Chapitre 1

De l'Univers aux atomes

Construis un atome pièce par pièce, vérifie qu'il est électriquement neutre, découvre pourquoi deux charges s'attirent ou se repoussent, puis remonte 13,8 milliards d'années : nous sommes de la poussière d'étoiles.

Atome Noyau · nucléons Numéro atomique Z Charge électrique Poussière d'étoiles

Construire un atome

Définitions

Proton : particule du noyau, chargée positivement.
Neutron : particule du noyau, électriquement neutre.
Électron : particule chargée négativement, présente dans le nuage électronique autour du noyau.

La méthode

1. Lire ZLe numéro atomique Z, lu dans le tableau périodique, donne le nombre de protons du noyau. C’est lui qui désigne l’élément.
2. Former le noyauProtons + neutrons = nucléons. Ils sont regroupés au centre de l'atome.
3. Ajouter les électronsUn atome neutre a autant d’électrons que de protons. Ils se déplacent autour du noyau, dans le nuage électronique.
4. VérifierCharges + et − se compensent : l'atome est électriquement neutre.

Quelques atomes

AtomeZprotonse⁻
hydrogène (H)111
hélium (He)222
carbone (C)666
azote (N)777
oxygène (O)888
sodium (Na)111111
chlore (Cl)171717

Dans un atome neutre, Z = nombre de protons = nombre d’électrons.

Attraction ou répulsion ?

La règle

Deux charges de mêmes signes se repoussent.
Deux charges de signes opposés s'attirent.

Le lien avec l'atome

L’attraction électrique entre le noyau positif et le nuage électronique négatif contribue à lier l’atome.

Le saviez-vous ?

Frotter ne crée pas de charges : des électrons passent d’un objet à l’autre. Celui qui en gagne se charge négativement, celui qui en perd positivement. Les protons, eux, restent dans les noyaux : seuls les électrons se déplacent.

Nous sommes de la « poussière d'étoiles »

Les grandes dates

Environ 380 000 ansAprès des noyaux légers formés en quelques minutes, les premiers atomes neutres apparaissent surtout sous forme d'hydrogène et d'hélium.
4,6 milliards d'annéesÂge de la Terre, formée à partir de la poussière laissée par les étoiles.
Vers 2,4 milliards d'annéesLe dioxygène commence à s'accumuler durablement dans l'atmosphère : c'est la Grande Oxygénation.

À retenir

Les noyaux légers datent des débuts de l'Univers. La fusion stellaire fabrique des noyaux jusqu'au fer dans les étoiles massives ; des supernovas et des collisions d'étoiles à neutrons contribuent à former et disperser certains noyaux plus lourds.
Repères de cours

Les atomes sont constitués d’un noyau contenant des protons et des neutrons (le noyau d’hydrogène le plus courant n’a qu’un proton), entouré d’un nuage électronique. Un atome est électriquement neutre lorsqu’il comporte autant de protons que d’électrons. Les noyaux qui nous composent proviennent de plusieurs mécanismes : débuts de l’Univers, fusion stellaire et certains événements cosmiques violents.

AtomeNoyauCharge électriqueNuméro atomique Z

Définitions clés

La charge électrique

Il existe deux versions de la charge électrique : l'une positive, l'autre négative. Deux charges de mêmes signes se repoussent, deux charges de signes opposés s'attirent.

C'est l'ambre qui a permis de découvrir cette propriété.
Les constituants de l'atome

Un atome est formé de protons chargés positivement, de neutrons électriquement neutres et d'électrons chargés négativement.

Toute matière est faite de ces trois constituants.
Le noyau et les nucléons

Les protons et les neutrons, appelés nucléons, forment le noyau de l'atome. Les électrons sont en mouvement autour du noyau.

Le noyau concentre presque toute la masse de l'atome.
La neutralité de l'atome

La charge électrique du proton est exactement opposée à celle de l'électron. Un atome comporte autant de protons que d'électrons : sa charge totale est nulle.

L'atome est donc électriquement neutre.
Le numéro atomique Z

Le numéro atomique Z est le nombre de protons du noyau. Il identifie l'atome et se lit dans le tableau périodique, sous le symbole chimique.

Ex. : pour l'hélium He, Z = 2.
Symbole et formule chimique

Chaque atome est représenté par son symbole chimique. Lorsque des atomes se lient, ils forment des molécules, que l'on note à l'aide d'une formule chimique.

Ex. : H₂O, une molécule de 2 H et 1 O.
Poussière d'étoiles

Les atomes les plus légers ont été formés lors des premiers temps qui ont suivi le Big Bang ; les autres sont formés au cœur des étoiles et dispersés par les supernovas.

Nous sommes faits de ces atomes.
Histoire de notre environnement

La Terre, âgée de 4,6 milliards d'années, n'a pas toujours été adaptée à la vie. Son atmosphère n'est propice à la vie en surface que depuis 2,5 milliards d'années.

La composition chimique de la Terre a évolué.

Les schémas à connaître

La structure de l'atome
+ + − − noyau (très agrandi) : 2 protons + 2 neutrons nuage électronique : 2 électrons charge totale = 0

Autant de protons que d'électrons → l'atome est neutre. À l'échelle, le noyau serait environ 100 000 fois plus petit que l'atome.

Attraction et répulsion
+ + mêmes signes → RÉPULSION + − signes opposés → ATTRACTION

Cette attraction maintient les électrons autour du noyau.

Quiz — De l'Univers aux atomes

Le quiz interactif se charge dans l'application Sciences 3ème.

Chapitre 2

Les ions dans notre quotidien

Arrache ou ajoute des électrons pour transformer un atome en ion, mène de vrais tests de précipitation à la paillasse, puis lis le pH d'une solution pour savoir si elle est acide, neutre ou basique.

Ion · cation · anion Précipité Solution ionique Neutralité électrique pH

D’un atome à un ion

À retenir

Un atome est électriquement neutre : autant de protons dans son noyau que d’électrons autour. En perdant des électrons il devient un cation, chargé positivement ; en en gagnant, un anion, chargé négativement. Le nombre de protons ne change jamais : c’est lui qui définit l’élément chimique.

Définitions

noyau : les protons ne changent jamais (même élément)
électrons du nuage : ce sont eux qu’on perd ou qu’on gagne
cation (+) si on en perd, anion (−) si on en gagne
la formule donne la charge : Mg²⁺ a perdu 2 électrons, Cl⁻ en a gagné 1

Identifier un ion par précipitation

À retenir

Verser de la soude dans une solution d’ions métalliques fait apparaître un précipité dont la couleur identifie l’ion : bleu pour le cuivre Cu²⁺, vert pour le fer Fe²⁺, rouille pour le fer Fe³⁺, blanc pour le zinc Zn²⁺. Le nitrate d’argent révèle les ions chlorure par un précipité blanc qui noircit à la lumière. Un test négatif — rien ne se passe — est aussi une information.

