Kaléidoscope. Science et technologie 4 e secondaire. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités [2-2 ST, 2e édition. ed.] 9782765053996, 2765053995, 9782765054061, 2765054061
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- Ahmed Bensaada
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ST
SCIENCE ET TECHNOLOGIE
CAHIER D’APPRENTISSAGE Savoirs et activités AHMED BENSAADA • ANNIE BOLDUC • VALÉRIE CLAUDE MOURAD MEZIANE • CATHERINE RHÉAUME • KARINE TARDIF
4e SECONDAIRE
2e édition Conforme à la PROGRESSION des apprentissages
Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
Le tableau périodique des éléments.
ST
SCIENCE ET TECHNOLOGIE
CAHIER D’APPRENTISSAGE Savoirs et activités AHMED BENSAADA • ANNIE BOLDUC • VALÉRIE CLAUDE MOURAD MEZIANE • CATHERINE RHÉAUME • KARINE TARDIF
4e SECONDAIRE
2e édition
Kaléidoscope, 2e édition Science et technologie 4e secondaire
Remerciements
Cahier d’apprentissage – Savoirs et activités Ahmed Bensaada, Annie Bolduc, Valérie Claude, Mourad Meziane, Catherine Rhéaume, Karine Tardif © 2018 TC Média Livres Inc. © 2012 Chenelière Éducation inc. Édition (2e édition) : Annie Fortier, Suzanne Champagne Édition (1re édition) : Annie Fortier, François Moreault Coordination (2e édition) : Suzanne Lavigne, Nadine Fortier, Lina Binet Coordination (1re édition) : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Suzanne Lavigne, Cécile Poulou-Gallet, Ginette Gratton Révision linguistique : Suzanne Lavigne, Lina Binet Correction d’épreuves : Sarah Bernard Illustrations : Michel Rouleau, Martin Gagnon, Late Night Studio, Marc Tellier, Colpron (cartes) Conception graphique : Gisèle H Infographie : Pige communication Conception de la couverture : Gisèle H Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick St-Hilaire Impression : TC Imprimeries Transcontinental
TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction du présent ouvrage, en totalité ou en partie, par tous les moyens présentement connus ou à être découverts, est interdite sans l’autorisation préalable de TC Média Livres Inc. Toute utilisation non expressément autorisée constitue une contrefaçon pouvant donner lieu à une poursuite en justice contre l’individu ou l’établissement qui effectue la reproduction non autorisée. ISBN 978-2-7650-5399-6 Dépôt légal : 1er trimestre 2018 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 2
3
4
5 6
ITIB
22
21
20
19
18
Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Marc Bergeron, C.S. des Premières-Seigneuries, Hélène Boulanger, C.S. du Fer, Mona Langlois, C.S. Marie-Victorin, Julie Ricard, C.S. de la Rivière-du-Nord. Pour leur travail de révision scientifique réalisé avec rigueur et expertise, l’Éditeur tient à remercier : Marco Festa-Bianchet, professeur titulaire, Université de Sherbrooke (Univers vivant, chapitre 9), Denis Fyfe, consultant (Univers technologique, chapitres 10 à 12), Marie-Ève Lacombe-Harvey, Université de Sherbrooke (Univers matériel, chapitres 1 à 3), Richard Leonelli, professeur, Université de Montréal (Univers matériel, chapitres 4 et 5), Denis Pinsonnault, consultant (Terre et espace, chapitres 6 à 8).
