Voyage du Big Bang au système solaire, compare les distances immenses et mesure la Terre-Lune comme un astronome.
L'Univers est organisé en niveaux emboîtés : la Terre fait partie du Système solaire, lui-même dans une galaxie, la Voie lactée, parmi des milliards d'autres. Comme les distances sont gigantesques, on change d'unité selon l'échelle.
Ensemble de tout ce qui existe : matière, lumière, espace et temps.
Né il y a environ 13,7 milliards d'années.Immense ensemble d'étoiles, de gaz et de poussières liés entre eux.
La nôtre : la Voie lactée.Astre qui produit lui-même sa propre lumière.
Le Soleil est l'étoile la plus proche.Astre qui tourne autour d'une étoile et qui ne produit pas sa lumière (il la reçoit).
Ex : la Terre tourne autour du Soleil.Astre qui tourne autour d'une planète.
La Lune est le satellite de la Terre.Le Soleil et tous les objets qui gravitent autour de lui.
8 planètes, satellites, astéroïdes.Distance parcourue par la lumière en une année.
Une unité de distance, pas de durée !Valeur arrondie à la puissance de 10 la plus proche pour comparer des tailles.
Sert à comparer Terre, Soleil et galaxie.Étoile, planète, satellite naturel ou astéroïde : on nomme d'abord ce que l'on observe.
La Lune tourne autour de la Terre ; la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil.
Le km près de la Terre, l'UA dans le Système solaire, l'année-lumière entre les étoiles.
On passe d'un niveau au suivant : Terre → Système solaire → galaxie → Univers.
Le point clé : l'Univers est fait de niveaux emboîtés. Plus on monte d'un niveau, plus les distances sont grandes, donc plus l'unité doit être grande : on passe du km à l'UA (distance Terre-Soleil), puis à l'année-lumière entre les étoiles.
Attention au piège : l'année-lumière mesure une distance, pas une durée. Voir une étoile à 4 années-lumière, c'est la voir telle qu'elle était il y a 4 ans, car sa lumière a mis 4 ans pour nous parvenir.
La lumière ne se propage pas instantanément : elle parcourt 300 000 km chaque seconde. Plus un astre est lointain, plus sa lumière a mis de temps à nous parvenir — nous le voyons donc tel qu’il était autrefois.
Les huit planètes tournent autour du Soleil dans le même sens. Plus une planète est éloignée, plus son orbite est longue et plus elle se déplace lentement : sa révolution dure donc bien plus d’une année terrestre.
Les quatre planètes proches du Soleil — Mercure, Mars, Vénus, la Terre — sont petites et rocheuses ; les quatre lointaines — Neptune, Uranus, Saturne, Jupiter — sont des géantes gazeuses. Il faut aligner 11 Terres pour traverser Jupiter, et 109 pour traverser le Soleil. Le Soleil n’est pourtant qu’une étoile moyenne : les plus grandes étoiles connues sont près de mille fois plus larges que lui. Et certains trous noirs sont plus grands encore : l’horizon de M87* engloberait tout le système solaire.
Une même distance peut s’écrire en kilomètres, en unités astronomiques ou en années-lumière. On garde la plus grande unité qui donne encore un nombre au moins égal à 1 : le kilomètre sur Terre et jusqu’à la Lune (Paris–Marseille : 660 km ; Terre–Lune : 384 400 km), l’unité astronomique dans le système solaire (Soleil–Neptune : 30 UA), l’année-lumière au-delà (Proxima du Centaure : 4,2 a.l. ; Andromède : 2,5 millions d’a.l. ; le bord de l’Univers observable : 46 milliards d’a.l.).
La lumière parcourt environ 300 000 km en une seconde. Une impulsion laser envoyée sur un réflecteur déposé par les missions Apollo revient au bout de 2,56 s : elle a parcouru 300 000 × 2,56 = 768 000 km, aller et retour. La Lune est à la moitié de ce chemin, à environ 384 000 km.
Choisis une durée (optionnelle), puis teste toutes les notions du chapitre.
Une seule bonne réponse par question.
Clique une notion, puis sa définition.
Observe le schéma et choisis la bonne réponse.
Complète chaque phrase avec le terme juste.
Utilise les unités adaptées: km, UA, année-lumière.
Découvre de quoi est fait l'air, prouve qu'il a une masse et apprends à séparer ses gaz.
L’air est un mélange de gaz. Sur cinq molécules prélevées au hasard, quatre sont du diazote N₂ et une du dioxygène O₂ : environ 80 % et 20 % en volume. Le pour cent restant réunit l’argon, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau.
N₂ et O₂ ne sont pas des atomes mais des molécules, faites de deux atomes liés. Dire que l’air contient « de l’oxygène O » est inexact : il contient du dioxygène O₂. Le symbole O désigne l’atome, la formule O₂ désigne la molécule.
L’air est de la matière : il possède une masse. Un litre d’air pèse environ 1,2 g dans les conditions ordinaires, quand un litre d’eau en pèse 1000. C’est peu, mais ce n’est pas rien : l’air d’une salle de classe pèse plus de 200 kg.
L’expérience n’est concluante qu’avec un ballon rigide, dont le volume ne change pas. Avec un ballon de baudruche, qui grossit en se gonflant, l’air ambiant pousse d’autant plus fort sur lui et la balance n’enregistre presque rien.
Refroidi jusqu’à −200 °C environ, l’air devient liquide. En le réchauffant lentement, chaque gaz s’échappe à sa propre température d’ébullition : le diazote à −196 °C, l’argon à −186 °C, le dioxygène à −183 °C. C’est la distillation fractionnée, et c’est ainsi qu’on sépare les gaz de l’air.
Le dioxygène des bouteilles d’hôpital et le diazote qui protège les aliments sous atmosphère modifiée sortent tous deux de cette colonne. L’argon, lui, remplit les ampoules d’éclairage et protège les soudures.
