées à 250C donne les valeurs désordonnées suivantes : 11 ; 10 et 12.

1- Expliquer la différence entre les valeurs de pH des solutions obtenues. 2. Associer au contenu de chaque bêcher le pH correspondant.

Exercice n03 Classer les solutions aqueuses consignées dans le tableau suivant par ordre de degré de basicité croissant.

Liquide Solution de

soude Solution de

potasse Solution

d'ammoniac Eau de Javel Eau de mer Sang

pH à 25°C 13 12 11,8 10,6 8,4 7,4

Exercice n04 Sachant qu'à la même température, les valeurs des pH d'une eau de mer et d'une eau de Javel sont respectivement 8,5 et 10,6 :

1. montrer que ces deux liquides sont basiques. 2. comparer leurs degrés de basicité. 3. proposer une expérience permettant de faire varier la valeur du pH de l'eau de

Javel au point de la rendre égale à celle du pH de l'eau de mer.

-0-

Pour en savoir plus

Il y a des solutions acides et des solutions basiques qui sont utilisées dans la vie quotidienne comme étant des prescriptions chimiques, en voilà quelques unes :

1. solution aqueuse diluée d'ammoniac (de concentration C = 10 g.L'^), solution basique utilisée comme adoucissant dermique, désinfectant domestique et désodorisant général (absorbant toutes les odeurs),

2. solution aqueuse diluée de bicarbonate de sodium, solution basique utilisée pour soigner la piqûre de l'abeille femelle dont le caractère est acide,

3. le vinaigre et le jus de citron, solutions utilisées pour : - soigner la piqûre de guêpe dont le caractère est basique, - enlever les taches d'encre.

-©-

SOLUTIONS NEUTRES

22. SOLUTION AQUEUSE NEUTRE

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Le sésame sécrète une huile neutre.

Pour se laver, il est recommandé d'utiliser un savon légèrement acide ou neutre. Pourquoi ? Pour fertiliser les terres acides, les engrais chimiques utilisés doivent être basiques. Pourquoi ?

2

SOLUTION AQUEUSE

NEUTRE

NOTION DE SOLUTION NEUTRE


ExtradouX

Qu'est-ce qui fait que le champoing pour bébé ne pique pas aux yeux ? Que désigne-t-on par l'expression « pH neutre » employée dans les spots publicitaires de certains produits de soins cosmétiques ?

RÉEQUILBRANT

PH NEUTRfc

SHAMPOOING SOINS Pom dit Ciiviu Na umU

iP j Je manipule et je constate

Je me procure le matériel et les produits suivants : * un pH-mètre, des béchers de 100 mL de contenance, du papier filtre. * de l'eau distillée, une solution aqueuse de chlorure de sodium, une solution aqueuse de chlorure de potassium.

Je remplis un bêcher avec de l'eau distillée (à moitié ou plus) et j'y introduis la sonde du pH-mètre. Celui-ci affiche alors un pH égal à 7. Je refais la même expérience, mais respectivement avec la solution de chlorure de sodium et avec la solution de chlorure de potassium. Dans les deux cas, le pH-mètre affiche pratiquement la valeur 7.

100 solution de chlorure de sodium

J'analyse

Malgré le fait que les solutions aqueuses de chlorure de sodium et de chlorure de potassium sont ioniques, la valeur commune de leur pH est égale à la valeur 7 du pH de l'eau pure. Ceci signifie que ces solutions ne sont ni acides ni basiques, elles ont plutôt un caractère intermédiaire qualifié de caractère neutre : ce sont des solutions aqueuses neutres. Par conséquent, l'eau pure est un liquide neutre.

-©-

Je conclus

Il y a des solutions aqueuses caractérisées à une température donnée par un pH égal

à celui de l'eau pure : elles sont appelées des solutions neutres.

Définition Une solution aqueuse neutre est toute solution ionique dont la valeur du pH est égale à celle du pH de l'eau pure prise à la même température.

>- Toute solution ionique de pH = 7 à 250C est une solution neutre.

>- L'eau pure est un milieu neutre.

Autres exemples : solution de sel de cuisine, solution de chlorure de potassium, solution de nitrate de sodium.


D'après les valeurs de leur pH à 250C, je classifie les solutions aqueuses consignées dans le tableau suivant en solutions acides, basiques et neutres.

Solution aqueuse

Solution de méthylamine

Solution nitrate de potassium

Vinaigre Solution de

fluorure d'hydrogène

Solution de potasse

Solution de sel de cuisine

pH 11 7 5 3 12 7

SOLUTIONS NEUTRES UTILISÉES DANS LA VIE COURANTE

M Je manipule et je constate


>K un pH-mètre, des béchers de 100 mL de contenance et du papier filtre. * de l'eau distillée, un shampoing pour bébé, un savon pour bébé, du sucre et de

l'alcool de pharmacie. ^ Je remplis un bêcher à moitié avec de l'eau distillée et j'y verse une quantité de

shampoing. La mesure du pH de la solution obtenue donne une valeur égale sinon très proche de celle du pH de l'eau utilisée (pH = 7).

^ Je refais la même expérience, mais en utilisant successivement du savon, du sucre, puis de l'alcool, et à chaque fois, je mesure le pH de la solution préparée. J'obtiens pour toutes les solutions une valeur de pH très proche de celle de l'eau utilisée.

-©-

Je conclus

Parmi les solutions utilisées dans la vie courante, il y a les solutions aqueuses neutres.


Le schéma de la figure ci-contre représente l'étiquette d'un shampoing sur laquelle il y a l'expression "pH neutre".

1. Quelle est la signification de cette expression ? 2. Cette expression est-elle scientifiquement correcte ?

Pourquoi ?

ExtradouX

liJH/ILiWlfJS RÉÉQUILBRANT

PH NEUTRE

SHAMPOOING SOINS PtK« (ii%C<iviii Na'umK



Exercice n" 1 Recopier les propositions suivantes, puis mettre une croix devant la proposition juste.

1. A 250C, la valeur du pH d'une solution neutre est :

a inférieure à 7.

b égale à 7.

c égale à 14.

2. Le pH d'une solution neutre dépend :

a uniquement de la température.

b uniquement de la concentration de la solution.

c à la fois de la température et de la concentration de la solution.

3. Toute solution aqueuse neutre :

a renferme les mêmes ions que ceux de l'eau pure.

b ne contient aucun ion.

c renferme autant de cations que d'anions.

b renferme deux sortes d'ions avec des proportions lui offrant un pH égal à celui de l'eau pure.

Exercice n" 2 1 . Rappeler la valeur du pH de l'eau pure à 25 0C. 2. Dans le tableau ci-dessous, sont consignées les valeurs des pH de quelques liquides,

mesurées à 250C.

Liquide Jus

d'orange Eau de Javel

Eau de pluie

Sang Eau de mer Lait de vache

Salive

pH 3,5 10,6 6,0 7,4 8,5 6,5 7,0

a. En s'appuyant sur ces valeurs de pH, montrer que l'on peut classifier ces liquides en trois catégories.

b.Tirer du tableau les liquides que l'on peut prendre pour des liquides neutres. Justifier la réponse.

[H

Exercice n03

Dans le tableau ci-dessous, on donne des valeurs du pH de l'eau pure, mesurées à différentes températures T.

TTC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 98

P^eau 7,47 7,37 7,27 7,17 7,08 7 6,92 6,84 6,77 6,63 6,5

On dispose de quatre solutions ioniques notées (Si), (S2), (S3), (S4) telles que :

- (S-,) a : pH = 5 à 0 0C,

- (S2) a : pH = 7 à 0 0C,

- (S3) a : pH = 7,47 à 0 0C,

- (S4) a : pH = 6,63 à 50 X.

D'après le tableau ci-dessus :

1. montrer que les solutions (Si) et (S2) sont acides alors que la solution (S3) est neutre.

2. préciser si la solution (S4) est acide, neutre, ou bien basique.

3. déterminer la valeur du pH de (S3) à 50 0C.

Exercice n04 On dispose d'une solution aqueuse ionique et du papier pH dont le code de couleurs est le suivant :

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0

1. Décrire le protocole expérimental à suivre pour la mesure du pH d'une solution aqueuse avec du papier pH.

2. Sachant que l'expérience donne, sur la bandelette de papier pH utilisée, la série de couleurs de la figure ci-contre :

a. déterminer la valeur du pH de la solution utilisée. b. préciser si la solution utilisée est neutre, acide ou bien basique.

Justifier la réponse. I

-©-


Le savon est un produit d'hygiène employé en toilette pour sa propriété détergente. On le fabrique à partir d'huiles et de graisses animales et végétales. En fait, il se forme par la réaction de ces corps gras avec des corps basiques. Quant aux détergents industriels, tels que Nadhif et Omo entre autres, ils renferment des matières organiques et inorganiques, en plus de matières servant à adoucir le linge. De plus, ceux-ci sont moins dangereux que les détergents très basiques comme ceux utilisés pour déboucher les égouts et dont le pH peut atteindre la valeur 11.

Par contre, malgré le fait qu'ils peuvent entraîner une inflammation au niveau de la muqueuse, les shampoings sont moins dangereux. Ils renferment des matières, telles que le sélénium, qui empêchent l'apparition de pellicules au niveau du cuir chevelu. Mais, en cas d'usage fréquent, ils peuvent avoir des effets négatifs surtout chez les enfants parce que leur peau est très sensible. En fait, la peau des enfants est plus fine que celle des adultes. De plus, elle est couverte d'un duvet touffu, ce qui rend les pores cutanés plus ouverts et, par suite, plus exposés au danger.

Selon la partie du corps humain, l'âge et le sexe, la valeur du pH de la peau varie entre 4,2 et 5,6. En effet, la peau masculine est plus acide que la peau féminine, ce qui défavorise la multiplication des germes à la surface de la peau. Cependant, il y a des marques de savon et de shampoing plus acides ou plus basiques et surtout celles qui renferment des parfums et des colorants. En fait, ces matières entraînent par leur présence une variation du pH de la peau, ce qui provoque des inflammations. Donc, la peau des enfants et des bébés demande un nettoyage doux. Pour répondre à cette condition, le savon pour bébé doit :

- être non basique, mais plutôt neutre ou légèrement acide, - être exempt de tout parfum ou colorant, - contenir des matières adoucissantes de la peau.

Questions Par recours au document figurant ci-dessus : 1. préciser le domaine de pH relatif aux produits de nettoyage usuels, 2. relever ce qui montre que la plupart des produits de nettoyage sont basiques, 3. comparer le pH de la peau de l'homme avec celui des différentes variétés de savon et de

shampoing,

4. pourquoi il faut que le savon pour enfants soit légèrement acide ou neutre ? 5. pourquoi il est recommandé aux femmes d'utiliser le savon qui a les caractéristiques du

savon pour enfants ?

Pour en savoir plus

Les chimistes utilisent des indicateurs (produits liquides) qui, une fois l'un d'entre eux est ajouté à une solution donnée, il prend une couleur bien déterminée ou bien une autre, selon que cette solution est acide, basique ou bien neutre. Il est possible par exemple de préparer un indicateur à partir du chou rouge, à partir du jus de sureau ou à partir de framboises.