TABLE DES MATIÈRES Organisation du cahier
Aperçu des activités interactives
VII IX
UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1 L’organisation de la matière
CHAPITRE 2 Les propriétés
2
physiques des solutions
Rappel 3 1.1
1.2
Les modèles atomiques
3
37
Rappel 38 2.1
Les électrolytes
39
1.1.1 Les premiers modèles atomiques 4
2.1.1 La conductibilité électrique 39
1.1.2 Le modèle de Rutherford-Bohr
2.1.2 La dissociation électrolytique 39
5
Le tableau périodique des éléments 16
OUTIL 1
1.2.1 L’organisation générale du tableau périodique 16 1.2.2 Les familles du tableau périodique 18
2.2
Consolidation du chapitre 1
29 34
2.3
Le pH 54 2.3.1 L’échelle pH
Consolidation du chapitre 2
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47
2.2.2 La concentration en parties par million (ppm) 48
Les molécules 29
La concentration
2.2.1 La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%) 47
1.2.4 La notation de Lewis 27
1.3.1 Les ions
Vérifier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse 41
2.1.3 Les acides, les bases et les sels 44
1.2.3 Les périodes du tableau périodique 21
1.3
54 56
TABLE DES MATIÈRES
III
61
5.2.1 Les types de circuits électriques 104
Rappel 62
5.2.2 Les instruments de mesure 104
CHAPITRE 3 Les transformations chimiques
3.1
La loi de la conservation de la masse 63
3.2
Le balancement des équations chimiques 67
3.3
Des exemples de transformations chimiques 72
OUTIL 2
5.2.3 La loi d’Ohm
3.3.3 La photosynthèse et la respiration cellulaire
5.3
Consolidation du chapitre 5
77
Consolidation du chapitre 3
79
4.2
82
La loi de la conservation de l’énergie 84
et l’atmosphère
4.3
134
6.1
L’espace
136
6.1.1 Le flux d’énergie émis par le Soleil 136 6.1.2 Le système Terre-Lune
137
141
88
6.2
Les masses d’air
90
6.3
La circulation atmosphérique
92
6.4
Les cyclones et les anticyclones 144
Le rendement énergétique
Consolidation du chapitre 4
Rappel 135
L’énergie thermique 88 4.2.1 La distinction entre la chaleur et la température
128
TERRE ET ESPACE
Rappel 83 4.1
CHAPITRE 6 L’espace
CHAPITRE 4 Les transformations de l’énergie
Les phénomènes électromagnétiques 121
5.3.2 Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant 126
74
L'activité humaine au cœur des changements climatiques
113
5.3.1 Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques 121
73
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
5.2.4 La relation entre la puissance et l’énergie électrique 117
3.3.1 La neutralisation acidobasique 72 3.3.2 La combustion
Mesurer le courant et la différence de potentiel 105
142
6.4.1 La formation d’un cyclone 144
CHAPITRE 5 L’électricité et l’électromagnétisme 5.1
5.2
IV
Les phénomènes électriques
6.4.2 La formation d’un anticyclone
95
145
149
96
6.5
L’effet de serre
5.1.1 La charge électrique
96
6.6
5.1.2 L’électricité statique
97
Les ressources énergétiques de l’atmosphère 151
Les circuits électriques
TABLE DES MATIÈRES
102
Consolidation du chapitre 6
155
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CHAPITRE 7 La lithosphère et l’hydrosphère
161
Rappel 162 7.1
La lithosphère
7.1.1 Les minéraux
7.1.2 Les horizons du sol 7.1.3 Le pergélisol
UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9 L’écologie 212
163 163
Rappel 213 9.1
213
164
9.1.2 Les communautés 214
167
173
7.2.1 Les bassins versants 7.2.2 La salinité
9.1.1 Les populations
L’hydrosphère
213
163
7.1.4 Les ressources énergétiques de la lithosphère 168 7.2
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
La déforestation
L'organisation des vivants
174
175
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
L’eau potable 178 7.2.3 La circulation océanique 7.2.4 Les glaciers et les banquises
179
9.1.3 Les écosystèmes 215 9.2
Les interactions
9.2.1 La dynamique des populations
9.2.2 La dynamique des communautés 9.2.3 La dynamique des écosystèmes
219
220
223
9.2.4 Les transformations de la matière et de l’énergie 228 Consolidation du chapitre 9
219
231
180
7.2.5 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère 183 Consolidation du chapitre 7
186
CHAPITRE 8 La biosphère
191
8.1
Le cycle du carbone
192
8.1.1 La portion biochimique
192
