PhysiqueChimiePhysiqueChimie

3J . - P. D U R A N D E A U

P. B R A M A N DM . - J . C O M T ES . D E S S A I N T

P. FAYEC . R AY N A L

D . T H ÉB O E U F

C o l l e c t i on D U R A N D E A U

Cahier d’activitésCahier d’activitése

© Hachette livre , 2008, 43 quai de Grenelle , 75905 Paris Cedex 15

Tous droits de traduction , de reproduction et d’adaptation réservés pour tous pays.Le code de la propriété intellectuelle n’autorisant , aux termes des articles L. 122-4 et L. 122-5, d’une part , que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinés à une utilisation collective », e t , d’autre part , que les « analyses e t les courtes cita tions » dans un butd’exemple et d’illustration , « toute reproduction ou reproduction intégrale ou partielle , faite sans le consentement de l’auteur ou ses ayants droit ou ayantscause , est illicite ». Cet te représentation ou reproduction , par quelques procédés que ce soit , sans autorisation de l’éditeur ou du Centre Français de l’exploi-tation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Codepénal.

Couverture : Favre et LhaïkComposit ion et maquette intérieure : MédiamaxSchémas : DominoSuivi éditorial : Anna Hurwic

I.S.B.N . 978-2-01-125534-1

Photographie couverture : © Grunter Marx photography / Corbis

Préface 3

Cette année , le programme comporte trois parties : • La chimie, science de la transformation de la matière ; • Énergie électrique et circuits électriques en « alternatif » ;• De la gravitation… à l’énergie mécanique.

Nous avons conçu ce cahier d’activités pour t’aider :

• En classe :La partie activités, dans chaque chapitre , te permettra de décrire et d’interpréter lesexpériences réalisées sous la conduite du professeur. Tu pourras aussi acquérir le vocabulaire scientifique .

• À la maison :Les exercices d’application te permettront de vérifier si tu as bien appris e t bien comprisle cours.

Nous te souhaitons une bonne réussite dans tes é tudes.

Les auteurs.

Préface

Sommaire

A. La chimie, science de la transformation de la matière

1 Les métaux de la vie quotidienne ........................................................................................... 5

2 Conduction électrique des métaux ........................................................................................ 9

3 Conduction électrique des solutions aqueuses ................................................................. 13

4 Ions et pH ........................................................................................................................................... 17

5 Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer .................................................................... 22

6 Pile et énergie .................................................................................................................................... 26

7 Synthèse d’espèces chimiques.................................................................................................... 30

B. Énergie électrique et circuits électriques en « alternatif »

8 Production de l’énergie électrique .......................................................................................... 34

9 Tension continue et tension variable ...................................................................................... 38

10 Tension alternative périodique .................................................................................................. 43

11 Puissance électrique ....................................................................................................................... 47

12 Énergie électrique ........................................................................................................................... 52

C. De la gravitation... à l’énergie mécanique

13 Gravitation et poids ........................................................................................................................ 56

14 Énergie cinétique.............................................................................................................................. 61

Sommaire4 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

1. Les métaux de la vie quotidienne 5© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Les métaux de la vie quotidienneConnaissances et capacités• Savoir que les métaux les plus couramment utilisés sont le fer, le zinc, l’aluminium, le cuivre, l’argent et l’or.• Reconnaître, par des tests qualitatifs simples, quelques métaux usuels.

Activités

Comment reconnaître les différents métaux ?

1/ L’aspect des différents métauxRelie le nom du métal à sa couleur.

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2/ Le phénomène de corrosionLe fer subit facilement le phénomène de corrosion .

a. Que se passe-t-il alors ?

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b. Quelle est l’origine de ce phénomène ?

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c. Comment protège-t-on le fer ? Donne un exemple .

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3/ Distinguer le fer de l’aluminiumDécris une expérience qui permet de distinguer une canette en acier d’une canette en aluminium . Illustre ta description par un schéma .

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orangéfer

jaune brillantcuivre

gris-blanczinc

grisor

1

1

canette enaluminium

canette enacier

aimant

aimant

Le fer rouille : il se recouvre d’une pellicule de rouille .

L’air humide (eau et dioxygène) est à l’origine du phénomène de corrosion .

On peut protéger le fer de la corrosion en le recouvrant de peinture .

Il faut disposer d’un aimant . La canette en acier, constituée

essentiellement de fer, est a t tirée par l’aimant , ce qui n’est pas

le cas de la canette en aluminium .

1. Les métaux de la vie quotidienne6 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Élaboration de l’acier

4/ Légender un schémaComplète les légendes avec les mots : convertisseur ; haut-fourneau ; minerai de fer ; tôle ; couléede fonte ; a ffinage ; coulée continue d’acier.

Élaboration de l’aluminium

5/ Un mineraia. Quel nom porte le minerai de l’aluminium ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. L’élaboration de l’aluminium à partir de son minerai nécessite une grande quantité d’énergieélectrique . Pourquoi ?

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Tri et recyclage

6/ Un métal à récupérer en prioritéPour quel métal les économies d’énergie réalisées en utilisant du métal recyclé sont-elles trèsimportantes ? Justif ie .

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4

3

2

coke

acier sauvage(liquide)

acier a ffiné(1 600 °C)

acier en coursde solidif icationoxycoupage

(coupe de la tôle)

brame(20 à 25 cm díépaisseur)

ferraille

dioxygène pur2 000 °C

Les économies d’énergie réalisées en utilisant du métal recyclé sont très importantes pour

l’aluminium . En effet , l’élaboration de l’aluminium à partir de son minerai se fait par électrolyse ,

procédé qui consomme beaucoup d’énergie électrique .

haut-fourneau

coulée de fonte

minerai de fer affinage

convertisseur

tôle

coulée continue d’acier

Le minerai d’aluminium est la bauxite .

L’élaboration de l’aluminium à partir de son minerai utilise une grande quantité d’énergie

électrique car le métal est obtenu par électrolyse , nécessitant des in tensités de l’ordre de

cent mille ampères.

1. Les métaux de la vie quotidienne 7© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

7/ Tri et recyclagea. Pourquoi doit-on trier les métaux ?

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b. Quels sont les avantages du recyclage des métaux ?

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1/ DensitéOn dispose d’une éprouvet te graduée , d’une balance et de trois échantillons de métaux.Avec la balance , on détermine la masse , en gramme , d’un échantillon .

On remplit à moitié d’eau une éprouvet te graduée . On note le volume V1 de l’eau . On introduit l’échantillon de métal. On note le nouveau volume V2.

a. Complète le tableau ci-dessous.

b. La valeur, en gramme , de 1 cm3 de métal est égale à sa densité .• Range ces métaux du plus dense au moins dense .

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• Pourquoi l’aluminium (ou un alliage d’aluminium) est-il préféré au fer (acier) pour réaliser desavions, des cadres de vélos, e tc. ?

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Exercices d ’application

Mesure du volume d’un échantillonde métal

Mesure du volume d’un échantillonde métal

150150

100100

200200

250250

150150

100100

200200

250250

V1

V2

Le tri des métaux permet de les séparer en vue de leur recyclage .

Le recyclage des métaux permet de préserver les ressources naturelles puisque les minerais

ne sont pas inépuisables, de réaliser des économies d’énergie et de ce fait de limiter

la production de dioxyde de carbone responsable en partie du réchauffement climatique .

échantillon fer aluminium cuivre

masse (g) 250 110 320

échantillon fer aluminium cuivre

V1 (cm3) 150 150 150

V2 (cm3) 182 191 186

fer aluminium cuivre

masse (g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

volume (cm3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

masse de 1 cm3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

250 110 320

32 41 36

7,8 2,7 8,9

Cuivre , fer, aluminium .

L’aluminium (ou un alliage d’aluminium) est préféré au fer (acier) pour réaliser des avions

e t des cadres de vélos, car c’est un métal très léger.

1. Les métaux de la vie quotidienne8 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

2/ Identification Nelly a récupéré trois f ils métalliques de même diamètre et de même longueur, qu’elle note A , Bet C. Ces f ils sont soit en fer, soit en aluminium , soit en cuivre . Pour les identifier, elle fait lesobservations suivantes :• contrairement au fil C, les f ils A et B ne sont pas a t tirés par un aimant ;• A est de couleur orangé , C gris e t B gris-blanc ;• le fil B est beaucoup plus léger que les autres.Identifie le métal dont est fait chacun des f ils en justif iant ton choix.

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3/ Quel métal suis-je ?a. Je suis de couleur orangé et je suis le matériau des f ils électriques.

Je suis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Je rouille et je suis a t tiré par un aimant .

Je suis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Je suis un métal très léger, souvent utilisé dans les avions.

Je suis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Je suis dense , j’aime le luxe et je reste brillant .

Je suis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. On m’utilisait pour recouvrir des toitures, fabriquer des gouttières.

Je suis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4/ TriQue doit-on placer dans les poubelles à couvercle jaune ?

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5/ RecyclageComment est recyclé le fer dans une aciérie ?Fais un schéma légendé .

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fonte provenantdu haut-fourneau

dioxygène

ferraille

convertisseur

le cuivre .

le fer.

l’aluminium .

l’or.

Le fil C est en fer, car il est a t tiré par un aimant et il est de couleur grise .

Le fil A , de couleur orangé et non at tiré par un aimant , est en cuivre .

Le fil B, plus léger que les autres, non attiré par un aimant et de couleur gris-blanc est en aluminium.

le zinc.

La poubelle jaune , destinée aux matériaux recyclables autres que le verre , doit être utilisée

pour les papiers e t petits cartons, les bouteilles e t flacons en plastique , les emballages métalliques

et briques alimentaires.

De la ferraille provenant des carcasses d’automobiles,

des coques de bateaux, e tc. est introduite dans

les convertisseurs.

2. Conduction électrique des métaux 9© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Conduction électrique des métauxConnaissances et capacités• Comparer et interpréter le caractère conducteur de différents solides.• Connaître les constituants d’un atome.• Comparer les ordres de grandeur des dimensions du noyau et de l’atome.

Activités

Le courant électrique dans les métaux

1/ ExpérimenteTu veux réaliser un montage électrique permettant de tester quelsmatériaux solides sont conducteurs électriques.

a. Quel dipôle choisis-tu pour détecter le passage du courant ?

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b. Donne la liste des appareils nécessaires au montage .

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c. Schématise le circuit dans le cadre ci-contre .

d. Complète le tableau ci-dessous en indiquant si la lampe (ou la D .E.L.) est allumée ou éteinte .

2/ Interprète

a. Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ? Donne un exemple .

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b. Tous les métaux conduisent-ils le courant électrique ? Donne trois exemples.

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3/ La conduction des métaux

a. Quel est le sens conventionnel du courant électrique ?

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1

2

Une lampe ou une D .E.L.

Une pile , des f ils électriques, deux pinces crocodile , une lampe

ou une D .E.L.

+ –

Matériau cuivre matière plastique fer aluminium verre zinc

État de la lampe ou de la D.E.L.

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Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique . Par exemple , le verre ne conduit pas

le courant électrique .

Tous les métaux conduisent le courant électrique . Par exemple : le cuivre , le fer, l’aluminium .

Le sens conventionnel du courant électrique va , à l’extérieur du générateur, de la borne posit ive

à la borne négative .

2. Conduction électrique des métaux10 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. Dans le schéma ci-contre , indique par une flèche rouge le sensconventionnel du courant électrique et par une flèche bleue , le sensde déplacement des électrons libres.

La structure de l’atome

4/ Étude documentaireD’après le physicien britannique Ernest RUTHERFORD (1871-1937) :« L’électricité posit ive , dans un atome , doit être concentrée à l’in térieur d’une région très petite(cet te région appelée noyau). De manière à obtenir un atome électriquement neutre , la charge posi-tive est supposée être entourée à une distance convenable d’un ensemble d’électrons chargés néga-tivement . Il est aussi nécessaire de supposer que la plus grande partie de la masse de l’a tome setrouve dans le noyau . […]Il semble certain que le noyau de l’a tome soit très petit par rapport aux dimensions de la distributionélectronique*. »

* Distribution électronique : espace sphérique occupé par les électrons.

Réponds aux questions suivantes.

a. Quels sont les constituants d’un atome ?

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b. Quel est le signe de la charge électrique du noyau ?

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c. Quel est le signe de la charge électrique des électrons ?

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d. L’a tome est-il chargé électriquement ?

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e. Où se trouve la plus grande partie de la masse de l’a tome ?

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f. Comment est le diamètre du noyau de l’a tome par rapport au diamètre de l’a tome ?

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2

+ –

Un atome est consitué d’un noyau entouré d’électrons.

Un noyau porte une charge électrique posit ive .

Les électrons sont chargés négativement .

Non , l’a tome est électriquement neutre .

La plus grande partie de la masse de l’a tome est concentrée dans le noyau .

Le diamètre du noyau de l’a tome est très petit par rapport au diamètre de l’a tome .

2. Conduction électrique des métaux 11© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

1/ Conduction électrique des solidesOn réalise le montage suivant .

Entre les pinces crocodile , on interpose différents solides indiqués dans le tableau ci-dessous.

a. Indique dans chaque cas si la lampe est allumée ou éteinte .

b. Que permet de conclure cet te expérience ?

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c. Comment se comporterait un ampèremètre inséré dans le circuit ?

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2/ Sens conventionnel du courant électrique et sens de déplacement des électrons On relie une pile de 4,5 V à une D .E.L. branchée dans le sens passant et munie d’une résistance deprotection .

a. La D .E.L. s’allume-t-elle ? Pourquoi ?

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b. Schématise l’expérience dans le cadre ci-contre .

c. Indique sur le schéma le sens conventionnel du courant pardes f lèches rouges e t le sens de déplacement des électrons pardes f lèches bleues.

Exercices d ’application

+

–

Objet ciseaux règle règle agitateur fil électrique

Matériau fer matière plastique aluminium verre cuivre

Lampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . allumée éteinte allumée éteinte allumée

Cette expérience permet de conclure que tous les solides ne conduisent pas le courant électrique .

Les métaux sont conducteurs.

L’ampèremètre décélerait un courant lorsque la lampe est allumée .

La D .E.L. s’allume parce qu’elle est dans le sens passant et que les f ils de cuivre conduisent

le courant électrique .

+ –

3/ Vrai ou faux ?Indique si les proposit ions suivantes sont vraies ou fausses e t corrige celles qui sont fausses.

a. La plus grande partie de la masse d’un atome est concentrée dans son noyau .

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b. Le diamètre d’un atome est égal à celui de son noyau .

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c. L’a tome est électriquement chargé .

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4/ Dimensions de l’atome et du noyauLes diamètres du noyau et de l’a tome d’aluminium sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Calcule le rapport entre le diamètre D de l’a tome et celui d , du noyau .

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Qu’y a-t-il entre le noyau et les électrons ?