Fournitures : Du chou rouge, de l'eau distillée, des solutions aqueuses (une acide, une neutre et une basique), un couteau, une planche à découper, un filtre, un flacon et des verres.

Préparation de l'indicateur - Je pose le chou rouge sur la planche et je le

divise en petits morceaux.

Avec précaution, je trempe les petits morceaux de chou dans de l'eau distillée chaude et je laisse le se refroidir pendant une demi heure ou plus.

- A l'aide du filtre, je récupère dans le flacon, un indicateur de couleur magenta qui tend vers le rouge foncé.

Expérience - Je verse quelques gouttes d'indicateur

respectivement sur la solution acide, la solution basique et la solution neutre. Je constate que :

- la solution aqueuse acide devient rouge, - la solution aqueuse basique devient verte, - la solution aqueuse neutre ne change pas la

couleur de l'indicateur.

/'

1 1 t'

ï 4 * i

J

Solution basique Solution neutre Solution acide

-0-

Je m'amuse

1. Mots croisés

Chercher les notions ou les concepts physiques que signifient les expressions suivantes,

puis remplir la grille ci-dessous comme il est indiqué, avec les mots trouvés.

1 ► La borne de l'électrolyseur qui

attire les cations

Grandeur qui influe sur le degré

d'acidité ou de basicité d'une solution

2 T Ion positif 6 T Caractère d'une solution aqueuse de

pH < 7 à 25°

^ ►

Caractère d'une solution

aqueuse de pH égal à 7, à

25°

7 T Caractère d'une solution aqueuse de

pH > 7 à 25°

4 T

Mélange homogène formé par

la dissolution d'un corps dans

l'eau

4T

I 7T

6 ▼ 2W II III

5 ► IV T V

1 ► VI

VII VIII

mt 3 ► IX

2. A qui est cette photo ?

Il s'agit d'un chimiste qui a montré que les solutions acides sont des solutions ioniques.

Pour dégager son nom, recopier dans l'ordre consigné dans le tableau ci-dessous, les lettres

des cases repérées par un chiffre romain.

II V IX VI VIII IV VII III I

-0-

Je puise davantage d'informations dans Internet.

SUJET ADRESSE SUR LE WEB

edu.cpln.ch/c_david/formules.htm

Solutions

ioniques

www.intellego.fr/soutien-scolaire-3eme/aide-scolaire-Chimie/3-Les-solutions- ioniques/14754

cordier2.free.fr/sitephysique/progres3.htm

www.keepschool.com/quiz-Chimie-3eme- Atomes_ions_et_solutions_ioniques.html

physiquecollege.free.fr/troisieme.htm

www.phychim.ac-versailles.fr/donnees/college_lycee/D- evaluation/cap_exp/lien%20lll-2-f.htm

www.physagreg.fr/college.php#chimie3

missiontice.ac-besancon.fr/sciences_physiques/eleves/index.php

Solutions, www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Sc_index.htm

acides,

basiques www.ac-strasbourg.fr/disciplines/physchim/college

et

neutres colleges.ac-rouen.fr/langlois/physique/fichiers/accueil_troisieme.htm

www.col-europe-obernai.ac-strasbourg.fr/rubrique.php3?id_rubrique=84

pagesperso-orange.fr/physique.buil/activ_3e/chimie-3e/rev_acid_base.htm

www.lachimie.com/intro/index.html

pagesperso-orange.fr/physique.buil/ex/acide_base.htm

chimie.scola.ac-paris.fr

-©-

LA LUMIERE

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Photo de la couverture de l'ouvrage « kitab al manadhir » de Hassen Ibn Alhaytham : une référence pour toute

l'optique du Moyen Age

CHANGEMENT DE LA DIRECTION DE

PROPAGATION DE LA LUMIÈRE

PRÉREQUIS

SAVOIRS

1. Citer des sources de lumière.

2. Définir un corps éclairé et un corps lumineux.

3. Définir la diffusion de la lumière.

4. Définir un milieu transparent, un milieu translucide et un milieu opaque.

5. Définir une source lumineuse ponctuelle et une source lumineuse étendue.

6. Citer les différents types de faisceaux lumineux.

7. Définir le faisceau lumineux parallèle, le faisceau convergent et le faisceau divergent.

8. Citer le principe de propagation rectiligne de la lumière.

1. Expliquer le concept de vision.

2. Distinguer entre une source lumineuse ponctuelle et une source lumineuse étendue.

3. Distinguer entre un milieu transparent, un milieu translucide et un milieu opaque.

4. Appliquer le principe de propagation rectiligne de la lumière.

5. Distinguer entre le rayon lumineux et le faisceau lumineux.

6. Distinguer entre les différents types de faisceaux lumineux.

7. Tracer la marche d'un faisceau lumineux.

SAVOIR FAIRE

CHANGEMENT DE LA DIRECTION

DE PROPAGATION DE LA LUMIÈRE

23. RÉFLEXION DE LA LUMIÈRE

24. LE MIROIR PLAN

25. RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE

26. RÉFRACTION LIMITE ET RÉFLEXION TOTALE

27. APPLICATIONS DU CHANGEMENT DE LA DIRECTION

DE PROPAGATION DE LA LUMIÈRE

28. LES LUMIÈRES VISIBLES ET LA LUMIÈRE BLANCHE

* H

Vue d'un hôtel de Gammarth (Tunis) avec son image retournée, dans l'eau d'une piscine.

•l a-

Phénomène de mirage dans la région d'Elfaouar (sud tunisien)

À l'avant des ambulances, le mot ambulance est écrit sur la carrosserie,

en grands caractères, comme suit : «ECNALUBMA ». Pourquoi ?

Pourquoi tout corps partiellement immergé dans l'eau calme paraît brisé

au niveau de la surface libre de l'eau ?

Qu'est-ce qu'une fibre optique ? Quel est le principe de son fonctionnement ?

Qu'est-ce qu'un mirage, où et quand apparaît-il ?

Par quoi peut-on expliquer l'arc-en-ciel ?

REFLEXION

DE LA LUMIÈRE

PHENOMENE DE REFLEXION DE LA LUMIERE


Selon le code de la route, il est interdit d'allumer le feu avant d'une voiture parce qu'il devient gênant pour la visibilité du conducteur de la voiture qui roule juste devant. Pourquoi ?

Pourquoi doit-on orienter le rétroviseur dans une direction bien déterminée ?

JM Je manipule et je constate

^ Je me procure le matériel suivant : * une source laser (ou une lampe avec un condenseur permettant d'émettre un faisceau

de lumière parallèle), * un corps à surface plane, lisse (plaque de verre, une feuille d'aluminium pour emballage

de produits alimentaires, un couvre pot de yaourt).

Je place la source lumineuse dans un endroit permettant à la lumière émise de tomber sur le corps à surface lisse (la plaque de verre par exemple). En allumant la lampe, le faisceau incident est renvoyé par la surface lisse dans une direction privilégiée (Fig.1) qui change avec la direction de la surface lisse ou la direction de la lumière incidente.


Contrairement à la diffusion (renvoi de la lumière par une surface non lisse dans toutes les directions), la lumière qui arrive sur une surface lisse est renvoyée dans une direction unique qui dépend de la disposition de la surface par rapport à la source lumineuse : c'est la réflexion.

Source laser

Corps de surface lisse

Fig.1

Je conclus

À chaque fois qu'une lumière tombe sur une surface lisse, elle est renvoyée dans une direction privilégiée : c'est le phénomène de réflexion.

f Définition ^

La réflexion de la lumière est son renvoi, dans une direction privilégiée, par une surface lisse.

fN

Autres définitions

* La surface au niveau de laquelle se produit la réflexion de la lumière est appelée

surface réfléchissante. * La lumière (faisceau lumineux, rayon lumineux SI) envoyée par la source S vers la

surface réfléchissante est appelée lumière incidente (faisceau incident, rayon incident).

* La lumière (faisceau lumineux, rayon lumineux IR) renvoyée par la surface

réfléchissante est appelée lumière réfléchie (faisceau réfléchi, rayon réfléchi). >K Le point I où tombe le rayon incident sur la surface réfléchissante est appelé point

d'incidence.


Je refais l'expérience précédente en utilisant comme surface réfléchissante un miroir plan.

J'en déduis qu'un miroir plan est un réflecteur de lumière.

-©-

LOIS DE LA REFLEXION

La première loi : loi des plans


Je me procure le dispositif d'étude de la réflexion de la lumière (Fig.2) et qui est composé de :

>(< une lanterne qui délivre un pinceau de lumière très fin et parallèle,

* un disque blanc gradué en degrés, * un petit miroir plan M.

r N

X<rrrr>>X

& r 1 Source de \ / pinceau lumineux

V- Disque gradué

Fig.2

En allumant la lanterne, la lumière émise est visible sur le disque et prend la direction de l'un des diamètres du disque (Fig.3).

Fig.3

Je pose au centre du disque le petit miroir dans une direction telle que sa surface réfléchissante ne soit pas perpendiculaire à la direction du chemin de la lumière incidente (émise par la lanterne). Je constate que la trace de la lumière incidente disparaît derrière le miroir et une autre trace lumineuse droite IR apparaît devant le miroir, symétrique de SI par rapport à la normale IN à la surface réfléchissante au point d'incidence I (Fig.4).

£0] J'analyse et j'explique

La trace lumineuse droite IR représente le pinceau lumineux réfléchi par le miroir au point I. Par conséquent, le pinceau lumineux réfléchi se trouve dans le plan contenant le pinceau incident SI et la normale IN : ce plan (SI,IN) s'appelle plan d'incidence.

yrx

CD

Fig.4

Je conclus

Enoncé de la première loi de la réflexion : loi des plans

Le rayon réfléchi est contenu dans le plan d'incidence

La deuxième loi : loi des angles

Je viens de connaître la 1ère loi, loi précisant la direction du rayon réfléchi. Donc, il est opportun de m'intéresser à l'effet du changement de la direction du rayon incident sur la direction du rayon réfléchi.


^ Je me procure le dispositif d'étude de la réflexion, utilisé dans l'expérience précédente.

Je fixe le miroir sur le disque de manière à ce que sa surface réfléchissante soit

orientée suivant un diamètre non perpendiculaire à la direction du rayon incident.

En allumant la lanterne, j'obtiens un rayon incident SI et un rayon réfléchi IR.

En repérant la normale NI à la surface réfléchissante du miroir au point d'incidence,

j'obtiens deux angles :

- un angle i, angle que fait le rayon

incident SI avec la normale NI,

appelé angle d'incidence.

- un angle r, angle que fait le rayon

réfléchi IR avec la normale NI,

appelé angle de réflexion (Fig.5).

^ Je commence à faire tourner le disque

dans le sens qui fait augmenter la valeur

de l'angle d'incidence i puis j'inverse le

sens de rotation. Dans le deux cas, je

suis l'évolution de la valeur de l'angle de

réflexion r et je note mes observations.