L'air est de la matière : c'est un mélange de gaz qui a une masse et que l'on peut liquéfier puis distiller pour séparer ses constituants.
Couche d'air d'environ 1 000 km qui entoure la Terre.
Elle nous protège des rayons du Soleil et des météorites.Mélange de gaz : ≈ 78 % de diazote, 21 % de dioxygène, 1 % d'autres gaz.
En simplifiant : 4/5 de N₂ + 1/5 de O₂.Gaz le plus abondant de l'air.
≈ 78 % de l'air.Gaz indispensable à la respiration et aux combustions.
≈ 21 % de l'air.Conditions normales de température et de pression : 0 °C et 1013 hPa.
1 L d'air pèse alors ≈ 1,3 g.Fines particules solides en suspension dans l'air.
Ce n'est pas un gaz !L'air est un mélange : ≈ 4/5 de diazote et ≈ 1/5 de dioxygène.
Chaque litre d'air ajoute 1,3 g : 10 L → + 13 g. L'air a bien une masse.
En réchauffant l'air liquide, le diazote se vaporise en premier (−196 °C), avant le dioxygène (−183 °C).
Un mélange de gaz : ≈ 78 % de diazote, ≈ 21 % de dioxygène, ≈ 1 % d'autres gaz.
Oui ! Dans les CNTP (0 °C, 1013 hPa), 1 L d'air pèse environ 1,3 g.
On liquéfie l'air (≈ −200 °C) puis on le réchauffe : c'est la distillation.
Il est indispensable à la vie (respiration) et aux combustions.
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Observe des espèces chimiques disparaître et apparaître, distingue les combustions complètes des incomplètes et vérifie que la masse se conserve.
Le carbone brûle dans le dioxygène et donne du dioxyde de carbone : C + O₂ → CO₂. Les molécules de départ disparaissent, de nouvelles apparaissent, mais les atomes se conservent : on en compte autant après qu’avant. C’est pourquoi la masse totale ne change pas.
Ce sont les molécules qui sont détruites, pas les atomes. Un atome de carbone ne disparaît pas : il se retrouve à l’intérieur d’une molécule de dioxyde de carbone.
Avec assez de dioxygène, la combustion du méthane est complète : la flamme est bleue et il ne se forme que du dioxyde de carbone et de l’eau. Si l’air manque, elle est incomplète : la flamme jaunit, du carbone se dépose en suie et il se forme du monoxyde de carbone CO.
Une bougie donne une flamme jaune et noircit une coupelle qu’on approche : sa combustion est incomplète. Un bec de laboratoire bague ouverte donne une flamme bleue qui ne salit rien.
Le monoxyde de carbone est incolore, inodore et mortel. On ne le voit pas, on ne le sent pas. C’est pour cela qu’un appareil à gaz doit être entretenu et la pièce ventilée : une flamme jaune sur une gazinière est un signal d’alerte.
Au cours d’une transformation chimique, les atomes se réarrangent sans être ni créés ni détruits : la masse totale se conserve. Dans un récipient fermé, la balance ne bouge pas. Ouvert, le gaz formé s’échappe et la masse mesurée diminue — mais la matière, elle, n’a pas disparu.
Une masse qui diminue ne signifie jamais que de la matière a été détruite : elle signifie que quelque chose est sorti du système pesé. Presque toujours, c’est un gaz.
Une partie du dioxyde de carbone de l’atmosphère se dissout dans l’eau de mer et y forme un acide. Le pH de l’océan valait 8,2 avant l’ère industrielle ; il est aujourd’hui de 8,1 et pourrait descendre à 7,7 vers 2100. Les coquilles et les squelettes calcaires se forment alors plus difficilement.
Les huîtres, les moules, les oursins et les coraux fabriquent leur squelette en calcaire. Dans une eau au pH plus bas, ce calcaire se forme plus lentement et finit par se dissoudre.
Le mot induit en erreur : l’eau de mer reste basique, son pH demeurant supérieur à 7. « Acidification » veut seulement dire que ce pH diminue. L’océan ne devient pas un acide — il devient moins basique, et cela suffit à gêner les organismes à coquille.
Une transformation chimique fait disparaître des réactifs et apparaître des produits, sans jamais changer la masse totale. La combustion en est l'exemple clé.
Des espèces chimiques disparaissent tandis que d'autres apparaissent.
≠ changement d'état, où la matière reste la même.Espèces chimiques dont la quantité diminue (elles sont consommées).
Ex : le carbone et le dioxygène.Espèces chimiques dont la quantité augmente (elles sont formées).
Ex : le dioxyde de carbone.Transformation chimique qui libère de l'énergie thermique et dont l'un des réactifs est le dioxygène.
Le combustible brûle grâce au comburant (O₂).Certains produits peuvent encore se transformer en présence de dioxygène.
Elle produit du carbone (fumée noire) et parfois du CO toxique.La somme des masses des réactifs consommés est égale à la somme des masses des produits formés.
m(réactifs consommés) = m(produits formés).Substance rejetée dans l'air par les activités humaines, aux effets néfastes : pluies acides, acidification des océans…
Ex : gaz issus de l'exploitation des réserves fossiles.Un bilan s'écrit toujours : Réactifs ⟶ Produits.
Le monoxyde de carbone (CO) est invisible, inodore et toxique.
En flacon fermé, rien ne s'échappe : la masse ne change pas.
Quelles espèces disparaissent (leur quantité diminue) ?
Quelles espèces apparaissent (leur quantité augmente) ?
Réactifs ⟶ Produits. Ex : carbone + dioxygène ⟶ dioxyde de carbone.
m(réactifs consommés) = m(produits formés) : la masse se conserve.
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Découvre les atomes, assemble-les en molécules, puis vérifie qu'aucun atome ne disparaît au cours d'une transformation chimique : ils ne font que se réarranger !
