eau dihydrogène + dioxygène + + + avant réaction après réaction chapitre 1 BASES IMPORTANTES cours de M. Fillodeau I LES REACTIONS CHIMIQUES 1) DEFINITIONS On dit qu'une réaction chimique a lieu, lorsque des substances se "transforment" en d'autres substances, différentes. exemple : -- du fusain (carbone) se consume et avec une braise très vive si on le met dans un flacon rempli de dioxygène. -- l'expérience s'arrête quand il n'y a plus de dioxygène ou plus de carbone. -- quand l'expérience s'arrête, on peut mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dans le flacon. le carbone et le dioxygène ont "disparu", ils se sont "transformés" en dioxyde de carbone. Les réactifs d'une réaction chimique sont les substances qui disparaissent lors de cette réaction ( le carbone et le dioxygène dans l'exemple précédent ). Les produits sont les substances qui se forment ( le dioxyde de carbone dans l'exemple précédent ). Une réaction s'arrête quand l'un des réactifs a totalement disparu . Le "bilan " de la réaction est, dans le cas de l'exemple précédent, l'écriture suivante : carbone + dioxygène dioxyde de carbone Et l' équation-bilan , c'est : C + O 2 CO 2 La flèche symbolise la réaction et se lit "donne ". 2) EXPLICATION Comment peut-on expliquer cette "transformation" qui a lieu lors d'une réaction ? Cela vient du fait que toutes les substances sont constituées de petites particules : les atomes (assemblés en molécules), qui lors d'une réaction se séparent et se réassemblent de manière différente pour former de nouvelles molécules, celles des produits. Ça "fonctionne" simplement comme des LEGO ! 3) EQUATION-BILAN D'UNE REACTION CHIMIQUE a) Règle de conservation des atomes On s'est rendu compte que ( démonstration au lycée ) l’équation-bilan d’une réaction donne le nombre minimum de molécules de réactifs qui doivent réagir tout en respectant cette règle. exemple : -- dans certaines conditions, l'eau (H 2 O) se transforme en dihydrogène (H 2 ) et en dioxygène (O 2 ) -- il faut au minimum deux molécules H 2 O pour former des molécules H 2 et O 2 sans qu'il reste d'atomes. -- l'équation-bilan est donc : 2 (H 2 O) 2 (H 2 ) + O 2 l’équation-bilan représente la transformation qui a lieu un très grand nombre de fois lors d’une réaction chimique. Une goutte d'eau contient 1000 milliards de milliards de molécules d'eau : si elle réagit selon la réaction de l'exemple précédent, la transformation que représente l'équation-bilan aura lieu 500 milliards de milliards de fois ! b) Comment trouver rapidement l'équation-bilan d'une réaction ? On ajuste progressivement le nombre de molécules à gauche et à droite de la flèche afin qu'il y ait autant d'atomes de chaque sorte de chaque côté. 4) CONSERVATION DE LA MASSE La masse d'une substance est égale à la masse de tous ses atomes. Lors d'une réaction chimique, on ne perd pas d'atomes (puisqu'ils sont tous réutilisés), donc on ne perd pas de masse : la masse des produits qui se forment est égale à celle des réactifs qui ont disparu. au cours d'une réaction, la masse totale se conserve 5) EXERCICE n° 1 sur une feuille à part , recopiez et équilibrez les équations suivantes (aucune justification demandée) : tous les atomes des molécules qui réagissent sont réutilisés pour former les produits ( aucun ne reste, seul, après réaction ). EXEMPLE 1 : eau dihydrogène + dioxygène étape 1 : H 2 O H 2 + O 2 2 atomes H 2 atomes H 1 atome O 2 atomes O étape 2 : équilibre des O étape 3 : équilibre des H 2 (H 2 O) H 2 + O 2 2 (H 2 O) 2 (H 2 ) + O 2 4 atomes H 2 atomes H 4 atomes H 4 atomes H 2 atomes O 2 atomes O 2 atomes O 2 atomes O EXEMPLE 2 : heptyne (C 7 H 12 ) + dioxygène carbone + eau étape 1 étape 2 : équilibre des atomes C C 7 H 12 + O 2 C + H 2 O C 7 H 12 + O 2 7 C + H 2 O 7 atomes C 1 atome C 7 atomes C 7 atomes C 12 atomes H 2 atomes H 12 atomes H 2 atomes H 2 atomes O 1 atome O 2 atomes O 1 atome O étape 3 : équilibre des atomes H étape 4 : équilibre des atomes O C 7 H 12 + O 2 7 C + 6 (H 2 O) C 7 H 12 + 3 O 2 7 C + 6 H 2 O 7 atomes C 7 atomes C 7 atomes C 7 atomes C 12 atomes H 12 atomes H 12 atomes H 12 atomes H 2 atomes O 6 atomes O 6 atomes O 6 atomes O voir page 7 pour plus de détails sur les molécules a) C + CO 2 CO d) C 3 H 8 + O 2 C + H 2 O g) CuO + C Cu + CO 2 b) C + O 2 CO e) CH 4 + H 2 O CO + H 2 h) FeO Fe 3 O 4 + Fe c) C + O 2 CO 2 f) H 2 + Cl 2 HCl i) Al 2 O 3 + C + Cl 2 AlCl 3 + CO Rq : Cl est le symbole de l'atome de chlore , Cu est celui du cuivre , Fe est celui du fer , et Al est le symbole de l'atome d'aluminium . p 1 http://prof.fillodeau.free.fr
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eau dihydrogène + dioxygène
+ ++
avant r éac t ion apr ès r éac t ion
chapitre 1 BASES IMPORTANTES cours de M. Fillodeau
I LES REACTIONS CHIMIQUES
1) DEFINITIONS
On dit qu'une réaction chimique a lieu, lorsque des substances se "transforment" en d'autres substances, différentes.
exemple : -- du fusain (carbone) se consume et avec une braise très vive si on le met dans un flacon rempli de dioxygène.
-- l'expérience s'arrête quand il n'y a plus de dioxygène ou plus de carbone.
-- quand l'expérience s'arrête, on peut mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dans le flacon.
le carbone et le dioxygène ont "disparu", ils se sont "transformés" en dioxyde de carbone.
Les réactifs d'une réaction chimique sont les substances qui disparaissent lors de cette réaction ( le carbone et le dioxygène
dans l'exemple précédent ).
Les produits sont les substances qui se forment ( le dioxyde de carbone dans l'exemple précédent ).
Une réaction s'arrête quand l'un des réactifs a totalement disparu.
Le "bilan" de la réaction est, dans le cas de l'exemple précédent, l'écriture suivante : carbone + dioxygène dioxyde de carbone
Et l' équation-bilan , c'est : C + O2 CO2 La flèche symbolise la réaction et se lit "donne".
2) EXPLICATION
Comment peut-on expliquer cette "transformation" qui a lieu lors d'une réaction ?
Cela vient du fait que toutes les substances sont constituées de petites particules : les atomes (assemblés en molécules), qui lors d'une
réaction se séparent et se réassemblent de manière différente pour former de nouvelles molécules, celles des produits.