Je réalise une série de mesures de

l'angle de réflexion r en fonction de l'angle d'incidence i. J'obtiens des mesures comme

celles qui figurent dans le tableau suivant :

yf s r\

—

N

y

Fig.5

i n 0 10 20 30 40 45 60 70 80 87

rf) 0 10 20 30 40 45 60 70 80 87

Je compare les valeurs de l'angle de réflexion r à celles de l'angle d'incidence i.

Je conclus

Enoncé de la deuxième loi de la réflexion : loi des angles

La valeur de l'angle de réflexion est égale à celle de l'angle d'incidence <=> r

Remarque

Un miroir plan est symbolisé toujours comme

précédemment et comme dans la figure 6. Surface réfléchissante

Fig.6


Je reproduis dans mon cahier le schéma de la figure 7,

puis je trace la marche du faisceau lumineux résultant de

la réflexion, sur le miroir plan M, du faisceau émis par la

source ponctuelle S. Fig.7

M

-(5

LE MIROIR PLAN


^ Pourquoi le mot «AMBULANCE» est écrit

«(u* f là >» ou «ECNALUBMA» à l'avant d'une » ambulance ? (Fig.1).

^ Lorsque je me regarde dans un miroir, j'y vois mon

image, comme pour les objets de la figure 2. À quoi

cela est dû ?

Fig.1

Fig.2

Quelle est, dans le rétroviseur, la caractéristique qui

permet à un conducteur de voiture de voir ce qui est

derrière comme dans le cas de la figure 3 ?

Fig.3

-0-



* deux bougies (1) et (2), identiques en

forme et en dimensions,

* un morceau de vitre,

* un support plan en bois, muni d'une

rainure rectiligne permettant la fixation

verticale du morceau de vitre,

* une équerre, une règle et deux punaises

colorées.

Je fixe le morceau de vitre sur le support

en bois (Fig.4).

Fig.4

Je place la bougie (1) en un point A du

support, puis je l'allume en l'obscurité.

En regardant à travers le morceau de vitre,

du côté de la bougie (1), je vois en un

point A', l'image de la bougie (1) (Fig.5).

J'essaie de la tenir, mais je ne trouve rien.

Quelle est donc la nature de cette image ?

Pour connaître les caractéristiques de

l'image de la bougie (1), je procède

comme suit :

- Je prends la bougie (2) éteinte (Fig.6) et

je la déplace verticalement sur le support,

du côté de l'image de la bougie (1) tout en

l'approchant de celle-ci. J'obtiens alors une

superposition totale lorsque la bougie (2)

occupe une position A', là où elle paraît

allumée.

- Pour m'assurer du fait observé, j'éteins la

bougie (1), et simultanément, la flamme de

la bougie (2) disparaît.

Bougie (1)

Fig.5

Bougie (2)

ai

Bougie (1)

Fig.6

161

- À l'aide des deux punaises colorées, je repère

les positions A et A'. Puis, j'éloigne les bougies et

le morceau de vitre du support. En traçant la ligne

joignant les deux punaises, je constate que la

droite (AA') et la rainure sont perpendiculaires

entre elles en un point I (Fig.7).

- Je mesure, à l'aide de la règle, les longueurs

des segments [Al] et [IA'], je constate qu'elles

sont égales. Donc, les deux points A et A' sont

symétriques l'un de l'autre par rapport à la rainure.


Le fait de voir l'image de la bougie (1) allumée à

travers la plaque de verre montre que l'œil détecte

une lumière issue de la bougie (1) et réfléchie par la

plaque de verre. Donc, la plaque de verre a joué le

rôle d'un miroir plan.

Afin de tracer la marche de cette lumière à partir de

la source (flamme de la bougie), je suis les étapes

suivantes :

- Je trace la marche du rayon incident SI, issu d'un

point S de la flamme et qui tombe sur le miroir au

point d'incidence I (Fig.8).

- Par application des lois de la réflexion, je trace la

marche du rayon réfléchi IR et son prolongement

derrière le miroir (Fig.9).

- Je procède de la même manière pour un autre

rayon SI'. Je constate que le prolongement du rayon

réfléchi l'R' coupe le prolongement du rayon IR en un

point S' symétrique de S par rapport au plan du

miroir.

Cette construction s'applique pour tous les rayons

lumineux issus du point S.

<

Rainure

.A'

K

i

i

•A

Fig.7

Fig.8

M

= N

Fig.9

-©-

R

Donc, le faisceau réfléchi parvenant à l'œil semble provenir du point image S' (Fig.10).

S'y'

N

Il en est de même pour tous les points lumineux de la bougie. De cette manière, l'ensemble des points qui leur sont symétriques forme l'image virtuelle de la bougie, observée par l'œil (Fig.11).

Qt ,V'

Fig.10

M

N

Je conclus Fig.11

Un miroir plan donne d'un objet réel une image virtuelle symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir.


Reproduire la construction de la figure 12. Puis,

sans application directe des lois de la réflexion,

tracer la marche du faisceau lumineux résultant

de la réflexion du faisceau issu de la source

ponctuelle S par le miroir M.

M

Fig.12

163

Résumé

Contrairement à la diffusion, la réflexion de la lumière est le renvoi de la lumière dans

une direction privilégiée.

La réflexion de la lumière est un phénomène régi par deux lois :

>l< 1ère loi (loi des plans) : Le rayon réfléchi est contenu dans le plan d'incidence. >l< 2ème |0j (|0j (jgg angles) : La valeur de l'angle de réflexion est égale à celle de l'angle

d'incidence <=> r = i.

Un miroir plan donne d'un objet réel une image virtuelle qui lui est symétrique par rapport

au plan du miroir.

-0-


[H Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n" 1

Angle. Reproduire le schéma ci-contre, puis le compléter.

Rayon Rayon

Point. Angle

Exercice n02

Réécrire les QCM (questionnaires à choix multiples) suivants en mettant une croix devant la proposition juste.

1. Un rayon lumineux qui tombe sur un miroir plan sous un angle d'incidence de 66°, est renvoyé sous un angle de réflexion : * supérieur à 66°. * égal à 66°. * égal à 24°.

2. Un miroir plan donne d'un objet réel AB une image A'B' : >K réelle et identique à l'objet AB. * réelle et plus grande que l'objet AB. >(< virtuelle et identique à l'objet AB. >(< virtuelle et symétrique de l'objet AB par rapport au miroir.

Exercice n03

Réécrire les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot qui convient : objet, diffusion, incident, image, direction, symétrique, virtualité, réfléchie, réflexion.

1. Il se produit une au lieu d'une lorsque la lumière

tombe sur une surface bien polie.

2. Une lumière par un miroir plan est caractérisée par sa

propagation dans une seule direction qui dépend de la de la

lumière incidente.

3. Un miroir plan donne d'un rayon un rayon réfléchi qui lui est

4. L'

par rapport à la normale au miroir au point d'incidence,

d'un objet réel donnée par un miroir plan est caractérisée par sa

et par sa symétrie avec l' par rapport au plan du miroir.

Exercice n04

Réécrire les phrases suivantes en mettant une croix devant la proposition juste.

1. À chaque fois qu'une lumière rencontre la surface d'un solide, il se produit une réflexion. I^l

2. Il est possible pour un rayon lumineux de se réfléchir sur un miroir plan suivant la

direction de son incidence.

3. L'image d'un objet réel donnée par un miroir plan est symétrique par rapport à la

normale du miroir au point d'incidence.

4. La formation de l'image d'un objet par un miroir est due au passage de la lumière issue [

de cet objet à travers ce miroir.

5. La lumière réfléchie par un miroir semble provenir de l'image de la source d'émission. [

Exercice n05

Dans chacun des schémas ci-dessous figurent un objet réel AB placé devant un miroir

(M) et un objet virtuel A'B'. Choisir le schéma où A'B' est l'image de AB, donnée par (M).

Cas n°1

B' A

A1

Cas n°2

B' A

D

î

A / / / / / B B" C A ^ f : / : /

A'

M /I / / / / / / / / / /

A'

B A

I 4

M A / / / / / / / / / /

D

Î

/X D

î

M

A'

A / / / / /

B B' / A ^ t : / : /

A"

Cas n03

>

A'

M A / / / / / / / / / /

M

D

/

A y y y y y

B" y y y

B <1 / y

y / s ^ /

B1

A

A"

M A / / / / / / / / / /

D

/

Exercice n06

Reproduire le schéma ci-contre, puis tracer la marche du rayon lumineux issu de S et passant par le point A après réflexion sur le miroir plan M.

-0-

Exercice n07

Reproduire le schéma de la figure ci-contre, puis le compléter en représentant le plan du miroir dans la direction avec laquelle le rayon incident SI passe par le

point A après sa réflexion au point I.

A +

Exercice n08

1. Reproduire le schéma de la figure ci-contre. Puis,

compléter la marche du rayon incident SI résultant

des réflexions multiples sur les miroirs M-i et M2 qui

sont identiques et parallèles.

2. Montrer que par variation de la valeur de l'angle

d'incidence, il est possible d'obtenir un rayon

émergent parallèle au rayon incident.

IX45

M1 M,

Exercice n09

Reproduire le schéma de la figure ci-contre. Puis,

compléter la marche du rayon incident SI résultant des

réflexions successives sur les miroirs M-i et M2

perpendiculaires l'un à l'autre en l'un de leurs bords.


7777777777777777T m

Le miroir plan

Le miroir ordinaire utilisé dans la vie courante (la glace) est formé d'une mince couche

d'un amalgame d'étain et de mercure, appliquée au dos d'une plaque de verre poli et

protégée par un enduit de couleur foncée.

Malgré son grand pouvoir réflecteur, la glace présente un défaut majeur qui consiste en

la réflexion d'une partie de la lumière incidente par la face avant de la plaque de verre poli

avant de parvenir à la couche réfléchissante amalgamée.

D'ailleurs, c'est pour cette raison que ce type de miroir ne peut pas être utilisé dans la

construction des appareils optiques de pointe comme le microscope et le télescope. En fait,

-©-

les miroirs qui conviennent à ces appareils nécessitent un

polissage très fin de la surface de verre pour que celle-ci

devienne très bien lisse. Ainsi, en étalant dessus une

couche très mince d'argent ou d'aluminium, on obtient un

miroir capable de réfléchir la majeure partie de la lumière

incidente.

Questions

1. Relever du texte ce qui montre que la surface responsable de la réflexion de la lumière est celle de la couche métallique et non la face avant de la plaque de verre.

2. Quel est l'inconvénient de la réflexion de la lumière sur la face avant de la plaque de verre d'une glace (miroir ordinaire) ?


A

m e^de.

T

i

m

■'Te.

WZ.&'ftMèv

Kaléidoscope

C'est un jouet sous forme de tube de miroirs qui permet de regarder de belles images changeantes et variées de paysages ou autres. Pour le fabriquer, je peux procéder comme suit :


>K trois miroirs rectangulaires (50 mm X 250 mm) ; >K une feuille de carton épais (200 mm X 254 mm) >K un tube de colle forte.

^ J'enduis le dos de l'un des miroirs de colle

forte. Puis, je le colle sur l'un des bords les

plus longs de la feuille de carton en

laissant 2 mm de chaque côté. Ensuite, je

colle le deuxième miroir à 5 mm du

premier, et enfin le troisième miroir à 5 mm

du deuxième (Fig.1).