8.1.2 La portion géochimique
193
196
8.2
Le cycle de l’azote
8.3
Les biomes terrestres 200
8.4
Les biomes aquatiques 203 8.4.1 Les biomes marins 204 8.4.2 Les biomes d’eau douce
8.5
204
206
208
Les facteurs influençant la distribution des biomes
Consolidation du chapitre 8
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TABLE DES MATIÈRES
V
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
CHAPITRE 12 L’ingénierie
CHAPITRE 10 Les matériaux
12.1 La fonction d’alimentation
235
Rappel 236 10.1 Les contraintes
10.2 Les propriétés des matériaux
236
électrique
Consolidation du chapitre 10
12.2.1 La fonction de conduction
240
247
252
Rappel 253 11.1 Les caractéristiques des liaisons
254
258
11.3 Les systèmes de transmission du mouvement 262 11.4 Les systèmes de transformation du mouvement 269 Consolidation du chapitre 11
VI
TABLE DES MATIÈRES
284
287 288
12.2.3 La fonction de protection 288 12.3 La fonction de commande
12.3.1 Les types d’interrupteur
292 293
12.4 La fonction de transformation de l’énergie 295
11.2 La fonction de guidage
12.2.2 La fonction d’isolation
249
CHAPITRE 11 L’ingénierie mécanique
283
12.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection 287
10.3 Les céramiques, les plastiques et les matériaux composites 243 10.4 La dégradation des matériaux et les procédés de protection
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
L’énergie
Consolidation du chapitre 12
Index
296
299
302
Sources
307
277
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ORGANISATION DU CAHIER LE DÉBUT D’UNE PARTIE Le cahier est divisé en quatre parties : Univers matériel, Terre et espace, Univers vivant et Univers technologique.
Un sommaire présente les chapitres d’une partie.
Un texte d’introduction annonce le contenu d’un chapitre.
LE DÉBUT D’UN CHAPITRE Un chapitre est divisé en plusieurs sections.
Un sommaire présente les sections d’un chapitre.
LE CONTENU D’UN CHAPITRE
Chaque section porte sur des concepts à l’étude. Dans la plupart des chapitres, un Rappel résume les connaissances antérieures préalables.
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ORGANISATION DU CAHIER
VII
La rubrique Outil présente des techniques utiles en science et technologie.
Les activités sont constituées d’un grand nombre d’exercices qui portent sur les notions abordées dans la ou les sections qui les précèdent.
La rubrique Problématique environnementale permet la mise en contexte d’un ou de plusieurs concepts avec une problématique environnementale. Cette rubrique est suivie d'une ou de plusieurs activités qui s'y rapportent.
Les définitions des concepts sont mises en évidence.
La rubrique Communauté scientifique présente une personnalité ayant marqué l’histoire scientifique ou technologique.
En fin de chapitre, les activités de Consolidation permettent d’établir des liens entre les concepts vus dans les sections d’un même chapitre.
La rubrique Flash science ou Flash techno apporte de l’information complémentaire.
VIII
ORGANISATION DU CAHIER
Un pictogramme indique que des activités interactives qui portent sur les notions abordées sont offertes sur la plateforme i+ interactif de Chenelière Éducation.
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APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES ST , 2e édition comprend de nombreux éléments numériques offerts La collection sur la plateforme i+ Interactif de Chenelière Éducation, dont 17 activités interactives portant sur les contenus du cahier. On y trouve une ou plusieurs activités interactives par chapitre et une activité interactive de consolidation de l’univers matériel. Ces activités, identifiées par le pictogramme , sont accessibles à partir de diverses pages du cahier. Leur emplacement indique le moment opportun pour les réaliser (voir l’emplacement des activités dans le tableau à la page suivante). Chaque activité interactive est exclusive au programme ST . Le numéro et le titre de l’activité apparaissent avec la mention ST lorsque la souris survole le pictogramme . Cette information apparaît également sur le bandeau bleu de chaque activité, comme on le voit sur l’exemple ci-dessous.