Ça "fonctionne" simplement comme des LEGO !
3) EQUATION-BILAN D'UNE REACTION CHIMIQUE
a) Règle de conservation des atomes
On s'est rendu compte que ( démonstration au lycée )
l’équation-bilan d’une réaction donne le nombre minimum de molécules de réactifs qui doivent réagir tout en respectant cette règle.
exemple : -- dans certaines conditions, l'eau (H2O) se transforme en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2)
-- il faut au minimum deux molécules H2O pour former des molécules H2 et O2 sans qu'il reste d'atomes.
-- l'équation-bilan est donc : 2 (H2O) 2 (H2) + O2
l’équation-bilan représente la transformation qui a lieu un très grand nombre de fois lors d’une réaction chimique.
Une goutte d'eau contient 1000 milliards de milliards de molécules d'eau : si elle réagit selon la réaction de l'exemple précédent,
la transformation que représente l'équation-bilan aura lieu 500 milliards de milliards de fois !
b) Comment trouver rapidement l'équation-bilan d'une réaction ?
On ajuste progressivement le nombre de molécules à gauche et à droite de la flèche afin qu'il y ait autant d'atomes de chaque sorte de chaque côté. .
4) CONSERVATION DE LA MASSE
La masse d'une substance est égale à la masse de tous ses atomes. Lors d'une réaction chimique, on ne perd pas d'atomes (puisqu'ils sont
tous réutilisés), donc on ne perd pas de masse : la masse des produits qui se forment est égale à celle des réactifs qui ont disparu.
au cours d'une réaction, la masse totale se conserve
5) EXERCICE n° 1 sur une feuille à part, recopiez et équilibrez les équations suivantes (aucune justification demandée) :
tous les atomes des molécules qui réagissent sont réutilisés pour former les produits ( aucun ne reste, seul, après réaction ).
EXEMPLE 1 : eau dihydrogène + dioxygène
étape 1 : H2O H2 + O2
2 atomes H 2 atomes H
1 atome O 2 atomes O
étape 2 : équilibre des O étape 3 : équilibre des H
2 (H2O) H2 + O2 2 (H2O) 2 (H2) + O2
4 atomes H 2 atomes H 4 atomes H 4 atomes H
2 atomes O 2 atomes O 2 atomes O 2 atomes O
EXEMPLE 2 : heptyne (C7H12) + dioxygène carbone + eau
étape 1 étape 2 : équilibre des atomes C
C7H12 + O2 C + H2O C7H12 + O2 7 C + H2O
7 atomes C 1 atome C 7 atomes C 7 atomes C
12 atomes H 2 atomes H 12 atomes H 2 atomes H
2 atomes O 1 atome O 2 atomes O 1 atome O
étape 3 : équilibre des atomes H étape 4 : équilibre des atomes O
C7H12 + O2 7 C + 6 (H2O) C7H12 + 3 O2 7 C + 6 H2O
7 atomes C 7 atomes C 7 atomes C 7 atomes C
12 atomes H 12 atomes H 12 atomes H 12 atomes H
2 atomes O 6 atomes O 6 atomes O 6 atomes O
voir page 7 pour plus de détails sur les molécules
a) C + CO2 CO d) C3H8 + O2 C + H2O g) CuO + C Cu + CO2
b) C + O2 CO e) CH4 + H2O CO + H2 h) FeO Fe3O4 + Fe
c) C + O2 CO2 f) H2 + Cl2 HCl i) Al2O3 + C + Cl2 AlCl3 + CO
Rq : Cl est le symbole de l'atome de chlore, Cu est celui du cuivre, Fe est celui du fer, et Al est le symbole de l'atome d'aluminium.
p 1
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II NOTION D'ENERGIE
1) QU'EST-CE QUE L'ENERGIE ?
exemples : -- un footballeur possède de l'énergie car il peut faire bouger un ballon.
-- le bois possède de l'énergie : quand il brûle, il nous réchauffe.
-- une pile -- une bougie.
Ces exemples ne sont pas obligés de "fonctionner" pour avoir de l'énergie (le footballeur peut rester immobile et
la pile neuve peut rester dans son emballage) : ce qui compte, c'est qu'ils en soient capables.
L'énergie se mesure en joules ( J ). Autres unités possibles ( cas particuliers ) : calorie , kW.h
Le soleil, le vent, le bois (qui repousse), l’eau d’un barrage (qui revient après les pluies) sont des sources
d’énergie renouvelable. Une pile, une bougie, le pétrole, l’uranium des centrales nucléaires, ne le sont pas.
2) ENERGIE CHIMIQUE
Quand deux atomes sont liés dans une molécule, ils se "retiennent" l'un l'autre : chacun influe donc sur
le mouvement de l'autre et par conséquent, ils possèdent de l'énergie ( cas ).
Cette énergie étant spécifique aux liaisons chimiques, on l'appelle "énergie de liaison" ou "énergie chimique".
Lors d'une réaction, les liaisons atomiques des molécules se cassent et celles des produits se forment :
l'énergie chimique des réactifs devient l'énergie chimique des produits.
Important : la température augmente souvent lors d'une réaction et si c'est une combustion, de la lumière
est produite ( ce qui montre aussi, d'ailleurs, que les molécules ont de l'énergie : cas et ) :
une partie de l'énergie chimique des réactifs devient aussi de l'énergie thermique (et lumineuse).
3) TRANSFERTS ET CONSERVATION DE L'ENERGIE
Ces transferts se font souvent par l'intermédiaire d'appareils appelés "convertisseurs d'énergie",
et on les représente sur des schémas où le convertisseur est entouré au centre,
avec les objets encadrés de chaque côté qui échangent de l'énergie.
exemple 1 : schéma de transferts d'énergie d'une pile
les réactifs sont la "source d'énergie", et c'est une source d'énergie chimique ; en effet, c'est une réaction chimique dans la pile qui provoque le passage du courant dans le circuit (fonctionnement étudié au lycée).
les réactifs "fournissent" de l'énergie chimique à la pile , la pile "reçoit" cette énergie et la transfère en partie aux
produits, le reste étant converti en énergies électrique et thermique qui sont transférées au circuit et au milieu extérieur.
le milieu extérieur, c'est tout ce qui entoure le convertisseur . : le sol et l'air environnants généralement.
une pile chauffe toujours un peu, d'où la présence de l'énergie thermique ici.
-- le solvant sépare et disperse les molécules, atomes ou ions du soluté.
-- quand le solvant est de l'eau, on parle de "solution aqueuse".
2) SOLUTIONS (AQUEUSES) ACIDES
Dans la vie courante, dire d’une solution qu’elle est "acide" est lié à son goût. En chimie, ça n'a rien à voir :
cela signifie que . la solution contient une quantité importante d'ions H+ , les ions "hydrogène". .
Ce sont ces ions qui peuvent provoquer des réactions chimiques "violentes" avec certaines substances.
exemple : l'acide chlorhydrique, solution aqueuse qui contient des ions hydrogène H+ et des ions chlorure Cl
- .