254 mm

250 mm

Fig.1

5 mm

_v. 5 mm

-0-

^ Je plie la feuille de carton (miroirs vers l'intérieur) au

niveau de la partie séparant les miroirs de sorte que les

trois miroirs soient à bords communs deux à deux. Puis,

je rabats le rebord (partie restant du carton) et je le colle

(Fig.2).

Ainsi j'ai réussi à réaliser un kaléidoscope trigonal (à trois

faces) qui me permettra de regarder, à travers, de belles

images (Fig.3).

Remarque

Fig.2

Fig.3

Je peux fabriquer un kaléidoscope à cinq faces au lieu de trois et je compare ce que je verrai

avec ce que j'ai obtenu avec le premier.

Pour en savoir plus

Traité d'optique "Kitab al-Manadhir" d'Abilhazen Ibn Alhaytham

"1

Le traité d'optique "Kitab al-Manadhir", cette encyclopédie écrite par le physicien arabe Abilhazen Ibn al-haytham est l'un des ouvrages les plus précieux et les plus importants,

élaborés par les savants musulmans au XIe siècle. Dans cet ouvrage réfèrent, Ibn al-Haytham a développé une étude des propriétés de la lumière, à savoir sa propagation rectiligne et la réflexion entre autres, et ce selon une approche basée sur la démarche scientifique expérimentale.

Entre les travaux les plus importants présentés par Ibn al-Haytham dans son ouvrage, on cite la théorie qu'il a développée sur le processus de la vision en prouvant que la vue est assurée par la diffusion de rayons lumineux , du corps visible vers l'œil de l'observateur. Cette "nouvelle" interprétation a mis en cause la conception de ses prédécesseurs grecs (comme Ptolémée) qui pensaient que la vision est possible grâce à l'émission de rayons lumineux, de l'œil vers le corps visible.

Dans le même ouvrage, Ibn al-Haytham a développé d'autres "nouvelles" théories qui ont constitué une révolution scientifique dans le domaine de l'optique ; l'une des théories les plus importantes est celle qui explique le phénomène de réflexion de la lumière.

iVA '

'ri Vf*

rf ?

SsW

i w 3 S®

*5^

A

169

REFRACTION

DE LA LUMIÈRE


Un corps solide de forme rectiligne (stylo, règle, agitateur...),

plongé dans un verre rempli d'eau paraît courbé. À quoi

cela est dû ?

En regardant de dessus, un solide (une pièce de monnaie

par exemple) au fond d'un récipient contenant de l'eau,

celui-ci paraît situé à une profondeur plus courte.

Pourquoi ?

î

/

Le même crayon dans un verre vide, à gauche et dans un verre contenant de l'eau à droite.

PHENOMENE DE REFRACTION


^ Je me procure le matériels suivants :

* une source de rayons laser (ou une lanterne munie

d'un condenseur pour en faire émerger un faisceau

lumineux parallèle),

>(< un cristallisoir contenant de l'eau colorée.

J'oriente la source de manière que la lumière qui en

est émise tombe sur la surface de séparation air-eau

dans une direction quelconque.

De la lumière continue à se propager dans l'eau mais avec une légère déviation, et

simultanément, une autre partie de la lumière incidente est renvoyée dans une direction

symétrique de la sienne par rapport à la normale de la surface de l'eau au point d'incidence

(Figl).

Fig.1

-0-

^ Je refais une expérience semblable à la

précédente, en remplaçant l'eau par un

autre milieu transparent. Pour ce, j'utilise

le dispositif comprenant :

* une source (S) émettant un pinceau

lumineux assimilable à un rayon lumineux,

* un disque d'optique gradué en degrés, >(< un demi-cylindre en plexiglas (P).

Je place le demi-cylindre (P) sur le disque

d'optique de sorte que son centre I

coïncide avec le centre du disque et en

veillant à ce que la trace de la lumière

rasante issue de (S) ne soit pas

perpendiculaire à la face plane de (P)

(Fig.2).

En allumant la source (S), je constate

que, comme dans la première expérience,

une partie de la lumière émise traverse

(P) avec un changement de sa direction

de propagation en I, et le reste est

réfléchi (Fig.3).

W

Fig.2

N

N'

Fig.3


La lumière émise par la source utilisée se propage dans l'air et traverse le deuxième milieu transparent (eau ou plexiglas) mais en subissant une déviation au niveau de la surface de séparation des deux milieux (air-eau ou air-plexiglas).

Cela signifie que lorsque la lumière passe de l'air dans l'eau ou de l'air au plexiglas, elle subit un changement de direction de sa propagation : ce phénomène est la réfraction de la

lumière.

La réfraction est accompagnée dans les deux cas de la réflexion d'une partie de la lumière incidente. Cette réflexion est attendue avec le plexiglas qui est un solide présentant une face plane bien polie, tandis qu'avec l'eau, malgré le fait qu'elle ne soit pas solide, sa surface libre peut jouer le rôle de réflecteur.

-©-

Je conclus

À la surface de séparation de deux milieux transparents, la lumière passe d'un milieu à l'autre, mais avec changement brusque de la direction de propagation : c'est le phénomène de réfraction.

Définition

La réfraction de la lumière est le changement de direction de sa propagation à la surface de séparation de deux milieux transparents.

N

Milieu 1

I

\ Milieu 2

N' R

Autres définitions

* La lumière (faisceau lumineux, rayon lumineux SI) émise par la source S vers la

surface de séparation des deux milieux transparents est appelée lumière incidente

(faisceau incident, rayon incident).

>l< La lumière (faisceau lumineux, rayon lumineux IR) déviée au niveau de la surface

de séparation des deux milieux transparents est appelée lumière réfractée (faisceau

réfracté, rayon réfracté).

>l< Le point I où tombe le rayon incident sur la surface de séparation des deux milieux

transparents est appelé point d'incidence.

LOIS DE LA RÉFRACTION

La première loi : loi des plans


Je refais l'expérience de réfraction avec le demi-cylindre en plexiglas en prêtant attention à la trace de la lumière réfractée.

H,


En s'aidant de l'analyse faite dans un paragraphe semblable (p. 157), lors de l'étude du

phénomène de réflexion, on montre que la trace droite IR représente le pinceau lumineux réfracté au point d'incidence I et qui est dû au passage du pinceau lumineux incident SI de l'air dans le demi-cylindre en plexiglas (P). En assimilant le pinceau lumineux à un rayon lumineux, on peut assimiler les traces

lumineuses observées SI et IR à des rayons lumineux.

Donc, on peut écrire que le rayon lumineux réfracté IR se trouve dans le plan contenant le rayon incident SI et la normale IN, qui est le plan d'incidence (SI, NI).

Je conclus

Enoncé de la première loi de la réfraction : loi des plans

Le rayon réfracté est contenu dans le plan d'incidence.

La deuxième loi : loi des angles

Je viens de connaître la loi des plans qui précise la direction du rayon réfracté. Donc, il est opportun d'étudier l'effet de la modification de la direction du rayon incident sur celle du rayon

réfracté.


^ Je me procure le dispositif d'étude de la réfraction, utilisé dans l'expérience précédente.

^ Je positionne le demi-cylindre en plexiglas comme dans l'expérience précédente.

En allumant la lanterne, j'obtiens un rayon incident SI et un rayon réfracté IR contenus

dans le même plan d'incidence. En plus, j'obtiens un rayon réfléchi, mais je ne m'intéresse

pour le moment qu'au rayon réfracté.

^ En repérant la normale IN à la surface de séparation

« air-plexiglas » au point d'incidence I, je distingue

deux angles :

-un angle i que fait le rayon incident SI avec la

normale en I, appelé angle d'incidence.

-un angle r que fait le rayon réfracté IR avec la

normale en I, appelé angle de réfraction. (Fig.4)

En faisant tourner le disque d'optique dans un sens

puis dans l'autre, je suis l'évolution de l'angle de

réfraction r. Je constate alors que le rayon réfracté

est dévié du côté de la normale IN et cette déviation

est d'autant plus grande que le rayon incident est

plus proche de la surface de séparation « air-plexiglas ». En d'autres termes, la valeur de

l'angle de réfraction augmente avec celle de l'angle d'incidence et inversement.

^ Pour une série de valeurs de l'angle d'incidence i, je mesure les valeurs correspondantes

de l'angle de réfraction r. Ainsi, je peux dresser un tableau comme le tableau suivant :

— 00

Fig.4

i n 0 10 20 30 40 50 60 70 80 89

rf) 0 6,5 13 19 26 31 36 39 41 41,8

En comparant la valeur de l'angle de réfraction r à la valeur correspondante de l'angle

d'incidence i, je constate que la valeur de l'angle de réfraction augmente avec celle de l'angle

d'incidence mais tout en restant plus petite que celle de i (r < i) et inférieure à une valeur

maximale X = 42°.

En réalisant la même expérience avec une quantité

d'eau contenue dans une cuve hémicylindrique au

lieu du demi-cylindre en plexiglas (Fig.5), je relève

les mêmes constatations sauf que dans le cas

présent, la réfraction est moins prononcée : la

valeur de l'angle de réfraction r est toujours

inférieure à celle de l'angle d'incidence i (r < i),

mais la différence entre ces deux valeurs est plus

petite que celle obtenue avec le plexiglas, d'où

l'obtention d'une valeur maximale À' = 49° pour

l'angle de réfraction, valeur supérieure à la valeur

maximale X = 42° relative au plexiglas.

Fig.5

-©-

Je conclus

Enoncé de la deuxième loi de la réfraction : loi des angles

Dans toute réfraction résultant du passage de la lumière de l'air à un autre milieu transparent, le rayon réfracté s'approche de la normale avec une acuité qui dépend de la réfringence de ce milieu <=> r < i.

Exemple

Sens croissant de la réfringence <-

diamant

|

24.3°

plexiglas !<. .verre. |

36° 42°

eau

49°

Valeur maximale A, de l'angle de réfraction


Pour comparer la réfringence du verre avec celle de l'eau, je réalise une expérience de

réfraction d'un faisceau lumineux parallèle, respectivement dans le cas où la lumière passe

de l'air dans l'eau et dans le cas où la lumière passe de l'air dans le verre.

1. Puis-je faire la comparaison visée lorsque la direction de propagation de la lumière

incidente est confondue avec celle de la normale à la surface de séparation des deux

milieux transparents ? Pourquoi ?

2. Sachant que pour un angle d'incidence de valeur i = 30°, l'angle de réfraction prend

respectivement les valeurs r = 22° avec l'eau et r' = 19° avec le verre, lequel des deux

milieux (eau et verre) est le plus réfringent ?

REFRACTION LIMITE

ET RÉFLEXION TOTALE î

REFRACTION D'UN MILIEU TRANSPARENT AUTRE QUE L'AIR VERS L'AIR


Je me procure le dispositif d'étude de la

réfraction, comprenant :

>K une source (S) émettant un pinceau

lumineux dans le but de matérialiser un

rayon lumineux,

* un disque d'optique gradué en degrés,

>(< un demi-cylindre en plexiglas (P).