Une molécule est un assemblage d’atomes liés entre eux. Chaque atome forme un nombre fixe de liaisons : une pour l’hydrogène, deux pour l’oxygène, trois pour l’azote, quatre pour le carbone. La formule chimique en est l’inventaire : chaque symbole désigne un élément, l’indice qui le suit compte ses atomes.
Ce nombre de liaisons décide des molécules possibles. H₃ et CH₅ n’existent pas : l’hydrogène ne peut former qu’une liaison, le carbone pas plus de quatre. Une formule ne s’invente pas — elle doit pouvoir se monter.
Au cours d’une transformation chimique, les molécules des réactifs sont détruites et de nouvelles molécules, les produits, se forment. Les atomes, eux, ne sont ni créés ni détruits : ils se réarrangent. C’est la conservation des atomes, et c’est elle qui entraîne la conservation de la masse.
La combustion du méthane s’écrit CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. De part et d’autre de la flèche on compte un atome de carbone, quatre d’hydrogène et quatre d’oxygène : rien n’a été perdu, tout a été réassemblé.
Ne pas confondre les deux niveaux : les molécules disparaissent, les atomes restent. Dire qu’« le méthane a disparu » est juste ; dire que « ses atomes ont disparu » ne l’est pas.
Équilibrer une équation, c’est ajuster les coefficients placés devant les formules jusqu’à ce que chaque élément soit en nombre égal des deux côtés de la flèche. Les indices à l’intérieur des formules ne se touchent jamais : ils font partie de l’identité de la molécule.
Écrire CH₄ + O₄ au lieu de CH₄ + 2 O₂ change la molécule : O₄ n’existe pas. Un coefficient multiplie la molécule entière ; un indice appartient à la formule. 2 O₂ signifie deux molécules de dioxygène, soit quatre atomes.
La matière est constituée d'atomes pouvant s'assembler en molécules. Lors d'une transformation chimique, les atomes se conservent et se réarrangent : l'équation de réaction équilibrée en est le bilan.
Constituant de base des molécules, décrit de manière simplifiée comme une très petite sphère.
Il existe 118 types d'atomes connus, rassemblés dans un tableau.Une lettre majuscule, éventuellement suivie d'une lettre minuscule, associée à chaque type d'atome.
Ex : H (hydrogène), O (oxygène), C (carbone), N (azote).Structure constituée d'atomes liés entre eux. On la représente par un assemblage de sphères.
Ex : l'eau H₂O, le dioxygène O₂, le méthane CH₄.Elle indique la composition d'une molécule : le nombre de chaque type d'atome qui la compose.
Le nombre en indice précise combien de fois l'atome est présent.Le modèle d'une transformation chimique : elle ne détaille que l'état initial et l'état final.
Les atomes des réactifs se réarrangent en produits.Un bilan dans lequel les molécules sont notées avec leur formule chimique.
Ex : C + O₂ ⟶ CO₂.Au cours d'une transformation chimique, aucun atome n'est créé ni détruit.
Les molécules des réactifs sont détruites, mais pas leurs atomes.Elle exprime la conservation des atomes : même nombre d'atomes de chaque type dans les réactifs et les produits.
On ajuste le nombre de molécules, jamais les formules.Chaque atome possède un nom et un symbole, et se modélise par une sphère.
La formule indique le nombre de chaque type d'atome de la molécule.
On ajuste le nombre de molécules, sans jamais modifier les formules.
Réactifs ⟶ Produits, avec les formules chimiques des molécules. Ex : CH₄ + O₂ ⟶ CO₂ + H₂O.
Pour chaque type d'atome (C, H, O…), compter le nombre d'atomes à gauche puis à droite.
Modifier les nombres devant les formules (jamais les formules elles-mêmes !) jusqu'à égalité.
Même nombre d'atomes de chaque type des deux côtés : CH₄ + 2 O₂ ⟶ CO₂ + 2 H₂O.
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Compare des blocs de même volume, mesure la masse et le volume d'un objet mystère, puis calcule ρ = m / V : la masse volumique caractérise chaque substance et explique qui flotte et qui coule !
Quatre cubes de même volume n’ont pas la même masse : la masse dépend de la matière. Le quotient de la masse par le volume, ρ = m ÷ V, dit ce que pèse un centimètre cube. Il est propre à chaque substance.
Pour 100 cm³ : le chêne pèse 75 g, l’aluminium 270 g, le fer 787 g, le plomb 1 135 g. Même volume, quatre masses — donc quatre masses volumiques : 0,75 · 2,70 · 7,87 · 11,35 g/cm³.
« Le plomb est plus lourd que le bois » n’a de sens qu’à volume égal. Une poutre de bois pèse plus qu’une bille de plomb. Ce que l’on compare, c’est la masse volumique, pas la masse.
La masse volumique est une carte d’identité : elle ne dépend ni de la forme ni de la taille de l’objet, mais seulement de la matière qui le compose. La mesurer permet donc d’identifier une matière inconnue.
La lecture se fait à hauteur d’œil, au bas du ménisque, l’éprouvette posée à plat. Une lecture faite de biais fausse V₂ − V₁, donc le volume, donc l’identification. Et l’objet doit être entièrement immergé.
Des liquides non miscibles se superposent : le plus dense au fond, le moins dense en haut. Un objet s’enfonce tant que le liquide qu’il traverse est moins dense que lui, et s’arrête sur le premier liquide plus dense : l’étage où il s’arrête encadre sa masse volumique.
Le morceau de bouchon s’arrête entre l’huile (0,92 g/cm³) et l’eau (1,00 g/cm³) : sa masse volumique est comprise entre ces deux valeurs. Parmi les plastiques courants, seul le polyéthylène (0,95) convient. Les centres de tri séparent ainsi les plastiques broyés dans des bacs d’eau : le PET des bouteilles (1,38) coule, le polyéthylène et le polypropylène des bouchons flottent.