3) SOLUTIONS (AQUEUSES) BASIQUES
Une solution est "basique" si elle contient une quantité importante d'ions HO , les ions "hydroxyde".
exemple : la soude, solution aqueuse qui contient des ions hydroxyde HO- et des ions sodium Na
+.
4) IMPORTANCE ET DANGEROSITÉ
Les ions H+ et HO
- sont importants car ils interviennent dans un grand nombre de réactions chimiques
et ils sont présents dans toute solution aqueuse, y compris l'eau "pure" même s'ils y sont en faible quantité.
(l'eau n'est donc ni acide ni basique, et jamais "pure" non plus).
Dans tous les cas, on a observé que :
-- quand il y a beaucoup d'ions H+ , il y a très peu d'ions HO
-
-- quand il y a beaucoup d'ions HO- , il y a très peu d'ions H
+
-- quand il y en a autant, il y en a peu des deux : c'est le cas de l'eau.
Les ions H+ et HO
- sont aussi dangereux car ils réagissent entre autres avec la peau, les yeux, et
les muqueuses ( membranes qui tapissent certaines cavités du corps comme le nez, la bouche etc. ).
Et par définition, si ces derniers réagissent, ils disparaissent… ( pour former d'autres substances, liquides ).
Il ne faut jamais mélanger des solutions acides et basiques concentrées car la majeure partie de leurs ions
réagiront de la manière suivante : H+ + HO
- H2O.
Le danger ne vient pas de l'eau formée mais du fait que cette réaction chauffe énormément, à tel point que le
liquide bouillonne instantanément et qu'il y a des risques de projections acides ou basiques.
5) pH
L'acidité et la basicité d'une solution aqueuse sont données
par son pH dont la valeur est comprise entre 0 et 14.
Rq : quand la solution est neutre, c'est qu'elle contient
autant d'ions H+ que d'ions HO
- et en faible quantité.
Plus le pH est faible, plus la solution est acide ( = plus elle contient d'ions H+ et moins elle contient d'ions HO
- ).
Plus le pH est élevé, plus la solution est basique ( = plus elle contient d'ions HO- et moins elle contient d'ions H
+ ).
Le pH se mesure avec du papier-pH ou un pH-mètre ( appareil électronique avec une sonde ).
Une solution dont le pH est inférieur à 7 est acide,
elle est basique si son pH est supérieur à 7,
et "neutre" s'il est égal à 7.
c'est "complémentaire"
(explication au lycée)
p 12
cours de M. Fillodeau
III REACTION DES SOLUTIONS ACIDES ET BASIQUES AVEC CERTAINES SUBSTANCES
1) EXEMPLE : REACTION ENTRE L'ACIDE CHLORHYDRIQUE ET LE FER
a) Expérience
Dans un tube à essais, on verse de l'acide chlorhydrique sur de la poudre de fer :
-- des bulles (donc un gaz) se dégagent, apparaissent.
-- au bout d'un certain temps, il n'y a plus de fer et le liquide devient jaune.
il y a eu une réaction chimique, où le fer et l'acide sont les réactifs.
et où le gaz et ce qui donne la couleur jaune sont les produits.
b) Identification des produits formés
Pour identifier le gaz qui se forme, on en recueille dans un autre tube à essais en utilisant la méthode par
déplacement d'eau que vous verrez en TP.
Puis on effectue les tests page 11 : seul le test du dihydrogène est positif.
Lorsque la réaction est terminée (quand on ne voit plus de bulles), on effectue les tests des ions (page 11)
sur la solution d'acide chlorhydrique pour voir si de nouveaux ions sont apparus :
-- on ne fait pas le test des ions Cl – car on sait qu'il y en a, vu qu'on a utilisé de l’acide chlorhydrique.
-- on se doute que la couleur jaune doit être due à des ions Fe2+
ou à des ions Fe3+
le test à la soude donne un précipité vert : des ions Fe2+
se sont formés.
c) Bilan et équation-bilan
Les réactifs sont le fer Fe et les ions hydrogène H+ .
Rq : avec une solution acide ne contenant pas d'ions chlorure (acide sulfurique, nitrique etc.),
la même réaction aurait eu lieu donc les ions Cl - n'interviennent pas dans cette réaction.
Les produits sont le dihydrogène H2 et les ions fer II ( Fe2+
)
Le bilan de la réaction est donc : fer + ions hydrogène dihydrogène + ions fer II
Et l'équation-bilan est : Fe + 2 H+ H2 + Fe
2+
2) COMMENT EQUILIBRER UNE EQUATION-BILAN AVEC DES IONS ?
Une règle s'ajoute les charges doivent aussi être équilibrées, par conséquent :
il doit y avoir le même total de charge à gauche et à droite de la flèche.
exemple 1 :
exemple 2 : H+ + HO- H2O qui est équilibrée, sachant qu'une charge positive "annule" une charge négative.
3) AUTRES EXEMPLES
Les ions H+ et HO
– réagissent avec de nombreuses substances.
Beaucoup de ces réactions sont nécessaires à la vie (digestion par les sucs gastriques acides, besoin d'une terre
légèrement acide ou légèrement basique en fonction du type de culture, etc.), beaucoup sont utilisées dans l'industrie,
mais d'autres aussi sont néfastes (comme les pluies acides engendrées par la pollution, qui détériorent les
monuments en pierre, acidifient les lacs détruisant ainsi certaines espèces, etc.).
On comprend l'importance des contrôles effectués par mesure de pH dans certains cas.
Cependant, ils ne réagissent pas avec tout, comme le verre et certains plastiques ( utilisés pour les conserver ).
Ils ne réagissent pas non plus avec tous les métaux.
Cette année, on n'étudiera pas de réactions avec des solutions basiques, plus compliquées notamment pour trouver
leurs équations-bilan (qui font aussi intervenir de l'eau) comme 2 Al + 2 HO - + 6 H2O 2 ( Al H4 O4 )
- + 3 H2 p 13
cours de M. Fillodeau
poudre de fer
acide chlorhydrique
gaz qui se forme
pour équilibrer Na + H+ Na+ + H2 .
étape 1 : Na + 2 H+ Na+ + H2
afin d'équilibrer l'hydrogène H
étape 2 : Na + 2 H+ 2 Na+ + H2
afin d'équilibrer les charges :
2 charges positives de chaque côté
étape 3 : 2 Na + 2 H+ 2 Na+ + H2
afin d'équilibrer le sodium Na
EXERCICES CHAPITRE 3 cours de M. Fillodeau
Exercice 1
1) a) Romuald trouve un flacon de 2 L sans étiquette, rempli d'un liquide.
Il veut savoir si ce liquide contient des ions fer Fe2+ .
Expliquer comment il doit procéder ( sachant qu'il ne doit pas "polluer" le liquide car il veut le conserver ).
b) Que doit il faire pour savoir si le liquide contient des ions hydroxyde HO - ( en grande quantité ) ?
2) Dans un tube à essais contenant une solution inconnue, on verse un peu de soude : il se forme un précipité bleu.
Dans un autre tube, c'est du nitrate d'argent que l'on verse : il ne se passe rien.