Je place le demi-cylindre (P) sur le disque

d'optique de sorte que son centre I coïncide

avec le centre du disque et en veillant à ce

que la trace de la lumière rasante issue de

(S) tombe sur la face cylindrique et arrive en

I sous une faible incidence (i = 20° par

exemple) comme dans la figure 1.

En allumant la source (S), je constate que la

lumière émise traverse le demi-cylindre (P)

sans subir de déviation (résultat attendu car

en tout point de la surface cylindrique, la

lumière incidente arrive suivant la normale à

cette surface). Mais, en arrivant en I, la

lumière se réfracte dans l'air tout en

s'approchant de la surface de séparation

« plexiglas-air » (Fig.2).

Fig.1

Fig.2

^ Je refais la même expérience, mais avec de l'eau contenue dans une cuve hémicylindrique

à la place du demi-cylindre en plexiglas. Les observations et constatations faites sont alors

les mêmes que celles obtenues avec le plexiglas sauf que la déviation est moins importante

que dans l'expérience précédente.

176

Je conclus

Comme ce qu'elle subit lors de son passage de

l'air vers un autre milieu transparent, la lumière subit une réfraction lorsqu'elle passe d'un milieu transparent autre que l'air dans l'air, mais en s'approchant de la surface de séparation des deux milieux transparents (Fig.3).

<=> r > i

L'acuité de la réfraction de la lumière,

accompagnant son passage d'un milieu transparent autre que l'air dans l'air, est d'autant plus importante que la réfringence de ce milieu transparent est plus grande.

N

Milieu transparent^^ autre que l'air

I

Air

N'

Fig.3

INFLUENCE DE LA DIRECTION DE PROPAGATION DE LA LUMIERE INCIDENTE SUR LA RÉFRACTION

||M Je manipule et je constate

^ Je refais la même expérience en remplaçant l'eau par le demi-cylindre en plexiglas (P)

comme dans le premier cas.

^ Je fais augmenter la valeur de l'angle d'incidence i à partir de zéro (i = 0°) en tournant le

disque d'optique dans le sens adéquat. En suivant ce qui se produit, je constate que :

-le pinceau lumineux réfracté IR est plus écarté de la normale IN à la surface de

séparation que le pinceau incident SI, ce qui signifie que l'angle de réfraction r augmente

avec l'angle d'incidence i mais tout en restant supérieur à i (r > i).

-avec le pinceau réfracté, il apparaît un pinceau lumineux réfléchi dont la brillance

augmente au détriment de celle du pinceau réfracté.

-lorsque la valeur de l'angle d'incidence i s'approche d'une valeur critique égale à la valeur

maximale À = 42° de l'angle de réfraction air-verre, le pinceau réfracté devient pratiquement

parallèle à la surface de séparation plane des deux milieux transparents (r = 90°). Puis,

le pinceau réfracté disparaît totalement lorsque la valeur de l'angle d'incidence dépasse

la valeur À, alors que le pinceau réfléchi devient très brillant.

^ Je refais la même expérience avec la quantité d'eau contenue dans la cuve hémicylindrique.

Je note alors les mêmes observations et constatations précédentes, mais avec une seule

différence qui consiste en la disparition totale du pinceau réfracté lorsque la valeur de

l'angle d'incidence atteint la valeur critique À' = 49° au lieu de la valeur X = 42°.

^ j Je conclus

>- Comme dans son passage de l'air à un autre milieu transparent, la lumière subit, en plus

d'une réflexion, une réfraction lors de son passage d'un milieu transparent autre que l'air

vers l'air. Toutefois, cette réfraction devient impossible lorsque la valeur de l'angle

d'incidence atteint une valeur critique qui dépend de la réfringence du milieu transparent

autre que l'air : ce phénomène est connu sous le nom de réfraction limite.

>- De la réfraction limite, il se suit une réflexion totale de la lumière au niveau de la surface

de séparation des deux milieux transparents.

La réfraction est un autre exemple de changement de la direction de propagation de la

lumière, mais à son passage d'un milieu transparent dans un autre.

La réfraction de la lumière est un phénomène physique régi par deux lois :

>l< Première loi (loi des plans)

Le rayon réfracté se propage dans le plan d'incidence.

>l< Deuxième loi (loi des angles)

Qu'il s'agit du passage de la lumière de l'air dans un autre milieu transparent (1er cas)

ou de son passage dans le sens inverse (2ème cas), l'importance de la déviation d'un

rayon réfracté dépend de la réfringence du milieu transparent autre que l'air. Cependant :

- Dans le 1er cas (réfraction air-autre milieu transparent), la réfraction consiste en une

déviation vers la normale à la surface de séparation des deux milieux transparents.

<=> (r < i).

- Dans le 2ème cas (réfraction milieu transparent autre que l'air-air), la réfraction

consiste en une déviation vers la surface de séparation des deux milieux transparents.

<=> (r > i).

La réfraction limite réside dans le fait que le phénomène de réfraction devient impossible

lorsque la valeur de l'angle d'incidence dépasse une valeur critique qui dépend de la

réfringence du milieu transparent autre que l'air ; il s'en suit une réflexion totale de la

lumière.

-©-


J^/] Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n01

S N

2. Identifier l'air sachant qu'il est l'un parmi

les milieux (1) ou (2).

1. Reproduire le schéma ci-contre, puis

remplir les bulles par les mots ou les

expressions qui conviennent.

R

N'

Exercice n02

Préciser pour chacun des QCM (questionnaires à choix multiples) suivants, la proposition juste.

1. Lorsqu'un faisceau lumineux passe de l'air à un autre milieu transparent, le faisceau

réfracté s'approche :

>K de la surface séparant ces deux milieux transparents.

>K de la normale à la surface de séparation de ces deux milieux transparents au point

d'incidence.

>K du faisceau réfléchi.

2. Lorsqu'un faisceau lumineux passe d'un milieu transparent à l'air, le faisceau réfracté

s'approche :

>K de la surface séparant ces deux milieux transparents.

>K de la normale à la surface de séparation de ces deux milieux transparents au point

d'incidence.

>K du faisceau réfléchi.

3. Lorsqu'un faisceau lumineux passe de l'air à un milieu transparent plus réfringent, la valeur

de l'angle de réfraction est :

>K supérieure à la valeur de l'angle d'incidence.

>K inférieure à la valeur de l'angle de réflexion.

>K égale à la valeur de l'angle de réflexion.

Exercice n03

Recopier les phrases suivantes en remplaçant les pointillés par le mot ou l'expression qui

convient : se réfléchit - se réfracte - milieu transparent - l'air - supérieure - inférieure -

d'incidence - réfraction - de réfraction - réflexion.

1. A la rencontre d'un miroir plan, un faisceau lumineux alors qu'il se réfléchit

et lorsqu'il passe d'un à un autre milieu

transparent.

2. Lorsqu'un faisceau lumineux passe d'un milieu transparent autre que l'air à

la valeur de l'angle de réfraction est à la valeur de l'angle et

de la valeur de l'angle de réflexion.

3. Dans le cas où un faisceau lumineux passe d'un milieu transparent autre que l'air à l'air,

l'angle de augmente avec l'angle d'incidence et, une fois l'angle

atteint la valeur de l'angle critique, le faisceau lumineux subit une

totale.

Exercice n04

Recopier les phrases suivantes en mettant une croix devant la proposition juste :

1. A son passage d'un milieu transparent à un autre, un faisceau lumineux subit à la

fois une réflexion et une réfraction quelle que soit la valeur de l'angle d'incidence.

2. Lors du passage d'un faisceau lumineux de l'air à un autre milieu transparent, la

valeur de l'angle de réfraction est toujours inférieure à la valeur de l'angle

d'incidence.

3. La réfraction limite de la lumière est due à sa réflexion totale.

4. La réfraction limite peut être atteinte lors du passage de la lumière, que ce soit de

l'air à un autre milieu transparent ou dans le sens inverse.

5. Lors du passage de la lumière de l'eau à l'air, la réflexion totale est obtenue à une

valeur de l'angle d'incidence plus grande que celle qui donne le même phénomène

lors du passage de la lumière du verre dans l'air.

Exercice n05

La figure ci-après représente un schéma incomplet de la marche de deux pinceaux lumineux

(F-i) et (F2) tombant, en un point d'incidence I d'une surface de séparation de l'air et d'un autre

milieu transparent.

—(^scT)—

Milieu (1)

I

Milieu (2)

1. Lequel des pinceaux (F-i) ou (F2) celui qui donne, après réfraction, le pinceau (F3) ?


2. Reproduire le schéma, puis le compléter en traçant la marche du pinceau lumineux

manquant.

3. Préciser parmi les milieux transparents (1) ou (2) celui qui est l'air.

Exercice n06

Lors du passage d'un pinceau lumineux parallèle par la surface séparant deux milieux transparents dont l'un est l'air et l'autre est l'eau, on observe les faisceaux lumineux notés (1), (2) et (3) dans la figure ci-dessous.

1. Le pinceau lumineux (3) peut-il être le pinceau incident ? Pourquoi ?

2. Identifier le pinceau incident et préciser le pinceau réfracté ainsi que le pinceau réfléchi.

3. Lequel des milieux 1 et 2 est l'eau ?

Milieu (2)

Milieu (1)

O ©

APPLICATIONS DU CHANGEMENT

DE LA DIRECTION

DE PROPAGATION

DE LA LUMIÈRE

FONTAINE LUMINEUSE


^ Puis-je expliquer le caractère lumineux d'une fontaine

lumineuse ?

J'explique la luminosité de la fontaine

osl :

Filet d'eau

La colonne d'eau jaillit verticalement de la fontaine pour former par la suite un joli bouquet de filets d'eau. Ce bouquet devient encore plus joli, la nuit avec la lumière du projecteur installé à la base de la fontaine. Afin de pouvoir expliquer la luminosité de la fontaine, il suffit de reconnaître ce qui se produit

le long d'un seul filet d'eau lorsqu'il est éclairé à sa base par la lumière du projecteur. La lumière du projecteur injectée dans la colonne d'eau se propage évidemment en ligne droite, tandis que le jet d'eau est courbé. En tombant sur la surface de séparation du filet

d'eau et de l'air au point d'incidence l-i (Fig.1) et avec un angle d'incidence i-i de valeur supérieure à la valeur critique À (i-i > X), un rayon lumineux issu du projecteur

ne peut pas être réfracté dans l'air, mais il subit une réflexion totale dans l'eau avec un angle de réflexion r-i de

même valeur que i-i (r-i = i-i), et ce d'après la 2e loi relative à la réflexion.

Le rayon réfléchi en l-i va finir par tomber à son tour sur la surface de séparation filet d'eau-air, mais du côté

opposé au premier, au point d'incidence

I2, avec un angle d'incidence i2 de valeur égale à celle de si l'on suppose

que le filet d'eau est de forme cylindrique. Pour la même raison que précédemment,

/

Rayon lumineux

_ Colonne d'eau

-Pompe à eau

Projecteur

Fig.1

ce rayon va subir aussi une réflexion totale en I2 comme dans le premier cas (Fig1). Par conséquent, le même rayon lumineux se trouve de nouveau renvoyé dans le filet d'eau.