Définitions

soude → précipité bleu : ion cuivre Cu²⁺
soude → précipité vert : ion fer Fe²⁺
soude → précipité rouille : ion fer Fe³⁺
soude → précipité blanc : ion zinc Zn²⁺
nitrate d’argent → précipité blanc qui noircit à la lumière : ion chlorure Cl⁻

Acide, neutre ou basique ?

À retenir

Le pH varie de 0 à 14 et se mesure au pH-mètre ou au papier pH. Il traduit la proportion d’ions hydrogène H⁺ et hydroxyde HO⁻ : une solution acide (pH < 7) contient plus de H⁺, une solution basique (pH > 7) plus de HO⁻, une solution neutre (pH = 7) autant des deux. Plus le pH s’éloigne de 7, plus la solution est corrosive.

Définitions

ion hydrogène H⁺ : il domine dans les acides
ion hydroxyde HO⁻ : il domine dans les bases
pH = 7 : autant des deux, la solution est neutre
Repères de cours

Les ions sont les espèces chimiques obtenues après le gain ou la perte d'au moins un électron par un atome ou une molécule. On les identifie par des tests de précipitation. Les solides et solutions ioniques sont toujours électriquement neutres.

CationAnionPrécipitépH

Définitions clés

Un ion

Un ion est un atome ou une molécule qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il porte donc une charge électrique.

Le nombre de protons, lui, ne change jamais.
L'anion

Le gain d'un ou plusieurs électrons donne un ion négatif : un anion.

Ex. : l'atome de chlore Cl gagne un électron et devient l'ion chlorure Cl⁻.
Le cation

La perte d'un ou plusieurs électrons donne un ion positif : un cation.

Ex. : l'atome de cuivre Cu perd deux électrons et devient l'ion cuivre Cu²⁺.
Les tests par précipitation

La présence d'ions peut être établie par des tests. Un précipité apparait lorsque le test est positif : sa couleur permet d'identifier l'ion.

Soude → ions métalliques. Nitrate d'argent → ions chlorure.
Le solide ionique

Un solide ionique est un assemblage régulier d'anions et de cations.

Il est électriquement neutre.
La solution ionique

Une solution ionique est une solution de cations et d'anions, le plus souvent aqueuse. Sa formule s'écrit entre parenthèses avec les formules des ions qu'elle contient.

Ex. : (Fe³⁺ + 3 Cl⁻).
La neutralité électrique

Les proportions en anions et en cations rendent les solides et solutions ioniques électriquement neutres.

Total des charges + = total des charges −.
Le pH

Le pH varie entre 0 et 14 et se mesure avec un pH-mètre ou du papier pH. Il vaut 7 quand il y a autant d'ions H⁺ que d'ions HO⁻.

pH < 7 : acide · pH = 7 : neutre · pH > 7 : basique.

Les schémas à connaître

Formation des ions monoatomiques
Na − 1 e⁻ Na⁺ CATION Cl + 1 e⁻ Cl⁻ ANION

Perdre un électron → charge positive. Gagner un électron → charge négative.

Les tests d'identification
Avec la soude Zn²⁺blanc Cu²⁺bleu Fe²⁺vert Fe³⁺rouille Nitrate d'argent Cl⁻blanc un précipité = test POSITIF · sa couleur identifie l'ion

C'est la couleur du précipité qui identifie l'ion présent.

Quiz — Les ions dans notre quotidien

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Chapitre 3

Quand les acides et les bases réagissent

Dilue une solution corrosive et regarde son pH glisser vers 7, verse de la soude dans un acide pour voir les ions H⁺ et HO⁻ se combiner en molécules d'eau, puis plonge un métal dans l'acide chlorhydrique et observe le dihydrogène bouillonner.

Dilution H⁺ + HO⁻ → H₂O Réaction acidobasique Ion spectateur Acide + métal

Diluer pour rendre moins dangereux

À retenir

La dilution est une transformation physique : on ajoute du solvant sans changer les espèces dissoutes. Les ions H⁺ d’un acide (ou HO⁻ d’une base) sont toujours là, mais répartis dans un volume plus grand : la solution est moins concentrée. Chaque fois que le volume est multiplié par dix, le pH d’un acide gagne une unité et celui d’une base en perd une : tous deux se rapprochent de 7 sans jamais l’atteindre. La solution devient moins corrosive, mais un acide dilué reste acide.

Définitions

dilution au dixième : 10 mL de solution dans 90 mL d’eau
indicateur universel : rouge en acide, vert à pH 7, violet en base
pH : il se rapproche de 7 sans l’atteindre

La réaction acidobasique

À retenir

Verser une base dans un acide fait disparaître les ions hydrogène H⁺ et hydroxyde HO⁻, qui se combinent deux à deux en molécules d’eau : H⁺ + HO⁻ → H₂O. Quand il n’en reste ni d’un côté ni de l’autre, la solution est neutre et le pH vaut 7. Les ions sodium Na⁺ et chlorure Cl⁻ n’ont pas réagi : ce sont les ions spectateurs.

Définitions

ion hydrogène H⁺ : apporté par l’acide
ion hydroxyde HO⁻ : apporté par la base
ions spectateurs : ils ne réagissent pas

Quand l’acide attaque un métal

À retenir

L’acide chlorhydrique (H⁺ + Cl⁻) attaque le fer et le zinc, pas le cuivre. La réaction chauffe le tube et s’arrête quand l’acide est épuisé. Il se forme du dihydrogène H₂, qui détone à l’approche d’une flamme, et des ions du métal : la soude donne un précipité vert avec les ions fer II. 2 H⁺ + Fe → H₂ + Fe²⁺.

Définitions

Dihydrogène H₂ : une petite détonation à l’approche d’une flamme.
Ion fer II Fe²⁺ : un précipité vert avec la soude.
Ions chlorure Cl⁻ : présents avant et après, ils ne réagissent pas.
Repères de cours

Les réactions acidobasiques modélisent les réactions entre les solutions acides et les solutions basiques. Les réactifs, l'ion hydrogène et l'ion hydroxyde, se combinent pour former une molécule d'eau. De nombreux métaux peuvent être dégradés par les solutions acides.

DilutionRéaction acidobasiqueIon spectateurDihydrogène

Définitions clés

La dilution

La dilution est une transformation physique. Elle consiste à augmenter la quantité de solvant présent dans une solution ; les espèces chimiques dissoutes restent inchangées.

Pour rendre une solution moins dangereuse, on la dilue avec de l'eau.
Dilution et pH

Au cours d'une dilution, le pH d'une solution évolue et se rapproche de 7 : la solution devient moins corrosive.

Un acide voit son pH augmenter, une base son pH diminuer.
La réaction acidobasique

Mélanger des solutions diluées d'acide chlorhydrique (H⁺ + Cl⁻) et de soude (Na⁺ + HO⁻) donne une solution dont le pH est plus proche de 7 que celui des solutions de départ.