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APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES
IX
Univers et chapitres
Activités interactives (AI) et leur emplacement dans le cahier
UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1
AI 01 ST : Les modèles atomiques, p. 8 AI 02 ST : Le tableau périodique, p. 28
CHAPITRE 2
AI 03 ST : Les ions et les électrolytes, p. 45 AI 04 ST : La concentration et le pH, p. 55
CHAPITRE 3
AI 05 ST : La loi de la conservation de la masse et le balancement des équations chimiques, p. 69 AI 06 ST : Des exemples de transformations chimiques, p. 76
CHAPITRE 4
AI 07 ST : La loi de la conservation de l'énergie, l’énergie thermique et le rendement énergétique, p. 92
CHAPITRE 5
AI 08 ST : Les phénomènes électriques, p. 99 AI 09 ST : Les circuits électriques, p. 118 AI 10 ST : Les phénomènes électromagnétiques, p. 127
L’organisation de la matière Les propriétés physiques des solutions Les transformations chimiques Les transformations de l’énergie L’électricité et l’électromagnétisme
AI 11 ST : Consolidation de l’univers matériel, p. 128
TERRE ET ESPACE CHAPITRE 6
AI 12 ST : L’espace, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère, p. 133
L’espace et l’atmosphère
CHAPITRE 7
La lithosphère et l’hydrosphère
CHAPITRE 8
AI 13 ST : La biosphère, p. 208
La biosphère
UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9
AI 14 ST : L’écologie, p. 231
L’écologie
UNIVERS TECHNOLOGIQUE CHAPITRE 10
AI 15 ST : Les matériaux, p. 249
CHAPITRE 11
AI 16 ST : L’ingénierie mécanique, p. 277
CHAPITRE 12
AI 17 ST : L’ingénierie électrique, p. 299
Les matériaux
L’ingénierie mécanique L’ingénierie électrique
X
APERÇU DES ACTIVITÉS INTERACTIVES
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SOMMAIRE CHAPITRE 1 L’organisation de la matière 2
UNIVERS
materiel
CHAPITRE 2 Les propriétés physiques
des solutions 37 CHAPITRE 3 Les transformations chimiques 61 CHAPITRE 4 Les transformations de l’énergie 82 CHAPITRE 5 L’électricité et l’électromagnétisme 95
chapitre
1
L’ORGANISATION DE LA MATIÈRE
L’examen de la structure de la matière permet de décrire de façon détaillée ce qui est invisible et infiniment petit. Ce chapitre vous fera découvrir la structure atomique et vous permettra d’utiliser le tableau périodique des éléments. Il vous permettra aussi de vous familiariser avec la formation des ions, la dissociation électrolytique et la conductibilité électrique en solution aqueuse.
SOMMAIRE
Rappel 3 1.1 Les modèles atomiques 3 1.2 Le tableau périodique des éléments 16 1.3 Les molécules 29
UM 1.1
RAPPEL
La ucu la ai • L atomes l plu pi paicul qui ciu la ai. Il l ciua ba u l ubac u l bj qui u u. L a puv li chiiqu l u aux au pu f lécul.
• U molécule u abla ’au i ux a iiqu u iffé, ui pa li chiiqu.
L’om vu Jon Dlon (1808).
L molécul vu Jon Dlon (1808).
L’élé
L l paiculai
U élément u ubac pu ciué ’u ul yp ’a. L iffé élé qui xi a la au péé a l ablau péiiqu élé.
Afi ’xpliqu l’aiai, l ppiéé l cp la ai, l ciifiqu ppé u l. Il ’ai u modèle particulaire.
Un cub d f u s un élémn usqu’l s consué d’un sul y d’oms (ls oms d l’élémn f).
Ds moléculs d’u ésnés à l’d du modèl cul.
1.1 Les modèles
atomiques De tout temps, les scientifiques ont étudié la matière grâce à l’observation et à l’expérimentation. À l’aide de modèles, ils ont pu expliquer ses propriétés et ses comportements.