Quels renseignements tire-t-on de ces deux expériences ?
Exercice 2
1) En chimie, qu'est-ce qu'une solution ? une solution aqueuse ? une solution acide ? une solution basique ?
2) Ecrire simplement les trous de ce texte sur votre feuille ( dans l'ordre ) :
Une solution dont le pH est égal à 4 est …… acide qu'une solution dont le pH est 5 et …… acide qu'une solution de pH 3.
Plus une solution est …… plus son pH est élevé. Une solution de pH 10 est …… basique et plus …… qu'une solution de pH 12
Les ions H+ s'appellent les ions …… , les ions HO - sont les ions …… et ils sont très importants en chimie car ils …… .
Si une solution contient beaucoup d'ions hydroxyde, elle contient forcément …… d'ions hydrogène, et inversement :
une solution dont le pH est 1 par exemple, très …… , contient …… d'ions hydrogène et …… d'ions hydroxyde.
Une solution dont le pH est 3 contient …… d'ions H+ et …… d'ions HO - qu'une solution dont le pH est 6.
Une solution dont le pH est proche de 7 contient …… d'ions hydrogène que d'ions hydroxyde, et en …… quantité :
cette solution n'est ni acide ni basique, on la dit …… .
3) a) Les solutions acides et basiques sont dangereuses : pourquoi ?
b) Quelle est l'équation-bilan de la réaction qui a lieu quand on mélange une solution acide avec une solution basique ?
Pourquoi cette réaction est-elle dangereuse quand les deux solutions sont concentrées ?
Exercice 3 recopier et équilibrer les équations-bilan suivantes ( c'est difficile, ne cherchez pas des heures… ) :
a) Ag + + I - Ag + I2 b) Au3+ + Cu Au + Cu2+ c) Br2 + Fe2+ Br - + Fe3+
Exercice 4
L'aluminium ( Al ) réagit avec les solutions acides en donnant du dihydrogène et des ions Al 3+ .
1) a) Quels sont les réactifs et les produits de cette réaction ( préciser leur formule ) ?
b) Ecrire le bilan puis l'équation-bilan de cette réaction.
c) Quand cette réaction s'arrêtera-t-elle ( deux possibilités ) ?
Dans les deux cas, une observation simple permet de savoir que la réaction est terminée : laquelle ?
d) Si on dispose de solutions d'acide chlorhydrique et d'acide sulfurique pour faire cette réaction, tous les deux étant aussi
concentrés l'un que l'autre ( même quantité d'ions hydrogène ) : lequel doit-on choisir ? Expliquer.
e) Que faut-il faire pour montrer que du dihydrogène et des ions Al 3+ se sont formés ( bien décrire les façons de procéder ) ?
2) Sachant que avec 1g d'ions H+ , on peut faire réagir 9g d'aluminium ,
dire dans les deux cas suivants s'il reste de l'aluminium après réaction ( à expliquer ), et en quelle quantité :
a) au départ, on mélange 10g d'ions H+ ( dispersés dans de l'eau ) et 80g d'aluminium.
b) au départ, on mélange 3g d'ions H+ et 35g d'aluminium.
p 14
Exercice 5
On ajoute de la soude dans un verre d'eau contenant 5 g d'ions Fe2+ : un précipité vert de formule FeO2H2 se forme selon la
réaction dont l'équation-bilan est : Fe2+ + 2 HO - FeO2H2
Au départ, la solution était jaune, comme toute solution contenant des ions Fe2+ ; après réaction : elle ne l'est plus.
Après réaction, on filtre pour récupérer le précipité vert, on le fait sécher et on le pèse : sa masse est de 8 g.
Quelle masse d'ions hydroxyde a réagi lors de cette réaction ? Expliquer.
chapitre 4 MOUVEMENT ET VITESSE cours de M. Fillodeau
I RÉFÉRENTIEL ET RELATIVITÉ DU MOUVEMENT
En physique : -- le "système" est l'objet dont on étudie le mouvement
-- le "référentiel" est l'objet de référence par rapport auquel on décrit le mouvement du système étudié.
Exemple :
Par rapport à A (référentiel 1), le système C se déplace : il est en mouvement (et sa vitesse n'est pas nulle).
Par rapport à B (référentiel 2), le système C n'est pas en mouvement : il est immobile (et sa vitesse est nulle).
On dit aussi que, dans le référentiel 2, C est au repos .
Bien souvent, le référentiel choisi est la Terre ou un objet immobile sur la Terre ( comme A ).
Et dans les exercices, si le référentiel n'est pas précisé, c'est qu'il s'agit de la Terre (c'est sous-entendu).
II EXEMPLES DE MOUVEMENTS
1) TYPES DE TRAJECTOIRES
Exemples :
dans l'exemple précédent, la trajectoire de C dans le référentiel 1 (le personnage A) est une droite.
deux personnages sont sur un manège :
-- D est assis sur le cheval de bois
-- E se dirige vers le centre du manège (le plus directement possible).
Un autre personnage, F , les observe sur la terre ferme.
Par rapport à F , la trajectoire de D est un cercle.
Par rapport à D , la trajectoire de E est une droite, son mouvement est donc rectiligne.
Par rapport à F , la trajectoire de E est une spirale.
La trajectoire de E dépend du référentiel choisi !
2) MOUVEMENTS UNIFORMES, ACCÉLÉRÉS ET RALENTIS
Exemples :
A
r éf ér ent iel 1 r éf ér ent iel 2 syst èm e
A est im m obile
par r appor t au sol
B C t r ain en m ouvem ent
Le mouvement et la vitesse d'un système dépendent du référentiel choisi.
on dit que le mouvement d'un système est "relatif" au référentiel choisi.
Il faut donc toujours préciser le référentiel choisi quand on étudie le mouvement d'un système.
La trajectoire d'un système est la ligne qu'il suit lors de son déplacement et elle dépend du référentiel choisi.
Quand la trajectoire du système (dans un référentiel donné) est une droite, son mouvement est dit rectiligne.
Par rapport à un référentiel donné, le mouvement d'un système est :
-- uniforme si, sur des durées égales, la distance qu'il parcourt est toujours la même (sa vitesse est constante).
-- accéléré si, sur des durées égales, la distance qu'il parcourt est de plus en plus grande (sa vitesse augmente).
-- ralenti si, sur des durées égales, la distance qu'il parcourt est de plus en plus petite (sa vitesse diminue).
p 15
F
ED
F
D E
Quand la trajectoire du système (dans un référentiel donné) est un cercle,
son mouvement est dit circulaire.
objet
G G
posi tion 1
pos i tion 5
posi t ion 4
posi t ion 3
posi tion 2
sens dumouvement
sens dumouvement
Exemples : pour tous les exemples qui suivent, le référentiel d'étude est la Terre.
cas 1 : sur un même schéma, on dessine la position d'un marcheur toutes les 0,5 secondes.
les distances a , b , c et d sont toutes les mêmes, le mouvement du marcheur est rectiligne et uniforme.
cas 2 : même expérience avec une bille qui roule sur un support arrondi ( 0,5 seconde sépare chacune des positions ).
cas 3 : même expérience avec une voiture qui monte une forte pente
( toujours 0,5 seconde entre chaque position )
le mouvement de la voiture est rectiligne et ralenti.