C'est une réaction acidobasique.
L'équation de la réaction

Les ions hydrogène de l'une et hydroxyde de l'autre sont consommés : ils se combinent pour former une molécule d'eau.

HO⁻ + H⁺ → H₂O.
Les ions spectateurs

Les espèces chimiques qui ne participent pas à la transformation sont appelées « spectatrices ».

Ici : les ions Na⁺ et Cl⁻.
Fer et acide chlorhydrique

Le contact entre l'acide chlorhydrique et le fer déclenche une transformation chimique : la température augmente et deux nouveaux corps apparaissent, le dihydrogène gazeux H₂ et l'ion ferreux Fe²⁺.

2 H⁺ + Fe → H₂ + Fe²⁺.
Les autres métaux

D'autres métaux, comme le zinc, peuvent aussi réagir avec les acides.

2 H⁺ + Zn → H₂ + Zn²⁺.
La corrosion

Dans de nombreux cas, les solutions acides dégradent les métaux.

C'est pourquoi les acides sont conservés dans des flacons adaptés.

Les schémas à connaître

Le mélange se rapproche de pH 7
pH 2 acide pH 12 basique pH ≈ 7 neutre HO⁻ + H⁺ → H₂O

Les ions H⁺ et HO⁻ sont consommés : la solution devient moins corrosive.

Le fer attaqué par l'acide
H₂ dihydrogène T ↗ 2 H⁺ + Fe → H₂ + Fe²⁺

Deux nouveaux corps : le dihydrogène et l'ion ferreux Fe²⁺.

Quiz — Acides et bases

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Chapitre 4

La masse volumique

Pèse un objet mystère, mesure son volume par déplacement d'eau, calcule ρ = m / V pour l'identifier — puis descends à l'échelle des atomes voir comment un alliage se construit.

Masse volumique ρ ρ = m / V kg/m³ Flotter · couler Alliage · composite

La couronne du roi

À retenir

La masse volumique est le quotient de la masse par le volume : ρ = m ÷ V. Elle ne dépend pas de la taille de l’objet : c’est une propriété caractéristique de la matière, qui permet de l’identifier. Le lingot et la couronne pèsent 1 kg chacun, mais la couronne chasse plus d’eau : sa masse volumique, 15,6 g/cm³, n’est pas celle de l’or.

Méthode

Identifier la matière d’un objet :

peser l’objet à la balance : on lit m
le descendre dans le vase à trop-plein : l’eau chassée, recueillie dans une éprouvette, donne V
calculer ρ = m ÷ V, puis comparer à la table

Attention

Le volume par déplacement d’eau ne vaut que pour un solide qui coule et qui ne se dissout pas. On lit le bas du ménisque, l’œil en face de la graduation. Et un alliage n’a pas la masse volumique de ses métaux : celle de la couronne, or mêlé d’argent, tombe entre celle de l’argent (10,5 g/cm³) et celle de l’or (19,3 g/cm³).

Définitions

m : la masse, en g, lue sur la balance
V : le volume d’eau chassé, en mL (1 mL = 1 cm³)
ρ = m ÷ V : en g/cm³, et 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³

Qui flotte, qui coule ?

À retenir

Un corps flotte sur un liquide si sa masse volumique est inférieure à celle du liquide, et coule si elle est supérieure. Sur l’eau, la limite est donc 1,0 g/mL.

Exemple

La glace vaut 0,92 g/mL : elle flotte, mais ne laisse dépasser que 8 % de son volume — c’est pourquoi un iceberg est presque entièrement sous l’eau. L’huile, à 0,92 g/mL également, flotte sur l’eau ; le fer, à 7,9 g/mL, coule aussitôt.

Attention

Ce n’est pas la masse qui décide, mais la masse volumique. La même pâte à modeler, 96 g, coule en boule et flotte en barque : la coque enferme de l’air, et la masse volumique de l’ensemble passe sous celle de l’eau. C’est ainsi qu’un paquebot d’acier flotte.

Définitions

ρ < ρ du liquide : le corps flotte
ρ > ρ du liquide : le corps coule
part immergée = ρ du corps ÷ ρ du liquide

Métaux, alliages et composites

À retenir

Dans un métal pur, les atomes forment un réseau régulier dont les plans glissent facilement les uns sur les autres : le métal est ductile. Un alliage introduit des atomes différents ; le réseau est déformé, les plans glissent moins bien, et le matériau devient plus dur.

Exemple

Le laiton est un alliage de substitution : les atomes de zinc, de taille voisine, prennent la place d’atomes de cuivre. L’acier est un alliage d’insertion : les atomes de carbone, bien plus petits, se glissent dans les creux du réseau de fer. Le béton armé, lui, n’est pas un alliage mais un composite : deux matériaux non miscibles assemblés, le béton qui résiste à l’écrasement et l’acier à la traction.

Attention

Un alliage n’est pas un mélange quelconque : les atomes ajoutés prennent place dans le réseau du métal. Un composite, au contraire, garde ses deux matériaux séparés, visibles à l’œil ou à la loupe. Et l’on ne trouve presque jamais les métaux purs dans la nature : l’industrie les tire des minerais.

Définitions

métal pur : un réseau régulier, des plans qui glissent
substitution : un atome de taille voisine prend une place
insertion : un atome plus petit se glisse dans un creux
composite : deux matériaux non miscibles assemblés
Repères de cours

La masse volumique ρ = m / V est une propriété caractéristique d'un corps : elle permet de l'identifier et de prévoir s'il flotte ou coule. Dans la nature, les minerais sont bien plus répandus que les métaux purs, que l'industrie utilise surtout sous forme d'alliages.

Masse volumiqueρ = m / VFlottaisonAlliageComposite

Définitions clés

Les métaux

La grande majorité des atomes connus appartiennent à un même groupe : celui des métaux. On trouve peu de métaux purs dans la nature, alors que les minerais sont très répandus.

L'industrie s'approvisionne grâce aux minerais.
La masse volumique

La masse volumique est une propriété caractéristique d'un corps. Elle correspond à sa masse m divisée par son volume V.

ρ = m / V, soit m = ρ × V.
Les unités

L'unité du Système International est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). On l'exprime aussi en kg/L, en g/mL ou en g/cm³.

1 g/cm³ = 1000 kg/m³.
Masse volumique de l'eau

Dans les conditions usuelles, l'eau a une masse volumique de 1000 kg/m³.

Soit 1 kg/L, ou 1 g/mL.
Flotter ou couler

Un corps flotte sur un liquide si sa masse volumique est plus petite que celle du liquide ; il coule sinon.

L'huile (≈ 920 kg/m³) flotte sur l'eau.
Mesurer un volume

Pour un solide de forme quelconque, on mesure le volume par déplacement d'eau dans une éprouvette graduée.

V = V₂ − V₁.
L'alliage de substitution

Si les atomes ajoutés ont une taille équivalente à ceux du métal principal, l'alliage est formé par substitution de ces atomes à certains atomes du métal.

Ex. : l'électrum (or et argent).
L'alliage d'insertion

Si les atomes ajoutés ont une taille plus petite que ceux du métal principal, l'alliage est formé par insertion des plus petits atomes entre ceux du métal.

Ex. : l'acier (fer et carbone).
Le matériau composite

Un matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles. Ses propriétés dépendent de l'assemblage des matériaux qui le constituent.

Certains composites ont une masse volumique très faible.

Les schémas à connaître

La formule et ses unités
ρ = m V ρ en kg/m³ m en kg · V en m³ on peut aussi écrire m = ρ × V

La masse m est proportionnelle au volume V ; le coefficient est ρ.

Substitution, insertion, composite
substitution insertion composite atomes de taille proche petits atomes intercalés couches non miscibles électrum · acier · PRFC l'organisation dépend de la taille des atomes ajoutés

C'est la taille des atomes ajoutés qui décide du type d'alliage.

Quiz — La masse volumique

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Chapitre 5

Vitesse et mouvement

Change de référentiel pour voir le même voyageur en mouvement ou au repos, lis une chronophotographie pour reconnaitre un mouvement uniforme, puis calcule une vitesse moyenne avec v = d / t.

Référentiel Trajectoire Mouvement uniforme Chronophotographie v = d / t

La trajectoire dépend du référentiel

À retenir

L’objet dont on étudie le mouvement s’appelle le mobile ; l’objet par rapport auquel on repère ses positions est le référentiel. La description d’un mouvement dépend du référentiel, jusqu’à la trajectoire : la bille lâchée sur le wagon tombe tout droit pour le voyageur (trajectoire rectiligne), mais décrit une courbe pour qui la regarde du quai (trajectoire curviligne), car elle avance avec le wagon pendant sa chute.

Définitions

référentiel : l’objet choisi comme repère
mobile : l’objet dont on étudie le mouvement
trajectoire : la ligne que suit le mobile ; elle dépend du référentiel

Lire une chronophotographie

À retenir

Une chronophotographie enregistre les positions du mobile à intervalles de temps réguliers — ici une image par seconde. La vitesse moyenne se calcule en divisant la distance totale par la durée totale : elle ne dit rien de ce qui s’est passé pendant le trajet. Ce sont les intervalles successifs qui révèlent la nature du mouvement : égaux → uniforme, croissants → accéléré, décroissants → ralenti.

Définitions

intervalle : la distance entre deux images successives
vitesse moyenne : distance totale ÷ durée totale ; 1 m/s = 3,6 km/h
nature du mouvement : lue sur les intervalles

Calculer avec v = d ÷ t

À retenir

La vitesse moyenne est la distance parcourue divisée par la durée : v = d ÷ t. Rouler à 8 m/s, c’est parcourir 8 m à chaque seconde : en t secondes, on parcourt d = v × t ; pour parcourir d mètres, il faut t = d ÷ v. C’est une seule relation, écrite pour la grandeur cherchée. Un résultat invraisemblable — un coureur à 800 m/s — signale presque toujours une division à l’envers ou une multiplication de trop.

Définitions

v = d ÷ t : la vitesse, en m/s (d en m, t en s)
d = v × t : la distance, en m
t = d ÷ v : la durée, en s
Repères de cours

Le mouvement d'un système dépend du référentiel dans lequel on l'observe. Si la valeur de la vitesse d'un mobile est constante, alors son mouvement est uniforme. Sur une chronophotographie, si les positions sont espacées régulièrement, alors le mouvement est uniforme.

RéférentielTrajectoireMouvement uniformev = d / t

Définitions clés

Le mobile

En mécanique, un système dont on étudie le mouvement est appelé un mobile.

Ex. : une voiture, un ballon, un satellite.
Le référentiel

L'objet par rapport auquel on repère la position d'un mobile est appelé un référentiel. Dans une description exacte du mouvement, le référentiel d'étude est précisé.

La trajectoire d'un mobile dépend du référentiel choisi.
Mouvement rectiligne

Si la trajectoire d'un mobile est une droite, alors son mouvement est rectiligne dans ce référentiel.

Ex. : une bille qui roule sur une table.
Mouvement circulaire

Si la trajectoire d'un mobile est un cercle, alors son mouvement est circulaire dans ce référentiel.

Ex. : une cabine de grande roue.
Mouvement uniforme

Si la valeur de la vitesse d'un mobile est constante, alors le mouvement est un mouvement uniforme dans ce référentiel.

La vitesse ne change pas au cours du temps.
La chronophotographie

Lors d'un mouvement uniforme, la chronophotographie présente des positions successives toujours espacées de la même distance. Lors d'un mouvement non uniforme, les distances sont différentes.

Positions régulières = mouvement uniforme.
La proportionnalité

Lors d'un mouvement uniforme, la distance parcourue par un mobile en une durée donnée est proportionnelle à la valeur de la vitesse.

Le coefficient de proportionnalité est la vitesse.
La vitesse moyenne

Dans un référentiel donné, la vitesse moyenne v d'un mobile est liée à la distance totale d parcourue et à la durée totale t du mouvement.

v = d / t · t = d / v · d = v × t.

Les schémas à connaître

Le triangle de la vitesse
d v t v = d / t · t = d / v · d = v × t

On cache la grandeur cherchée : l'opération apparait avec les deux autres.

Uniforme ou non uniforme ?
uniforme : positions régulières non uniforme : positions irrégulières

Écarts égaux → vitesse constante. Écarts croissants → le mobile va de plus en plus vite.

Quiz — Vitesse et mouvement

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Chapitre 6

Les forces

Tire directement sur la flèche pour régler les quatre caractéristiques d'une force, charge un ressort pour comprendre le dynamomètre, puis ajuste deux forces jusqu'à l'équilibre.

Action mécanique Force · newton (N) Point d'application · direction · sens · valeur Dynamomètre Équilibre

Modéliser une action par une force

À retenir

Une force modélise l’action d’un objet sur un autre. On la représente par une flèche qui porte ses quatre caractéristiques : le point d’application, l’endroit où l’action s’exerce ; la direction, la droite qui porte la flèche ; le sens, donné par la pointe ; la valeur, en newtons, donnée par sa longueur.

Attention

Le point d’application ne se place pas « au centre de l’objet ». Une action de contact s’applique là où les deux objets se touchent : le piton où tire le crochet, la surface où pousse la main, la zone où le sol porte la caisse. Seule une action à distance, comme le poids, s’exerce sur toute la matière du corps — et c’est pour cette raison qu’on la place au centre de gravité.

Méthode

Pour représenter une force sur un schéma :

placer le point d’application, à l’endroit exact du contact
tracer la droite d’action, en pointillé, qui donne la direction
porter la flèche dans le bon sens, à l’échelle choisie
écrire l’échelle : ici 1 cm pour 2 N

Définitions

flèche bleue : la force exercée par le crochet sur la caisse
flèche orange : le poids, exercé par la Terre
la marque ⊕ : le centre de gravité de la caisse
le pointillé : la droite d’action de la force

Comment fonctionne un dynamomètre ?