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5/ Changement d’échelleLe rayon de l’a tome est environ 100 000 fois plus grand que le rayon du noyau .Supposons que le noyau ait la taille d’un pamplemousse de 5 cm de rayon .

a. Quel serait le rayon de l’a tome correspondant ?

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b. Exprime le résultat en m , puis en km .

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6/ Un collier d’atomes de ferL’unité de longueur utilisée pour mesurer les dimensions des atomes est le nanomètre (symbole nm) :1 nm = 10–9 m et 1 m = 109 nm .Le diamètre d’un atome de fer est environ 0,25 nm .

a. Combien d’atomes de fer pourrait-on placer côte à côte dans un collier de 1 m de longueur ?

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b. Écris ce nombre en toutes le t tres

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Vrai.

Faux. Le diamètre d’un atome est environ 100 000 fois plus grand que celui de son noyau .

Faux. L’a tome est électriquement neutre .

Diamètre de l’atome Diamètre du noyau

D = 3 ! 10–8 cm d = 2 ! 10–13 cm

Entre le noyau et les électrons, il y a du vide .

= = 1,5 ! 105 = 150 000.3 ! 10–8

2 ! 10–13Dd

Le rayon de l’a tome correspondant serait : 5 ! 100 000 = 500 000 cm .

500 000 cm = 5 000 m = 5 km .

Quatre milliards d’atomes.

Nombre d’atomes : = 4 ! 109. On pourrait placer 4 ! 109 atomes.109

0,25

2. Conduction électrique des métaux12 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3. Conduction électrique des solutions aqueuses 13© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Conduction électrique des solutions aqueuses

Connaissances et capacités• Montrer que certaines solutions aqueuses conduisent le courant électrique.• Interpréter la conduction du courant par certaines solutions aqueuses.• Reconnaître un ion d’après sa formule.

Activités

La conduction électrique des solutions

1/ Test de conductivité Schématise un montage électrique qui permet de tester le caractèreconducteur de solutions.

2/ Solutions conductrices et solutions isolantesClasse les solutions suivantes selon qu’elles sont conductrices ou isolantes :eau distillée ; eau sucrée ; eau salée ; eau minérale .

3/ Complète les phrases Les solutions aqueuses qui conduisent le courant électrique contiennent des particules électrique-

ment chargées appelées des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Celles qui ne conduisent pas le courant ne contiennent que des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

La nature du courant dans une solution aqueuse

4/ Formule des ions

a. L’ion cuivre provient d’un atome de cuivre (symbole Cu) qui a perdu 2 électrons.

Écris sa formule : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1

3

+ –

ions

molécules

Solutions isolantes Solutions conductrices

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eau distillée

eau sucrée

eau salée

eau minérale

Cu2+

3. Conduction électrique des solutions aqueuses14 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. L’ion chlorure provient d’un atome de chlore (symbole Cl) qui a gagné 1 électron .

Écris sa formule : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. L’ion fer (III) provient d’un atome de fer (symbole Fe) qui a perdu 3 électrons.

Écris sa formule : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5/ Description des ions

a. Interprète la formule de l’ion permanganate MnO4–.

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b. Interprète la formule de l’ion sulfate SO42–.

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6/ Décris et interprète une expérienceOn dépose un cristal de sulfate de cuivre bleu et un cristal de permanganate de potassium violet surdu papier-filtre imbibé d’eau salée . Le papier-filtre est reliée aux bornes + et – d’un générateur.

a. Dessine ce qu’on observe après une dizaine de minutes

b. Interprète ce qu’il s’est passé .

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Les solides ioniques et la conduction électrique

7/ Test d’un cristal de sel Pourquoi un cristal de chlorure de sodium (sel de table) ne conduit-il pas le courant électrique ?

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3

Cl–

Fe3+

L’ion MnO4– provient d’un groupe d’atomes qui a gagné un électron .

L’ion sulfate provient d’un groupe d’atomes qui a gagné deux électrons.

I I

sens ducourant

I I

sens ducourant

La tache bleue est due aux ions Cu2+. Ces ions posit ifs se déplacent vers la borne – du générateur,

dans le sens du courant électrique . La tache bleue s’é tale vers la borne – du générateur.

La tache violet te est due aux ions permanganate MnO4–. Ces ions négatifs se déplacent donc vers

la borne + du générateur, dans le sens contraire à celui du courant électrique . La tache violet te

s’é tale vers la borne + du générateur.

Dans un cristal, les ions ne peuvent pas se déplacer, même lorsque le cristal est relié aux bornes

d’un générateur. Aucun courant ne peut circuler.

3. Conduction électrique des solutions aqueuses 15© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

1/ Conduction du courant électriqueDans le circuit dessiné ci-dessous, quelles particules conduisent le courant :

a. dans les f ils de connexion ?

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b. dans la solution d’eau salée ?

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2/ Vrai ou faux ?Réponds par Vrai ou Faux.

a. Une solution formée de molécules conduit le courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Une solution ionique conduit le courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Une molécule est une particule électriquement chargée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Un ion est une particule électriquement chargée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3/ Décris une expérienceSur une feuille de papier-filtre imbibée de chlorure de sodium incolore , on a déposé une goutte de permanganate de potassium(ions MnO4

– violets e t K+ incolores) et une goutte de dichromate depotassium (ions Cr2O7

2– orangés e t ions K+ incolores).Ce papier-filtre est relié aux bornes d’un générateur par l’in ter-médiaire des f ils de connexion . On obtient le résultat de la figure ci-contre après quelques minutes.

a. Interprète cet te expérience .

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b. Déduis de cet te interprétation où sont les bornes posit ive et négative du générateur.

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Exercices d ’application

Dans un fil de connexion , les électrons libres assurent la circulation du courant .

Dans une solution d’eau salée , les ions assurent la circulation du courant .

Faux.

Vrai.

Faux.

Vrai.

La tache orange est due aux ions dichromate Cr2O72–. Ces ions négatifs se déplacent vers la borne

posit ive du générateur, dans le sens contraire du courant électrique .

La tache violet te est due aux ions permanganate MnO4–. Ces ions négatifs se déplacent

vers la borne posit ive du générateur, dans le sens contraire du courant électrique .

La borne posit ive du générateur est donc du côté des taches violet te et orange .

4/ Formule des ions Complète les légendes en indiquant le nombre et le type d’atome , ainsi que le nombre d’électronsgagnés ou perdus lors de la formation de l’ion .

3. Conduction électrique des solutions aqueuses16 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Ion dichromate(aide : Cr est le symbole de l’a tome de chrome) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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le groupe d’atomes

a gagné 2 électrons

Cr2O72–

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7 atomes d’oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 atomes de chrome

Ion calcium(aide : Ca est le symbole de l’a tome de calcium) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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l’a tome de calcium

a perdu 2 électrons

Ca2+

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1 atome de calcium

Ion sodium

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l’a tome de sodium

a perdu 1 électron

Na+

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 atome de sodium

5/ Description d’un ionLa formule de l’ion sulfate est SO4

2–.

a. Quel est le nombre d’atomes constituant cet ion ?

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b. Ce groupement d’atomes a-t-il perdu ou gagné des électrons ? Combien ?

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Cet ion est un groupement de cinq atomes : un atome de soufre (S) et quatre atomes d’oxygène (O).

Cet ion est négatif . Ce groupement d’atomes a gagné deux électrons.

4. Ions et pH 17© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Ions et pHConnaissances et capacités• Réaliser les tests de reconnaissance des ions chlorure : Cl–, cuivre : Cu2+, fer (II) : Fe2+

et fer (III) : Fe3+.• Identifier, à l’aide d’un pH-mètre ou du papier pH, les solutions neutres, acides et basiques.• Connaître les dangers que représentent les produits acides ou basiques concentrés.

Activités

Tests de reconnaissance de quelques ions

1/ Identification des ions chlorureVictor dispose de trois solutions différentes contenues chacune dans un tube à essai : une solution 1de chlorure de sodium contenant des ions chlorure (Cl–) et des ions sodium (Na+), une solution 2 denitrate de sodium contenant des ions nitrate (NO3

–) et des ions sodium (Na+) et une solution 3 dechlorure de potassium contenant des ions chlorure (Cl–) et des ions potassium (K+).Il in troduit dans chaque solution quelques gouttes d’une solution de nitrate d’argent .

a. Qu’observe Victor dans chaque tube à essai ?

Avec la solution 1, Victor observe : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Avec la solution 2, Victor observe : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Avec la solution 3, Victor observe : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quel est le nom et quelle est la formule chimique des ions caractérisés avec la solution de nitrated’argent ?

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2/ Identification des ions cuivre,fer (II) et fer (III)Kim dispose de trois solutions différentescontenues chacune dans un tube à essai :une solution A de sulfate de fer (II) conte-nant des ions fer (II) Fe2+ et des ionssulfate SO4

2–, une solution B de chlorurede fer (III) contenant des ions chlorure Cl– et des ions fer (III) Fe3+ et une solutionC de sulfate de cuivre contenant des ionssulfate SO4

2– et des ions cuivre Cu2+.Elle verse dans chaque solution quelques gouttes de soude , comme indiqué sur la figure .

a. Indique la solution utilisée pour chacune des expériences 1 à 3 en reliant l’expérience à sa solution :

• •

• •

• • solution Cexpérience 3

solution Bexpérience 2

solution Aexpérience 1

1

4

soude soude soude

précipitébleu

précipitévert

précipitérouille

expérience 1 expérience 2 expérience 3

un précipité blanc qui noircit à la lumière .

aucun précipité .

un précipité blanc qui noircit à la lumière .

La solution de nitrate d’argent permet de caractériser les ions chlorure de formule chimique Cl–.

4. Ions et pH18 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. Quels sont les ions caractérisés lors de ces expériences ?

Expérience 1 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Expérience 2 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Expérience 3 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Mesure du pH des solutions

3/ Utilisation du papier pHZoé dispose de trois solutions : une eau minéraleVolvic® (solution A), du liquide pour lave-vaisselle(solution B) et du vinaigre blanc (solution C). Elle dépose une goutte de chacune des solutions sur un morceau de papier indicateur de pH , commeindiqué sur la figure .

a. Pour chacune des expériences, quel est le pH indiqué par le papier indicateur ?

Expérience 1 : pH = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Expérience 2 : pH = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Expérience 3 : pH = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Pour chacune des expériences (1, 2 et 3), indique la solution (A , B et C) utilisée en reliant l’expé-rience à la solution .

• •

• •

• •

Effet de la dilution sur le pH des solutions

4/ Le pH des solutions diluéesSamir mesure , avec un pH-mètre , le pH d’une solution A d’acide chlorhydrique .Il prélève 10 mL de cet te solution A qu’il mélangeavec 90 mL d’eau pour obtenir une solution B dont il mesure le pH .Il prélève 10 mL de cet te solution B qu’il mélangeavec 90 mL d’eau pour obtenir une solution C dont il mesure le pH .Il prélève 10 mL de cet te solution C qu’il mélangeavec 90 mL d’eau pour obtenir une solution D dont il mesure le pH .Il a inscrit les valeurs de pH dans le désordre : 5,2 ; 2,2 ; 4,2 ; 3,2.

3

solution Cexpérience 3

solution Bexpérience 2

solution Aexpérience 1

2

le précipité bleu obtenu avec la soude permet de caractériser l’ion cuivre

de formule Cu2+.

le précipité vert obtenu avec la soude permet de caractériser l’ion fer (II)

de formule Fe2+.

le précipité rouille obtenu avec la soude permet de caractériser l’ion fer (III)

de formule Fe3+.

expérience 1 expérience 2 expérience 3

acidechlorhydrique

10 mL

A B C D

10 mL 10 mL

7

2

10

4. Ions et pH 19© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

a. Attribue à chaque solution la valeur de son pH .

Solution A : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solution B : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Solution C : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solution D : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Si Samir continue à diluer, vers quelle valeur tendra le pH de la solution ?

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1/ Identification des ions chlorure

a. Quel réactif utilise-t-on pour caractériser les ions chlorure contenus dans une solution ?

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b. Que donne ce réactif en présence d’ions chlorure ? Quelle est l’in fluence de la lumière ?

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c. Quelle est la formule chimique des ions chlorure ?

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2/ Identification des ions ferUn jardinier utilise du sulfate de fer comme produit anti-mousse . Pour savoir s’il s’agit de sulfate de fer (II) ou de fer (III), il en dissout un peu dans l’eau et il ajoute quelques gouttes de soude . Un précipité vert apparaît .

a. Quel est l’ion mis en évidence ?

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b. Quelles sont les formules chimiques des ions fer (II) ? des ions fer (III) ?

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3/ Le perchlorure de ferLe perchlorure de fer est utilisé pour réaliser des circuits imprimés.

a. Quelle expérience peux-tu faire pour montrer qu’une solution de perchlorure de fer contient desions chlorure ?

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Exercices d ’application

Pour caractériser les ions chlorure contenus dans une solution , on utilise une solution de nitrate

d’argent .

En présence d’ions chlorure , la solution de nitrate d’argent donne un précipité blanc qui noircit

à la lumière .

La formule chimique des ions chlorure est Cl–.

Le précipité vert obtenu avec la solution de soude met en évidence des ions fer (II) de formule Fe2+.

La formule des ions fer (II) est Fe2+. Celle des ions fer (III) est Fe3+.

Pour montrer qu’une solution de perchlorure de fer contient des ions chlorure, on peut verser dans

cet te solution quelques gouttes d’une solution de nitrate d’argent . Un précipité blanc apparaît en

présence des ions chlorure . A t tention : une solution de perchlorure de fer est de couleur rouille et

la couleur du précipité est modifiée .

Si Samir continue à diluer, le pH tend vers 7.

pH = 2,2

pH = 4,2

pH = 3,2

pH = 5,2

b. En ajoutant quelques gouttes de soude dans une solution de perchlorure de fer, on observe unprécipité rouille . Quels ions sont ainsi mis en évidence ?

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c. Donne les formules chimiques des ions posit ifs e t des ions négatifs contenus dans une solutionde perchlorure de fer.

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4/ Les ions cuivreOn dispose d’une solution A de nitrate de cuivre et d’une solution B de chlorure de cuivre .

a. Qu’observe-t-on si on ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d’argent à chacune dessolutions ?

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b. Qu’observe-t-on si on ajoute à chacune des solutions quelques gouttes de soude ?

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c. Nomme et donne la formule chimique des ions que l’on caractérise dans la solution A .

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d. Nomme et donne la formule chimique des ions que l’on caractérise dans la solution B.

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5/ Acidité, ions hydrogène et ions hydroxydeOn mesure avec un pH-mètre le pH de trois solutionsdifférentes 1, 2 et 3.Laquelle des ces solutions :

a. est acide ?

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b. est basique ?

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c. contient autant d’ions hydrogène H+ que d’ions hydroxyde HO– ?

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d. contient plus d’ions H+ que d’ions HO– ?

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4. Ions et pH20 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

La formation d’un précipité rouille lors de l’ajout de la solution de soude dans la solution met en

évidence la présence d’ions fer (III).