L’eau et l’alcool sont miscibles : versés l’un sur l’autre, ils se mélangent et ne forment plus qu’un liquide, de masse volumique intermédiaire (0,93 g/cm³ à volumes égaux), qui occupe même un peu moins de place que les deux séparés. Pour garder quatre couches, l’huile doit séparer l’eau de l’alcool : on verse l’eau et l’huile avant l’alcool.
Ni la masse ni le volume ne suffisent à expliquer pourquoi un liquide flotte sur un autre. La masse volumique ρ = m / V caractérise chaque substance : elle permet de l'identifier et de prévoir qui flotte et qui coule.
Grandeur proportionnelle à la quantité de matière d'un corps. Elle se mesure avec une balance.
Unité : le kilogramme (kg).Grandeur qui indique l'espace occupé par un corps. Il se mesure avec une éprouvette graduée.
Unité internationale : le mètre cube (m³).La masse volumique d'une substance correspond à la masse pour 1 m³ de cette substance.
Elle se note ρ (rhô) : ρ = m / V, soit m = ρ × V.De deux liquides non miscibles, celui qui flotte sur l'autre est celui de moindre masse volumique : le moins dense.
L'huile flotte sur l'eau car elle est moins dense.Chaque substance possède une masse volumique constante (à température et pression constantes).
Mesurer ρ permet donc d'identifier une substance.L'unité internationale est le kg/m³ (ou kg·m⁻³). On trouve aussi le kg/L, le g/L, le g/mL...
Il faut souvent convertir avant de comparer.Dans les conditions habituelles, elle vaut 1 000 kg/m³.
Soit encore 1 kg/dm³, 1 kg/L et 1 g/mL.Les plastiques n'ont pas tous la même masse volumique : les plus denses que l'eau coulent, les autres flottent.
Les débris peu denses polluent la surface des océans.La masse m est proportionnelle au volume V : le coefficient qui les lie est la masse volumique ρ.
De deux liquides non miscibles, celui qui flotte est celui de moindre masse volumique.
Balance pour m, éprouvette graduée pour V : on en déduit ρ, ici celle de l'aluminium.
La balance donne la masse m. On note l'unité (g ou kg).
Avec une éprouvette graduée : l'objet immergé fait monter l'eau de V1 à V2, donc V = V2 − V1.
On convertit si besoin : on convertit séparément l'unité de la masse et celle du volume.
La masse volumique étant constante pour chaque substance, elle permet de l'identifier.
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Observe un train depuis le quai puis depuis le wagon, décris des trajectoires grâce à la chronophotographie, puis calcule des vitesses moyennes avec v = d / t : le mouvement dépend toujours de l'observateur !
Décrire un mouvement n’a de sens que si l’on précise par rapport à quoi on l’observe : c’est le référentiel. Un passager assis est immobile dans le référentiel du train et en mouvement dans celui du quai. Rien n’a changé pour lui — seul le point de vue a changé.
Une phrase comme « la voiture roule à 90 km/h » est incomplète sans référentiel. Sous-entendu, il s’agit du sol. Dans le référentiel d’une autre voiture roulant à la même vitesse, elle est immobile.
Une chronophotographie enregistre les positions d’un mobile à intervalles de temps égaux. La forme dessinée par ces positions donne la trajectoire ; l’écart entre deux images voisines renseigne sur la vitesse.
Trajectoire et vitesse sont deux questions séparées. Un mouvement peut être circulaire et uniforme, rectiligne et accéléré. Répondre « il va vite » à une question sur la trajectoire, c’est confondre les deux.
La vitesse moyenne s’obtient en divisant la distance parcourue par la durée du parcours : v = d ÷ t. Elle s’exprime en mètres par seconde ou en kilomètres par heure.
Un coureur parcourt 90 m en 20 s : v = 90 ÷ 20 = 4,5 m/s, soit 4,5 × 3,6 = 16,2 km/h.
Les deux grandeurs doivent être dans des unités compatibles : des mètres avec des secondes, des kilomètres avec des heures. Diviser des kilomètres par des secondes ne donne rien d’exploitable. Et 1 m/s vaut 3,6 km/h, pas l’inverse.
Le mouvement d'un mobile dépend du référentiel choisi : il est relatif. On le décrit par sa trajectoire (rectiligne, circulaire, curviligne) et par sa vitesse moyenne v = d / t, exprimée en m/s ou en km/h.
Objet par rapport auquel on décrit le mouvement d'un mobile.
Ex : le quai, le train, la Terre, le Soleil.Deux observateurs en mouvement l'un par rapport à l'autre ne perçoivent pas le mouvement du mobile de la même manière.
Le passager est immobile dans le train, en mouvement par rapport au quai.Ensemble des positions successives occupées par le mobile. Sa nature géométrique caractérise le mouvement.
Elle peut être rectiligne, circulaire ou curviligne.Image qui superpose les positions d'un mobile prises à intervalles de temps égaux.
L'espacement des positions renseigne sur la vitesse.Elle se calcule avec la distance d parcourue et la durée t du parcours : v = d / t.
v en m/s, d en m, t en s (système international).Dans le système international, la vitesse s'exprime en m/s. Selon le contexte, on utilise le km/h ou le nœud.
m/s → km/h : × 3,6. Ex : 10 m/s = 36 km/h.Uniforme : vitesse constante. Accéléré : vitesse qui augmente. Ralenti : vitesse qui diminue.
Sur une chronophotographie : espacements égaux, croissants ou décroissants.Une mesure n'est jamais parfaite : répétée, elle donne des valeurs proches mais différentes.
On calcule la moyenne de plusieurs mesures pour s'approcher de la vraie valeur.Le même passager est immobile dans le référentiel du train et en mouvement dans le référentiel du quai : le mouvement est relatif.