III VITESSE DU SYSTEME
On ne considèrera ici que des mouvements de systèmes par rapport au référentiel Terre.
1) VITESSE INSTANTANEE
C'est la vitesse indiquée sur le tableau de bord d'une voiture par exemple : il donne la vitesse de la voiture
à l'instant où on le regarde (vitesse du système voiture par rapport au référentiel Terre).
2) VITESSE MOYENNE
a) exemple
Un train a mis une heure pour relier deux villes séparées par 100 km.
sa vitesse moyenne a été de 100 km/h ( "100 kilomètres par heure" ).
c'est une valeur moyenne car parfois il a roulé plus vite, et parfois moins (surtout s'il y a eu des arrêts).
b) formule
3) VECTEUR VITESSE
Quand on étudie le mouvement d'un système, on ne considère souvent qu'un seul de ses points :
son centre d'inertie qui est celui qui a la trajectoire la plus simple.
Il s'agit du centre de la bille pour le cas 2 vu plus haut, le seul dont la trajectoire est un cercle car pour les autres
(comme un point à la surface de la bille), la trajectoire est plus complexe (essayez de l'imaginer…).
Dans les cas simples du collège et du lycée, le centre d'inertie
d'un objet est confondu avec son centre de gravité , on le note G,
et on le trouve en suspendant l'objet par un fil en divers endroits :
G est le point d'intersection de tous les prolongements du fil
(et c'est souvent le centre de l'objet s'il est symétrique).
Le centre de gravité est en fait le point choisi pour appliquer
la force liée à la gravitation sur un objet : voir chapitre suivant.
sens du
mouvement
cours de M. Fillodeau
v =
=
unités fréquentes : km/h et m/s
formule valable pour un calcul de vitesse moyenne
ou lorsque la vitesse du système est constante (mouvement uniforme).
a b dc
posit ion 1 p osit ion 5p osit ion 4p osit ion 3p osit ion 2
p 16
f i l plafond
posit ion 1
sens du
m ouvem ent
posit ion 3
posit ion 5
posit ion 4
posit ion 2
le mouvement de la bille est circulaire et accéléré ( entre les positions 1 et 5 ).
en posit ion 1
sens du
m ouvem ent
x
x
x
x
x
G
G
en posit ion 3G
G
en posit ion 2
G xG
x en posit ion 7G
Sur un schéma, une flèche qu'on appelle un "vecteur" et que l'on note v, représente toutes ces caractéristiques,
à condition de préciser une échelle pour les valeurs.
La direction est la DROITE qui "porte" le vecteur vitesse. .
Dans les cas simples, elle est verticale ou horizontale , sinon . elle est toujours tangente à la trajectoire. .
La tangente en un point d'une courbe est la droite que la courbe paraît être quand on "zoome" fortement sur ce point.
Le sens peut être vers la droite, la gauche, le haut ou le bas , sinon c'est toujours celui du mouvement.
exemple : trajectoire et positions du centre d'inertie G de la bille du cas 2 , avec l'échelle 1cm = 1m/s
chapitre 5 LES FORCES cours de M. Fillodeau
I MANIFESTATION D'UNE FORCE
On désigne par "force" toute cause capable de modifier la forme ou le mouvement de l'objet
sur lequel elle s'applique.
exemples : -- si j'appuie sur une bouteille en plastique, elle se déforme elle est "soumise" à une force
-- une boîte est immobile (au "repos"), je la pousse elle est "soumise" à une force
-- un objet en fer lancé près d'un aimant est dévié de sa trajectoire il est soumis à une force.
Rq : on utilise souvent aussi le mot "action" pour parler d'une force.
II CARACTERISTIQUES ET REPRESENTATION D'UNE FORCE
Sur un schéma, comme pour une vitesse, un vecteur force F représente toutes ces caractéristiques,
à condition de choisir une échelle pour l'intensité.
exemple :
(cas de la boîte que l'on pousse)
L'intensité de F se note F (sans la flèche) , et ici, F = 100 N. Le point d'application est C.
La direction est la droite qui "porte" le vecteur , elle est horizontale ici, et le sens est "vers la droite".
Attention : la direction d'une force ne sera pas toujours tangente à la trajectoire et son sens ne sera pas toujours celui du mouvement.
La vitesse instantanée du centre d'inertie d'un système est totalement définie par une "direction" (c'est
tout simplement une droite), un sens (l'orientation sur la droite) et une valeur (en m/s par exemple).
Une force est toujours exercée par un auteur A sur un objet B.
Elle est caractérisée par : -- sa direction ( c'est une droite )
-- son sens ( = orientation sur la droite )
-- son intensité (ou valeur), exprimée en Newton ( N )
-- un point d'application ( sur l'objet B soumis à cette force )
p 17
A
BF
direction
C
v5 direction n°5
v3
direction n°3
trajectoire
dire
ctio
n n°
7
v7
caractéristiques de v5 :
direction : droite horizontale
sens : vers la droite
valeur : 2m/s
caractéristiques des vecteurs v3 et v7 :
direction : droite tangente à la trajectoire
sens : celui du mouvement
valeur : 1m/s
échelle choisie : 1cm = 100 N
^
^
FG
A
BFA/B
G
P
sol
Si je pousse plus fort, l'intensité F de F est plus grande
par exemple, si F = 200 N :
Rq : on utilise souvent des notations du type FA/B ou FA B pour parler de la force exercée par A sur B.
L'intensité d'une force se mesure avec un dynamomètre (quand c'est possible) : voir TP et exercices.
pour se faire une idée , intensité de la force exercée par le doigt sur le poussoir d'un stylo : 1 N
intensité de la force exercée par un homme portant une charge de 50 kg : 500 N
intensité de la force exercée par un fusil sur une balle : 4000 N
III FORCES RÉPARTIES
La plupart des forces sont "réparties" : elles s'exercent en plusieurs points d'un objet.
exemples : (a) force exercée par le vent sur la voile d'un bateau
(b) force exercée par un marteau sur la "tête" d'un clou :
(c) tout objet est attiré vers le sol car sur chacun de ses
atomes s'exerce une force de pesanteur
Pour simplifier, on représente ces forces comme une force unique s'appliquant en un seul point (généralement
le centre d'inertie de l'objet, confondu dans la plupart des cas avec le centre de gravité G ) et dont l'intensité
est la somme des intensités de toutes les "petites" forces s'appliquant réellement sur l'objet.
(a) (b) (c)
Rq : pour le cas (b) , on choisit le centre de la surface de contact entre le marteau et le clou comme point
d'application.
IV CAS PARTICULIER : LE POIDS Dans le cas (c) , P est le poids de l'objet.
-- Si les deux objets sont de masse équivalente, ils bougent tous les deux. Mais si l'un est beaucoup plus léger que
l'autre, il est le seul à bouger : c'est le cas de tout objet commun à proximité d'une planète ou d'une étoile.