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Chapitre 1 L’orgAnIsAtIon de LA mAtIère
3
1.1.1
Les premiers modèles atomiques ANTIQUITÉ
Démocrite (460-370 av. J.-C.)
Aristote (384-322 av.J.-C.)
Les philosophes grecs s’interrogent sur la nature de la matière. • Démocrite croit que la matière est composée de particules indivisibles infiniment petites qu’il nomme « atomes » (du grec atomos : indivisible). Selon lui, la matière est discontinue, car, lorsque les particules sont assemblées, il y a un vide entre elles.
1808
1895
John Dalton (1766-1844)
Wilhelm Röntgen (1845-1923)
Un chimiste anglais tire de l’oubli le modèle atomique de Démocrite et l’améliore. On le considère comme le « père de la théorie atomique ».
1896
1897
1898
Joseph John Thomson (1856-1940)
Découverte des rayons X
Marie et Pierre Curie Découverte de deux éléments radioactifs : le polonium et le radium
Henri Becquerel (1852-1908) Découverte de la radioactivité
Selon ce scientifique anglais, le modèle atomique de Dalton n’explique pas les phénomènes électriques de la matière. Ses expériences avec un tube à rayons cathodiques (tube vide parcouru par un courant) l’amènent à découvrir une particule subatomique (contenue à l’intérieur de l’atome) qu’il nomme « électron ». Sphère pleine (charge positive) Pâte
Le modèle de la matière selon Démocrite. • Aristote refuse l’idée que la matière est indivisible et qu’elle comporte du vide. Selon lui, la matière est continue et divisible à l’infini. Sa théorie sera préférée à celle de Démocrite pendant plus de 2 000 ans…
Selon le modèle de Dalton, les atomes sont des sphères pleines, uniformes et indivisibles. A
Le modèle de Dalton, aussi appelé modèle particulaire, repose sur les points suivants : 1. La matière est composée de particules indivisibles qu’on appelle « atomes ».
UNIVERS MATÉRIEL
B
Le modèle atomique de Thomson a été comparé au célèbre dessert britannique. A Un plum-pudding (pain aux raisins). B Le modèle atomique de Thomson.
2. Les atomes d’un même élément sont identiques.
Puisque l’atome peut libérer des électrons, il est donc divisible. Selon son modèle :
3. Les atomes d’éléments distincts sont différents.
1. L’atome est une sphère pleine, de charge positive.
4. Lors des réactions chimiques, les atomes se réassemblent pour former de nouvelles substances.
4
Électron (charge négative)
Raisin sec
2. Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère. 3. La charge positive de la sphère est électriquement contrebalancée par la charge négative des électrons, de telle sorte que l’atome est électriquement neutre.
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UM 1.1
1.1.2
Le modèle de Rutherford-Bohr
1911
1913
Ernes Ruherfr (1871-1937)
1919
Nels Bhr (1885-1962)
Ernes Ruherfr (1871-1937)
• Les prcules psves sn suées ns le nyu e sn nmmées « prns ». • L msse u prn es beucup plus rne que celle e l’élecrn.
Ce physcen nézélns cherche à explquer l’nercn enre le rynnemen rcf e l mre.
Le physcen ns s’nerre sur le cmpremen es élecrns ns le mle e Ruherfr. S un élecrn se éplce uur u nyu, l subr une ccélérn u en émen cnnuellemen e l’énere. Purqu ne mbe--l ps sur le nyu lrsque sn énere mnue ?
Rutherford sait que les charges électriques se repoussent si elles sont de même signe et qu’elles s’attirent si elles sont de signes différents. En 1903, il montre à l’aide d’un champ électrique que le rayonnement radioactif est fait de trois constituants : • α (alpha) : de charge positive • β (bêta) : de charge négative • γ (gamma) : électriquement neutre En 1909, il bombarde une mince feuille d’or à l’aide de particules alpha (α).
A
Électron
Bohr corrige certaines imprécisions du modèle de Rutherford : • les électrons ne se déplacent pas au hasard autour du noyau, mais plutôt sur des orbites précises (les « couches électroniques »); • chaque orbite correspond à un niveau d’énergie précis : plus on s’éloigne du noyau, plus le niveau énergétique des orbites augmente ;
L modèl omqu d Rurford (1911) s uss lé « modèl lnér ».