La nature géométrique de la trajectoire (droite, cercle, courbe) est une caractéristique du mouvement.
Espacements égaux : vitesse constante. Croissants : la vitesse augmente. Décroissants : elle diminue.
Relever la distance d parcourue et la durée t du parcours dans l'énoncé.
Pour une vitesse en m/s : d en mètres et t en secondes. Ex : 1,2 km = 1 200 m ; 2 min = 120 s.
Poser le calcul avec les valeurs : v = 1 200 / 120 = 10 m/s.
Écrire le résultat avec son unité, et vérifier l'ordre de grandeur (10 m/s = 36 km/h : un cycliste rapide, c'est cohérent).
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Repère qui agit sur quoi grâce au diagramme objet-interactions, modélise une action mécanique par une force mesurée en newtons, puis découvre pourquoi ton poids diminue sur la Lune alors que ta masse ne change pas !
Le diagramme objet-interactions recense les objets qui agissent sur le système étudié. Une action de contact se représente par un trait plein : les deux objets se touchent. Une action à distance se représente par un trait pointillé.
Le diagramme ne recense que ce qui agit sur le système, pas ce sur quoi le système agit. Un objet voisin n’agit pas forcément : une trousse posée à côté du bloc n’exerce aucune action sur lui ; poussée contre lui, elle agit. Et le diagramme change avec la situation : quand le bloc décolle, la paillasse en sort.
Une action mécanique se modélise par une force, représentée par une flèche. Elle possède quatre caractéristiques : son point d’application, sa direction, son sens et sa valeur, exprimée en newtons.
Direction et sens ne sont pas la même chose. La direction est la droite — verticale, horizontale. Le sens précise de quel côté on va sur cette droite — vers le haut ou vers le bas. Une flèche sans échelle indiquée ne se lit pas. Et une corde ne pousse jamais : sa force part de l’attache et pointe vers là où l’on tire.
Le poids d’un objet est proportionnel à sa masse : P = m × g. Sur Terre, g ≈ 9,8 N/kg : c’est l’intensité de pesanteur. La masse, en kilogrammes, se mesure avec une balance ; le poids, en newtons, avec un dynamomètre.
La pomme pèse 1,5 N : sa masse vaut 1,5 ÷ 9,8 ≈ 0,15 kg. Sur la Lune, où g = 1,6 N/kg, elle ne pèserait plus que 0,25 N ; sa masse, elle, resterait 0,15 kg.
Dans la vie courante on dit « peser 60 kg » : c’est un abus de langage, 60 kg est une masse ; le poids correspondant est de 588 N. Et une balance électronique mesure en réalité une force : elle affiche une masse en supposant g = 9,8 N/kg. Sur la Lune, elle se tromperait ; une balance à deux plateaux, qui compare des masses, non.
Quand un objet exerce une action mécanique sur un autre, il subit aussi une action en retour : les actions sont réciproques, on parle d'interaction. Le DOI fait le bilan de ces interactions, et chaque action se modélise par une force mesurée en newtons.
En mécanique, on appelle « système » l'objet que l'on choisit d'étudier.
Exemple : le livre, la balle, le clou.Si un système est déformé, mis en mouvement ou que son mouvement est modifié, c'est qu'il subit une action mécanique.
Pousser, tirer, attirer, soutenir...Lorsqu'un objet exerce une action mécanique sur un autre, il subit également une action venant de ce dernier : les actions sont réciproques.
Contact (les objets se touchent) ou distance.Une interaction de contact exercée sur une petite zone est localisée ; sinon elle est répartie.
Le doigt qui appuie : localisée. La table sous le livre : répartie.Le DOI modélise le système étudié, les objets qui l'entourent et leurs interactions.
Trait plein : contact. Trait pointillé : distance.Une action mécanique est modélisée par une force, représentée par une flèche à quatre caractéristiques : point d'application, direction, sens, valeur.
Modéliser, c'est simplifier pour garder l'essentiel.L'intensité (la valeur) d'une action mécanique se mesure en newtons, avec un dynamomètre.
1 N ≈ le poids d'une pomme de 100 g.La gravitation est une interaction attractive à distance entre tous les objets qui ont une masse. Le poids P = m × g est la force d'attraction de l'astre.
La masse (kg) ne change pas ; le poids (N) dépend de l'astre.Le livre est en interaction de contact avec la table et à distance avec la Terre (gravitation).
Une seule flèche représente les quatre informations : point d'application, direction, sens et valeur en newtons.
La masse ne change pas (10 kg partout), mais le poids P = m × g dépend de l'astre.
On choisit l'objet à étudier et on l'écrit dans une bulle au centre du diagramme.
On cherche tous les objets qui touchent le système : table, sol, main, air...
La Terre (gravitation) agit toujours ; un aimant peut agir sur un objet en fer sans le toucher.
On relie le système à chaque objet : trait plein pour le contact, trait pointillé pour la distance.
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L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transfère d'un système à un autre et se convertit d'une forme à une autre. Construis des chaînes énergétiques, suis l'énergie d'une balle qui rebondit et trie les sources d'énergie renouvelables !
Une chaîne énergétique se lit de gauche à droite : un réservoir d’énergie (on dit aussi une source) la fournit, un convertisseur la transforme, une énergie utile en sort. La conversion n’est jamais complète : une partie est toujours dissipée, le plus souvent sous forme de chaleur.
Une machine ne produit jamais d’énergie : elle la transfère et la transforme. Parler de « production d’électricité » est une commodité de langage — une centrale convertit une énergie qu’elle a reçue.
En montant, la balle acquiert de l’énergie de position ; en tombant, celle-ci se transforme en énergie cinétique. À chaque rebond, une partie est dissipée en chaleur : la balle remonte de moins en moins haut. L’énergie totale, elle, se conserve.