Les ions posit ifs contenus dans la solution de perchlorure de fer ont pour formule Fe3+ et les ions

négatifs ont pour formule Cl–.

Le nitrate d’argent forme un précipité blanc en présence d’ions chlorure . On observe donc un

précipité blanc lorsqu’on ajoute le nitrate d’argent à la solution B et aucun précipité lorsqu’on

l’ajoute à la solution A .

La soude , en présence d’ions cuivre , donne un précipité bleu . On observe donc un précipité bleu

lorsqu’on ajoute la solution de soude à la solution A et à la solution B.

Dans la solution A , on caractérise l’ion cuivre Cu2+.

Dans la solution B on caractérise d’une part l’ion chlorure Cl–, e t d’autre part l’ion cuivre Cu2+.

solution 1 solution 3solution 2

La solution 1, de pH inférieur à 7, est acide .

La solution 3, de pH supérieur à 7, est basique .

La solution 2 est neutre (pH = 7) : elle contient autant d’ions H+ que d’ions HO–.

La solution 1, qui est acide , contient plus d’ions H+ que d’ions HO–.

4. Ions et pH 21© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

6/ Solutions acides, basiques ou neutresJulie a mesuré , avec un pH-mètre , le pH de différentes boissons.

a. Indique dans le tableau , en mettant des croix dans les bonnes cases, si ces boissons sont acides,neutres ou basiques.

b. Parmi ces boissons, quelle est :• la boisson la plus acide ?

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• la boisson la plus basique ?

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7/ Dilution des solutionsAntoine mesure , avec un pH-mètre , le pH de l’eau du robinet . Il trouve pH = 6,8.Dans 100 mL d’eau , il verse 10 mL de vinaigre blanc contenant de l’acide éthanoïque (acideacétique).

a. Le pH de la solution A ainsi obtenue est-il supérieur, égal ou inférieur à 6,8 ?

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b. À 10 mL de la solution A , il ajoute 100 mL d’eau du robinet pour obtenir une solution B.Le pH de la solution B :• est-il supérieur, égal ou inférieur à celui de la solution A ? Justif ie ta réponse .

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• est-il supérieur, égal ou inférieur à 7 ? Justif ie ta réponse .

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La boisson la plus acide est celle dont le pH est le plus faible : le jus d’orange .

La boisson la plus basique est celle dont le pH est le plus élevé : l’eau de Vichy®.

Antoine a ajouté un acide dans l’eau du robinet : la solution A obtenue est plus acide que l’eau

et son pH est in férieur à 6,8.

Antoine a dilué la solution A . En la diluant , il a diminué son acidité . Son pH est supérieur à celui

de la solution A .

Même si elle est diluée par rapport à la solution A , la solution B contient néanmoins de l’acide :

son pH reste in férieur à 7, pH de l’eau .

Boisson eau de Vichy®

eau dePerrier

jus detomate

jusd’orange

eaude Volvic®

eaud’Évian lait

pH 8,2 5 4,5 3,5 7 7,2 7

Acide ! ! !

Basique ! !

Neutre ! !

Connaissances et capacités• Réaliser la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique.• Mettre en évidence les réactifs et les produits de la réaction.• Écrire le bilan de la réaction.

5. Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer22 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Réaction entre l’acidechlorhydrique et le fer

Activités

Composition de l’acide chlorhydrique

1/ Caractérisation des ions de l’acide chlorhydriqueNadia verse de l’acide chlorhydrique dilué dans un bécher.

a. À l’aide d’un pH-mètre , elle mesure le pH de la solution .

• La solution est-elle acide ou basique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Par conséquent , quels sont les ions présents dans l’acide chlorhydrique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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• Quelle est la formule de ces ions ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Parmi ces valeurs de pH , laquelle peut-elle trouver : 2 ou 7 ou 9 ?

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b. Elle verse ensuite , dans un tube à essai, un peu d’acide chlorhydrique dilué et elle ajoutequelques gouttes de nitrate d’argent .

• Qu’observe-t-elle dans le tube ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Quels ions a-t-elle mis en évidence ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Indique la formule de ces ions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2/ Reconnaître une solution d’acide chlorhydriqueEtienne dispose de deux flacons A et B sans é tiquet te , l’un d’acide chlorhydrique , l’autre de soude .Il mesure le pH de chaque solution .

a. Quel est le pH de la solution contenue dans

le flacon A ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quel est le pH de la solution contenue dans

le flacon B ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Quelle solution contient le flacon A ?

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d. Quelle solution contient le flacon B ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e. Quels ions sont présents dans la solution du flacon B ?

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1

5

La solution est acide .

Les ions présents sont les

ions hydrogène .

H+.

Elle observe un précipité blanc qui noircit à la lumière .

Elle a mis en évidence les ions chlorure .

Cl–.

B

ALe pH de la solution est 10.

Son pH est 3.

Une solution d’hydroxyde de sodium (soude).

Elle contient de l’acide chlorhydrique .

Des ions hydrogène et des ions chlorure .

La solution étant acide , elle peut trouver 2.

5. Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer 23© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique

3/ La paille et l’acide chlorhydriqueParmi les a ffirmations suivantes, raye celles qui sont fausses.Lorsque l’acide chlorhydrique est au contact de la paille de fer :• un précipité blanc se forme ;• la paille de fer disparaît ;• quand on approche une allumette de l’orifice du tube , il se produit une légère détonation ; • du dioxygène se dégage .

4/ Le dihydrogène

a. Comment peut-on produire du dihydrogène ?

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b. Le dihydrogène est-il un gaz combustible ? Justif ie ta réponse .

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Analyse de la solution après la transformation chimique

5/ TestsLine a fait réagir de l’acide chlorhydrique avec du fer.Quand il n’y a plus d’e ffervescence , elle filtre la solution , puiselle répartit le filtrat dans deux tubes à essai.

a. Elle réalise le test des ions chlorure sur le contenu d’un tube .Décris e t schématise ce test .

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b. Ensuite , elle verse de la soude dans l’autre tube .• Décris ce qu’elle observe .

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• Quels sont les ions mis en évidence ?

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• Écris leur formule : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6/ Réactifs et produitsOn a fait réagir de l’acide chlorhydrique et du fer.

a. Pour cet te transformation chimique , indique :

• les réactifs : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• les produits : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Écris le bilan de la réaction .

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3

2

On peut produire du dihydrogène en faisant réagir du fer avec de l’acide chlorhydrique .

Le dihydrogène est un gaz combustible . En effet , pour le mettre en évidence , on l’enflamme ;

il brûle avec une détonation .

solution de nitrate d’argent

précipitéblanc

Elle verse une solution de nitrate d’argent dans le tube .

Un précipité blanc se forme .

Un précipité vert se forme .

Les ions mis en évidence sont les ions fer (II).

Fe2+.

de l’acide chlorhydrique et du fer

du dihydrogène et une solution de chlorure de fer (II)

fer + acide chlorhydrique ! dihydrogène + solution de chlorure de fer (II)

1/ Caractérisation des produits de la réaction de l’acide chlorhydrique sur le ferJean fait réagir de l’acide chlorhydrique et de la paille de fer ; ensuite il réalise des tests pour iden-tifier les produits de la transformation chimique .Complète les légendes des schémas ci-après.

2/ Atomes et ions fer

a. Quelle est la formule de l’a tome de fer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quelle est la formule de l’ion fer (II) ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Le métal est-il constitué d’ions fer (II) ou d’atomes de fer ?

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d. Quels sont les ions contenus dans la solution de chlorure de fer (II) ?

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3/ Préparation d’un gazFrançois fait réagir du fer et de l’acide chlorhy-drique à l’aide du disposit if ci-contre .

a. Quel gaz prépare-t-il ainsi ?

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b. Complète la légende du schéma .

c. Comment s’appelle cette technique de recueild’un gaz ?

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d. Écris le bilan de la réaction chimique qui permet de produire ce gaz , en indiquant les réactifs e tles produits.

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Exercices d ’application

5. Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer24 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

...................................................

...................................................

solution de nitrate d’argent

précipité blanc

caractérisationdes ions chlorure

caractérisation

du ..........................................................dihydrogène

.........................................bulles de dihydrogène

...................................................soude

caractérisation

des ions ....................................…...............

...................................................précipité vert

fer (II)

Fe

Fe2+

Le métal est constitué d’atomes de fer.

La solution de chlorure de fer (II) contient des ions chlorure et des ions fer (II).

......................dihydrogène........................acide

.............fer

........................chlorhydrique

eauIl prépare du dihydrogène .

Il s’agit du recueil d’un gaz par déplacement d’eau .

fer + acide chlorhydrique " dihydrogène + solution de chlorure de fer (II)

réactifs produits

5. Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer 25© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

4/ Canettes de boisson en acierL’in térieur des canettes de boisson et les boîtes de conserve en acier (l’acier est constitué essentiel-lement de fer) est recouvert d’un vernis. Pourquoi ? Que se passe-t-il lorsqu’une boisson acide est encontact avec du fer non protégé ?

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5/ Origine d’une explosionUne violente explosion est survenue dans un entrepôt de matériaux lorsqu’un employé a actionnél’interrupteur du circuit électrique qui permet d’allumer la lumière . L’employé ne comprend pas e tdit : « Dans ce local, seuls des matériaux inoffensifs sont stockés : de l’acier, du cuivre , du zinc, du feret de l’aluminium . » Lors de l’enquête menée par un inspecteur, l’employé signale que plusieursbidons d’acide chlorhydrique , dans le local voisin de celui des matériaux en fer, étaient très mal « calés » et risquaient de tomber et de se briser. Les inspecteurs exploitent pour l’instant cet te piste .L’employé s’exclame : « L’acide chlorhydrique n’est pas un liquide explosif ! »

Parmi les a ffirmations suivantes, quelle est celle qui explique l’origine de l’explosion ?

a. C’est le contact de l’électricité avec l’acide qui a provoqué l’explosion .

b. C’est l’électricité au contact des métaux qui a provoqué l’explosion .

c. L’acide a réagi avec certains métaux et cela a libéré un gaz inflammable qui a provoqué uneexplosion à cause de l’é tincelle produite par l’in terrupteur.

d. L’acide a réagi avec les métaux et cela a provoqué une explosion .

e. L’acide a explosé avec une étincelle provoquée par l’in terrupteur.

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6/ Calcul de la masse de ferLucas fait réagir complètement 5,6 g de fer avec de l’acide chlorhydrique . Il recueille 2,4 L dedihydrogène . Le volume de dihydrogène produit est proportionnel à la masse de fer qui a réagi.Lucas veut calculer la masse de fer qui doit réagir complètement pour obtenir 6 L de dihydrogène .

a. On appelle x la masse de fer cherchée . Complète le tableaude proportionnalité entre le volume de dihydrogène et lamasse de fer.

b. Quelle est la valeur de x ?

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Une boisson acide réagit avec le fer et le fer disparaît peu à peu . Il se dégage du dihydrogène

et la boîte gonfle . Pour éviter cet inconvénient , on isole le fer de la boisson à l’aide d’une couche

de vernis.

Affirmation c.

Volume de dihydrogène (L)

Masse de fer (g)

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2,4

6

5,6

xx ! 2,4 = 6 ! 5,6 ; d’où : x = 14 g .

6. Pile et énergie26 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Pile et énergieConnaissances et capacités• Réaliser la réaction entre une solution de sulfate de cuivre et du zinc.• Interpréter l’échauffement provoqué par la réaction.• Connaître l’origine de l’énergie électrique fournie par une pile.

Activités

Une transformation chimique qui libère de l’énergie thermique

1/ Étude d’une transformation chimiqueDans une solution de sulfate de cuivre , on verse de la poudre de zinc.

a. Quels sont les ions responsables de la couleur bleue de la solution de sulfate de cuivre ? Donneleur formule chimique .

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b. Pourquoi la solution de sulfate de cuivre , initialement bleue , se décolore-t-elle ?

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c. Quelle est la nature du dépôt rouge observé sur le zinc ?

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d. L’ajout de quelques gouttes de soude dans la solution décolorée provoque l’apparition d’unprécipité blanc. Quels sont les ions mis en évidence par ce test ?

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e. Pourquoi peut-on dire que cet te expérience est une transformation chimique ?

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2/ Variation de températureLéo relève la température d’une solution aqueuse de sulfate de cuivre . Il in troduit de la poudre de zinc dans cet te solution , agite et relève ànouveau la température . Il observe un dépôt rougeâtre sur le zinc.

a. Comment évolue la température de la solution ?

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b. Légende le schéma .

c. D’où provient l’énergie thermique libérée lors de cet te expérience ?

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1

6

Les ions cuivre Cu2+ sont responsables de la coloration de la solution .

La solution se décolore car les ions cuivre disparaissent lors de la transformation chimique .

Le dépôt rouge observé sur le zinc est un dépôt de métal cuivre . C’est l’un des produits de la

transformation chimique .

L’ajout de soude met en évidence la présence des ions zinc Zn2+.

Lors de cet te expérience , les ions cuivre Cu2+ et le métal zinc sont consommés. Il se forme des ions

zinc Zn2+ et du métal cuivre . C’est donc une transformation chimique .

thermomètre

dépôt de cuivrezinc

.............................

.............................

.............................

28 °C

La température de la solution de sulfate de cuivre augmente .

L’énergie thermique libérée lors de cet te expérience provient de l’énergie

chimique des réactifs, transférée vers l’extérieur lors de la transformation

chimique .

6. Pile et énergie 27© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Une transformation chimique qui libère de l’énergie électrique

3/ Constitution d’une pile électrochimiqueOn plonge une lame de cuivre et une lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre . Onbranche une D .E.L. aux bornes de ces deux électrodes, comme l’indique le schéma . La D .E.L. brille .

a. Pourquoi ce disposit if constitue-t-il une pile ?

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b. Quel appareil permet de mesurer la tension électrique aux bornes des deux électrodes ? Représente l’appareil sur leschéma .

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c. Grâce au schéma, détermine les signes des bornes de cette pile.Représente le sens du courant dans le circuit .

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d. Que se passe-t-il si on remplace le sulfate de cuivre par de l’eau distillée ?

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4/ Fonctionnement d’une pile électrochimique

a. Quelle est l’origine de l’énergie électrique délivrée par une pile électrochimique ?

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b. Lorsqu’une pile fonctionne , sous quelle(s) forme(s) d’énergieest transférée l’énergie des réactifs ?

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c. Clara a réalisé ce schéma . Qu’a-t-elle voulu montrer ?

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5/ Différentes pilesQuelle est la différence de fonctionnement entre une pile saline 1,5 V et une pile alcaline 1,5 V ?

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2

Ce dispositif permet de produire de l’énergie électrique à partir

de l’énergie chimique des réactifs : il s’agit donc d’une pile

électrochimique .

solutionde sulfatede cuivre

lame decuivre

lame dezinc

V

La tension se mesure avec un voltmètre branché aux bornes de

la pile .