• chaque orbite contient un nombre précis d’électrons. 1
2
3
1
Noyau
Noyau
3 Faisceau de particules α (alpha)
Noyau
Mle e Ruherfr-Bhr (1913)
3 2
• L’me én élecrquemen neure, l y un e prns ns le nyu que ’élecrns rvn uur e lu.
Orbite électronique
1 3
Feuille d’or
L’xérnc d Rurford (1909). A Les bservns e Ruherfr lrs e sn expérence. Ses observations sont les suivantes : 1. La majorité des particules α traverse cette feuille sans déviation. 2. Un petit nombre (environ 1/105) rebondit sur la feuille sans la traverser. 3. Un certain nombre subit une déviation en traversant la feuille.
B
L modèl omqu d Rurford-Bor (1913).
Atome
B L’nerprén e Ruherfr.
Selon son interprétation, son modèle repose sur les points suivants : 1. L’atome est essentiellement constitué de vide. 2. La matière est concentrée dans un espace restreint (environ 1/105 de la surface de l’atome), le « noyau ». 3. Ce noyau est chargé positivement puisqu’il repousse les particules alpha, qui sont déviées.
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Électron
Noyau
Orbite électronique
Électron
L rrésnon d’un om à l su d l découvr ds roons (+) r Rurford (1919).
ChapitRe 1 L’oRgaNiSatioN dE La MatièRE
5
Le numéro atomique Les travaux de Rutherford ont démontré que c’est dans le noyau atomique que se concentre toute la charge électrique positive et que ce noyau est composé de protons. Le numéro atomique (symbolisé par Z) d’un atome correspond au nombre de protons que contient son noyau. C’est le numéro atomique qui permet d’identifier un atome. Pour assurer sa neutralité électrique, un atome possède autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives). À titre d’exemple, la figure 1 représente un atome dont le numéro atomique (Z) est égal à 19.
La configuration électronique d’un élément Figure 1 La configuration électronique d’un atome de potassium (K) qui possède 19 électrons : 2 électrons sur la première orbite, 8 sur la deuxième, 8 sur la troisième et un électron sur la dernière orbite.
La configuration électronique d’un atome est la représentation simplifiée d’un atome en tenant compte de son noyau de charge positive ainsi que de ses électrons distribués sur les couches électroniques tel que préconisé par la contribution de Bohr (voir la figure 1). La configuration électronique se présente comme suit. • On représente le noyau de l’atome par un cercle. À noter qu’il est d’usage d’inscrire un signe + à l’intérieur du cercle représentant le noyau (voir la figure 1), ou encore le symbole chimique de l’élément représenté (voir la figure 2).
Figure 2 La configuration électronique du potassium (K) (Z = 19).
• On peut aussi représenter les couches électroniques par des arcs de cercles positionnés à droite du noyau. Le nombre d’électrons contenu sur chaque couche est alors indiqué en dessous des arcs de cercles (voir la figure 2). Le nombre d’orbites et d’électrons dépend de la matière dont est fait l’atome.
Pour les éléments dont le numéro atomique (Z) n’excède pas 20, voici comment les couches électroniques sont disposées : • 1re couche (couche la plus proche du noyau) : saturée avec 2 électrons ; • 2e couche : saturée avec 8 électrons ; • 3e couche : saturée avec 8 électrons ; • dernière couche (couche la plus éloignée du noyau) : électrons restants.
La dernière couche électronique est nommée « couche périphérique » et les électrons qui s’y trouvent sont appelés « électrons de valence ». Pour représenter la configuration électronique d’un atome donné (Z ≤ 20), il faut procéder de la façon suivante : 1. On détermine le nombre d’électrons contenus dans l’atome (il est égal au nombre de protons contenus dans le noyau de l’atome). 2. On distribue ces électrons sur les couches électroniques en suivant les règles précisées sur la page suivante.