À retenir

L’allongement d’un ressort est proportionnel à la force qu’il subit : doubler la force double l’allongement. Le coefficient de proportionnalité, la raideur, est propre à chaque ressort — un ressort raide s’allonge moins pour la même force. Graduer cet allongement en newtons, c’est fabriquer un dynamomètre.

Méthode

Mesurer une force au dynamomètre :

vérifier le zéro avant d’accrocher quoi que ce soit
accrocher l’objet, laisser le ressort s’immobiliser
lire la graduation en face de l’aiguille, l’œil bien en face

Attention

Un dynamomètre porte un calibre : la valeur maximale qu’il peut mesurer. Au-delà, l’aiguille bute et le ressort se déforme définitivement — la graduation devient fausse. Un dynamomètre mesure une force en newtons, jamais une masse en grammes.

Définitions

raideur : la force qu’il faut pour allonger le ressort de 1 m
allongement : la longueur gagnée par rapport au ressort au repos
newton (N) : l’unité de force ; un objet de 100 g pèse environ 1 N

Un système soumis à deux forces

À retenir

Un système soumis à deux forces est en équilibre lorsque ces deux forces ont la même droite d’action, des sens contraires et la même valeur : on dit qu’elles se compensent. Si l’une l’emporte, le système se met en mouvement dans son sens.

Exemple

Une lampe suspendue au plafond ne bouge pas : le câble tire vers le haut, au point où il est fixé, exactement autant que la Terre tire vers le bas, au centre de gravité. Un livre posé sur la table non plus : la table pousse vers le haut, par la surface de contact, autant que le poids tire vers le bas.

Attention

Se compenser n’est pas « se ressembler ». Deux forces de même valeur et de sens contraires mais portées par deux droites différentes ne se compensent pas : le corps ne se déplace pas, mais il pivote. La condition sur la droite d’action n’est donc pas un détail.

Définitions

force exercée par le fil : appliquée au crochet, vers le haut
poids : appliqué au centre de gravité, vers le bas
équilibre : les deux forces se compensent, le corps reste immobile
Repères de cours

En physique, une force est la modélisation d'une action mécanique. On lui associe un point d'application, une direction, un sens et une intensité. Un système à l'équilibre est soumis à des forces qui se compensent.

ForceNewton (N)DynamomètreÉquilibre

Définitions clés

L'interaction

Lorsque deux objets A et B sont en interaction, il existe deux actions mécaniques : A agit sur B et B agit sur A.

Chaque action est modélisée par une force.
Les 4 caractéristiques

Une force possède un point d'application, une direction qui définit la droite d'action, un sens et une valeur (aussi appelée intensité). Le point d'application est l'endroit où l'action s'exerce : pour une action de contact, c'est le point de contact.

Ex. : le piton où tire la corde · horizontale · vers la droite · 12 N.
Où placer le point d'application ?

Une action de contact s'applique là où les deux objets se touchent : le crochet, la corde, la main, le sol. Une action à distance, comme le poids, s'exerce sur toute la matière du corps : on la place alors, et alors seulement, au centre de gravité.

Le centre n'est pas un choix par défaut.
La notation

On note FA/B la force exercée par l'objet A sur l'objet B. Il peut être utile de modéliser le système étudié par un point.

Ex. : FTerre/voilier.
L'unité

L'intensité d'une force se mesure en newtons (N) à l'aide d'un dynamomètre.

Le symbole du newton est N.
Le dynamomètre

Lorsqu'on exerce une force sur un ressort, il s'étire ou se comprime plus ou moins selon sa raideur et l'intensité de la force. On crée alors une échelle propre à chaque ressort.

C'est comme cela que fonctionne un dynamomètre.
Représenter une force

Les forces sont représentées par des flèches qui commencent au point d'application, suivent la droite d'action dans le sens de la force, et dont la longueur est proportionnelle à sa valeur.

Il faut toujours préciser l'échelle.
L'équilibre

Un système est à l'équilibre lorsque les forces qu'il subit se compensent. S'il n'est soumis qu'à deux forces, celles-ci ont la même droite d'action, des sens inverses et des intensités égales.

Elles sont exactement opposées.
Forces négligeables

Sur un même schéma, on utilise la même échelle pour toutes les forces. Certaines forces, bien moins intenses que les autres, peuvent parfois être négligées.

Elles n'apparaissent alors pas sur le schéma.

Les schémas à connaître

Le diagramme objet-interaction
Voilier Air Eau Terre

Chaque trait est une interaction : elle donnera une force sur le schéma.

Deux forces qui se compensent
F fil/objet F Terre/objet même droite d'action

Sens inverses et intensités égales → le système est à l'équilibre.

Quiz — Les forces

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Chapitre 7

Le poids

Pose le même objet sur la Terre, la Lune ou Jupiter et regarde l'aiguille du dynamomètre changer, éloigne deux astres pour voir la force de gravitation s'effondrer en 1/d², puis lâche un corps et suis sa vitesse qui grimpe.

Poids P (en N) P = m × g Intensité de pesanteur g Force de gravitation Chute libre

Le même objet, des poids différents

À retenir

La masse est la quantité de matière d’un objet : elle se mesure en kilogrammes avec une balance et ne dépend pas du lieu. Le poids est la force d’attraction exercée par un astre : il se mesure en newtons avec un dynamomètre et vaut P = m × g. L’intensité de pesanteur g vaut environ 9,8 N/kg sur Terre, 1,6 sur la Lune, 3,7 sur Mars et 24,8 sur Jupiter.

Définitions

masse : en kilogrammes, la même partout
poids : en newtons, propre à chaque astre
g = P ÷ m : l’intensité de pesanteur

La Terre et la Lune s’attirent

À retenir

Deux corps s’attirent du fait de leur masse : c’est la gravitation. L’interaction est réciproque : la Lune tire la Terre aussi fort que la Terre tire la Lune, 2,0 × 1020 N, en sens opposés. La force vaut F = G × mA × mB ÷ d², où d est la distance entre les centres : doubler la distance divise la force par quatre, la tripler la divise par neuf. À la surface de la Terre, cette attraction est le poids, dirigé vers le centre de la Terre : P = m × g.

Définitions

FT/L : la force exercée par la Terre sur la Lune, en newtons
d : la distance entre les deux centres, en mètres
G = 6,67 × 10−11 N·m²/kg² : la constante de gravitation

La chute des corps

À retenir

Un corps lâché sans vitesse initiale et sans support tombe suivant la verticale, vers le centre de la Terre. Les positions successives s’espacent régulièrement : le mouvement est rectiligne accéléré. La vitesse gagne environ 10 m/s à chaque seconde — c’est l’intensité de pesanteur, la même pour tous les corps lorsqu’on néglige l’air.

Définitions

intervalle : la hauteur parcourue entre deux images
les intervalles s’espacent : le mouvement accélère
+10 m/s chaque seconde : l’intensité de pesanteur
Repères de cours

La chute des objets abandonnés sans support est le résultat de la force d'attraction que la Terre exerce sur eux, nommée le poids. Le poids est une force : son intensité est proportionnelle à la masse de l'objet. À l'inverse de sa masse, le poids d'un objet dépend de l'astre où il se trouve.

PoidsP = m × gGravitationPesanteur g

Définitions clés

La chute

Un système abandonné sans vitesse initiale et sans support a un mouvement rectiligne vertical et dirigé vers le centre de la Terre. La valeur de sa vitesse augmente à chaque instant.

Le mouvement est accéléré.
Le poids

La force d'attraction que la Terre exerce sur les objets à sa surface est appelée le poids.

Il s'exerce verticalement, vers le bas.
Une force répartie

Le poids s'exerce verticalement vers le bas et son point d'application est fictif, car c'est une force répartie sur tout l'objet.

On le place au centre de gravité.
Mesurer un poids

Le poids est une force. Son intensité P se mesure avec un dynamomètre, comme toute force.

Unité : le newton (N).
La relation poids-masse

Le poids et la masse d'un objet sont deux grandeurs proportionnelles : P = m × g, avec P en newtons (N), m en kilogrammes (kg) et g en N/kg.

À la surface de la Terre, g ≈ 9,8 N/kg.
La force de gravitation

Isaac Newton a compris au XVIIe siècle qu'il existait toujours une interaction attractive entre deux objets, du fait de leur masse.

F = G × (mA × mB) / d².
Une force universelle

La force de gravitation est universelle : on la retrouve en tout lieu et à toute époque de l'Univers.

Elle explique aussi le mouvement des astres.
L'intensité de pesanteur

À la surface d'un astre, le poids d'un système est proportionnel à sa masse. Le coefficient de proportionnalité dépend de l'astre : c'est l'intensité de pesanteur g.

g, et donc P, varient d'un astre à l'autre.

Les schémas à connaître

La formule et ses unités
P = m × g P en N m en kg g en N/kg sur Terre : g ≈ 9,8 N/kg

Le poids est proportionnel à la masse : le coefficient est g.

Le poids est toujours vertical
centre P le poids

En tout point, le poids est dirigé vers le centre de la Terre.

Quiz — Le poids

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Chapitre 8

La conservation de l'énergie

Accroche un panneau de vitesse et regarde jusqu'où le véhicule glisse avant de s'arrêter, lâche une bille du haut du mât et suis les trois barres de craie, puis mets un objet en marche et regarde l'énergie couler de la source au convertisseur — et la part qui s'échappe en chaleur.

Énergie cinétique Ec = ½ × m × v² Énergie de position Conservation Convertisseur

La distance de freinage

À retenir

L’énergie qu’un système possède du fait de son mouvement s’appelle l’énergie cinétique : Ec = ½ × m × v², en joules, avec m en kilogrammes et v en m/s. Elle est proportionnelle à la masse, mais au carré de la vitesse : deux fois plus vite, quatre fois plus d’énergie. Pour s’arrêter, les freins la convertissent en chaleur, et la distance de freinage lui est proportionnelle : 5 m à 30 km/h, 20 m à 60 km/h, 45 m à 90 km/h. Sur la route, s’y ajoute la distance parcourue pendant le temps de réaction.

Définitions

Ec : l’énergie cinétique, en joules (1 kJ = 1 000 J)
distance de freinage : proportionnelle à Ec
distance d’arrêt = distance de réaction + distance de freinage

De l’énergie de position à l’énergie cinétique

À retenir

L’énergie de position dépend de l’altitude : Ep = m × g × h. L’énergie cinétique dépend de la vitesse : Ec = ½ × m × v². En descendant, l’une se convertit en l’autre, puis l’inverse en remontant. Sans frottement, leur somme, l’énergie mécanique, reste constante : le skateur remonte à sa hauteur de départ, et sa vitesse en bas ne dépend pas de sa masse. Avec des frottements, une part de l’énergie mécanique est convertie en chaleur : il remonte moins haut à chaque passage.

Définitions

Ep : l’énergie de position, liée à l’altitude
Ec : l’énergie cinétique, liée à la vitesse
Em = Ep + Ec : constante s’il n’y a pas de frottement

La chaîne énergétique

À retenir

Une chaîne énergétique se lit de gauche à droite : un réservoir d’énergie (on dit aussi une source) fournit l’énergie, un convertisseur la transforme, et il en sort de l’énergie utile. À chaque conversion, une partie part vers l’environnement sous forme thermique : ce sont les pertes. L’énergie n’est jamais détruite — elle est transférée et convertie.

Définitions

flèche : un transfert d’énergie
rectangle : le réservoir ou l’énergie utile ; ovale : un convertisseur
pertes : la part qui s’échappe en chaleur
Repères de cours

L'énergie mécanique d'un système en chute libre reste constante : son énergie de position est convertie en énergie cinétique. Plus généralement, l'énergie totale se conserve : elle est soit transférée, soit convertie, soit stockée.

Ec = ½ m v²Énergie de positionConservationConvertisseur

Définitions clés

L'énergie cinétique

L'énergie qu'un système possède du fait de son mouvement s'appelle l'énergie cinétique.

Elle se note Ec et s'exprime en joules (J).
La formule

L'énergie cinétique Ec (en J) d'un système de masse m (en kg) se déplaçant à la vitesse v (en m/s) est donnée par la relation ci-contre.

Ec = ½ × m × v².
Vitesse au carré

L'énergie cinétique est proportionnelle à la masse du système ainsi qu'au carré de sa vitesse. Doubler la vitesse fait donc quadrupler l'énergie cinétique.

C'est pourquoi la vitesse est si dangereuse en voiture.
L'énergie de position

L'énergie de position d'un système est liée à son altitude.

Plus il est haut, plus elle est grande.
La chute libre

Un système en chute libre perd de l'altitude et gagne de la vitesse. L'énergie de position du système est ainsi convertie en énergie cinétique.

Rien ne se perd : tout se convertit.
L'énergie mécanique

L'altitude et la vitesse d'un système permettent de lui associer une « énergie mécanique », somme de son énergie de position et de son énergie cinétique.

Elle est constante dans le cas d'une chute libre.
La conservation de l'énergie

On observe que seules les évolutions qui ne font pas changer l'énergie totale sont possibles : on appelle cela la conservation de l'énergie.

L'énergie totale ne change jamais.
Le convertisseur d'énergie

Un convertisseur d'énergie transforme l'énergie d'une source en une autre forme, utilisable ailleurs.

Ex. : un alternateur, un moteur, une lampe.
Les « pertes »

Au cours de la plupart des transferts, l'environnement reçoit un transfert d'énergie thermique : une partie de l'énergie de la source est convertie sous une forme inutilisable.