-- On ne peut pas observer cette attraction entre deux objets posés sur le sol car elle est très faible par rapport à
celle exercée par la Terre (excessivement plus lourde) sur chacun d'entre eux et qui les maintient au sol.
sol A
B
Attention en physique, la masse et le poids ne sont pas la même chose :
-- la masse d'un objet est la grandeur, souvent exprimée en kilogrammes, qu'on lit sur une balance
-- le poids d'un objet est une force, la force de pesanteur exercée par une planète sur cet objet.
cours de M. Fillodeau
p 18
F
On s'est rendu compte que les objets s'attirent du fait de leur masse, c'est un phénomène qu'on ne sait pas
expliquer et qui s'appelle la gravitation.
Et : plus la masse des objets est importante, plus ils s'attirent.
plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils s'attirent.
-- direction : droite horizontale
-- sens : vers la droite
-- point d'application : C
-- intensité (ou valeur) : FA/B = 200 N
FA/B : C
les caractéristiques de FA/B sont alors :
R
P
sol
G
O
x
x
plafond
x
x
AT
G
P
F
x
x
x
Fsol
Fair
RP
Rq : pour la clarté du schéma, on a décalé P et R mais ces vecteurs sont portés par la même droite.
La force poids d'un objet étant liée à la gravitation, son intensité dépend de la masse m de cet objet, de la
masse M de la planète qui l'attire et de leur éloignement d (d étant mesuré par rapport au centre de la planète).
C'est ce que montre la formule suivante (démonstration hors programme)
G étant la "constante universelle de la gravitation", dont la valeur est 6,67 x10-11
g s'appelle "intensité de la pesanteur" et dépend uniquement de la planète et de l'éloignement : g =
attention : . dans ces formules, les masses sont toujours en kg , P en N (Newton), d en mètres et g en N/kg .
exemple : à la surface de la Terre dont la masse est MT = 5,97 x10
24 kg et le rayon RT = 6,37 x10
6 m ( = 6370km),
g = = ≈ 9,8 N/kg
et l'intensité du poids d'un objet de masse m = 5 kg posé sur le sol est P = m x g = 5 x 9,8 = 49 N
Les caractéristiques d'un vecteur force P sont toujours :
V PRINCIPE D'INERTIE
Un "principe" est une loi de physique qu'on ne sait pas démontrer et qui est admise tant que rien ne prouve le contraire.
on dit aussi que cet objet est "en équilibre statique".
exemple 1 système étudié : une boule suspendue par un fil
La boule est soumise à deux forces : -- son poids P qui l'attire vers le sol
-- la "tension" T du fil qui la retient.
La boule étant immobile, d'après le principe d'inertie,
P et T se compensent parfaitement…
… et les caractéristiques de T sont forcément T :
exemple 2 système étudié : une boîte posée sur le sol
Au total, deux forces s'exercent sur le système boîte :
son poids P et la force R de "réaction" due au contact sur le sol.
S'il n'y avait que le poids, la boîte s'enfoncerait
continuellement dans le sol…
La boîte étant immobile, il y a bien une force
qui compense le poids et ses caractéristiques sont R :
exemple 3 système étudié : une boîte que l'on pousse à vitesse constante
La boîte est soumise à cinq forces : -- son poids P , la réaction R du sol
-- la force F exercée par le pousseur
-- les forces de frottement sur le sol et de l'air : Fsol et Fair .
D'après le principe d'inertie, si le mouvement de la boîte est rectiligne uniforme,
c'est que toutes ces forces se compensent. C'est toujours le cas pour P et R ,
et donc ici, on a forcément F = Fsol + Fair (intensités des forces).
Rq : deux forces se compensent, si elles ont la même direction, la même intensité, mais des sens opposés.
Cela se traduit par T = P et R = P pour les intensités des exemples 1 et 2, et par pour les vecteurs.
souvent simplifiée par P = m x g
M x G
d2
valable dans tout l'univers
et quels que soient les objets.
(5,97 x1024) x (6,67 x10-11)
(6,37 x106)2
MT x G
RT2
Principe d'inertie : -- si un objet est soumis à des forces qui se compensent (ou à aucune force), alors
il est soit au repos ( = immobile) soit animé d'un mouvement rectiligne uniforme.
-- si un objet est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme, alors il n'est
soumis à aucune force ou à des forces qui se compensent.
-- direction : verticale
-- sens : vers le haut
-- point d'application : le centre O de la
surface de contact
-- intensité : R = P = m x g
-- direction : droite verticale
-- sens : vers le bas
-- point d'application : le centre de gravité G
-- intensité (ou valeur) : P = m x g (en Newtons)
-- direction : verticale
-- sens : vers le haut
-- point d'application : le point A
de fixation sur la boule
-- intensité : T = P = m x g
p 19
M x G
d2
P = m x
T = - P et R = - P
VI INTERACTIONS
exemples :
-- Quand A pousse la boîte B, la boîte B pousse A en retour car elle le ralentit : sans elle, avec les mêmes
impulsions musculaires, A irait plus vite. Et on a : FA/B = - FB/A et FA/B = FB/A
-- La boule suspendue tend le fil : elle exerce une force Fboule/fil sur celui-ci, et le fil la retient : le fil exerce
une force Ffil/boule sur la boule. Fboule/fil = - Ffil/boule et Fboule/fil = Ffil/boule
-- Par gravitation, deux corps s'attirent mutuellement : chacun agit sur l'autre donc 2 forces sont mises en jeu.
Pour une planète et un objet, il y a la force exercée par la planète sur l'objet ( le poids P de l'objet ) et la
force exercée par l'objet sur la planète ( qui est trop faible pour faire bouger l'énorme planète ).
Et on a P = Fplanète/objet = - Fobjet/planète et Fplanète/objet = Fobjet/planète
-- Quand un aimant attire un objet en fer, l'objet attire aussi l'aimant (et s'ils sont de masse équivalente, ils
bougent tous les deux). Les deux forces liées à cette interaction sont telles que : Faimant/objet = - Fobjet/aimant
-- Une fusée expulse les gaz issus de la combustion du carburant avec une certaine force et en retour, ces gaz
exercent la même force sur la fusée mais en sens inverse, ce qui la fait décoller.
chapitre 6 ENERGIE MECANIQUE cours de M. Fillodeau
On étudie souvent le mouvement d'objets qui évoluent sur ou près de la surface de la Terre (une voiture qui roule,
une personne qui marche, une balle qu'on lance, etc.).
Dans ce cas l'intensité de la pesanteur g (qui dépend de la distance par rapport au centre de la Terre et qui sera toujours
équivalente au rayon de la Terre ici) est considérée constante et vaut environ 10 N/kg.
Cette année, pour l'énergie mécanique, on ne s'intéressera qu'aux objets qui ne sont soumis qu'à leur poids P
(et à la force R de réaction du sol s'ils le touchent), et dans ce cas :
-- les seules énergies susceptibles de varier sont les énergies cinétique et potentielle de ces objets, dont on va
voir les définitions sur la page suivante ( leurs énergies internes chimique et nucléaire par exemple, liée à
leurs molécules et atomes, ne changera pas ).