6
UNIVERS MATÉRIEL
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UM 1.1
• On commence par remplir la couche la plus proche du noyau (cette couche ne peut contenir plus de 2 électrons). • On remplit les couches successives (chacune des couches contient un maximum de 8 électrons). • On place les électrons de valence sur la couche périphérique (comme les autres couches, cette couche ne peut contenir plus de 8 électrons).
Si on applique cette méthode à l’atome de calcium (Ca) (voir la figure 3), on obtient le résultat suivant : 1. L’atome de calcium contient 20 protons: il possède donc 20 électrons. 2. On distribue les électrons sur les couches électroniques:
Figue 3 La configuaion éleconique du calcium (Ca) (Z = 20).
• on place 2 électrons sur la première couche (il reste 18 électrons
à placer) ; • on place 8 électrons sur la deuxième couche (il reste 10 électrons
à placer) ; • on place 8 électrons sur la troisième couche (il reste 2 électrons
à placer) ; • on place les 2 électrons restants sur la quatrième couche (cette
couche périphérique contient effectivement un nombre d’électrons inférieur à 8). Cette représentation permet de constater que l’atome de potassium (K) qui possède 19 électrons (voir la figure 2, à la page précédente) et l’atome de calcium (Ca) qui en possède 20 (voir la figure 3) ont tous les deux 8 électrons sur leur troisième couche électronique. Mais elle nous permet aussi de remarquer que ces atomes ont respectivement 1 et 2 électrons de valence sur leur couche périphérique.
FLASH
SCIENCE
Le labratire Cavenish
Surné « la pépinire es prix Nbel », le labratire Cavenish a jué un rôle ajeur ans la recherche sur la structure atique. Ce labratire, qui appartient à l’Université e Cabrie (Anleterre), a été inauuré en 1874 en hae à Henry Cavenish, un célbre physicien anlais. Jseph Jhn Thsn et Ernest Rutherfr, qui nt écuvert respectiveent l’électrn et le prtn, y nt travaillé. Ils nt reçu chacun un prix Nbel pur leur apprt cnsiérable à la cnnaissance e l’ate (Thsn en 1906 et Rutherfr en 1908).
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CHApItrE 1 L’oRgANISATIoN dE LA mATIèRE
7
La chaleur ou l’électricité excite l’électron, qui est projeté sur une orbite supérieure.
L’émission de lumière par la matière Bohr explique le phénomène de l’émission de lumière par la matière en utilisant son concept de couches électroniques (voir la figure 4) : Lors du retour de l’électron à son orbite initiale, il y a émission d’énergie sous forme de lumière.
• Lorsqu’un électron se déplace sur une orbite précise, il n’émet pas d’énergie et conserve une énergie constante. • Pour qu’il passe d’une orbite de faible énergie à une autre dont l’énergie est plus haute, il faut lui fournir de l’énergie (ex. : chaleur). • Au contraire, lorsqu’il passe d’une orbite de haute énergie à une autre dont l’énergie est plus faible, il émet une énergie sous forme de lumière. La valeur de cette énergie correspond à la différence d’énergie entre les deux orbites.
Noyau Orbites
Figure 4 L’absorption d’énergie permet à un électron d’atteindre un niveau d’orbite supérieur. Lorsqu’il retourne à une orbite énergétiquement inférieure, il émet de la lumière.
La disposition des électrons sur les orbites électroniques, aussi appelée « configuration électronique », doit respecter la règle qui consiste à remplir d’abord les orbites de niveau énergétique inférieur avant de passer aux autres.