Une balle de tennis de 58 g lâchée de 1,20 m possède au départ une énergie de position de 0,058 × 9,8 × 1,20 ≈ 0,68 J. Juste avant le choc, cette énergie est devenue entièrement cinétique. Elle ne remonte qu’à 67 cm : elle n’a gardé que 0,38 J, le reste — 0,30 J — est parti en chaleur, en son et en déformation.
La balle ne « perd » pas d’énergie : l’énergie change de forme et se disperse dans le sol, dans l’air et dans la balle elle-même, sous forme de chaleur. Elle devient inutilisable, mais elle n’a pas disparu.
Une source est renouvelable si elle se reconstitue à l’échelle d’une vie humaine : le Soleil, le vent, l’eau, la biomasse. Elle est non renouvelable si ses réserves s’épuisent : le charbon, le pétrole et le gaz, formés en des millions d’années, et l’uranium, tiré de gisements limités.
L’uranium ne dégage pas de dioxyde de carbone pendant son utilisation — le panache blanc des tours de refroidissement est de la vapeur d’eau —, mais il reste une source non renouvelable : les gisements sont en quantité limitée. Les deux classements — renouvelable et bas carbone — ne se recouvrent pas.
Renouvelable ne veut dire ni inépuisable, ni sans effet sur l’environnement. Le bois n’est renouvelable que si l’on replante au rythme où l’on coupe, et sa combustion rejette du dioxyde de carbone.
L'énergie d'un système peut être transférée à un autre système et convertie d'une forme à une autre par un convertisseur. La chaîne énergétique modélise ces transferts et conversions. L'énergie E fournie par un convertisseur est proportionnelle à la durée t : E = P × t, où P est la puissance en watts.
Valeur que l'on associe à un système à partir des grandeurs qui le caractérisent. Pour qu'elle change, un transfert d'énergie doit avoir lieu : la baisse de l'énergie d'un système implique l'augmentation de celle d'un autre.
Exemple : la brûlure est un transfert thermique douloureux.Énergie cinétique (mouvement), énergie de position (hauteur), énergie thermique (température), énergie chimique (piles, carburants, aliments), énergie électrique, énergie lumineuse, énergie nucléaire.
Une même énergie peut passer d'une forme à une autre.Les modes de transfert de l'énergie entre deux systèmes sont entre autres : le transfert thermique, le transfert électrique, le transfert mécanique et le transfert par rayonnement.
Exemple : le Soleil chauffe la Terre par rayonnement.Dispositif qui convertit l'énergie d'une forme à une autre. L'alternateur convertit de l'énergie cinétique, liée au mouvement, en énergie électrique.
Lampe, moteur, alternateur, panneau solaire…Modèle de l'ensemble des conversions et des transferts d'énergie d'un système à un autre : réservoir d'énergie (ou source), puis convertisseur, puis énergie utile… sans oublier les pertes.
Réservoir, convertisseur, énergie utile + pertes.L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas. Lors d'une conversion : énergie reçue = énergie utile + pertes. Les pertes sont le plus souvent de l'énergie thermique.
Une balle qui rebondit « perd » sa hauteur… en chauffant l'air et le sol.L'énergie E fournie par un convertisseur est proportionnelle à la durée t de la conversion : E = P × t. Le coefficient P est la puissance, en watts (W). Plus un convertisseur est puissant, plus il convertit vite l'énergie.
E en joules (J), P en watts (W), t en secondes (s).Une source renouvelable se reconstitue rapidement à l'échelle humaine (Soleil, vent, eau, bois). Une source non renouvelable s'épuise : les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) et l'uranium.
Énergie fossile = formée en millions d'années.La lampe convertit l'énergie électrique en énergie lumineuse utile ; les pertes sont thermiques.
L'eau qui descend fait tourner la turbine : son alternateur restitue de l'énergie électrique.
L'énergie est proportionnelle à la durée : la puissance P est le coefficient de proportionnalité.
D'où vient l'énergie ? Le vent, l'essence, l'eau en hauteur, le réseau électrique, les aliments…
Quel dispositif transforme l'énergie ? La lampe, le moteur, l'alternateur, le panneau solaire…
Quelle forme entre dans le convertisseur, quelle forme utile en sort ? On écrit les formes sur les flèches.
On n'oublie jamais la flèche des pertes, presque toujours de l'énergie thermique : l'énergie totale se conserve.
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Deux grandeurs décrivent l'électricité d'un circuit : la tension U en volts et l'intensité I en ampères. Apprends à brancher le voltmètre en dérivation, l'ampèremètre en série, puis observe comment la tension de la pile change l'éclat d'une lampe !
L’ampèremètre se branche en série : le courant doit le traverser pour être mesuré. Le voltmètre se branche en dérivation, aux bornes du dipôle étudié : il compare deux points du circuit.
Un ampèremètre branché en dérivation aux bornes d’un générateur crée un court-circuit : son fusible fond. Retenir la règle par le geste : on coupe le fil pour l’ampèremètre, on ne coupe rien pour le voltmètre.
Les valeurs nominales inscrites sur une lampe indiquent ses conditions normales de fonctionnement. Sous une tension plus faible, elle brille faiblement ; sous sa tension nominale, son éclat est normal ; au-delà, le filament chauffe trop et finit par se rompre.
Une lampe marquée 6 V ; 0,3 A fonctionne normalement sous 6 V, en étant traversée par 0,3 A. Sous 3 V elle rougeoie à peine ; sous 9 V elle éblouit quelques secondes, puis grille.
Les valeurs nominales ne sont pas des mesures : ce sont des indications du constructeur. La tension réellement appliquée, elle, se mesure au voltmètre — et c’est elle qui décide de l’éclat.