C'est ce qu'on appelle les « pertes ».
Le langage quotidien

En physique, « produire » ou « consommer » de l'énergie n'a pas de sens. L'énergie est soit transférée, soit convertie, soit stockée.

Elle ne se crée pas et ne disparait pas.

Les schémas à connaître

La formule et ses unités
Ec = 1 2 × m × v² Ec en J m en kg v en m/s vitesse × 2 → énergie cinétique × 4

La vitesse intervient au carré : c'est elle qui compte le plus.

La chaîne énergétique
SOURCE eau en hauteur CONVERTISSEUR alternateur ÉNERGIE UTILE réseau environnement É. thermique É. de position É. électrique

Chaque flèche est un transfert ; l'énergie totale reste la même.

Quiz — La conservation de l'énergie

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Chapitre 9

La loi d'Ohm

Règle la tension d'un générateur et la résistance d'un conducteur ohmique, regarde l'intensité suivre U = R × I, trace la caractéristique point par point et découvre pourquoi une résistance chauffe.

Résistance R Ohm (Ω) U = R × I Caractéristique Effet Joule

Mesurer une résistance

À retenir

Pour un conducteur ohmique, le quotient de la tension par l’intensité garde la même valeur quelle que soit la tension appliquée : c’est sa résistance R, en ohms. On l’écrit U = R × I — la loi d’Ohm.

Définitions

Résistance (Ω) : ce qui s’oppose au passage du courant.
Conducteur ohmique : un dipôle qui suit la loi d’Ohm.
Ampèremètre en série, voltmètre en dérivation : chacun à sa place.

La caractéristique U = f(I)

À retenir

Pour un conducteur ohmique, les points s’alignent sur une droite passant par l’origine : U est proportionnelle à I, et le coefficient de proportionnalité est R. Une lampe ne suit pas cette loi : son filament chauffe, sa résistance augmente, sa caractéristique se courbe.

Définitions

Caractéristique : le graphique de U en fonction de I.
Dipôle non ohmique : sa caractéristique n’est pas une droite.
Proportionnalité : une droite qui passe par l’origine.

Calculer avec U = R × I

À retenir

La loi d’Ohm s’écrit U = R × I. On en déduit I = U / R pour trouver l’intensité, et R = U / I pour trouver la résistance. Attention aux unités : les milliampères se convertissent en ampères avant tout calcul — 47 Ω × 85 mA ne font pas 3 995 V, mais 47 Ω × 0,085 A ≈ 4,0 V, ce que lit le voltmètre.

Définitions

Volt (V) : l’unité de tension.
Ampère (A) : l’unité d’intensité ; 1 A = 1 000 mA.
Ohm (Ω) : l’unité de résistance.
Repères de cours

Un conducteur ohmique s'oppose au passage du courant. La loi d'Ohm relie la tension à ses bornes et l'intensité qui le traverse : U = R × I. Sa caractéristique est une droite passant par l'origine.

RésistanceU = R × IConducteur ohmiqueEffet Joule

Définitions clés

La résistance

Un conducteur ohmique (résistor) s'oppose plus ou moins au passage du courant : c'est sa résistance, notée R.

Unité : l'ohm (Ω). Mesurée à l'ohmmètre, hors circuit.
Une grandeur

Plus la résistance est grande, plus elle limite l'intensité du courant pour une même tension.

R s'exprime en ohms (Ω).
La loi d'Ohm

Pour un conducteur ohmique, la tension U à ses bornes est proportionnelle à l'intensité I qui le traverse.

U = R × I (U en V, R en Ω, I en A).
Les formules dérivées

À partir de U = R × I, on retrouve les deux autres grandeurs.

R = U / I et I = U / R.
La caractéristique

La caractéristique U = f(I) d'un conducteur ohmique est une droite passant par l'origine.

Sa pente (coefficient directeur) est égale à R.
L'effet Joule

Le passage du courant dans une résistance produit un dégagement de chaleur : c'est l'effet Joule.

Il est utilisé dans les radiateurs, fers à repasser, ampoules…

Les schémas à connaître

La formule et ses unités
U = R × I U en V R en Ω I en A donc R = U / I et I = U / R

U est proportionnelle à I ; le coefficient est la résistance R.

La caractéristique U = f(I)
I (A) U (V) pente = R origine (0 ; 0)

Droite passant par l'origine → le dipôle est un conducteur ohmique.

Quiz — La loi d'Ohm

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Chapitre 10

Puissance et énergie en électricité

Branche un appareil de la cuisine sur le wattmètre et calcule sa puissance avec P = U × I, fais tourner le compteur pour convertir une durée d'utilisation en kilowattheures, puis allume les appareils d'une même ligne jusqu'à faire déclencher le disjoncteur.

Puissance P (W) P = U × I E = P × t kWh Disjoncteur

La puissance d’un appareil

À retenir

La puissance est le produit de la tension par l’intensité : P = U × I, en watts. Sous la même tension de 230 V, une lampe LED de 8 W appelle 35 mA quand une bouilloire de 2000 W en appelle 8,7 A — près de deux cent cinquante fois plus.

Définitions

Watt (W) : l’unité de puissance ; 1 W = 1 V × 1 A.
Puissance nominale : celle inscrite sur la plaque de l’appareil.
Tension du secteur : 230 V en France, la même pour tous les appareils.

L’énergie consommée

À retenir

L’énergie consommée est le produit de la puissance par la durée : E = P × t, en joules si P est en watts et t en secondes. Les fournisseurs facturent en kilowattheures : 1 kWh vaut 3 600 000 J, soit un appareil de 1000 W pendant une heure.

Définitions

Joule (J) : l’unité d’énergie du système international.
Kilowattheure (kWh) : l’unité de la facture ; 1 kWh = 3,6 MJ.
Durée : à convertir en secondes pour obtenir des joules.

L’installation domestique

À retenir

En dérivation, chaque appareil reçoit 230 V et l’intensité de la ligne est la somme des intensités de tous les appareils allumés. Au-delà du calibre du disjoncteur — souvent 16 A — les fils chaufferaient dangereusement : il coupe le circuit avant l’incendie.

Définitions

Dérivation : chaque appareil a sa branche, sous la même tension.
Surcharge : l’intensité dépasse ce que la ligne peut supporter.
Disjoncteur : il coupe automatiquement au-delà de son calibre.
Repères de cours

La puissance P d'un appareil est égale à l'énergie E qu'il convertit, divisée par la durée t de cette conversion. Elle est aussi égale au produit de la tension par l'intensité. Les installations électriques sont protégées des surintensités par les fusibles et les disjoncteurs.

P = E / tP = U × IkWhEffet Joule

Définitions clés

La puissance

Un appareil qui convertit une énergie E en une durée t possède une puissance P = E / t.

E en joules (J), t en secondes (s).
Le watt

L'unité de la puissance est le watt (W), qui est équivalent à un joule par seconde (J/s).

1 W = 1 J/s.
P = U × I

La puissance P d'un appareil électrique est proportionnelle à l'intensité I du courant qui le traverse et à la tension U entre ses bornes.