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Ernest Rutherford (1871-1937)
Ernest Rutherford, quatrième enfant d’une fratrie de 12, est d’origine néozélandaise. Brillant élève, il fut accepté au laboratoire Cavendish (à Cambridge, en Angleterre) en 1895 où il poursuivit ses recherches avec Joseph John Thomson. Il accepta ensuite un poste à l’Université McGill à Montréal où il travailla sur la radioactivité. Il y demeura de 1898 à 1907, puis retourna en Angleterre à titre de professeur à l’Université de Manchester. C’est là qu’il fit sa découverte majeure en 1911 : le noyau atomique. Rutherford obtint le prix Nobel de chimie en 1908. En 1919, il devint le directeur du laboratoire Cavendish et il le restera jusqu’à sa mort, en 1937. Ernest Rutherford est considéré comme le père de la physique nucléaire. Le bâtiment du Département de physique de l’Université McGill porte aujourd’hui son nom, en hommage à son immense contribution à la science.
Activités 1.1 1
Durant l’Antiquité grecque, deux philosophes ont proposé des modèles pour représenter la structure de la matière. a ) De qui s’agit-il ?
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UM 1.1
b ) Comparez, en quelques mots, leurs modèles atomiques.
2
Peut-on dire que les modèles de Démocrite et d’Aristote sont des modèles scientifiques ? Expliquez votre réponse.
3
Sur quel modèle de l’Antiquité grecque John Dalton s’est-il appuyé pour proposer son modèle ?
4
Comment John Dalton a-t-il été surnommé ?
5
Quelles sont les caractéristiques du modèle de Dalton ?
6
Le schéma suivant représente une réaction chimique.
Si l’on se base sur le modèle atomique de Dalton : a ) que peut-on dire des éléments représentés par les atomes 1 et 2 ?
b ) que peut-on dire des éléments représentés par les atomes 1 et 3 ?
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
9
c ) quel point de sa théorie ce schéma illustre-t-il ?
7
Parmi les énoncés suivants, lesquels correspondent à une caractéristique du modèle de Thomson ou à sa découverte de l’électron ? Cochez les cases appropriées. a ) L’atome est considéré comme une sphère vide, de charge positive. b ) Thomson a découvert l’électron en réalisant des expériences à l’aide d’un appareil appelé « tube cathodique ». c ) Les électrons, de charge négative, sont répartis de façon irrégulière dans cette sphère. d ) L’atome est considéré comme une sphère pleine, de charge positive. e ) Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère. f ) L’atome est une sphère pleine dans laquelle les électrons sont insérés. g ) Durant ses expériences, Thomson a découvert des particules chargées positivement.
8
Quel surnom donne-t-on au modèle de Thomson ? Pourquoi lui donne-t-on ce surnom ?
9
La découverte de l’électron par Thomson représente un tournant historique dans la recherche sur l’atome. Pourquoi ?
10
L’expérience que réalisa Rutherford en 1903 lui fournit une première piste quant à l’élaboration de son modèle atomique (voir l’expérience de Rutherford [1909] à la page 5). a ) Cette expérience lui montra, entre autres, quels étaient les constituants du rayonnement radioactif. Nommez ces constituants et donnez la nature de leur charge électrique.
10
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UM 1.1
b ) Comment Rutherford arriva-t-il à identifier les trois constituants du rayonnement radioactif ?
c ) Cette expérience lui permit d’observer un comportement de la matière qui ne pouvait pas être expliqué avec le modèle de Thomson. Lequel ?
11
Expliquez comment il est possible de modifier le modèle de Thomson de façon à obtenir celui de Rutherford.
12
Le schéma ci-contre illustre l’expérience de la feuille d’or réalisée par Rutherford en 1909. a ) Expliquez cette expérience et les résultats qui en ont découlé.
3 2
1
3 Faisceau de particules α (alpha) Feuille d’or
b ) Comment Rutherford a-t-il expliqué le fait que la majorité des particules α traversait la feuille d’or sans aucune déviation ?
c ) Les particules α qui traversent la feuille d’or, mais qui sont déviées de leur trajectoire donnent une indication sur la charge électrique du noyau. Quelle est cette charge ? Expliquez votre réponse.
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
11
d ) Dites pourquoi l’expérience de la feuille d’or de Rutherford montre que la taille du noyau est très petite comparativement à celle de l’atome.
13
Le modèle atomique de Rutherford possède des caractéristiques qui le distinguent des modèles de ses prédécesseurs. a ) