RÉPUBLIQUE TUNISIENNE MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION SCIENCES PHYSIQUES l eme 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
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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
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
^ 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.
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
* 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
^ Je me procure le matériel suivant :
* 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
J'analyse et j'explique
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.
J'évalue mes propres acquis
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
J'observe et je m'interroge
* 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 ?
Je manipule et je constate
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
J'analyse et j'explique
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
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^
J'évalue mes propres acquis
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 pres- sion 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
0 J'observe et je m'interroge
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 cherche et je m'assure
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.
J'évalue mes propres acquis
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
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
Je m'entraîne à résoudre des problèmes
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 ?
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 manipule et je constate
^ 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.
J'évalue mes propres acquis
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
0 J'observe et je m'interroge
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.
>- 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.
J'évalue mes propres acquis
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
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
Je m'entraîne à résoudre des problèmes
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
J'étudie un document scientifique
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.
Je manipule tout seul
Comment puis-je écorcer un œuf sans le casser ?
, ®
Matériel et produits :
Oeuf cru, un bêcher en verre et du vinaigre
Je manipule et je constate
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.
J'analyse et j'explique
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
0 J'observe et je m'interroge
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 ?
Je cherche et je m'assure
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.
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.
J'évalue mes propres acquis
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
J'observe et je m'interroge
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 cherche et je m'assure
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:
'.\YiUV t'-rc-r
rn4 -.v W>2rî
vv/ :v'.viy
W;iï^ ■. ..••
& V'1 - -•i
M M -»-v rVs
& g® -.Vi;
*;V •?-;■ •■ir
l.. /s.TJ
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
0 J'observe et je m'interroge
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 ?
Je cherche et je m'assure
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
J'observe et je m'interroge
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.
J'analyse et j'explique
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 cherche et je m'assure
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.
J'évalue mes propres acquis
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^
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
Je m'entraîne à résoudre des problèmes
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
Je puise davantage d'informations dans Internet
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.
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
0 J'observe et je m'interroge
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 &
^ Je me procure le matériel et les produits suivants :
* 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
0 J'observe et je m'interroge
<$> 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
Solution aqueuse de sel
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
J'évalue mes propres acquis
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
0 J'observe et je m'interroge
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 ?
Je manipule et je constate
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
Solution aqueuse de sel
+ 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
J'observe et je m'interroge
^ 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)
J'analyse et j'explique
- 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.
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
;
ir
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
J'observe et je m'interroge
<$>
<$>
<$>
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 manipule et je constate
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
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 manipule et je constate
^ 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.
^ 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
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 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, 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
J'évalue mes propres acquis
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
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 *» '
J'observe et je m'interroge
^ 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.
e
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.
> 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
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.
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
0 J'observe et je m'interroge
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.
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.
J'évalue mes propres acquis
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
^ Je me procure le matériel et les produits suivants :
>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.
Parmi les solutions utilisées dans la vie courante, il y a les solutions aqueuses neutres.
J'évalue mes propres acquis
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
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
Je m'entraîne à résoudre des problèmes
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.
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
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
0 J'observe et je m'interroge
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.
J'analyse et j'explique
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.
J'évalue mes propres acquis
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.
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 perpen- diculaire 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.
JM Je manipule et je constate
^ 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
J'évalue mes propres acquis
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
0 J'observe et je m'interroge
^ 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-
Je manipule et je constate
^ Je me procure le matériel suivant :
* 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.
J'analyse et j'explique
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
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.
J'évalue mes propres acquis
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-
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
[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.
J'étudie un document scientifique
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) ?
Je manipule tout seul
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 :
^ Je me procure le matériel suivant :
>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
0 J'observe et je m'interroge
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
iP j Je manipule et je constate
^ 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
J'analyse et j'explique
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.
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 manipule et je constate
Je refais l'expérience de réfraction avec le demi-cylindre en plexiglas en prêtant attention à la trace de la lumière réfractée.
H,
J'analyse et j'explique
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 manipule et je constate
^ 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
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
J'évalue mes propres acquis
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
iP j Je manipule et je constate
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
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) ?
justifier la réponse.
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.
^ 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
0 J'observe et je m'interroge
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 ?
Je cherche et je m'assure
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
J'observe et je m'interroge
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
Je cherche et je m'assure
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...)
Je manipule et je constate
Pour simuler le mirage, je réalise une expérience d'illustration en remplaçant l'air par l'eau.
^ Je me procure le matériel et les produits suivants :
>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).
J'évalue mes propres acquis
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
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
J'étudie un document scientifique
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
0 J'observe et je m'interroge
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
iP j Je manipule et je constate
^ Je me procure le matériel suivant :
* 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
J'explique ce qui s'est produit
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
JM Je manipule et je constate
^ 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
J'explique ce qui s'est produit
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.
J'évalue mes propres acquis
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
JE COMPTE SUR MOI-MÊME
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,
J'étudie un document scientifique
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
Je puise davantage d'informations dans Internet
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