-- on ne tient pas compte des forces de frottements de l'air (négligeables sur de courtes distances) ni des forces
de frottements sur le sol (impossible dans la réalité, sauf sur la glace) par conséquent :
aucune énergie n'est échangée avec l'extérieur et l'énergie totale de l'objet se conserve.
Les années suivantes, d'autres forces seront considérées (dont celles de frottements) et pour chacune, l'énergie
qu'elle met en jeu et les échanges avec l'extérieur que cela implique : ce sera plus compliqué...
Vous apprendrez aussi les raisons pour lesquelles la force R de réaction n'intervient pas quand on travaille sur
l'énergie et pourquoi le système étudié sera plutôt l'ensemble Terre + objet .
Une force n'existe jamais seule :
quand un objet A exerce une force sur un objet B, l'objet B exerce toujours la même force sur l'objet A
mais en sens inverse. On parle d'interaction entre les deux objets ou encore d'action/réaction.
A
B
FA/B
B/A
plafond
x
Ffil / boule
Fboule / fil
aimant
x
Fobjet / aimantFaimant / objet
x
objeten fer
planète
X
X
objet
Fobjet / planète
Fplanète / objet
p 20
attention : -- quand on parle d'interaction, on considère deux objets et seulement deux forces
-- quand on travaille sur le principe d'inertie, on n'étudie qu'un objet et toutes les forces qu'il subit.
I ENERGIE CINETIQUE
Quand un objet est en mouvement, il peut en faire bouger un autre (par choc), il possède donc de l'énergie (voir page 2) qu'on appelle l'énergie cinétique et qu'on note souvent Ec ou Ecin.
L'énergie cinétique dépend de la vitesse v et de la masse m de l'objet car :
-- plus la vitesse de l'objet est importante, plus le choc sera violent et plus l'objet heurté bougera.
-- à même vitesse, plus l'objet est lourd, plus le choc est violent (un camion fait plus de dégâts qu'une voiture...).
Formule :
II ENERGIE POTENTIELLE ( ou ENERGIE DE POSITION )
Par définition, une force modifie le mouvement d'un objet et le mouvement d'un objet le rend capable d'en faire
bouger un autre, plus ou moins selon que la force l'accélère ou le ralentit : une force modifie donc l'énergie de l'objet.
L'énergie potentielle est l'énergie qui est liée à la force poids P de l'objet :
Comme la gravitation, l'énergie potentielle dépend de l'altitude z et de la masse m de l'objet. En effet, s'il tombe :
-- plus l'altitude de l'objet est élevée, plus l'impact sur le sol est important (donc plus d'énergie est transférée au sol)
une boule de pétanque lâchée de 10 mètres s'enfonce plus dans le sable qu'une autre lâchée de 1m.
-- à même hauteur, plus l'objet est lourd, plus l'impact sur le sol est important
une boule de pétanque lâchée de 1 m s'enfonce plus dans le sable qu'une balle de tennis aussi lâchée de 1 m.
Formule :
z est l'altitude de l'objet . , qui par définition est nulle au niveau (= surface) de la mer.
Comme on ne considère cette année que des objets qui évoluent sur ou près de la surface de la Terre,
l'énergie potentielle d'un système est considérée nulle à l'altitude la plus basse qu'il peut atteindre, donc
au niveau de la mer.
La formule Ep = m g z est en accord avec ces considérations : si z = 0 m, Ep = m g z = 0 J.
Selon les situations, la formule peut être . Ep = m g h . où h est la hauteur de l'objet.
La hauteur h est généralement mesurée à partir du sol plat (sans pente) où on fait nos expériences et qui n'est
pas forcément au niveau de la mer : dans notre salle de classe qui est à l'altitude 120 m par exemple.
L'altitude n'y est pas nulle mais ce sol est le niveau le plus bas que le système étudié pourra atteindre et on y
considèrera l'énergie potentielle comme nulle : pour h = 0 m , Ep = m g h = 0 J.
III ENERGIE MECANIQUE
L'énergie mécanique d'un objet, souvent notée Em ou Eméca ,
est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle
. Les objets étudiés, seulement soumis à leur poids . , n'échangeront aucune énergie avec l'extérieur
donc leur énergie totale ( = énergie mécanique + énergie interne qui ne change pas ) se conserve.
Et par conséquent, . leur énergie mécanique se conserve . ( = reste la même, est constante ).
Ec = m x v
2
2
démonstration hors programme.
et si m est en kg et v en m/s
alors Ec est en joules ( J ) .
Un objet possède une énergie du fait de la gravitation qui le met ou peut le mettre en mouvement.
On l'appelle énergie potentielle ou de position et on la note souvent Ep, Epot ou Epos.
démonstration hors programme.
avec g ≈ 10 N/kg , m en kg , z en mètres et Ep en joules ( J ) .
Em = Ec + Ep
cours de M. Fillodeau
p 21
Ec = m x v
2
2
J
kg m/s
J
Ep = m x g x z
kg m
EXERCICES CHAPITRE 6
chapitre 7 LE SON cours de M. Fillodeau
I ONDES SONORES
Un son est une vibration de l'air qui se propage . : on parle d'onde sonore.
Quand une corde de guitare vibre, elle fait vibrer l'air qui l'entoure, qui lui-même fait vibrer l'air qui l'entoure,
qui lui-même fait vibrer l'air qui l'entoure, qui lui-même…
L'air vibre ainsi par couches successives jusqu'au tympan ( membrane fine de 0,1mm d'épaisseur ) de la
personne qui écoute. Les vibrations du tympan sont interprétées par le cerveau comme une sensation sonore.
Si les vibrations sont régulières (en se répétant identiques à elles-mêmes) :
exemple : les ailes d'une mouche vibrent 300 fois par seconde et 600 pour celles d'un moustique,
le moustique produit donc un son plus aigu.
1 Hz = 1 vibration par seconde
L'oreille humaine perçoit les sons de fréquence allant de 20 à 20 000 Hz.
On parle d'infrasons pour les sons dont F < 20 Hz et d'ultrasons pour les sons dont F > 20 000 Hz.
La période T est la durée d'une vibration complète (qui se répète).
Elle est liée à la fréquence par la formule
où F est en Hz et T en seconde
EXERCICE 1 n'oubliez pas : une formule avant tout calcul...
1) a) Quelle est l'énergie cinétique d'une voiture de 1,2 tonne qui roule à 80 km/h ?
b) Quelle est la masse d'une boule qui roule à 2 m/s et dont l'énergie cinétique est de 10 J ?
c) Quelle est la vitesse d'un cycliste de 90 kg (avec son vélo) dont l'énergie cinétique est 5,5 kJ ?
2) a) Quel autre nom donne-t-on à l'énergie potentielle ?
b) Quelle est l'énergie potentielle d'un objet de 2kg situé à 50m du sol ?
3) Quelle est l'énergie mécanique du cycliste de la question 1) c) sachant de plus qu'il roule sur un plateau à 1000 m d'altitude ?