La D .E.L. brille , elle est donc passante . L’électrode de cuivre est la borne posit ive , l’électrode de

zinc est la borne négative .

L’eau distillée ne conduit pas le courant . La D .E.L. ne brille pas.

C’est la transformation chimique entre les réactifs qui est à l’origine de l’énergie électrique

délivrée par la pile .

L’énergie chimique des réactifs est transférée vers l’extérieur

de la pile sous forme de chaleur (énergie thermique) et sous

forme d’énergie électrique .

Clara a voulu montrer qu’une pile s’use au cours de son

fonctionnement : des ions Cu2+ disparaissent ainsi que

du métal zinc ; il se forme un dépôt du métal cuivre .

Une pile alcaline a une durée de vie beaucoup plus longue .

1/ Différents métaux dans la solution de sulfate de cuivreOn met du cuivre (tube A) et du zinc (tube B) dans une solution de sulfate de cuivre .

a. Dans quel tube va-t-on observer une élévation de la tempé-rature ? Pourquoi ?

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b. Quels sont les réactifs de cet te transformation chimique ?Réalise un schéma annoté du tube à essai après la transfor-mation chimique .

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c. Quelle est l’origine de l’énergie thermique produite ?

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2/ IdentificationGrégoire prélève quelques millilitres de la solution obtenue après la réaction entre le zinc e t le sulfate de cuivre . Cet te solution est incolore . Il verse dans le tube quelques gouttes de soude . Il observe un précipité blanc.

a. Pourquoi la solution est-elle incolore après la réaction ?

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b. Quel est l’ion mis en évidence par l’ajout de la soude ? Donne son nom et sa formule chimique .

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c. D’où provient l’ion mis en évidence par le test à la soude ?

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Exercices d ’application

6. Pile et énergie28 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

solutionde sulfatede cuivre

tube A tube B

cuivre zinc

thermomètre

dépôt de cuivrezinc en poudre

28 °C

La température de la solution va augmenter dans le tube B

car la transformation chimique entre la solution de sulfate

de cuivre et le zinc libère de l’énergie sous forme de chaleur.

Les réactifs de la transformation chimique sont les ions cuivre

(contenus dans la solution de sulfate de cuivre) et le métal zinc.

Les réactifs possèdent de l’énergie chimique . Lorsqu’ils

réagissent , une partie de cet te énergie est transférée

à l’extérieur sous forme de chaleur.

Les ions cuivre ont disparu .

L’ion mis en évidence est l’ion zinc : Zn2+.

L’ion zinc Zn2+ est l’un des produits de la transformation chimique entre la solution de sulfate

de cuivre et le zinc.

6. Pile et énergie 29© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3/ Réalisation d’une pile électrochimiqueUne lame de cuivre et une lame de zinc sont plongées dans une solution de sulfate de cuivre . Un voltmètre est branché aux bornes de la pile . La borne CO M est reliée à l’électrode de zinc. Le voltmètre indique une tension de + 1 V.

a. Schématise et annote le montage après utilisation de la pile .

b. Représente le sens conventionnel du courant ainsi que le mouvement des électrons.

c. Quelle électrode constitue la borne posit ive de cet te pile ? la borne négative ? Justif ie .

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d. Quelle tension obtiendrait-on en branchant deux piles en série ? Justif ie .

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4/ Fonctionnement d’une pileComplète les phrases ci-dessous avec les mots de la liste suivante : thermique ; zinc ; consommés ;pile électrochimique ; cuivre ; transformation chimique ; électrique ; transférée ; fonctionne .

a. En plongeant une lame de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . et une lame de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . dans une

solution de sulfate de cuivre , on constitue une . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Lors de la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , l’énergie chimique des réactifs est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vers l’extérieur de la pile sous forme de chaleur (énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ) et d’énergie

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c. Lorsque la pile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , elle s’use car les réactifs sont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V

le zinc estconsommé

électrodede cuivre

électrodede zinc

sensconventionneldu courant

mouvementsdes électrons

+ –

Le voltmètre indique une valeur posit ive . La borne V est donc reliée au côté posit if de la pile .

L’électrode de cuivre constitue la borne posit ive de la pile . L’électrode de zinc constitue la borne

négative de la pile .

Si on branche deux piles en série , leurs tensions s’additionnent . On obtient alors une tension de

deux volts.

transformation chimique transférée

thermique

électrique

fonctionne consommés

zinc cuivre

pile électrochimique

7. Synthèse d’espèces chimiques30 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Synthèse d’espèces chimiquesConnaissances et capacités• Savoir que la synthèse d’espèces chimiques déjà existantes dans la nature permet

d’en abaisser le coût et/ou la disponibilité.• Savoir que la synthèse d’espèces chimiques n’existant pas dans la nature permet

d’améliorer les conditions de vie.• Savoir que le nylon comme les matières plastiques sont constitués de macromolécules.• Respecter le protocole de la synthèse de l’arôme de banane.• Respecter le protocole permettant de réaliser la synthèse d’un nylon ou d’un savon.

Activités

Synthèse d’une espèce chimique naturelle

1/ Synthèse de l’arôme de bananeJulien introduit dans un tube à essai : 10 mL d’acide acétique, 10 mL d’alcool isoamylique et quelquesgouttes d’acide sulfurique concentré .

Attention : l’acide sulfurique concentré est dangereux à utiliser ! Il doit être manipulé par le professeur.

Il ferme le tube à essai avec un bouchon muni d’un longtube en verre . (Ce disposit if sert de réfrigérant et permetde liquéfier les vapeurs qui s’échappent du tube .)Ensuite , il place le tube à essai dans un bain-marie , main-tenu à 90 °C pendant 15 minutes.

a. Complète le schéma A en marquant les légendes :réfrigérant à air ; mélange réactionnel ; eau à 90 °C ;chauffe-ballon .Après un quart d’heure de chauffage , Julien éteint lechauffe-ballon et sort le tube du bécher. Il verse lecontenu du tube dans un verre à pied contenant de l’eautrès salée .Il agite le mélange et le laisse décanter.

b. Complète le schéma B en marquant les légendes :eau très salée ; arôme de banane ; verre à pied .Julien plonge une bandelet te de papier-filtre dans leliquide qui surnage et sens son odeur.

c. Quelle odeur a le liquide qui surnage ?

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d. Pourquoi peut-on dire qu’une transformation chimiques’est produite ?

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1

7

A

réfrigérant à air

eau à 90 °C

.....................................

.....................................

.....................................

.....................................

mélange réactionnel

chauffe-ballon

B

..............................eau très salée

..............................arôme de banane

..............................verre à pied

Le liquide qui surnage a une odeur de banane .

On peut dire qu’une transformation chimique s’est

produite car un produit nouveau s’est formé .

7. Synthèse d’espèces chimiques 31© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Création d’une espèce chimique n’existant pas dans la nature : le nylon

2/ Synthèse du nylon

Attention : l’hexanediamine est un produit irritant ! Manipuler avec des gants e t des lunet tes de sécurité .

Zoé verse dans un bécher 10 mL de chlorure de sébaçoyle en solutiondans de l’heptane .Elle ajoute lentement , le long d’un agitateur, 10 mL d’une solutiond’hexanediamine .Puis elle tire , à l’aide de pinces, le voile qui se forme à la surface deséparation des deux liquides e t l’enroule autour d’une tige de verre .

a. Complète le schéma A avec les légendes :hexanediamine ; chlorure de sébaçoyle .

b. Complète le schéma B avec les légendes :tige de verre ; f il de nylon ; hexanediamine ; voile ; chlorure desébaçoyle .

c. Le chlorure de sébaçoyle et l’hexanediamine sont-ils miscibles ?

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d. Où se forme le voile de nylon ?

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e. Pourquoi peut-on dire qu’une transformation chimique s’estproduite dans le bécher ?

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1/ Complète les phrasesComplète les phrases suivantes à partir de la banque de mots : réactifs ; naturel ; de synthèse ;banane ; produit .

L’acétate d’isoamyle préparé au laboratoire a une odeur de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C’est un produit

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

L’acétate d’isoamyle contenu dans la banane est un produit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dans la réaction de préparation de l’acétate d’isoamyle au laboratoire , l’acide acétique et l’alcool

isoamylique sont les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . et l’acétate d’isoamyle est le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Exercices d ’application

2

A

chlorure de sébaçoyle.....................................

hexanediamine...........................………

B

hexanediamine..........................

..........................

..........................

chlorure de sébaçoyle.....................................

fil de nylon

tige de verre

voile..........................

Le chlorure de sébaçoyle et l’hexanediamine ne sont pas miscibles.

Le voile de nylon se forme à la surface de séparation entre les deux

réactifs.

Une transformation chimique s’est produite dans le bécher car des

réactifs disparaissent et il se forme un produit nouveau .

banane

de synthèse

naturel

réactifs produit

2/ Choisis la bonne réponse

a. Le nylon est une fibre naturelle / artif icielle qui existe / n’existe pas dans la nature .

b. La préparation du nylon au laboratoire est une transformation physique / chimique car un réactif /produit nouveau se forme .

c. Lors de la préparation du nylon , la réaction chimique se produit au fond du bécher / à la surfacede séparation entre les deux réactifs.

3/ Substances naturelles et de synthèse

a. Cite un exemple d’une substance existant dans la nature qui peut être synthétisée au laboratoire .

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b. Cite un exemple de substance de synthèse qui n’existe pas dans la nature .

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4/ Décris la synthèse de l’arôme de bananeL’acétate d’isoamyle a un arôme de banane . On le prépare au laboratoire à partir d’acide acétiqueet d’alcool isoamylique . La réaction produit aussi de l’eau .

a. Décris en quelques lignes le protocole expérimental.

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b. L’arôme ainsi obtenu est-il une substance naturelle ou une substance de synthèse ?

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c. Quels sont les réactifs nécessaires à sa préparation ?

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d. Quels sont les produits de la réaction ?

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5/ La synthèse chlorophyllienne

a. Explique ce qu’est la synthèse chlorophyllienne .

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b. Le produit qui se dégage lors de cet te transformation peut-il ê tre considéré comme un produitnaturel ou un produit de synthèse ?

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7. Synthèse d’espèces chimiques32 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

L’acétate d’isoamyle existe dans la nature et peut être synthétisé au laboratoire .

Le nylon n’existe pas dans la nature .

On chauffe au bain-marie pendant 15 minutes un mélange d’acide acétique et d’alcool isoamylique

dans lequel on a rajouté quelques gouttes d’acide sulfurique concentré . Après re froidissement ,

on verse le contenu du tube dans un verre à pied contenant de l’eau très salée .

On plonge une bandelet te de papier dans le liquide qui surnage pour sentir l’arôme de banane .

L’arôme ainsi obtenu est une substance de synthèse .

Les réactifs nécessaires à sa préparation sont l’acide acétique et l’alcool isoamylique .

Les produits de la réaction sont l’acétate d’isoamyle et l’eau .

Le jour, sous l’action de la lumière du Soleil e t grâce à la chlorophylle , les plantes vertes absorbent

le dioxyde de carbone de l’air et rejet tent du dioxygène .

Le dioxygène qui se dégage lors de cet te transformation est un produit naturel.

7. Synthèse d’espèces chimiques 33© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Le chauffage domestique et la circulation automobile dégagent du dioxyde de carbone .

6/ Le dioxyde de carboneL’air contient naturellement du dioxyde de carbone .

a. Cite deux exemples d’activités humaines qui dégagent du dioxyde de carbone .

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b. Le dioxyde de carbone qui se dégage lors de ces activités peut-il ê tre considéré comme unproduit naturel ou un produit de synthèse ?

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c. Est-il possible de distinguer le dioxyde de carbone naturel du dioxyde de carbone de synthèse ?

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d. Quelle est la formule de la molécule de dioxyde de carbone ?

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e. Quelle est la principale conséquence de l’augmentation du taux de dioxyde de carbone dans l’air ?

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7/ La préparation du nylonLe nylon peut être fabriqué au laboratoire à partir de deux réactifs : le chlorure de sébaçoyle etl’hexanediamine .

a. Rappelle le protocole expérimental.

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b. Où se forme le voile de nylon ?

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8/ Les matières plastiques Le polyéthylène (PE) et le polychlorure de vinyle (PVC) sont des matières plastiques.

a. Ces composés sont-ils des produits naturels ou des produits de synthèse ?

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b. Cite quelques applications de ces produits.

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c. Les molécules constituant ces produits comportent un très grand nombre d’atomes. Comment les appelle-t-on ?

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Le dioxyde de carbone qui se dégage lors de ces activités est un produit de synthèse .

Non , le dioxyde de carbone naturel et le dioxyde de carbone de synthèse sont identiques.

La formule de la molécule de dioxyde de carbone est CO2.

La principale conséquence de l’augmentation du taux de dioxyde de carbone dans l’air

est le réchauffement climatique .

On verse délicatement une solution d’hexanediamine dans une solution de chlorure de sébaçoyle .

Le voile de nylon se forme à la surface de séparation des deux liquides non-miscibles.

Ces composés sont des produits de synthèse .

Le polyéthylène est employé dans les emballages plastiques, les bouteilles, les tuyaux d’eau ,

de gaz , e tc.

Le PVC est utilisé pour fabriquer des vêtements, des tuyaux, des accessoires de maison , e tc.

On appelle ces molécules des macromolécules.

Production de l’énergie électrique

Connaissances et capacités• Savoir que l’alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques.• Savoir que l’énergie reçue par l’alternateur est convertie en énergie électrique.• Faire la distinction entre les énergies renouvelables et les énergies non renouvelables.• Réaliser un montage permettant d’allumer une lampe ou de faire tourner un moteur à l’aide d’un alternateur.

8

Activités

Les centrales électriques hydrauliques et les éoliennes

1/ Un même élément pour produire de l’électricitéQuel élément , commun à toutes les centrales électriques, permet de convertir l’énergie mécaniqueen énergie électrique ?

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2/ La centrale électrique hydrauliqueLégende le schéma avec les termes de la liste suivante : canal de fuite ; turbine ; ligne à haute tension ; transformateur ; lac de retenue ; conduite forcée ; barrage ; alternateur.

1

L’élément commun à toutes les centrales électriques qui convertit l’énergie mécanique en énergie

électrique est l’alternateur.

lac de retenue

barrage

ligne à haute tension

turbine

transformateur

alternateur

conduite forcée

canal de fuite

© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

8. Production de l’énergie électrique34

8. Production de l’énergie électrique 35© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3/ Diagramme de conversion d’énergieComplète, aves les termes de la liste suivante, les diagrammes de conversion d’énergie pour une centraleélectrique hydraulique et pour une éolienne : alternateur ; turbine ; barrage ; vent ; mécanique ;électrique ; rotor.Attention : certains termes sont à utiliser plusieurs fois.

a. Centrale électrique hydraulique

b. Éolienne

Les centrales thermiques

4/ Centrale à flamme et centrale nucléaireVoici les deux schémas de centrales thermiques : une centrale à flamme (ci-dessous) et une centralenucléaire (p . 36).

a. Indique les points communsentre une centrale thermiqueà f lamme e t une cen tralenucléaire .

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b. Dans ces deux centrales, comment sont entraînées les pales de la turbine ?

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2

Les pales de la turbine .sont entraînées par un jet de vapeur d’eau sous pression .

Dans ces deux types de

centrale :

– de l’eau est chauffée et

transformée en vapeur ;

– la vapeur entraîne

une turbine ;

– la turbine entraîne un

alternateur qui produit

l’électricité .

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source d’énergie

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barrage

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convertisseur d’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

en énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

alternateur

mécanique

électrique

mécanique

énergieélectrique

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source d’énergie

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vent

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convertisseur d’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

en énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

alternateur

mécanique

électrique

mécanique

énergieélectrique

alternateur

eaufroide

pompe

pompe

turbine

eau

vapeurd’eau

chaudière

brûleur

cheminée

arrivéed’air

arrivée decombustible

(pétrole , gaz ,charbon)

centrale à flamme

8. Production de l’énergie électrique36 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

c. Q uels sont les combus-t ibles pouvant ê tre u tilisésdans une centrale à flamme ?

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d. Q uel combust ible u tilise le réact eur d ’une cen tralenucléaire ?

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e. Pourquoi trouve-t-on , dans une centrale nucléaire , une enceinte de confinement ?

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Environnement et développement durable

5/ Sources d’énergieRelie , pour chaque centrale électrique , la source d’énergie qui est utilisée pour produire del’électricité .

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6/ Énergie renouvelableVoici la définition des énergies renouvelables :Les énergies renouvelables proviennent de sources inépuisables ou renouvelables à l’échelle de lavie humaine si la ressource est bien gérée .Indique si les sources d’énergie suivantes sont renouvelables ou non .

charbon : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Soleil : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

uranium : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vent : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

marée : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bois : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

gaz : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . géothermie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

pétrole : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

eau de mercentrale marémotrice

eau des lacs de montagnecentrale nucléaire

ventcentrale hydraulique

pétrole , gaz , charbonéolienne

uraniumcentrale à flamme

3

L’enceinte de confinement permet d’éviter la fuite éventuelle de particules radioactives

dangereuses pour la santé .

non renouvelable

alternateur

eaufroide

pompe

pompepompe

turbine

eau

générateurde vapeur

d’eau

réacteur

barresde contrôle

eau

enceinte de confinement

Dans une centrale à flamme ,

le combustible peut être

du pétrole , du gaz ou

du charbon .

L’uranium est le combustible

d’une centrale nucléaire .

renouvelable

non renouvelable renouvelable

renouvelable renouvelable

non renouvelable renouvelable

non renouvelable

centrale nucléaire

8. Production de l’énergie électrique 37© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

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•

•l’énergie solaire

l’énergie géothermique

l’énergie hydraulique

l’énergie éolienne

l’énergie de la biomasse

1/ Groupe électrogèneUn groupe électrogène est constitué d’un moteur thermique qui consomme de l’essence et quientraîne un alternateur.

a. Quelle sorte d’énergie est mise en jeu lors de la combustion de l’essence ?

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b. Complète le diagramme ci-dessous pour montrer les trois sortes d’énergie qui interviennentsuccessivement dans le fonctionnement d’un groupe électrogène .

2/ Quelles sont les énergies renouvelables ?Associe à chaque définition une énergie renouvelable .

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3/ Production française d’électricitéEn 2006, la France a produit 548,9 TWhd’énergie électrique . Le TW h (téra-watt-heure) est l’unité utilisée par EDFpour son énergie ; 1 TWh = 1012 Wh . La production se répartit comme suit :

a. Traduis la production d’électricité nucléaire en pourcentage de la production totale .

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b. Complète le tableau suivant .

l’énergie que l’on peut extraire des végétaux (bois, plantes)

l’énergie mécanique du vent

l’énergie du rayonnement solaire

l’énergie provenant des nappes d’eau souterraines, dans les régions volcaniques

l’énergie mécanique des chutes d’eau utilisée dans les centrales hydrauliques

Exercices d ’application

La combustion de l’essence est une transformation chimique ; elle met en jeu l’énergie chimique

des réactifs.

énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .chimique énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mécanique énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .électrique

nucléaire thermique classique hydraulique éolien et

photovoltaïque

428,7 TWh 57,1 TWh 60,9 TWh 2,2 TWh

L’énergie nucléaire représente 428,7 TWh sur les 548,9 TWh du total, soit en pourcentage :

= 78,1 ; soit environ 78,1 % .

Origine del’électricité nucléaire thermique

classique hydraulique éolien et photovoltaïque

Production(TWh) 428,7 57,1 60,9 2,2

Pourcentage(%)

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428,7 ! 100548,9

Tension continue et tension variable

Connaissances et capacités• Connaître la nature de la tension délivrée par un alternateur.• Distinguer tension continue et tension variable au cours du temps.• Identifier une tension périodique et mesurer sa période.• Produire une tension par déplacement relatif d’un aimant et d’une bobine.

9

Activités

La tension délivrée par un alternateur

1/ Tension continue, tension variableOn dispose : – d’un alternateur de bicyclette dont on peut faire tourner le galetgrâce à une roue à manivelle ;– d’une pile plate ;– d’un multimètre utilisé sur la fonction voltmètre réglé en modecontinu .

On branche les bornes de la pile plate aux bornes d’entrée V etCO M du multimètre .

a. La valeur affichée par le voltmètre reste-t-elle la mêmedurant l’observation ?

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b. Comment qualifie-t-on une tension qui conserve une valeur constante ?

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On branche les bornes de l’alternateur aux bornes V et CO M du multimètre .

c. Quelle est la valeur affichée par l’appareil lorsqu’on ne fait pas tourner le galet de l’alternateur ?

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d. La valeur affichée par le voltmètre reste-t-elle la même lorsqu’on fait tourner le galet de l’alternateur ? Change-t-elle de signe au cours du temps ?

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e. Comment qualifie-t-on une tension qui change de valeur au cours du temps ?

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f. Comment qualifie-t-on une tension qui prend, alternativement, des valeurs positives et négatives ?

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1

Durant l’observation , la valeur de la tension aux bornes de la pile reste constante .

Une tension qui conserve une valeur constante est qualif iée de tension continue .

Lorsqu’on ne fait pas tourner le galet de l’alternateur, la tension est nulle .

Lorsqu’on fait tourner le galet , la tension aux bornes de l’alternateur change de valeur au cours

du temps. Elle prend alternativement des valeurs posit ives e t négatives.

Une tension qui change de valeur au cours du temps est qualif iée de tension variable .

Une tension qui prend au cours du temps des valeurs alternativement posit ives e t négatives est

qualif iée de tension alternative .

9. Tension continue et tension variable38 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

9. Tension continue et tension variable 39© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Production d’une tension alternative

2/ Mouvement d’un aimant devant une bobineLe montage ci-contre est réalisé à l’aide d’un aimant , d’unebobine de fil métallique et d’un multimètre . On réalise unmouvement de va-et-vient de l’aimant devant une face de la bobine fixe .

a. Comment évolue au cours du temps la tension aux bornes dela bobine ?

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b. Comment est qualif iée cet te tension ?

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c. Quels sont les éléments constitutifs d’un alternateur ?

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d. Quel est son principe de fonctionnement ?

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Représenter une tension alternative périodique

3/ Tension sinusoïdaleUn générateur GTBF fournit entre ses bornes une tension variablealternative .Pour étudier l’évolution de cet te tension au cours du temps, un élèvebranche un voltmètre aux bornes du GTBF e t , à l’aide d’un chrono-mètre , relève la valeur de la tension toutes les 10 s.Il remplit le tableau ci-dessous.

3

2

bobine de filde cuivre

aimant

Lorsque l’aimant effectue un mouvement de va-et-vient devant une face de la bobine fixe, la tension

aux bornes de la bobine varie et est alternativement posit ive et négative .

La tension aux bornes de la bobine est alors variable et alternative .

Un alternateur possède toujours des bobines e t des aimants (ou électroaimants).

Le déplacement des aimants ou électroaimants devant une bobine crée une tension électrique

aux bornes de la bobine .

t (s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

U (V) 0 2,6 4,3 4,2 2,5 0 – 2,5 – 4,4 – 4,3 – 2,6 0

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

U (V) 2,5 4,3 4,2 2,6 0 – 2,4 – 4,3 – 4,4 – 2,6 0

9. Tension continue et tension variable40 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

a. Représente graphiquement les variations de la tension U en fonction du temps t .

b. Sur la courbe obtenue , on distingue deux motifs identiques. La durée d’un motif est appelée la période et notée T. Quelle est la durée d’un motif ? Quelle est la période T ?

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c. Une grandeur périodique reprend la même valeur, en variant dans le même sens, à intervalles de temps consécutifs égaux à la période T. • À quelle date la tension U prend-elle la valeur de 1 V tout en diminuant ? Combien de temps plustard la tension U reprend-elle cet te même valeur de 1 V tout en diminuant ?

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• D’après la définition , la tension U est-elle périodique ?

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d. Détermine la valeur maximale de cet te tension . Compare-la à la valeur minimale .

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1/ Désigner différentes tensionsEn puisant parmi les mots de la « banque de données » suivante , complète les phrases proposées.Banque de données (attention, certains mots sont inutiles) : variable ; périodique ; opposé ; continue ;courant ; sinusoïdale ; varie ; alternative ; durable ; alternativement ; motifs ; période ; sens.

a. La tension aux bornes d’une pile ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pas au cours du temps. Elle n’est pas

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . On dit qu’elle est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. La tension aux bornes d’un alternateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . au cours du temps. On dit qu’elle est

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elle prend , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , des valeurs posit ives e t négatives. On dit

qu’elle est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Exercices d ’application

U (V)

200

– 2

– 4

2

4

100 200 t (s)

La durée d’un motif est de 100 s. La période vaut : T = 100 s.

La tension U vaut 1 V en diminuant à l’instant 46 s. La tension U reprend la valeur de 1 V

en diminuant à l’instant 146 s, soit 100 s plus tard .

La tension U est périodique : elle reprend la même valeur (en variant dans le même sens)

à intervalles de temps consécutifs égaux à la période T.

La valeur maximale de cet te tension est de 4,4 V. Sa valeur minimale , de – 4,4 V, est égale

à l’opposé de la valeur maximale .

varie

variable continue

varie

variable alternativement

alternative

9. Tension continue et tension variable 41© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

c. La tension aux bornes d’un GTBF est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . et . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La courbe représentant

les variations de cet te tension présente des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . identiques qui se succèdent à inter-

valles de temps égaux à la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. La tension aux bornes d’un GTBF est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Elle reprend la même valeur (en variant dans le même . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ) après une durée égale à

la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. On dit qu’elle est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Une tension alternative périodique dont la courbe représentative forme des vagues régulières

est dite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La valeur maximale d’une tension sinusoïdale est égale à l’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

de sa valeur minimale .

2/ Identifier différentes tensions

a. Parmi les graphiques ci-dessus, lesquels représentent :• une tension continue ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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• une tension variable ?

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• une tension alternative ?

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• une tension périodique ?

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• une tension sinusoïdale ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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b. Détermine la période des tensions périodiques.

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variable alternative

motifs

période périodique

sens

période périodique

sinusoïdale opposé

U (V)

20 30100

t (ms)

U (V)

600

t (ms)

A

D

U (V)

60

t (ms)

F

U (V)

0t (ms)

U (V)

3 60

t (ms)

B

E

U (V)

2 40

t (ms)

C

Le graphique B représente une tension continue qui conserve la même valeur au cours du temps.

Les graphiques A , C, D , E et F représentent des tensions variables dont les valeurs changent

au cours du temps.

Les graphiques C et D représentent des tensions alternatives qui prennent , alternativement ,

des valeurs posit ives e t négatives.

Les graphiques A , C, D et E représentent des tensions périodiques qui reprennent la même valeur

(en variant dans le même sens) au bout d’une durée égale à la période T.

Le graphique D représente une tension sinusoïdale : elle est alternative , périodique et la courbe

forme des vagues régulières.

Pour le graphique A : T = 10 ms ; pour le graphique C : T = 4 ms ; pour le graphique D : T = 30 ms ;

pour le graphique E : T = 3 ms.

9. Tension continue et tension variable42 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3/ Exploiter un graphiqueUn groupe d’élèves a étudié les variations de la tension aux bornes d’un GTBF e t a obtenu le graphique ci-contre .

a. Pourquoi ces élèves peuvent-ils a ffirmer :• que la tension est alternative ?

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• que la tension est périodique ?

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• que la tension est alternative sinusoïdale ?

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b. Quelles sont :

• la période de cet te tension ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• la valeur maximale de cet te tension ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4/ Analyser un graphiqueJules a représenté graphiquement les variationsd’une tension en fonction du temps.

a. Cette tension est-elle continue , alternative ,périodique , sinusoïdale ?Justif ie tes réponses.

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b. Le graphique réalisé par Jules est incomplet : des indications essentielles n’y figurent pas.Lesquelles ?

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c. Combien de motifs identiques e t consécutifs comporte ce graphique ?

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d. Quelles sont :• la période de cet te tension , si les durées correspondent à des millisecondes ?

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• la valeur maximale de cet te tension si les tensions indiquées correspondent à des millivolts ?

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U (V)

t (s)0

– 1– 2– 3– 4– 5– 6

123456

10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

La tension est alternative car elle prend alternativement

des valeurs posit ives e t des valeurs négatives.

La tension est périodique car elle reprend la même valeur (en variant dans le même sens) au bout

d’une durée égale à la période T.

La tension est alternative sinusoïdale car sa courbe forme des vagues consécutives régulières.

La période de cet te tension vaut T = 50 s.

La valeur maximale de cet te tension est Umax = 6 V.

Cette tension n’est pas continue , car sa valeur

change au cours du temps.

Elle est alternative , car elle prend alternativement des valeurs posit ives e t des valeurs négatives.

Elle est périodique , car elle reprend la même valeur (en variant dans le même sens) au bout

d’une durée égale à la période T. Elle est sinusoïdale , car la courbe forme des vagues consécutives

régulières.

0

– 2

2

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

1,4

Jules n’a pas indiqué sur les axes les grandeurs représentés e t leurs unités.

Sur le graphique , on observe six motifs consécutifs identiques.

On observe sur la courbe que quatre motifs consécutifs correspondent à une durée de 1 ms.

La durée d’un motif , égale à la période T, vaut donc : T = = 0,25 ms.

La valeur maximale de cet te tension est : Umax = 2 mV.

14

10. Tension alternative périodique 43© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Tension alternative périodique Connaissances et capacités• Reconnaître une tension alternative périodique.• Mesurer sur un oscilloscope la valeur maximale et la période d’une tension alternative.• Connaître la définition de la fréquence d’une tension périodique et son unité.• Mesurer la valeur efficace d’une tension.• Connaître les caractéristiques de la tension du secteur.