Ainsi et suite à cette succession de réflexions totales, la lumière du projecteur reste piégée et guidée par le filet d'eau pour arriver enfin à l'autre extrémité du filet, au niveau de la surface

libre de l'eau de la piscine.

182

|P J Je manipule et je m'assure

Pour m'assurer de la validité de l'explication que je

viens de donner, je réalise une expérience illustrative

en simulant le filet d'eau par une fibre fine en

plastique transparent (de diamètre de l'ordre du

millimètre).

En mettant l'un des bouts de la fibre contre le voyant

lumineux d'un appareil électrique en fonctionnement

(diode électroluminescente fixée généralement à

l'avant de l'appareil) ou contre toute autre petite

source lumineuse, on reçoit à l'instant même, un

spot brillant à l'autre bout de la fibre (Fig.2). ce

résultat s'explique de la même manière que

précédemment.

Voyant lumineux

fibre

Fig.2

FIBRES OPTIQUES


Les fibres optiques sont actuellement très utilisées

en télécommunication, en médecine et dans d'autres

domaines.

Que désigne-t-on par fibres optiques ? Quel est leur

rôle dans les domaines cités ? Quel est le principe de

leur fonctionnement ?


s»

«S O)

Câbles contenant des fibres optiques

Pour répondre à tous ces questionnements, je fais une recherche documentaire (en creusant dans des livres et des revues scientifiques où le sujet est abordé, en navigant sur Internet...) et une recherche sur le terrain (en visitant un bureau régional de l'agence Tunisie Télécom par exemple).

183

Je conclus

La fibre optique est un support physique et guide de

transmission d'informations par le transport de

signaux lumineux sur des faibles ou des grandes

distances, et ce selon le besoin.

Une fibre optique est constituée de trois parties

cylindriques et coaxiales :

- une partie centrale en verre de grande réfringence

(silice), d'un diamètre de l'ordre de grandeur de

celui d'un cheveu (0,001 mm), appelée cœur de la

fibre.

- une enveloppe en verre de réfringence légèrement

inférieure à celle du cœur, appelée gaine optique

de la fibre.

- une enveloppe externe, constituée d'une matière

opaque et souple, pour protéger la gaine optique

et empêcher toute fuite de lumière vers l'extérieur

(Fig.3), d'où son nom de gaine mécanique.

Fibre optique

Cœur de la fibre Gaine mécanique

i

Gaine optique

Fig.3

Grâce au fait que l'indice de réfraction du cœur de la fibre est supérieur à celui de la gaine

optique, tout rayon lumineux qui pénètre dans la fibre optique et atteint la surface de

séparation cœur-gaine optique avec un angle d'incidence de valeur supérieure à la valeur

critique subit une réflexion totale. Par conséquent, il reste piégé dans le cœur de la fibre

(Fig.4), c'est-à-dire dirigé dans sa propagation vers l'autre bout de la fibre optique, comme

dans l'expérience qui simule la fontaine lumineuse.

i,r i.r 11 r

Fig.4

Grâce à leur souplesse et à leur propriété de transporter la lumière sans atténuation

notable, les fibres optiques sont utilisées dans plusieurs domaines importants tels que :

- la télécommunication, pour la transmission d'informations sur

de longues distances (câbles téléphoniques, câbles pour

canaux de télévision...) ou sur de petites distances (câble de

connexion du serveur aux autres ordinateurs ou à une

imprimante dans un réseau local...).

- la médecine, par l'exploration d'organes internes du corps

humain (l'œsophage, le foie, les intestins, les voies urinaires...) avec un endoscope, et

ce pour un diagnostic ou même un traitement direct de certaines maladies.

184

LE MIRAGE


Par temps très chaud, au Sahara, on a l'impression de voir, à l'horizon des flaques d'eau

qui s'éloignent au fur et à mesure que

l'on croit s'approcher d'elles.

Par une journée d'été, au soleil brûlant

sur la route, le conducteur d'une

voiture a l'impression de voir très loin,

devant lui sur la chaussée goudronnée,

des flaques d'eau. Mais, celles-ci

disparaissent ou s'éloignent quand le

conducteur s'en approche.

Que décrit-il ce phénomène connu

sous le nom de mirage, dans les deux


Pour répondre à tous ces questionnements, je fais une recherche documentaire (en puisant

dans des livres et des revues scientifiques où le sujet est traité, en navigant sur Internet...)

sur le phénomène de mirage (sa définition, ses propriétés, les conditions climatiques

favorables à son apparition, son explication...)


Pour simuler le mirage, je réalise une expérience d'illustration en remplaçant l'air par l'eau.


>K un bêcher de grande contenance (500 mL par exemple),

* un dispositif à chauffage modéré (lampe à alcool par exemple),

* un agitateur,

* une source laser,

* de l'eau de robinet,

* un colorant (fluorescéine en poudre, lait...).

m

w* rm

ftA i A'rfV A

..m—-"

situations sus indiquées ? À quoi est-il dû ?

SI

Je remplis le bêcher d'eau de robinet.

Afin d'arriver à bien observer le chemin parcouru par la

lumière dans l'eau, j'ajoute à la quantité d'eau contenue

dans le bêcher plusieurs gouttes de lait ou une pincée de

fluorescéine. Puis, j'agite le mélange afin de le rendre

homogène.

Je pose le bêcher sur le trépied, puis j'allume la source

lumineuse et je dirige les rayons laser vers la surface

libre de l'eau du bêcher dans une direction qui ne lui est

pas perpendiculaire comme dans la figure 5. ' v-

Fig.5

J'allume la lampe à alcool. Après un moment de

chauffage, je constate que le chemin parcouru par la

lumière réfractée dans l'eau devient courbé et dévié vers

le haut (Fig.6).

J'explique ce qui s'est produit

Fig.6

Au cours du chauffage, la densité du

liquide diminue au fur et à mesure qu'on

s'approche de la source de chaleur. Il s'en

suit une diminution de la réfringence de

l'eau, du haut vers le bas. Par conséquent,

au cours de sa propagation dans l'eau, la

lumière va subir une réfraction à chaque

fois qu'elle passe d'une couche à une

Couche d'eau froide

Couche d'eau chaude

Fig.7

autre moins froide (ou plus chaude), c'est-à-dire moins réfringente, d'où des déviations

successives vers le haut, et ce d'après les deux lois de la réfraction (Fig.7).

-0-

Je conclus

Couches d'air

Le sol

Sens de diminution de la réfringence

Fig.8

Le mirage est un phénomène naturel qui consiste en la vision, au loin et par temps très

chaud, de flaques d'eau qui disparaissent ou qui s'éloignent à chaque fois que l'observateur

s'en approche.

Le mirage est vu généralement, au soleil

brûlant, dans les déserts et sur les routes

asphaltées. Sens de diminution

Par temps chaud, la température augmente densité

lorsqu'on s'approche du sol. Par conséquent,

l'air de l'atmosphère se trouve formé de

couches de densités différentes, diminuant

du haut vers le bas. Par suite, toute couche

d'air est caractérisée par une réfringence

supérieure à celle de la couche d'en bas

(Fig.8).

C'est pour cette raison que la lumière du

soleil subit au cours de sa propagation une

suite de réfractions au niveau des surfaces

séparant les couches d'air. Il en résulte une

augmentation progressive de la valeur de

l'angle d'incidence jusqu'à ce que celle-ci

dépasse la valeur critique en un point

d'incidence bien précis lM, ce qui entraîne

une réflexion totale provoquant un renvoi de

la lumière vers le haut, et en continuant à

subir une succession de réfractions (Fig.9) ,

elle peut parvenir à l'œil d'un observateur

pour lequel elle semble provenir directement

d'un point A du sol. Ainsi, l'observateur croit

voir une flaque d'eau. Mais, ce n'est en

réalité qu'une image virtuelle du ciel bleu

(Fig.10).


Fig.9

«p<

Fig.10

Je démontre, pourquoi :

1. les réfractions successives de la lumière du soleil issue des couches atmosphériques

supérieures engendre une augmentation progressive de la valeur de l'angle d'incidence.

2. suite à cette succession de réfractions, la lumière du soleil ne subit qu'une seule réflexion

totale lorsque la valeur de l'angle d'incidence dépasse la valeur critique.

187



Les fibres optiques : caractéristiques

et domaines d'utilisation

Les fibres optiques constituent l'une des applications les plus importantes du phénomène de réflexion totale : avec une fibre de verre ou de plastique, de diamètre comparable à celui d'un cheveu, on peut conduire la lumière d'un endroit à un autre.

Grâce aux avantages qu'elles présentent par rapport aux câbles traditionnels, les fibres

optiques ont apporté par leur avènement une révolution dans le domaine des communications. En fait, en plus de leurs petites dimensions et leur légèreté, elles sont les plus performantes

dans la transmission des informations, et ce grâce à la possibilité de mettre un grand nombre

de fibres dans un seul faisceau, d'où la multiplication des lignes téléphoniques et du nombre

de canaux de diffusion TV dans un seul câble. De plus, les fibres optiques sont caractérisées par leur capacité de transmettre les signaux

avec une très faible atténuation et nettement (conversations téléphoniques, émissions TV...),

comme elles protègent les signaux transmis de

toute perturbation électromagnétique, ce qui garantit la confidentialité de l'information transmise

et ce qui explique leur utilisation à des fins militaires.

Les fibres optiques ont aussi l'avantage d'être ininflammables, ce qui minimise le risque d'incendie.

D'autre part, elles ne nécessitent pas beaucoup

d'énergie pour leur fonctionnement.

Grâce à toutes ces qualités, les fibres optiques sont utilisées dans plusieurs industries, et surtout

en communication, dans les réseaux informatiques,

en radiologie médicale et dans l'exploration du

sous sol. Grâce à leur souplesse et à leur fiabilité, les

fibres optiques ont trouvé d'autres applications

importantes, comme dans l'industrie de caméras

variées, utilisées en radiologie médicale, en endoscopie et en photographie mécanique servant à l'examen de soudures et de raccordements.

Un autre domaine où les fibres optiques ont trouvé une application qui ne manque pas

d'importance est celui de la mesure. Leur petite dimension, la précision de leur fonctionnement ainsi que leur sensibilité aux petites variations de température et de pression en ont fait des capteurs de variations de telles grandeurs physiques. Dans ce cadre, on cite

par exemple l'utilisation des fibres optiques dans l'industrie aéronautique et précisément les

parois d'avions afin de prévenir le pilote de toute variation de pression au niveau des ailes ou sur la carcasse de l'avion.

——

K]

nternet

• i

m u-

.■■■ Il

Appareils utilisant les fibres optiques

Questions

1. Préciser le rôle d'une fibre optique.

2. Citer les principales caractéristiques d'une fibre optique.

3. Enumérer les domaines d'utilisation des fibres optiques.

^ j Pour en savoir plus

Le mirage inversé

L'image d'un corps flottant à la surface libre de l'eau tel qu'un bateau amarré sur la côte

peut être vue renversée et suspendue en l'air, au dessus de l'eau et parfois de taille plus

grande.