P en W, U en V, I en A.
Le branchement en dérivation

Les appareils d'une installation électrique domestique sont associés en dérivation. Plus on en utilise, plus l'intensité du courant qui parcourt l'installation est importante.

Iligne = I₁ + I₂ + I₃ + …
La surintensité

Dans une installation électrique, une surintensité provoque une surchauffe par effet Joule, ce qui peut entrainer un incendie.

C'est le danger principal.
Fusibles et disjoncteurs divisionnaires

Les disjoncteurs divisionnaires et les fusibles protègent localement l'installation contre une surintensité.

Un par circuit de la maison.
Le disjoncteur de branchement

Le disjoncteur de branchement limite la puissance utilisée par l'abonné à la valeur souscrite lors de l'abonnement.

Il se trouve à l'entrée de l'installation.
Le kilowattheure

En plus des unités du Système International, il est parfois pratique d'utiliser le kilowattheure (kWh) pour l'énergie. P est alors exprimée en kilowatts (kW) et t en heures (h).

1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3 600 000 J.
« Consommation » d'énergie

Parler de « consommation d'énergie des appareils électriques » est un abus de langage : en fonctionnant, ils convertissent l'énergie reçue en une ou plusieurs autres formes, dont une au moins est utile.

L'efficacité énergétique est un défi industriel majeur.

Les schémas à connaître

Les deux formules et leurs unités
E = P × t Joule Watt Seconde P = U × I Watt Volt Ampère 1 kWh = 3 600 000 J

En kWh : P en kW et t en heures.

L'additivité des intensités
I₁ I₂ I₃ disj. I ligne = I₁ + I₂ + I₃ le disjoncteur s'ouvre si I ligne dépasse le maximum

Plus on allume d'appareils, plus Iligne augmente.

Quiz — Puissance et énergie

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Chapitre 11

Des signaux au-delà de la perception humaine

Fais le vide sous la cloche pour voir ce qu'il advient du son, mesure la période d'un signal à l'oscilloscope pour en tirer la fréquence, et promène les détecteurs au-delà du rouge et du violet, là où l'œil ne voit plus rien.

Fréquence (Hz) Infrasons · ultrasons Infrarouge · ultraviolet Ondes électromagnétiques Émetteur · récepteur

Infrasons, sons audibles, ultrasons

À retenir

Un son est une vibration de la matière. On le caractérise par sa fréquence, en hertz (Hz) : le nombre de vibrations par seconde. Elle est l’inverse de la période : f = 1 ÷ T. L’oreille humaine perçoit de 20 Hz à 20 000 Hz ; en deçà ce sont les infrasons, au-delà les ultrasons.

Définitions

période T : la durée d’une vibration
audible : de 20 Hz à 20 000 Hz
infrasons et ultrasons : hors de portée de l’oreille

Les lumières que l’œil ne voit pas

À retenir

L’œil ne reçoit que la lumière visible, du rouge au violet. Au-delà du rouge se trouvent les infrarouges, que le thermomètre détecte car ils transportent de la chaleur ; au-delà du violet, les ultraviolets, qui font briller les matières fluorescentes. Tous sont des ondes électromagnétiques : même nature, même vitesse dans le vide, seule la longueur d’onde change.

Définitions

infrarouge : détecté par le thermomètre
visible : détecté par l’œil
ultraviolet : détecté par le papier fluorescent

La vitesse de propagation d’un signal

À retenir

Un signal sonore est une vibration de la matière : il ne peut ni naître ni se transmettre dans le vide. Un signal lumineux, lui, traverse le vide — c’est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient, à 300 000 000 m/s. La vitesse du son dépend du milieu traversé : environ 340 m/s dans l’air, 1 500 m/s dans l’eau et 5 000 m/s dans l’acier.

Définitions

signal lumineux : se propage même dans le vide
signal sonore : a besoin de matière
v = d ÷ t : la vitesse dépend du milieu
Repères de cours

Le son est une vibration mécanique dont la fréquence, mesurée en hertz (Hz), se traduit par une sensation de grave ou d'aigu. On parle d'ultrasons et d'infrasons pour les fréquences situées hors du champ de perception de l'oreille humaine. Les ondes radio et les autres ondes électromagnétiques sont de même nature que la lumière.

FréquenceInfrasons · ultrasonsInfrarouge · ultravioletOnde électromagnétique

Définitions clés

Le son

Le son est une vibration mécanique : un va-et-vient rapide des particules qui composent la matière. Dans le vide, le son ne peut ni exister ni être transmis.

Il lui faut un milieu matériel.
La fréquence

On caractérise un son par sa fréquence, en hertz (de symbole Hz).

Plus un son est aigu, plus sa fréquence est grande ; plus elle est basse, plus le son est grave.
Infrasons et ultrasons

L'oreille humaine perçoit les sons de fréquence comprise entre 20 et 20 000 Hz. Les sons situés en deçà et au-delà de ces limites se nomment les infrasons et les ultrasons.

Ex. : l'éléphant émet des infrasons, la chauve-souris des ultrasons.
Les lumières invisibles

L'œil est un récepteur de lumière visible. Il existe aussi de la lumière infrarouge et ultraviolette que nos yeux ne détectent pas.

Certaines caméras les détectent.
Source et propagation

Comme le son, la lumière, qu'elle soit visible ou non, est créée par une source et se propage en ligne droite à travers certains matériaux.

Elle traverse aussi le vide.
Les ondes électromagnétiques

La lumière et les ondes électromagnétiques (comprenant les ondes radio, aussi appelées ondes hertziennes) sont de même nature. Elles sont produites par un émetteur et détectées par un récepteur.

Elles se propagent dans le vide.
Les vitesses de propagation

Le son se propage à environ 340 m/s dans l'air et 1500 m/s dans l'eau. Les ondes électromagnétiques se propagent à 300 000 000 m/s dans le vide.

La lumière est presque un million de fois plus rapide que le son.
Communiquer

Tout signal sonore, lumineux ou radio permet le transport d'informations entre un émetteur et un récepteur.

Ex. : téléphone, radio, télécommande.
Un signal libre est captable

Un signal émis librement dans l'air ou le vide peut être capté par toute personne munie d'un capteur adapté à ce signal.

D'où l'importance du chiffrement des communications.

Les schémas à connaître

Le domaine audible
INFRASONS · f < 20 Hz SONS AUDIBLES · 20 → 20 000 Hz ULTRASONS · f > 20 000 Hz f ↑ éléphant · oreille humaine · chauve-souris

Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu.

Vitesses et milieux de propagation
SIGNAUX SONORES v air = 340 m/s v eau = 1500 m/s gaz, liquides, solides SIGNAUX ÉLECTROMAG. v = 300 000 000 m/s vide et milieux matériels transparents dans le vide, le son n'existe pas

Le son a besoin de matière ; la lumière, non.

Quiz — Signaux et perception

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