10

Activités

Acquisition, puis enregistrement d’une tension à l’ordinateur

1/ Description de tensionsSur l’écran d’un ordinateur, différentes tensions ont été enregistrées grâce à une interfaced’acquisit ion .

a. Indique , pour chaque tension , si elle est périodique et si elle est alternative .

La tension en « dent de scie » est : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

La tension « triangle » est : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

La tension « carrée » est : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

La tension sinusoïdale est : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Pour chaque tension périodique , représente sa période sur l’enregistrement .

Visualisation d’une tension périodique avec un oscilloscope

2/ Période et fréquence

a. Détermine la fréquence d’une tension sinusoïdale de période 10 µs.

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b. Quelle est la période d’une tension de fréquence 60 Hz ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Quelle est la période d’une tension de fréquence 23 kHz ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1

Tension en « dents de scie » Tension « triangle » Tension en « carrée » Tension sinusoïdale

0

A

T

B C D

0 0

0

TT

T

périodique et non alternative .

périodique et non alternative .

périodique et non alternative .

périodique et alternative .

La fréquence est l’inverse de la période exprimée en seconde :

T = 10 ! 10–6 s = 10–5 s ; f = = 105 Hz .110–5

T = = = 0,017 s.160

1f

f = 23 ! 103 Hz = 23 000 Hz ; T = = 4,3 ! 10–5 s = 43 µs.123 000

10. Tension alternative périodique44 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3/ Caractéristiques d’une tension sinusoïdaleSur l’écran d’un oscilloscope , on observe la tension ci-contre .La sensibilité verticale est S = 5 V/div. La durée de balayage est D = 5 ms/div.

a. Quelle est la valeur de Ymax ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quelle est alors la valeur maximale Umax de la tension ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Quel est le nombre X de divisions qui représentent la

période ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

d. Quelle est la valeur de la période T en ms ?

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e. Quelle est la valeur de la période en s ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f. Quelle est la valeur de la fréquence ?

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4/ Utilisation d’un oscilloscopeLes boutons de réglage d’unoscilloscope sont représentésci-contre . Les sensibilités sontindiquées par le nombre dansle carré blanc. Avec cesréglages, on obtient sur l’écrande l’oscilloscope la courbe detension ci-contre .

a. Quelle est la valeur de la sensibilité verticale S ?

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b. Quelle est la valeur de la sensibilité horizontale (ou durée de balayage) D ?

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c. Quelle est la valeur maximale de la tension étudiée ?

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d. Quelle est la période de cet te tension ?

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e. Calcule la fréquence .

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5/ La tension du secteurLa tension du secteur a une fréquence de 50 Hz . Quelle est la valeur de sa période ?

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Ymax = 3 divisions.

Umax = S • Ymax ; soit : Umax = 5 ! 3 = 15 ; Umax = 15 V.

X = 5 divisions.

T = D • X . Donc : T = 5 ! 5 = 25 ms.

T = 25 ! 10–3 s = 0,025 s.

f = ; f = = 40 Hz .10,025

1T

bouton de sensibilitéverticale

bouton de sensibilitéhorizontale

0,20,1

50

20

105

2010

5

2

1

0,5

mV

V 0,5 0,2

0,1

50

2010

5020

10

5

2

1

s

ms

La sensibilité verticale S est de 1 V/div.

La sensibilité horizontale D est de 10 ms/div.

Umax = S • Ymax. Or Ymax = 3 divisions, donc : Umax = 1 ! 3 = 3 V.

T = D • X . Or : X = 5 divisions ; d’où : T = 10 ! 5 = 50 ms.

f = ; avec T = 50 ! 10–3 s = 0,05 s , d’où f = = 20 Hz .10,05

1T

La relation entre fréquence et période est : T = . D’où T = = 0,02 s.150

1f

10. Tension alternative périodique 45© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Valeur efficace d’une tension sinusoïdale

6/ Tension efficace du secteurLa valeur efficace de la tension sinusoïdale du secteur est 230 V.

a. Quelle est la relation entre la tension efficace et la tension maximale ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quelle est la valeur maximale de la tension du secteur ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7/ Tension maximale, tension efficaceLéa a enregistré la tension sinusoïdale ci-contre aux bornes dugénérateur du collège .

a. La sensibilité verticale est de 5 V/div. Quelle la valeur maxi-male de la tension ?

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

b. Quelle est la valeur efficace de cet te tension ?

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c. Léa branche un voltmètre réglé en mode alternatif aux bornesde ce générateur. Que mesure le voltmètre ?

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1/ Des unitésComplète le tableau ci-dessous.

2/ Période d’une tensionUne tension se reproduit identique à elle-même sur un intervalle de 6 divisions. La sensibilitéhorizontale est réglée sur 0,1 ms/div.

a. Quelle est la période de cet te tension ?

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b. Quelle est la fréquence de cet te tension ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Exercices d ’application

3

= 1,4.Umax

U

Umax = 1,4 U . Donc : Umax = 1,4 ! 230 = 322 V.

La valeur maximale de la tension est de 5 ! 3 = 15 V.

U = ; d’où : U = ; U = 10,7 V.151,4

Umax1,4

Le voltmètre indique la valeur de la tension efficace , soit 10,7 V.

Notation Unité Symbole de l’unité

Période . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Valeur maximalede la tension

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

T seconde s

f hertz Hz

Umax volt V

La période de cet te tension est : 6 ! 0,1 = 0,6 ms = 0,0006 s.

La fréquence est l’inverse de la période exprimée

en seconde : T = 0,0006 s ; f = = 1 667 Hz .10,0006

10. Tension alternative périodique46 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

3/ Réglage d’un oscilloscope

On étudie une tension sinusoïdale et on obtient l’oscillogramme ci-dessous.

a. Indique sur l’oscillogramme Ymax et la période .

b. La valeur maximale de la tension étudiée est de 6 V. Quelle est la sensibilitéverticale ? Indique sur la figure ci-contre le réglage du bouton de sensibilité verticale .

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c. La période de cette tension est de 0,01 s. Quelle est la sensibilité horizontale ?Indique sur la figure ci-contre le réglage du bouton de sensibilité horizontale .

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d. Quelle est la fréquence de cet te tension ?

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e. Calcule la tension efficace .

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4/ Analyse d’un oscillogrammePour la tension représentée ci-contre , la sensibilité horizontale est de 0,5 ms/div et la sensibilité verticale de 2 V/div.

a. Détermine la période et la valeur maximale de cet te tension .

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b. Quelle est la fréquence de cet te tension ?

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c. Quelle est la valeur efficace de cet te tension ?

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0,150

20

10

5

2110

5

2

1

0,5

0,2V mVVOLTS/DIV

0,150

20

10

5

2110

5

2

1

0,5

0,2msT/DIV

s

Ymax

période

S = ; soit : S = = 2. La sensibilité verticale est de 2 V par division .63

UmaxYmax

D = ; soit : D = = 0,001. 0,0110

TX

La sensibilité horizontale est de 0,001 s par division , soit 1 ms/div.

La fréquence est l’inverse de la période exprimée en seconde : T = 0,01 s ;

f = = 100 Hz .10,01

La tension efficace est égale à : ; soit : = 4,3 V.61,4

Umax1,4

La période est égale à : 0,5 ! 5 = 2,5 ms.

La valeur maximale de la tension est égale à : 3 ! 2 = 6 V.

La fréquence est l’inverse de la période exprimée en seconde : T = 0,0025 s ; f = = 400 Hz .1T

La valeur efficace de la tension est égale à : ; soit : = 4,3 V.61,4

Umax1,4

11. Puissance électrique 47© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Puissance électrique

Activités

Puissance d’un appareil électrique

1/ Tension et puissance nominalesUne lampe porte l’inscription (12 V ; 21 W). L’une des inscriptions indique la tension nominale, l’autrela puissance nominale .

a. Que signifie ici l’adjectif « nominale » ?

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b. À quelles unités correspondent les symboles V et W ?

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2/ Puissance d’une lampeOn réalise le montage , représenté ci-contre , comportant :– un générateur délivrant une tension alternative de 12 V ;– une lampe L1 (12 V ; 21 W) ou une lampe L2 (12 V ; 10 W) ;– deux multimètres.

a. Schématise le montage dans le cadre ci-dessous.

1

11Connaissances et capacités• Connaître la définition de la puissance nominale d’un appareil, l’unité de puissance et quelques ordres de grandeur de puissances électriques domestiques.• Connaître l’expression de la puissance reçue par un dipôle ohmique.• Évaluer l’intensité efficace du courant traversant un appareil alimenté par le secteur, à partir de sa puissance nominale.• Exposer le rôle d’un coupe-circuit.• Repérer et identifier les indications de puissance, de tension et d’intensité sur les câbles et sur les prises électriques.

La tension nominale est la tension de bon fonctionnement , prévue par le constructeur. De même ,

la puissance nominale est celle qui permet le bon fonctionnement de l’appareil.

La let tre V est le symbole du volt , unité de tension et la le t tre W est le symbole du watt , unité

de puissance .

G

A

V

~

11. Puissance électrique48 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. On branche la lampe L1. On mesure la tension efficace entre ses bornes e t l’in tensité e fficace du courant qui la traverse . On réalise ensuite ces mesures avec la lampe L2.On obtient les valeurs indiquées dans le tableau .

Pourquoi précise-t-on que l’on mesure ici des grandeurs (tension ou intensité) « efficaces » ?

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c. Laquelle des deux lampes brille le plus in tensément ?

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d. Calcule les produits de la tension efficace par l’intensité efficace pour les deux lampes et complètele tableau .

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e. Écris la relation entre la puissance P, la tension U et l’in tensité I.

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f. Les résultats de l’expérience précédente sont-ils en accord avec les valeurs indiquées sur les lampes ?

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Limitation de l’intensité : le coupe-circuit

3/ Une installation électriqueDes élèves réalisent le montage ci-contre comportant un générateur 6 V alternatif , des lampes (6 V ; 0,6 W) et un fusible de 500 mA .Ce montage simule une prise de courant équipée d’un coupe-circuit etune installa tion électrique comportant plusieurs appareils branchéssur la prise .On mesure l’in tensité e fficace du courant fourni à l’installa tion et latension à ses bornes.Les résultats des mesures sont regroupés dans le tableau suivant .

2G~

V

L3

L2

L1

6 V

fusible

K3

K2

K1

A

inst

alla

tion

Lampe L1 L2

Puissance nominale (W) 21 10

Tension efficace (V) 11,7 11,8

Intensité efficace (A) 1,7 0,8

Produit U • I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19,9 9,4

On précise que ces grandeurs sont des grandeurs e fficaces, car il s’agit de mesures réalisées

en courant alternatif .

La lampe L1 brille le plus fortement , car elle est parcourue par un courant plus in tense

et la puissance électrique qu’elle reçoit est plus grande .

Pour L1 : U • I = 11,7 ! 1,7 = 19,9 ; pour L2 : U • I = 11,8 ! 0,8 = 9,4.

La relation entre P, U et I est : P = U • I.

On constate que les tensions appliquées é tant très voisines des tensions nominales, les produits

U • I ont des valeurs très voisines des puissances nominales.

Lampes en fonctionnement L1 L1 et L2 L1, L2 et L3

Tension efficace U (V) 6 6 6

Intensité efficace I (mA) 98 197 298

Puissance fournie P (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,59 1,18 1,79

11. Puissance électrique 49© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

a. Les lampes fonctionnent-elles sous leur tension nominale ?

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b. Calcule , dans chaque cas, la puissance fournie à l’installa tion et inscris le résultat dans le tableau

précédent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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c. Complète le tableau .

d. Quelle relation peut-on énoncer concernant la puissance fournie à l’installa tion et la somme despuissances nominales des appareils en fonctionnement sous leur tension nominale ?

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4/ Le fusibleOn considère encore le montage précédent .

a. Comment évolue l’in tensité e fficace du courant dans la branche principale lorsque le nombre delampes augmente ?

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b. Que se passe-t-il pour le fusible lorsque le nombre de lampes augmente ?

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c. Quel est le rôle du fusible ?

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1/ Puissance électriquea. Exprime la puissance reçue par un appareil soumis à une tension continue U et traversé par un courant d’intensité I. Précise les unités des différentes grandeurs.

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b. Même question pour un dipôle ohmique (radiateur, four, lampe , e tc.) soumis à une tension alter-native de valeur efficace U et traversé par un courant d’intensité e fficace I.

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Exercices d ’application

Les valeurs mesurées des tensions sont égales aux tensions nominales des lampes utilisées.

La puissance est : P = U • I. On trouve (en convertissant les mA en A) :

• pour L1 : 6 ! 98 ! 10–3 = 0,59 W ;

• pour L1 et L2 : 6 ! 197 ! 10–3 = 1,18 W ;

• pour L1, L2 et L3 : 6 ! 298 ! 10–3 = 1,79 W.

Lampes en fonctionnement L1 L1 et L2 L1, L2 et L3

Puissance fournie (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Somme des puissances nominales (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,59 1,18 1,79

0,6 1,2 1,8

La puissance fournie à une installa tion est égale à la somme des puissances nominales des

appareils fonctionnant sous leur tension nominale .

L’intensité du courant dans la branche principale augmente lorsque le nombre de lampes augmente

(voir le premier tableau de l’exercice 3 page 48).

Lorsque l’intensité du courant dans la branche principale dépasse la valeur indiquée sur le fusible ,

ce dernier fond et coupe le courant .

Le fusible protège l’installa tion électrique , car il peut fondre en cas de surintensité .

La puissance P reçue par un appareil soumis à une tension continue U et traversé par un courant

d’intensité I est : P = U • I avec P en watt , U en volt et I en ampère .

La puissance P reçue par un dipôle ohmique soumis à une tension alternative de valeur efficace U

et traversé par un courant d’intensité efficace I est : P = U • I avec P en watt, U en volt et I en ampère.

11. Puissance électrique50 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

c. Calcule la puissance reçue par une lampe soumise à une tension de 6 V et traversée par un courant d’intensité 200 mA .

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2/ Plaque signalétique d’un appareilUn appareil de chauffage électrique porte les indications ci-contre .

a. Que représentent ces indications ?

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b. En fonctionnement normal, quelle est l’in tensité e fficace du courant traversant cet appareil ?

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3/ Protection d’un circuitUn électricien installe une ligne électrique pour alimenter, sous la tension efficace de 230 V, unradiateur de puissance nominale 2,5 kW. Pour protéger cet te ligne , il veut installer un coupe-circuit.Il peut choisir entre trois types de coupe-circuit portant des indications différentes : 10 A , 16 A et 20 A .

a. Que signifie l’indication portée par le coupe-circuit ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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b. Quel coupe-circuit doit choisir l’électricien ? Justif ie ta réponse .

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4/ Protéger une ligneUne ligne , constituée de deux fils de 1,5 mm2 et alimentant une prise de courant du secteur (tension efficace de 230 V) est protégée par un coupe-circuit de 10 A .Cette prise permet d’alimenter plusieurs appareils dont un téléviseur à écran plasma de 350 W ettrois lampes de 100 W chacune .

a. Quelle est l’in tensité du courant dans la ligne lorsque ces appareils fonctionnent ensemble ? (Onadmettra que les puissances électriques des appareils s’ajoutent .)

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b. Risque-t-on alors une coupure du courant ?

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c. Lorsque ces quatre appareils fonctionnent simultanément , est-il possible de brancher aussi unchauffage d’appoint de 1 kW ? de 2 kW ? Pourquoi ?

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La puissance reçue par une lampe soumise à une tension de 6 V et traversée par un courant

d’intensité 200 mA est : P = U • I = 6 ! 200 ! 10–3 = 6 ! 0,2 = 1,2 W.

1,5 kW représente la puissance reçue par l’appareil lorsqu’il fonctionne sous sa tension nominale .

La valeur efficace de 230 V représente la tension nominale de fonctionnement . L’indication 50 Hz

représente la fréquence de la tension sinusoïdale du secteur sur lequel est branché l’appareil.

Pour un appareil de chauffage , la puissance est reliée à la tension efficace et à l’in tensité e fficace

L’indication portée par le coupe-circuit est

la valeur minimale de l’in tensité e fficace du courant qui provoque la coupure du circuit .

L’in tensité du courant vaut : I = avec P = 2 500 W et U = 230 V, soit I = = 10,9 A .2 500230

PU

On ne peut pas choisir le coupe-circuit 10 A . On peut adopter le coupe-circuit 16 A .

par la relation : P = U • I soit : I = ; I = ; I = = 6,5 A .1 500230

1,5 ! 103

230PU

La ligne doit alors fournir une puissance égale à la somme des puissances consommées par les

appareils branchés, soit P = 350 + 100 ! 3 = 650 W. Or I = soit I = = 2,8 A .650230

PU

Non , car le coupe-circuit ne coupe le courant que pour une intensité supérieure ou égale à 10 A .

1,5 kW

230 V 50 Hz

Avec le radiateur de 1 kW, la puissance totale est alors de 1 650 W et l’in tensité de = 7,2 A .

La ligne supporte cet te intensité . Avec le radiateur de 2 kW, la puissance totale est de 2 650 W et

l’intensité de = 11,5 A . Le coupe-circuit coupe le courant pour protéger la ligne d’une surintensité.

1 650230

2 650230

11. Puissance électrique 51© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

5/ Étude d’une installationVoici le schéma d’une installa tion électrique réalisé par François.

a. Calcule l’in tensité e fficace du courant qui circule dans les divers appareils lorsqu’ils fonctionnent .

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b. La protection prévue (coupe-circuit) est-elle adaptée pour chacun des appareils ? Sinon , quellemodification doit être réalisée ?

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c. Quelle est la puissance totale fournie à cet te installa tion lorsque tous les appareils fonctionnent

simultanément (on admettra que les puissances s’ajoutent) ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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d. Quelle est alors l’in tensité du courant traversant le disjoncteur ?

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e. En te reportant au tableau ci-contre , quelledoit être la section des câbles qui alimentent cesdivers appareils ? Complète le tableau ci-dessous.

f. Quelle doit être la section du câble sortant du disjoncteur ?

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2,5 kW

10 A

230 V

4 kW1 200 W 75 W

disjoncteur

16 A 20 A 10 A

On a : I = . Pour le radiateur de 2,5 kW : I = = 10,9 A .

Pour le fer à repasser de 1 200 W : I = = 5,2 A .

Pour le four électrique de 4 kW : I = = 17,4 A . Pour la lampe de 75 W : I = = 0,33 A .

Non , la protection prévue n’est pas adaptée pour le radiateur. L’alimentation du radiateur doit

être protégée par un coupe-circuit d’intensité supérieure à 11 A .

Lorsque tous les appareils fonctionnent

simultanément , la puissance fournie à l’installa tion est : P = 2 500 + 1 200 + 4 000 + 75 = 7 775 W.

L’in tensité du courant traversant le disjoncteur est alors : I = = = 33,8 A . On peut vérifier

que c’est bien la somme des in tensités des courants circulant dans chacun des appareils.

Section (mm2) 1,5 2,5 6

Intensité maximale (A) 16 25 40

Appareil radiateur fer à repasser four lampe

Intensité nominale (A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Section du cable (mm2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Le courant sortant du disjoncteur a une intensité de 33,8 A : il faut un câble de section 6 mm2.

PU

7 775230

10,9

1,5

5,2

1,5

17,4

2,5

0,33

1,5

PU

2 5002301 200

2304 000230

75230

12. Énergie électrique52 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Énergie électriqueConnaissances et capacités• Connaître la relation entre l’énergie électrique E reçue par un appareil et la puissance

nominale de cet appareil.• Calculer l’énergie électrique transférée à un appareil pendant une durée donnée.• Connaître les unités d’énergie électrique.

12

Activités

Mesure de l’énergie électrique transférée à un dipôle

1/ Le joulemètreOn désire mesurer la puissance et l’énergie consom-mée par un radiateur électrique . Pour cela , on utiliseun joulemètre .Cet appareil possède quatre bornes d’entrée : deuxpour le branchement « U », deux pour le branche-ment « I ».

a. Reproduis dans le cadre ci-contre le montage ci-dessus enschématisant le joulemètre (indique uniquement les bornes « U »et « I »). Repasse en rouge le circuit principal. Justif ie .

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b. Que permet de mesurer le branchement « U » ?

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c. Que permet de mesurer le branchement « I » ?

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d. Schématise le montage qui utiliserait un ampèremètre et un voltmètre à la place du joulemètre .

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1

Le branchement « I » permet de mesurer l’in tensité du courant

qui traverse le radiateur.

Le voltmètre est branché en dérivation aux bornes du radiateur

et l’ampèremètre est placé en série dans le circuit .

U tWeP WI AU V

I

joulemètre

radiateurélectrique départmode

arrêt

Le circuit principal comporte le générateur et le radiateur.

Le branchement « U » permet de mesurer la tension

aux bornes du radiateur.

U I

joulemètre

AV

12. Énergie électrique 53© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

2/ Mesure de puissance et d’énergie électrique à l’aide d’un joulemètreOn branche un joulemètre aux bornes d’un radiateur électrique .

a. Lorsqu’on appuie sur la touche P, qu’indique le joulemètre ? Précise l’unité .

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b. Si, à la place du joulemètre , on utilise un voltmètre et un ampèremètre , quelle opération doit-on effectuer pour obtenir la puissance P ?

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c. Lorsqu’on appuie sur la touche We , qu’indique le joulemètre ?

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d. Pour mesurer l’énergie électrique reçue , pourquoi doit-on appuyer sur la touche « départ » puis,au bout d’un certain temps, sur la touche « arrêt » ?

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e. Que mesure le joulemètre lorsqu’on appuie sur la touche t ?

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f. Précise l’unité d’énergie dans le système international d’unités.

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g. Justif ie le nom de « joulemètre ».

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h. Comment procéder pour obtenir l’énergie électrique reçue par le radiateur, en mesurant latension à ses bornes e t l’in tensité qui le traverse ?

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3/ Calcul d’une énergie électriqueUn radiateur électrique de puissance 1,2 kW fonctionne 10 heures par jour.

a. Quelle relation permet de calculer sa consommation ? Précise les unités.

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b. Quelle énergie consomme par semaine ce radiateur ? Exprime le résultat en kWh et en joule .

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Lorsqu’on appuie sur la touche P, le joulemètre indique la puissance électrique reçue par

le radiateur. L’unité de puissance est le watt .

Pour obtenir la puissance , on doit e ffectuer le produit : P = U • I.

Lorsqu’on appuie sur la touche We , le joulemètre indique l’énergie électrique E reçue par

le radiateur.

L’énergie reçue par le radiateur est relative à une durée d’utilisation . Donc, si on veut , par

exemple , mesurer l’énergie reçue pendant une minute , on appuie sur la touche « départ »

et , une minute plus tard , sur la touche « arrêt ».

Lorsqu’on appuie sur la touche t , le joulemètre indique la durée t d’utilisation du radiateur.

Dans le système international d’unités, l’unité d’énergie est le joule (J).

Comme son nom l’indique , le joulemètre « mesure des joules », c’est-à-dire une énergie .

Il faut mesurer la durée t d’utilisation du radiateur et e ffectuer le produit : U • I • t .

La consommation énergétique d’un appareil se calcule par : E = P • t .

Si P est en watt (W) et t en seconde (s), E s’exprime en joule (J).

Si P est en kilowatt (kW) et t en heure (h), E s’exprime en kilowatt-heure (kWh).

Une semaine correspond à 70 heures de fonctionnement du radiateur.

E = 1,2 ! 70 = 84 kWh ou E = 1 200 ! 70 ! 3 600 = 3,024 ! 108 J.

12. Énergie électrique54 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Étude d’une facture d’électricité

4/ Exploitation d’une facture EDF

a. Que représente le nombre entouré en rouge ? Comment est-il obtenu ?

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b. Quel est le prix du kWh hors taxes ?

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c. Que représente le nombre encadré en noir ? Comment est-il obtenu ?

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d. Quelle est la puissance souscrite par cet abonné ?

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2

806 représente le nombre de kWh consommés : 86 852 – 86 046 = 806.

Le prix du kWh hors taxes est 0,0787 !.

Le nombre encadré de noir est le montant de la consommation hors taxes (HT) :

806 ! 0,0787 = 63,43 !.

La puissance souscrite par l’abonné est inscrite en bas de la facture , dans la rubrique

« Caractéristiques de votre tarif » : elle est de 6 kW.

12. Énergie électrique 55© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

ercices d’application

1/ Puissance et énergieJulia dit qu’une lampe 75 W consomme davantage d’énergie qu’une lampe 50 W. Hugo dit que celan’est pas toujours vrai. Qui a raison ? Justif ie en donnant un exemple .

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2/ Lampes basse consommation d’énergie (LBC)Le tableau ci-contre donne les équivalences en terme d’éclairage ,entre une lampe à incandescence et une LBC.

a. Justif ie l’appellation « basse consommation ».

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b. On remplace les 10 lampes à incandescence 60 W d’une habitation par des lampes équivalentesbasse consommation . Ces lampes sont allumées en moyenne 8 heures par jour.• Quelle économie d’énergie , en kWh , réalise-t-on en une année ? On admettra que les puissancess’ajoutent .

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• Le prix du kWH est de 0,095 ! TTC. Quelle économie d’argent réalise-t-on ?

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• Quel est l’impact , sur l’environnement , de l’utilisation de telles lampes ?

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Exercices d ’application

La puissance ne suffit pas pour comparer des consommations d’énergie . La durée d’utilisation

intervient . En effet , une lampe de 75 W utilisée pendant 1 h consomme moins d’énergie

qu’une lampe de 50 W utilisée pendant 2 h .

La première consommera 75 Wh et la deuxième 50 ! 2 = 100 Wh .

C’est Hugo qui a raison .

Pour un même éclairage , la LBC reçoit moins de puissance

électrique et donc moins d’énergie , à durée de fonctionnement

égale , qu’une lampe à incandescence .

Les équivalencesLampe

à incandescence LBC

40 W 9 W

60 W 11 W

75 W 15 W

L’ensemble des lampes à incandescence reçoit une puissance PT = 60 ! 10 = 600 W ; soit 0,6 kW et

consomment 0,6 kWh . La consommation d’énergie en une heure est de 0,6 kWh .

L’ensemble des LBC reçoivent une puissance PT = 11 ! 10 = 110 W ; soit 0,11 kW et consomment

0,11 kWh . La consommation d’énergie en une heure est de 0,11 kWh .

L’économie énergétique , par heure de fonctionnement est donc de : 0,6 – 0,11 = 0,49 kWh .

En une année , l’économie d’énergie est :

E = 0,49 ! 8 ! 365 = 1 431 kWh .

On réalise une économie de : 1 431 ! 0,095 = 136 !.

En utilisant ces lampes, on diminue les rejets de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre) des

centrales thermiques e t on diminue la consommation en uranium et donc les déchets radioactifs

des centrales nucléaires.

13. Gravitation et poids56 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Gravitation et poidsConnaissances et capacités• Connaître les conséquences de la gravitation.• Interpréter l’origine du poids.• Connaître la relation entre le poids et la masse.

13

Activités

La gravitation

1/ Simulation de la gravitation par interaction magnétiqueUn aimant et un cylindre d’acier de même masse sont placés surdes f lot teurs dans une bassine d’eau . Maxime maintient lesdeux flot teurs à une faible distance .

a. Que va-t-il observer s’il lâche simultanément les deux objets ?

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b. Représente les deux objets après qu’ils aient été lâchés.

c. Quelles sont les actions mises en jeu dans cet te manipulation ?

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d. Maxime recommence l’expérience en éloignant davantage les deux flotteurs. Ils restent immobiles.Comment varie l’in teraction entre l’aimant et le cylindre ?

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2/ Attraction gravitationnelleLa Lune est le satellite naturel de la Terre . Elle tourne autour de la Terre .

a. Pourquoi la Lune reste-t-elle en orbite autour de la Terre ?

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b. Quel nom porte ce phénomène ?

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1

L’aimant et le cylindre s’a t tirent mutuellement .

L’aimant exerce une at traction à distance sur le cylindre .

Le cylindre exerce une at traction à distance sur l’aimant .

L’in teraction entre l’aimant et le cylindre est d’autant plus faible que la distance qui les sépare

est grande .

La Lune reste au voisinage de la Terre car elle est a t tirée par la Terre .

C'est le phénomène de gravitation .

13. Gravitation et poids 57© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

c. La Lune exerce-t-elle une action sur la Terre ? Justif ie .

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d. Comment varie l’a t traction gravitationnelle entre deux corps ?

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Le poids

3/ Poids d’une pommeAgathe tient une pomme dans sa main . Elle lâche la pomme .

a. Pourquoi la pomme tombe-t-elle ?

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b. Comment nomme-t-on cet te action à distance ?

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c. Représente , par un cercle , la posit ion de la pomme sur le sol après sa chute . Trace la droite reliantles posit ions de la pomme avant et après sa chute .

d. Quelle est la direction et le sens de cet te action ?

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e. Choisis la bonne réponse .Le poids de la pomme est l’action exercée par la Terre / pomme sur la Terre / pomme . C’est une actionde contact / à distance. Le poids s’exprime en newton / gramme et se mesure avec un dynamomètre /une balance .

Poids et masse

4/ Relation entre le poids et la masseFatima mesure la masse et le poids des trousses de ses camarades. Elle obtient les valeurs suivantes :

a. Complète les phrases suivantes :

• La masse s’exprime en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , de symbole . . . . . . . . . Elle se mesure avec une . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Le poids s’exprime en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , de symbole . . . . . . Il se mesure avec un . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2

La Lune et la Terre sont en interaction gravitationnelle . La Lune at tire donc la Terre (les marées),

mais cet te action est peu visible car la masse de la Lune est plus faible que celle de la Terre .