EXERCICE 3 : une pierre de 625g est lâchée d'une falaise de 16m.
Avec ces seules données (sans aucun appareil de mesure de vitesse) et sachant que l'énergie mécanique de la pierre se conserve,
calculer la vitesse de la pierre juste avant qu'elle ne touche le sol (où l'altitude sera considérée comme nulle).
indice : il faut raisonner avec l'énergie mécanique de la pierre au moment du lâcher et juste avant qu'elle ne touche le sol.
EXERCICE 2
On reprend les résultats de l'expérience de l'objet qui chute de 1,5 m de hauteur
et dont on mesure la vitesse v à différents moments.
La masse m de l'objet est 35g et la valeur de l'intensité de la pesanteur est g ≈ 10 N/kg.
hauteur h en m 1,50 1,45 1,35 1,20 1,00 0,75 0,50 0,15
vitesse v en m/s 0 0,98 1,71 2,42 3,13 3,83 4,43 5,14
énergie cinétique en J
énergie potentielle en J
énergie mécanique en J
1) Remplir les cases vides du tableau. Donner les formules et les calculs pour la hauteur de 1 m.
2) a) Qu'en concluez vous pour l'énergie mécanique ?
b) Pourquoi peut-on dire que l'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique ?
h
h
o
capteur de vitesse
La fréquence F des vibrations est le nombre de vibrations qu'il y a par seconde.
Plus l'air vibre vite, plus la fréquence est élevée et plus le son est aigu.
La fréquence F se mesure en hertz ( Hz ).
F =
p 22 Hz
s
II REPRESENTATION GRAPHIQUE
1) SON PUR
Le haut-parleur d'une enceinte contient une membrane que l'on fait vibrer. En vibrant, elle produit des sons.
Elle vibre en suivant les variations de la tension électrique qu'on applique aux bornes du haut parleur.
Si la courbe qui représente ces variations à une allure "sinusoïdale" , le son produit est dit "pur".
Rq : -- le motif est la partie la plus petite possible de la courbe qui se répète sans cesse.
-- le volume du son augmente avec la tension maximum appliquée ( 3V sur l'exemple précédent ).
-- un micro contient une membrane qui vibre selon le son perçu ( comme un tympan ) et il "convertit" ces
vibrations en courant électrique dont la tension suivra exactement les variations liées à ce son ;
ce courant est ensuite amplifié et alimente le haut-parleur qui reproduit alors exactement le son capté.
2) SON COMPLEXE
Les sons courants ne sont pas purs et l'allure des courbes
de tensions correspondantes sont plus "complexes".
exemple ( extrait d'un enregistrement vocal )
III VITESSE DE PROPAGATION DU SON
La vitesse de propagation du son dépend du milieu dans lequel il évolue :
-- . dans l'air, le son se propage à 340 mètres par seconde : 340 m/s .
c'est la vitesse de transmission des vibrations d'une couche d'air à l'autre.
-- dans l'eau, le son se propage à 1450 m/s ; dans le fer : 6000 m/s.
dans un liquide, les molécules se touchent, la transmission des vibrations est donc meilleure que dans un gaz
et elle l'est davantage encore dans un solide où les molécules sont liées entre elles (par contre l'amortissement
des vibrations est plus important : le son "va" moins loin).
On n'entend pas instantanément le son émis par un objet, surtout s'il est loin ou s'il se déplace très vite,
et comme pour tout calcul de vitesse : =
é
tension (ou volume sonore)
temps
( en V )tension
( en ms )
3
-3
tempsx
u
t
x
1020
x
tension sinusoïdale
A
B
E
D
C
20F
m otif
x
x
x
positions de la membrane du haut-parleur
A B E
CD
membrane
F
v =
p 23
cours de M. Fillodeau
chapitre 8 SIGNAUX SONORES ET LUMINEUX cours de M. Fillodeau
I ONDES LUMINEUSES
La lumière peut être considérée comme une onde c'est-à-dire une propagation de vibrations dans un milieu tel
que l'air, l'eau etc. Contrairement au son, ce n'est pas de la matière qui vibre (donc des molécules), mais certaines
propriétés du milieu (les propriétés électro-magnétiques mais cela est trop compliqué pour qu'on en dise plus en 3ème
).
Et contrairement au son, la lumière se propage dans le vide (donc dans l'espace).
On pense qu'il s'agit de la plus grande vitesse qui existe dans l'univers.
La vitesse v de la lumière dans d'autres milieux est toujours inférieure à celle du vide.
exemples : -- dans l'eau, v = 2,25 x108 m/s et dans la plupart des verres : v = 2 x10
8 m/s
-- dans l'air, la vitesse de la lumière est pratiquement égale à celle du vide.
La lumière est si rapide qu'on peut considérer qu'elle nous parvient de manière instantanée si la source de lumière
est proche de nous, mais ce n'est plus le cas si on parle de distances qui séparent des planètes ou des étoiles…
En effet, la lumière met 8,3 minutes pour nous parvenir du Soleil, elle met 79 minutes de Saturne (en moyenne),
4,23 années de l'étoile la plus proche du Soleil et 2,55 millions d'années de la galaxie la plus proche !
soit 10 000 milliards de km environ (1013
km).
C'est une unité de distance et elle est plus pratique que le km pour parler de très grandes distances.
On dit alors que l'étoile la plus proche du Soleil est à 4,23 années-lumière plutôt qu'à 42 300 000 000 000 km.
II SIGNAL ET INFORMATION
Le son et la lumière sont aussi utilisés pour transmettre un "signal" ( = des variations spécifiques ) et donc
une information ( = analyse de ces variations ) entre un émetteur et un récepteur.
Par exemple, lors d'une échographie (qui permet de voir le fœtus d'une femme enceinte), plusieurs ultrasons sont envoyés
dans le corps et reviennent vers la sonde après avoir rencontré des obstacles. En fonction du type d'obstacle (liquide, tissus,
os etc.), leur retour est plus ou moins intense. La sonde détecte ces différences d'intensité (qui constituent le signal ici) et
les "transforme", via un ordinateur, en image (l'information ici) : une forte intensité correspond à un point blanc de l'image,
une faible à un point noir.
Autre exemple : une télécommande contient une lampe à infrarouges qui envoie des rayons lumineux (invisibles pour l'œil
humain) vers la TV. Cette lampe éclaire et s'éteint plusieurs fois d'affilée mais de manière différente en fonction du bouton
sur lequel on appuie : cela constitue le signal ici. Un ensemble capteur/circuit électronique dans la TV reçoit et analyse ce
signal pour en tirer l'information correspondant au bouton sur lequel on a appuyé. Des courants électriques sont alors créés
dans les circuits concernés de la TV pour effectuer la tâche demandée.
Dans le vide, la vitesse de propagation de la lumière est notée c et vaut environ 3 x108 = 300 000 000 m/s
Une année-lumière ( al ) est la distance parcourue par la lumière en une année (dans le vide)
p 24
QUELQUES FORMULES ET DEFINITIONS EN PHYSIQUE - CHIMIE (cours de M. Fillodeau)