Ce phénomène apparaît lorsque les couches d'air inférieures de l'atmosphère, proches ou

en contact avec l'eau, sont froides, tandis que les couches supérieures d'air sont réchauffées

par des courants d'air tiède ou relativement chaud, d'où une diminution de la densité et, par

suite, une diminution de la réfringence avec l'altitude. Par conséquent, un rayon lumineux issu

du corps flottant (bateau) se réfracte lorsqu'il passe d'une couche à une autre plus haute tout

en s'éloignant de la normale et suit un chemin incurvé jusqu'à ce que l'angle d'incidence

atteigne la valeur critique au niveau de la surface de séparation de deux couches d'air, d'où

une réflexion totale qui fait dévier le rayon lumineux vers le bas. Si ce rayon lumineux arrive

à l'œil d'un observateur sur la plage, celui-ci voit l'image de l'objet (bateau) renversée et au

dessus de sa position réelle, d'où la dénomination « mirage inversé ».

Comme autres exemples de faits d'observation illustrant le mirage, on cite la forme aplatie du

soleil à l'horizon, la personne qui n'est plus visible devant un mur peint en blanc et la paille

courbée dans un verre d'eau.

Zone dans laquelle la surface libre de l'eau paraît brillante

En s'approchant de la surface libre de l'eau, l'air devient de plus en plus froid

28

LES LUMIERES VISIBLES ET

. LA LUMIÈRE BLANCHE


Parmi les lampes d'éclairage domestique et d'éclairage

public, quelle est celle qui émet une lumière

blanche ?

Pourquoi cette appellation de lumière blanche ?

Quand j'expose la face sensible (inscriptible) d'un

disque compact (CD) à la lumière du soleil, il y

apparaît des plages multicolores (allant du rouge au

violet). À quoi cela est dû ?

Qu'est-ce qui fait que l'arc-en-ciel apparaît sous

cette forme d'une plage multicolore (allant aussi du

rouge au violet) ?

Pourquoi, l'arc-en-ciel n'apparaît qu'après la pluie,

le matin ou l'après-midi, loin de midi ? De quel côté

apparaît-il ? Est-ce le même côté, le matin et

l'après-midi ? Pourquoi ?

î

CD Rom

Arc-en-ciel

PROPAGATION DE LA LUMIERE A TRAVERS UN PRISME



* un prisme de verre,

* une source de rayons laser (rouge par exemple),

* le dispositif d'étude de la réfraction.

190

^ Je prends un prisme et je l'examine de près afin de

reconnaître ses caractéristiques : c'est un morceau

de verre transparent taillé dans la forme d'un

prisme présentant : Face lisse

>(< trois faces lisses, de forme rectangulaire,

>K deux faces triangulaires (triangles isocèles) et

parallèles à la section droite du prisme

(perpendiculaires aux bords du prisme), celles-ci

sont rugueuses (Fig. 1).

Face rugueuse

Fig.1

Très important :

Afin d'éviter tout risque de faire perdre au prisme ses

caractéristiques optiques, il est impératif de ne pas

toucher ses faces lisses : Lors de son utilisation, on le

saisit par les deux faces triangulaires, on le pose sur

l'une d'entre elles (ABC ou A'B'C) et on l'oriente de

manière que la lumière incidente tombe sur l'une des

faces lisses symétriques, près de leur bord commun

AA' (Fig. 2).

La face triangulaire (ABC ou A'B'C) du prisme sur

laquelle il repose s'appelle la base du prisme.

Je remplace la lanterne du dispositif

d'étude de la réfraction par une source

laser et j'oriente le disque d'optique blanc

de telle sorte que la trace du pinceau

laser soit dans une direction confondue

avec son diamètre. (Fig. 3).

A'

C B

Fig.2

Trace du pinceau laser

Fig.3

Je place le prisme sur le disque d'optique

blanc comme dans la figure 4. Puis, je suis

le pinceau laser dans sa marche à travers

le prisme et je note les observations faites.

03

Remarque :

On peut réaliser la même expérience, en utilisant un

prisme à eau au lieu d'un prisme de verre. Fig.4

191


En tombant sur l'une des faces symétriques

du prisme au point d'incidence 1^ la

lumière incidente se trouve à la surface de

séparation de deux milieux transparents,

l'air et le verre. Elle subit alors une

réfraction et continue à se propager dans

le plan de la base triangulaire du prisme

(d'après la 1ère loi de la réfraction). D'ailleurs,

ht tri

R

Fig.5

c'est pour cette raison que le prisme est schématisé par un triangle comme sur la figure 5.

En arrivant au niveau de la face en regard (surface séparant le verre de l'air), au point

d'incidence I2, la lumière subit une deuxième réfraction et émerge de nouveau dans l'air

suivant la direction I2R, plus déviée par rapport à la direction initiale Sl-i (Fig.5).

Je conclus

En traversant un prisme, un rayon lumineux subit une déviation due à deux réfractions successives, une première réfraction à la face d'entrée « air-verre » et une deuxième réfraction à la face de sortie « verre-air ».

DISPERSION DE LA LUMIERE BLANCHE PAR UN PRISME


^ Je réalise la même expérience que précédemment

mais en utilisant, comme source lumineuse S, la

lanterne du dispositif d'étude de la de réfraction avec

sa lampe à incandescence.

La lampe étant allumée, en l'absence du prisme,

j'obtiens le même résultat précédent sauf que la

trace lumineuse sur le disque d'optique est blanche

(de nuance jaunâtre).

^ En plaçant le prisme comme précédemment, je

constate que la trace du pinceau lumineux émergeant

de l'autre côté du prisme et qui apparaît sur le disque

d'optique est non seulement déviée mais elle prend

la forme d'une plage multicolore, de plus en plus large au fur et à mesure qu'on s'éloigne

du prisme. Dans cette plage lumineuse continue, les couleurs vont du rouge (lumière la

moins déviée) au violet (lumière la plus déviée), en passant progressivement et dans

l'ordre par l'orangé, le jaune, le vert, le bleu et l'indigo (Fig.6).

—(loT)—

Fig.6

En interposant verticalement un écran sur le trajet de la plage lumineuse émergeant du

prisme, j'observe, dans le prolongement de celle-ci, une tache lumineuse rectangulaire

renfermant la même série de couleurs et dans le même ordre (Fig.7).

Fig.7


Chaque couleur de la tache lumineuse multicolore obtenue sur l'écran est une preuve

d'émergence, du prisme, d'une lumière de cette couleur. Donc, plusieurs lumières colorées

ont traversé le prisme, en provenance de la lampe à incandescence S de la lanterne, et

comme dans le cas du laser rouge dans l'expérience précédente, toute lumière d'une couleur

donnée a subi dans le cas présent une déviation de valeur liée à sa couleur, ce qui a

provoqué une dispersion de la lumière blanche à travers le prisme.

1 Je conclus

■ La lumière blanche est composée d'une infinité de radiations monochromatiques s'étalant

dans le visible du rouge au violet : la lumière blanche est une lumière polychromatique.

■ La dispersion de la lumière blanche par un prisme est un phénomène dû au fait que l'angle

de réfraction à la surface de séparation air-verre ou verre-air dépend de la couleur de la

lumière, d'où une déviation qui augmente du rouge au violet.

■ La tache lumineuse multicolore obtenue par dispersion de la lumière blanche à travers un

prisme est appelée spectre visible de la lumière blanche.

■ Le spectre visible de la lumière blanche est un spectre continu renfermant toutes les

couleurs de l'arc-en-ciel.

■ La lampe à incandescence est une source de lumière blanche.


Je refais l'expérience précédente, mais en utilisant comme source de lumière un tube néon

au lieu de la lampe à incandescence, j'obtiens alors le spectre de la figure 8.

1. En comparant ce spectre à celui de la figure 7,

préciser si la lumière émise par le tube néon est une

lumière blanche.

2. Sinon, quelles sont les lumières monochromatiques

visibles qui forment la lumière émise par un tube Fig.8

néon ?

193

PHÉNOMÈNE DE L'ARC-EN-CIEL

J'exploite un document scientifique

L'arc-en-ciel est un phénomène naturel qui se

manifeste sous la forme d'un arc de lumière multicolore.

On l'observe dans le ciel et en tournant le dos au soleil,

après la pluie ou dans la brume due à une chute d'eau.

Il comprend les mêmes couleurs que celles du

spectre continu de la lumière blanche et juxtaposées

dans le même ordre, en allant du rouge qui le borde de

l'extérieur vers le violet qui le borde de l'intérieur pour

être le plus proche du sol.

Si l'arc-en-ciel apparaît le matin, il est observé à

l'ouest. Il annonce ainsi l'arrivée de nuages épais et une

journée pluvieuse. Mais, s'il se manifeste l'après midi, il

est vu à l'est et annonce dans ce cas un dégagement du

ciel (les nuages s'éloignent), ce qui aide à prévoir une

amélioration des conditions climatiques.

Bien que le phénomène de l'arc-en-ciel soit très ancien, il n'a été expliqué, pour la

première fois, qu'au XIe siècle (5e siècle Hégire) par le savant arabe Ibn Al-Haytham qui a

écrit dans son livre Kitab Al manadhir : « l'arc-en-ciel se produit par la déviation de la lumière

traversant une couche d'air épaisse et humide entre l'observateur et un corps lumineux.

Celui-ci doit être dans une position particulière et dans une couche d'air plus dense que celle

où se trouve l'observateur, et puisque les nuages ont une forme sphérique, l'observateur

aperçoit l'arc-en-ciel sous la forme d'un arc lumineux ».

Au XIIIe siècle (7e Hégire), Chirazi (autre savant arabe) a pu donner une explication

précise du phénomène de l'arc-en-ciel en disant : « l'arc-en-ciel est le résultat de l'incidence

de la lumière solaire par temps pluvieux sur des gouttelettes d'eau en suspension dans

l'atmosphère. En subissant une réflexion sur les parois intérieures du fond des gouttelettes,

les radiations lumineuses s'en échappent en étant renvoyées vers l'observateur».

Effectivement, lorsque la lumière solaire traverse

une goutte d'eau de pluie, chaque radiation mono-

chromatique se trouve réfractée sous un angle propre,

différent des angles de réfraction caractérisant les

autres radiations monochromatiques. Puis, lorsque

toutes ces radiations atteignent la paroi intérieure de

la goutte d'eau, elles s'y réfléchissent.

Enfin, elles se trouvent par la suite réfractées de

nouveau, à leur sortie de la goutte d'eau dans l'air

(Fig.9).

Lumière du soleil

— \

Goutte d'eau

Radiation violette 40°

Radiation Rouge

Fig.9

194

En réalité, il est possible de voir les couleurs à partir des gouttes d'eau qui infligent aux

rayons lumineux du soleil une déviation vers l'observateur, de valeur comprise entre 40° et 42°, c'est-à-dire, bien que chaque goutte d'eau disperse la lumière blanche en toutes ses

radiations monochromatiques, l'observateur ne peut voir qu'une seule couleur à partir d'une

goutte bien déterminée, et ce étant donné qu'une seule couleur peut émerger sous l'angle adéquat pour parvenir à l'observateur ; ainsi, si l'observateur observe toutes les couleurs de

l'arc-en-ciel, c'est grâce à la perception de la lumière à partir d'un très grand nombre de

gouttes pour constituer d'après lui un arc dans le ciel. L'allure et la netteté de l'arc-en-ciel dépendent de la dimension des gouttes d'eau ; en fait,

plus la goutte d'eau est grande, mieux la lumière est dispersée et plus les couleurs de l'arc-en-ciel sont nettes. Si les gouttes d'eau sont fines comme celles de la bruine, l'arc-en-ciel est pâle.