Un multimètre mesure plusieurs grandeurs. La molette choisit la grandeur, les bornes déterminent le circuit interne utilisé. Le cordon noir reste sur COM ; le rouge se place sur la borne V pour une tension, sur la borne mA pour une intensité. Le bon calibre est le plus petit de ceux qui n’affichent pas « 1 » : au-delà de sa plage, l’appareil ne montre plus qu’un chiffre à gauche de l’écran.
Molette et borne doivent s’accorder. La molette sur ampères et le cordon sur la borne V ne donne aucune mesure ; l’inverse — molette sur volts, cordon sur mA — met l’appareil en court-circuit et peut faire fondre son fusible.
Le transfert d'énergie électrique du générateur vers un récepteur fait intervenir deux grandeurs : la tension U, différence d'état électrique entre deux points, et l'intensité I, importance du courant en un point. On les mesure avec un voltmètre en dérivation et un ampèremètre en série.
Différence d'état électrique entre deux points d'un circuit. Elle existe « entre deux bornes », même si aucun courant ne circule.
Exemple : U = 4,5 V entre les bornes d'une pile plate.Unité de la tension électrique. On mesure la tension avec un voltmètre.
Pile ronde : 1,5 V. Secteur : 230 V.Elle indique l'importance du courant électrique en un point du circuit. Le courant circule de la borne + vers la borne − à l'extérieur du générateur.
Exemple : I = 0,3 A dans le filament de la lampe.Unité de l'intensité du courant. On mesure l'intensité avec un ampèremètre. Les petites intensités s'expriment en milliampères (mA).
1 A = 1 000 mA.Il se branche en dérivation (en parallèle) aux bornes du dipôle. Sur un multimètre, on utilise les bornes V et COM.
La valeur est positive si le courant entre dans le dipôle côté borne V.Il s'insère en série dans la boucle du circuit : le courant doit le traverser. Sur un multimètre, on utilise les bornes mA (ou A) et COM.
La valeur est positive si le courant pénètre par la borne mA (ou A).Tension et intensité inscrites sur un appareil, pour lesquelles son fonctionnement est normal. En dessous : sous-tension. Au-dessus : surtension, risque de griller.
Lampe « 6 V ; 0,3 A ».Dans un circuit ouvert, il n'y a ni courant ni tension aux bornes des récepteurs. Mais il y a toujours une tension aux bornes du générateur, circuit ouvert ou fermé.
Préparation du chapitre 10 : les lois des circuits.Le voltmètre mesure la tension aux bornes de la lampe : il se branche en dérivation, sans ouvrir la boucle.
L'ampèremètre est traversé par le courant : il s'insère en série dans la boucle du circuit.
Circuit ouvert : ni intensité ni tension aux bornes de la lampe, mais il reste une tension aux bornes de la pile.
On tourne le sélecteur sur la fonction voltmètre (V), en commençant par le plus grand calibre.
On branche les deux fils du multimètre sur les bornes V et COM.
On relie les fils aux deux bornes du dipôle, sans ouvrir le circuit : le voltmètre est en dérivation.
On lit la tension en volts. Elle est positive si le courant entre dans le dipôle du côté de la borne V.
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En série ou en dérivation, tension et intensité obéissent à quatre lois simples : l'intensité est unique dans une boucle, les tensions s'additionnent en série, les intensités s'additionnent aux nœuds et la tension est unique en dérivation. Vérifie-les en direct sur des circuits animés !
Dans un circuit en série, l’intensité du courant est la même en tout point : il n’y a qu’un seul chemin, et rien ne se perd en route. C’est la loi d’unicité de l’intensité. Ajouter un récepteur augmente la résistance totale et diminue donc cette intensité unique, partout à la fois.
Le courant n’est pas « consommé » par les lampes. Ce qui est consommé, c’est de l’énergie, pas du courant : l’intensité qui sort d’une lampe est exactement celle qui y entre.
En dérivation, l’intensité de la branche principale est égale à la somme des intensités des branches dérivées : c’est la loi des nœuds. Chaque lampe reçoit la tension entière du générateur, donc éclaire normalement, et dévisser l’une n’éteint pas l’autre.
Deux lampes identiques 6 V ; 0,05 A en dérivation sur un générateur de 6 V : chaque branche est parcourue par 49,9 mA et la branche principale par 99,8 mA, soit 49,9 + 49,9. En dévissant une lampe, l’autre continue de briller de la même façon : sa branche n’a pas changé.
En série, la tension de la pile se partage entre les récepteurs : chaque lampe reçoit moins, éclaire moins, et en retirer une coupe tout le circuit. En dérivation, chaque branche reçoit la tension entière : les lampes éclairent normalement et restent indépendantes.
Sur une pile de 4,5 V, deux lampes identiques en série reçoivent 2,24 V chacune — 2,24 + 2,24 = 4,49 V, la tension de la pile — et brillent faiblement. Les mêmes en dérivation reçoivent chacune la tension de la pile (4,28 V quand elle débite pour les deux) et brillent normalement.
C’est pour cette raison que les installations domestiques sont câblées en dérivation : chaque appareil reçoit les 230 V du secteur, et débrancher une lampe n’éteint pas la maison.
Quatre lois décrivent la tension et l'intensité dans les circuits. En série : l'intensité est unique et les tensions s'additionnent. En dérivation : la tension est unique et les intensités s'additionnent aux nœuds. Ces lois expliquent aussi les dangers du court-circuit et des multiprises surchargées.
Les dipôles sont branchés les uns à la suite des autres et forment une seule boucle. Le même courant les traverse tous.
Exemple : pile + lampe 1 + lampe 2 dans une seule boucle.Les dipôles sont branchés sur plusieurs branches reliées par des nœuds. Chaque récepteur a sa propre branche.
Exemple : les prises d'une maison, les phares d'une voiture.La branche principale est celle qui contient le générateur. Les autres branches sont dites dérivées ou secondaires.