L’a t traction gravitationnelle est d’autant plus importante que la masse des corps est grande et que

la distance qui les sépare est petite .

La pomme tombe car elle est a t tirée par la Terre . La Terre exerce

une action à distance sur la pomme .

L’action de la Terre sur la pomme est le poids de la pomme .

Le poids agit selon une direction verticale dirigée vers le bas.

Léa Fanny Amélie

Poids P (N) 3 4,5 6,7

Masse m (kg) 0,3 0,45 0,67

RapportPm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 N/kg 10 N/kg 10 N/kg

kilogramme kg balance

newton N dynamomètre

13. Gravitation et poids58 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. Complète le tableau en calculant le rapport . Que peux-tu en déduire ?

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c. Comment appelle-t-on le coefficient de proportionnalité liant P et m ? Quel est son symbole ?Quelle est sa valeur au voisinage du sol terrestre ?

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d. Écris la relation liant le poids P, la masse m et le coefficient g . Indique les unités.

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e. Calcule le poids de la trousse de Fatima sachant qu’elle pèse 290 g .

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1/ Gravitationa. Quelle est la trajectoire du satellite autour de la Terre ?

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b. Pourquoi le satellite reste-t-il au voisinage de la Terre ?

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c. Le satellite exerce-t-il une action sur la Terre ? Cet te action est-elle perceptible ?

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d. Comment varie l’action de la Terre sur le satellite selon l’altitude ?

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2/ Poids d’un corpsLucien lance un caillou vers le haut .

a. Pourquoi le caillou retombe-t-il ?

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Exercices d ’application

Pm

Le rapport est égal à 10. Le poids e t la masse sont proportionnels.Pm

Le coefficient de proportionnalité liant P et m est appelé intensité de la pesanteur.

Son symbole est g . Au voisinage du sol terrestre , sa valeur est g = 10 N/kg .

Le poids d’un objet est égal au produit de sa masse par l’in tensité de la pesanteur : P = m • g ,

avec P en newton , m en kilogramme et g en newton/kilogramme .

m = 290 g ; soit : 0,29 kg .

g = 10 N/kg , d’où P = m • g = 0,29 ! 10 = 2,9 N .

Le poids de la trousse de Fatima est de 2,9 newtons.

Le satellite tourne autour de la Terre , il décrit une trajectoire

circulaire appelée orbite .

Le satellite est a t tiré par la Terre , la Terre exerce une action

gravitationnelle sur le satellite .

Le satellite exerce une action à distance sur la Terre , mais son action n’est pas perceptible

car le satellite a une masse beaucoup plus petite que la Terre .

L’action gravitationnelle de la Terre sur le satellite est d’autant plus grande que la distance

qui les sépare est petite . Cet te action diminue quand l’altitude augmente .

Le caillou retombe , car la Terre exerce une action gravitationnelle sur le caillou .

13. Gravitation et poids 59© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Pg

Pm

b. Quel nom peut-on donner à cet te action ?

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c. Indique la direction et le sens de cet te action .

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3/ Exploiter une relationa. Donne le nom et l’unité de chaque terme de la relation .

P = m • g

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b. Complète les égalités suivantes.

m = . . . . . . . g = . . . . . . .

4/ AstronauteSur Terre , un astronaute pèse 70 kg . Son équipement pèse 50 kg .

a. Calcule la masse , puis le poids de l’astronaute équipé sur Terre (g = 10 N/kg).

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b. La masse de l’astronaute varie-t-elle selon le lieu de la mesure ? Justif ie .

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c. Calcule le poids de l’astronaute sur la Lune (g = 1,6 N/kg).

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d. Le poids de l’astronaute varie-t-il selon le lieu de la mesure ? Justif ie .

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L’action de la Terre sur le caillou est le poids du caillou .

Le poids du caillou est dirigé selon la verticale du lieu , vers le bas.

m = 70 + 50 = 120 kg .

P = m • g = 120 ! 10 = 1 200 N .

m = 70 + 50 = 120 kg .

P = m • g = 120 ! 1,6 = 192 N .

La masse de l’astronaute correspond à la quantité de matière qui le compose .

Elle ne dépend pas du lieu de la mesure .

Le poids de l’astronaute est l’action exercée par l’astre où il se trouve .

L’action exercée par la Terre n’est pas la même que celle exercée par la Lune .

Le poids varie donc selon le lieu de la mesure .

poids

en newton (N)

masse

en kilogramme (kg)

intensité de la pesanteur

en newton par kilogramme (N/kg)

g =

avec P en newton et m en kilogramme .

Il faut convertir la masse : m = 150 g = 0,15 kg .

g = = 9,8 N/kg .

L’in tensité de la pesanteur du lieu vaut 9,8 N/kg .

1,470,15

13. Gravitation et poids60 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

5/ Détermination de gLéo désire mesurer la valeur de l’in tensité de la pesanteur dans la salle de TP.Il réalise avec sa trousse deux expériences.

a. Que mesure-t-il lors de l’expérience 1 ? Nomme l’appareil de mesure et lis la valeur.

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b. Que mesure-t-il lors de l’expérience 2 ? Nomme l’appareil de mesure et lis la valeur.

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c. Calcule la valeur de l’in tensité de la pesanteur g .

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P = 1,47 N

expérience 1 expérience 2

La manipulation 1 est une mesure de la masse de la trousse .

L’appareil utilisé est une balance . La masse est de 150 grammes.

La manipulation 2 est une mesure du poids de la trousse .

Léo utilise un dynamomètre . Le poids est de 1,47 newton .

Pm

14. Énergie cinétique 61© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

Énergie cinétiqueConnaissances et capacités• Savoir qu’un objet possède une énergie de mouvement et une énergie de position.• Interpréter l’énergie de mouvement acquise par un objet dans sa chute par une diminutionde son énergie de position.

• Exploiter la relation Ec = m • v2.

• Savoir que la distance de freinage croît plus rapidement que la vitesse.

12

14

Activités

Énergie de position et énergie de mouvement

1/ Chronophotographie d’une chute libreLe document ci-contre est la chronophotographie d’une bille tombant en chutelibre . La bille est lâchée en posit ion 1.

a. Qu’est-ce qu’une chronophotographie ?

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b. Comment varie la distance parcourue par la bille entre deux clichés consécutifs ?

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c. Rappelle la relation qui permet de calculer une vitesse v, connaissant la distance parcourue d et la durée t .

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d. Comment varie la vitesse de la bille au cours de la chute ? Justif ie .

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e. L’énergie de mouvement augmente avec la vitesse. Que peut-on en conclure ?

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f. L’énergie de posit ion est d’autant plus faible que l’altitude est faible . Comment varient l’énergiede posit ion et l’énergie de mouvement lors de la chute ?

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Étude de l’énergie cinétique

2/ Expression de l’énergie cinétiquea. Rappelle l’expression de l’énergie cinétique d’un objet en mouvement de transla tion .

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2

1

1d12d2

3d3

4

d4

5

d5

6

d6

7

d7

8

Une chronophotographie est une succession de photos prises à intervalles

de temps réguliers.

Entre deux clichés consécutifs, la bille parcourt des distances de plus en plus

grandes.

La durée t entre deux clichés consécutifs é tant constante et d augmentant ,

la vitesse v augmente .

L’énergie de mouvement augmente au cours de la chute .

Au cours de la chute , l’énergie de posit ion diminue et l’énergie de mouvement augmente .

Un objet de masse m et animé d’une vitesse v possède l’énergie cinétique : Ec = m • v 2.12

La relation est : v = .dt

14. Énergie cinétique62 © Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

b. Quelles sont les unités utilisées ? Précise leurs symboles.

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3/ Calcul d’une énergie cinétiquea. Calcule l’énergie cinétique d’une balle de carabine de chasse , de masse m = 11 g sortant du canonà la vitesse v = 860 m/s.

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b. Compare cet te énergie à celle d’un athlète , de masse 80 kg , courant à la vitesse de 36 km/h lorsd’un 100 m . Conclus.

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Sécurité routière et distance d’arrêt

4/ Calcul d’une distance d’arrêta. Définis la distance de réaction , la distance de freinage et la distance d’arrêt .

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b. Un cyclomotoriste roule à 45 km/h . Son temps de réaction est de 1,1 s. Calcule sa distance de réaction DR.

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c. À cet te vitesse , sur route sèche , la distance de freinage est de 14 m . Calcule la distance d’arrêt .

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b. Que se passe-t-il si la route est mouillée ?

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5/ Calcul d’une distance de sécuritéSur autoroute , on préconise une durée de sécurité de 2 s avec le véhicule que l’on suit . À 130 km/h , quelle est la distance de sécurité correspondante ?

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3

Ec en joule (J), m en kilogramme (kg) et v en mètre par seconde (m/s).

L’énergie cinétique de la balle est donnée par : Ec = m • v 2.

Avec m = 0,011 kg et v = 860 m/s , Ec = 4 068 J.

12

Pour l’a thlète , m = 80 kg et v = 36 km/h = = 10 m/s ; Ec = 4 000 J.

La balle possède une énergie cinétique plus grande que l’athlète, d’où le danger qu’elle représente.

La distance de réaction est la distance parcourue entre l’instant où le conducteur voit l’obstacle

et l’instant où il commence à freiner.

La distance de freinage est la distance parcourue à partir de l’instant où l’on freine .

La distance d’arrêt est la somme de la distance de réaction et de la distance de freinage .

La distance parcourue est donnée par la relation d = v • t .

Avec v = 45 km/h = = 12,5 m/s e t t = 1,1 s ; DR = 12,5 ! 1,1 = 13,75 m .

DA = DR + DF DA = 13,75 + 14 = 27,75 m , soit environ 28 m .

Si la route est mouillée , la distance de freinage est plus grande et la distance d’arrêt plus

importante .

La distance de sécurité est donnée par la relation : d = v • t .

Avec v = 130 km/h = = 36,1 m/s e t t = 2 s, on a : d = 36,1 ! 2 = 72,2 m .

Cet te distance correspond à la visibilité de deux bandes blanches sur le bord de la chaussée .

36 0003 600

45 0003 600

130 0003 600

14. Énergie cinétique 63© Hachette Livre , Physique Chimie 3e, Cahier d’activités, collection Durandeau . La photocopie non autorisée est un délit .

1/ Origine de l’énergie d’une centrale hydrauliqueD’où provient l’énergie de mouvement de l’eau qui arrive sur les turbines d’une centrale hydraulique ?

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2/ Vrai ou faux ?a. L’énergie cinétique se mesure en watt . . . . . . . . . . . . . . .

b. Lorsque la vitesse d’un véhicule double , l’énergie cinétique est multipliée par quatre . . . . . . . . . . . . . . . . .

c. Lorsque deux véhicules roulent à la même vitesse , celui qui a une masse deux fois plus petite quel’autre a une énergie deux fois plus petite . . . . . . . . . . . . . . .

d. Pour calculer l’énergie cinétique , on doit exprimer m en kilogramme et v en km/h . . . . . . . . . . . . . . .

3/ Énergie cinétique d’un cyclomoteura. Quelle est l’énergie cinétique d’un conducteur de cyclomoteur de masse 50 kg, roulant à 40 km/h ?

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b. Lors d’un accident , des tôles sont froissées, tordues, le conducteur peut subir des fractures, e tc.D’où provient l’énergie nécessaire à ces transformations ?

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4/ Calcul d’une vitessea. Calcule l’énergie cinétique d’un camion , de masse 30 t , roulant en ville à 30 km/h .

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b. À quelle vitesse devrait rouler une Mégane de masse 1 300 kg pour avoir la même énergie cinétique ?

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Exercices d ’application

L’énergie de mouvement de l’eau qui arrive sur les turbines d’une centrale hydraulique provient

de l’énergie de posit ion de l’eau dans le barrage .

L’énergie cinétique est donnée par : Ec = m • v 2.

Avec m = 50 kg et v = 40 km/h = = 11,1 m/s ; Ec = 3 080 J.

12

Lors d’un accident , l’énergie cinétique s’annule brutalement . C’est cet te énergie perdue qui est

utilisée pour provoquer les dégâts observés.

L’énergie cinétique du camion est donnée par : Ec = m • v 2.12

Ec = m • v 2 implique v = !2 . v = !2 ! = 40 m/s ; soit 144 km/h .1,04 ! 106

1 300Ecm

12

Faux.

Vrai.

Vrai.

Faux.

Avec m = 30 t = 30 000 kg et v = 30 km/h = = 8,3 m/s ; Ec = 1,04 ! 106 J.

40 0003 600

30 0003 600

5/ Sécurité routièrea. Complète ce tableau en justif iant tes calculs (arrondis au mètre près). Tu prendras 1 s pour le temps de réaction dans tous les cas.

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b. Justif ie que la distance d’arrêt n’est pas proportionnelle à la vitesse .

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6/ Prépare ton ASSREntoure les bonnes réponses.

• Q1. Sur un scooter, la limite de vitesse est de :

A . 45 km/h ; B. 50 km/h ; C. 60 km/h .

• Q2. Conduire après usage de drogue peut entraîner :

A . une amende de 4 500 euros ; B. une suspension de 3 ans du permis ;

C. une peine de prison de 2 ans : D . un retrait de 6 points de permis.

• Q3. Les forces de l’ordre peuvent immobiliser un cyclomoteur en cas :

A . d’absence de casque ; B. d’absence d’assurance ; C. d’augmentation de la puissance du moteur.

• Q4. Le non-port du casque peut entraîner :

A . une amende ; B. l’immobilisation du véhicule ; C. le retrait du BSR.

vitesse

50

90

130

distances de réaction distances de freinage distances d’arrêt

........................

........................

........................

........................14 m

25 m

36 m

30 m

........................42 m

........................77 m

........................116 m

........................145 m

........................221 m

• v = 50 km/h = 13,9 m/s ; DR = v • tR =13,9 ! 1 = 13,9 m , soit : 14 m . DA = DR + DF .

Sur route sèche : DA = 14 + 16 = 30 m ; sur route mouillée : DA = 14 + 28 = 42 m .

• v = 90 km/h = 25 m/s ; DR = v • tR = 25 ! 1 = 25 m . DA = DR + DF .

Sur route sèche : DA = 25 + 52= 77 m ; sur route mouillée : DA = 25 + 91 = 116 m .

• v = 130 km/h = 36,1 m/s ; DR = v • tR = 36,1 m ; soit : 36 m . DA = DR + DF .

Sur route sèche : DA = 36 + 109 = 145 m ; sur route mouillée : DA = 36 + 185 = 221 m .

Si la distance d’arrêt était proportionnelle à la vitesse , à 100 km/h elle serait égale à deux fois

celle calculée à 50 km/h , soit : 2 ! 30 = 60 m sur route sèche . Or cet te distance est déjà égale

à 77 m à 90 km/h .