De plus, il est à noter que l'arc-en-ciel ne peut être dû à une chute de neige. C'est pour ça que les plus beaux arcs-en-ciel sont ceux qui apparaissent après une grosse averse ou un orage.

1. Qu'est-ce qui montre dans texte que la lumière solaire est une lumière blanche ? 2. Quelle est l'origine de l'arc-en-ciel ? quel est l'élément qui joue dans sa formation le rôle

du prisme ? 3. Pourquoi l'arc-en-ciel n'apparaît pas lorsqu'il fait beau ?

4. Pourquoi est-il impossible de voir l'arc-en-ciel à midi ?

>- La lumière du soleil est un autre exemple de lumière blanche.

>- L'arc-en-ciel est un phénomène naturel qui représente le spectre de la lumière du soleil. Il

résulte des réflexions et des réfractions de la lumière du soleil à travers les gouttes de pluie

dans l'atmosphère.

>- L'arc-en-ciel n'est observable que sous un angle de valeur comprise entre 40° et 42°. Il

apparaît relativement haut lorsque le soleil est bas dans le ciel et inversement.

La réfraction - avec surtout la réfraction limite et la réflexion totale - a beaucoup d'applications

dont essentiellement les fibres optiques.

Le mirage est un phénomène naturel dû à une succession de réfractions et à une

réflexion totale dans une atmosphère chaude.

La lumière blanche est composée d'une infinité de lumières visibles de couleurs allant

du rouge au violet.

^ Le spectre de lumière blanche est un spectre continu avec les couleurs de l'arc-en-ciel.

^ La dispersion de la lumière blanche est due à la variation de la réfringence du milieu

transparent avec la couleur de la radiation qui s'y propage.

^ L'arc-en-ciel est un phénomène naturel résultant de la dispersion de la lumière du soleil

à travers les gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère.

Questions


J^/] Je m'entraîne à résoudre des problèmes

Exercice n01

Préciser pour chacun des QCM (questionnaires à choix multiples) suivants la proposition juste.

1. Un prisme est utilisé pour :

>K reconnaître le spectre d'une lumière.

>K la dispersion de la lumière blanche seulement.

>K analyser les lumières.

>K pour combiner les lumières monochromatiques.

2. La lumière blanche :

>K n'est émise que par le soleil.

>K est composée d'une infinité de lumières colorées.

>K est qualifiée « blanche » parce qu'elle n'est formée que de radiations monochromatiques

3. Le phénomène de l'arc-en-ciel est dû à :

>K la dispersion de la lumière du soleil à travers les gouttes de pluie.

>K des réfractions multiples à travers les gouttes d'eau dans l'atmosphère.

>K des réflexions et des réfractions à travers les gouttes d'eau dans l'atmosphère.

Exercice n02

Réécrire les phrases suivantes en remplissant les lacunes par le mot qui convient : infinité -

laser - bas - haut - monochromatique - continu - solaire.

1. Le changement de la direction de propagation d'une lumière à travers

un prisme dépend de sa couleur.

2. Un rayon est une radiation monochromatique alors qu'un rayon

blanches.

est une lumière polychromatique.

3. Toute radiation polychromatique est composée d'une de radiations

monochromatiques.

4. Le spectre de la lumière blanche

5. L'arc-en-ciel apparaît lors

de la lumière blanche renferme les couleurs de l'arc-en-ciel.

lorsque le soleil est bas et il apparaît

lorsque le soleil est haut.

Exercice n03

Réécrire les phrases suivantes en mettant une croix devant la proposition juste :

1. L'arc-en-ciel apparaît toujours à l'ouest.

2. L'apparition de l'arc-en-ciel à l'est est un signe de prévision de beau temps.

3. La lumière d'une lampe à incandescence est un exemple de lumière blanche.

4. Un rayon laser ne subit pas de déviation par un prisme.

5. Le prisme est capable de changer la direction de propagation de la lumière avec

une proportion qui augmente du rouge au violet.

6. La déviation de la direction de propagation de la lumière blanche à travers un prisme

est due à deux réfractions.

□

□

Exercice n04

Chacun des schémas ci-dessous représente la marche d'un pinceau de lumière

monochromatique (orangée, rouge ou bien bleue) lors de son passage de l'air à l'eau sous le

même angle d'incidence i.

i y*

s r2

i

/rT

i yr

Rl

(2) (1) (3)

1. Comparer graphiquement les valeurs des angles de réfractions r1, r2 et ^ entre eux.

2. En justifiant la réponse, associer à chaque schéma la couleur de la lumière utilisée.

Exercice n05

Le schéma de la figure ci-contre représente la

marche d'un rayon lumineux rouge et celle d'un

rayon bleu, rayons parmi ceux obtenus par la

dispersion d'une lumière blanche à travers un prisme.

En s'appuyant sur le spectre de la lumière blanche,

préciser parmi les zones ®, (D et (D celle où passe :

1. La radiation lumineuse violette.

2. La radiation lumineuse verte.

Pinceau de lumière blanche,


Le détecteur de fumée optique

Le détecteur de fumée est appareil indispensable à la prévention d'incendies dus à des

feux couvents (à évolution lente) dans une chambre ou un immeuble. Il est constitué de deux

parties essentielles, un capteur de lumière (diode électroluminescente) et un kit électronique

jouant le rôle d'avertisseur par l'émission d'un signal d'alarme sonore, très fort.

Ce type de détecteur de fumée est basé

sur une cellule photoélectrique particulière

sous forme de diode sensible à la lumière.

Par suite, dès que cette cellule reçoit de la

lumière, elle produit un courant électrique

capable de déclencher le signal d'alarme.

Pour le faire fonctionner, on fait propager

dans l'appareil avertisseur la lumière émise

par une diode LED installée au bout libre

d'un tube cylindrique communiquant par

l'autre bout et avec un angle de 90° à un

autre tube muni de la cellule photoélectrique

à l'une de ses extrémités comme dans la

figure ci-contre.

Quand une fumée se dégage dans la

chambre, les particules de fumée vont

pénétrer dans le tube du détecteur par

l'extrémité opposée à celle munie de la

diode LED. Ainsi, elles vont provoquer par

leur présence une déviation de la marche

du faisceau lumineux émis par la diode LED pour le faire tomber sur la cellule photo-électrique

installée à l'extrémité de l'autre tube comme dans la figure ci-contre, d'où la fermeture du circuit

d'alarme et le déclenchement de l'avertisseur sonore.

D'après un texte de Dr Hazem Fellah Skik

Question

En admettant que les particules de fumée sont sphériques et transparentes comme les

gouttes d'eau, expliquer la déviation du faisceau lumineux (émis par la diode LED) vers la cellule photoélectrique comme dans la deuxième figure ci-dessus.

—(l98^)—

Source lumineuse (Diode LED)

Diode cellule photoélectrique

Fumée

Je m'amuse

1. Mots croisés

1 ► Une des applications de la réflexion totale de la lumière

5 ▼ Surface lisse qui réfléchit la lumière

►

CM Changement de direction de propagation de la lumière à son passage d'un milieu transparent à un autre

Obtenu par la dispersion de la lumière

3 ▼ Qui disperse de la lumière blanche 7 ► Exemple de lumière rouge

Renvoi de la lumière par un obstacle dans une direction privilégiée

8 ► non monochromatique

> Lui manque l'adjectif "optique" pour devenir une application de la réflexion totale de la lumière

2^

i

«1

wÊ II

3^ III 5^

VI V VI

VII VIII

IX

X

XI

2. À qui est cette photo ?

C'est l'un des plus grands physiciens de l'islam, connu par l'occident médiéval sous le

nom d'ALHAZEN. Il est né à Bassora en 965 et mort en Egypte en 1039. Il a fait beaucoup

de recherches en optique. Pour le connaître, dégager son nom en recopiant dans l'ordre indiqué ci-dessous, les lettres

des cases repérées par un chiffre romain.

VIN IX V III IV II V VI X

—(^99

3. Est-ce que tu sais qu'il y a beaucoup de croyances et de mythes sur l'arc-en-ciel ?

- En voilà quelques-uns :

<♦> « i " Il -i."."i/] 0 ^ ^ - ■ ■■ -11 jia j 'fcl—' la-ij ^Lijlg ^I p ^ I—'^ . — Il (jt_3 j aI—» jujj la_il »

C'est un proverbe tunisien qui signifie : si l'arc-en-ciel apparaît le matin, ça sera une

journée pluvieuse. Mais, s'il se manifeste l'après-midi, il fera beau.

^ Jadis, l'arc-en-ciel représentait un accord entre Dieu et Noé pour que les pluies torrentielles

qu'il annonce ne se transforment pas en un déluge.

^ L'arc-en-ciel est un serpent céleste qui apporte la malédiction et la malchance à la maison

qu'il touche : mythe africain.

^ L'arc-en-ciel est considéré comme un pont flottant dans le ciel qui mène au paradis : mythe

japonais.

Au moyen âge, les allemands se voyaient optimistes à chaque apparition d'un arc-en-ciel

parce qu'ils croyaient que ce phénomène ne peut se manifester durant les 40 années

précédant la fin du monde.

D'après "Un trésor au bout de l'arc-en-ciel ?" surwww.meteo.org/phenomen/arc-ciel.htm


Sujet ADRESSE SUR LE WEB www.proftnj.com/opt-refr.htm www.espace-sciences.org

Réflexion www.ostralo.net/3_animations/swf/descartes.swf et réfraction www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/index.html de la lumière www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/resumes/12b.shtml

fr.encarta.msn.com/encyclopedia_761576625/optique.html http://www.foru m2 .math .u Ig .ac.be/viewsection. html www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/optique/fibre10.shtml fr.encarta.msn.com/encyclopedia_761566545/fibre_optique.html http://www.er.uqam.ca/nobel/m162130/Utilisation.html

Fibres www.telcite.fr/fibre.htm

optiques ophtasurf.free.fr/mirages/mirages.htm et mirage www.Iinternaute.com/science/divers/pourquoi/06/pourquoi-mirage/mirage.shtml

giik.net/cheminlepluscourt/explications.php

lamap.inrp.fr/?Page_ld=33&Action=3&Element_ld=803&DomainScienceType_l d=14&ThemeType_ld=30 pagesperso-orange.fr/guy.chaumeton/2d03ph.htm

Dispersion de la lumière blanche

et arc-en-ciel

un.arc.en.ciel.free.fr www.espace-sciences.org www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php7article95 www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/index.html agora.qc.ca/encyclopedie.nsf/Categones/Sciences_et_techniques

—(200^)—

RÉPUBLIQUE TUNISIENNE MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION …

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