Un nœud est un point où se rejoignent au moins trois fils.L'intensité du courant est la même en tout point d'un circuit de dipôles associés en série.
Ig = I1 = I2 = I3.La tension aux bornes d'un ensemble de dipôles récepteurs en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d'eux.
Ug = U1 + U2 + U3.L'intensité dans la branche principale est égale à la somme des intensités qui circulent dans les branches dérivées. C'est la loi des nœuds.
IG = I1 + I2.La tension est la même aux bornes de dipôles branchés en dérivation les uns par rapport aux autres.
Ug = U1 = U2.Mettre un générateur en court-circuit, ou brancher trop d'appareils puissants sur une multiprise, provoque une surintensité dangereuse qui peut causer un incendie.
Le disjoncteur protège l'installation en coupant le courant.L'intensité ne s'use pas : elle est identique en tout point. La tension de la pile se partage entre les lampes.
Au nœud A, le courant se partage ; au nœud B il se reforme. Chaque branche reçoit la même tension.
Le courant passe presque entièrement dans le fil : la surintensité échauffe les fils et peut provoquer un incendie.
On branche un voltmètre en dérivation aux bornes du générateur et on note la tension Ug.
On mesure de la même façon la tension U1 aux bornes de la première lampe.
On mesure ensuite la tension U2 aux bornes de la seconde lampe.
On calcule U1 + U2 et on compare à Ug : aux incertitudes de mesure près, Ug = U1 + U2.
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Le son et la lumière sont des signaux qui transportent des informations à des vitesses très différentes : 340 m/s pour le son dans l'air, 300 000 km/s pour la lumière. On mesure la distance d'un orage à partir du décalage entre l'éclair et le tonnerre, on compare les milieux de propagation, puis on sonde le fond d'une cuve comme un sonar sonde l'océan.
La lumière traverse quelques kilomètres en un temps négligeable : on voit l’éclair au moment où il se produit. Le son, lui, parcourt environ 340 mètres par seconde. Le décalage entre l’éclair et le tonnerre donne donc la distance de l’orage.
Le tonnerre arrive 6 secondes après l’éclair : d = 340 × 6 = 2040 m, soit environ 2 km. Un décalage qui se raccourcit d’un orage à l’autre signale qu’il se rapproche.
Un signal sonore se propage grâce à la matière, de proche en proche : sa vitesse dépend du milieu traversé — environ 340 m/s dans l’air, 1500 m/s dans l’eau, 5000 m/s dans l’acier. Dans le vide, il n’y a pas de matière à mettre en mouvement : le son ne s’y propage pas.
Le son se propage plus vite dans les solides et les liquides que dans l’air, contrairement à ce que l’intuition suggère. Ce n’est pas le déplacement de la matière qui voyage, mais la perturbation, transmise d’un point au suivant.
Le sonar mesure une profondeur sans descendre : le bateau émet une salve sonore, elle se réfléchit sur le fond et revient. Entre l’émission et la réception, le son parcourt deux fois la profondeur. On écrit donc p = v × t ÷ 2, avec v ≈ 1500 m/s dans l’eau de mer. Par gros temps, la coque monte et descend avec la houle : la profondeur lue change d’une salve à l’autre.
L’écho revient au bout de 1,2 s : p = 1500 × 1,2 ÷ 2 = 900 m. Oublier la division par deux donnerait 1800 m, soit le double de la profondeur réelle.
Le son et la lumière sont des signaux qui transportent des informations. La lumière se propage à environ 300 000 km/s dans le vide et dans l'air ; le son se propage à 340 m/s dans l'air et a besoin d'un milieu matériel. La relation d = v × t permet de calculer des distances, et même de sonder l'océan ou l'espace.
Il transporte une information d'un émetteur vers un récepteur : sirène, phare, télécommande, fibre optique…
Signal sonore ou signal lumineux.La lumière ne se propage pas instantanément : sa vitesse est finie. Dans le vide et dans l'air, elle vaut environ 300 000 km/s.
Valeur précise : 299 792 458 m/s.La vitesse de la lumière n'est pas la même dans tous les milieux : elle diminue dans la matière transparente.
Eau : 225 000 km/s. Diamant : 124 000 km/s.Dans l'air à 15 °C, le son se propage à 340 m/s, soit environ 1/3 de kilomètre par seconde.
Dans l'eau, il va plus vite : environ 1 500 m/s.Le son ne peut pas se propager dans le vide : il lui faut un milieu matériel (air, eau, solide). La lumière, elle, traverse le vide.
Expérience de la cloche à vide : le réveil devient muet.Pendant un orage, on compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, puis on divise par 3 : on obtient la distance de l'orage en kilomètres.
6 s entre éclair et tonnerre : orage à environ 2 km.Unité de distance : c'est la distance parcourue par la lumière en une année. Elle rend les distances de l'Univers faciles à manipuler.
1 a.l. ≈ 10 000 000 000 000 000 m = 1016 m.Sonar, radar, lidar : le signal se réfléchit sur l'obstacle et fait un aller-retour. Il parcourt deux fois la distance : 2d = v × t.
Profondeur : d = (v × t) ÷ 2.On compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, puis on divise par 3 : distance de l'orage en km.
L'émetteur produit le signal, le récepteur le reçoit. Le son exige un milieu matériel ; la lumière traverse même le vide.
Détection par réflexion : le signal fait un aller-retour, il parcourt deux fois la distance émetteur-obstacle.
Son dans l'air : 340 m/s. Son dans l'eau : 1 500 m/s. Lumière : 300 000 km/s. On convertit si besoin pour avoir des m/s.
On mesure la durée t du trajet du signal, en secondes.
d = v × t : la distance en mètres est le produit de la vitesse (m/s) par la durée (s).
Pour un sonar ou un radar, le signal parcourt 2d : la distance cherchée est d = (v × t) ÷ 2.
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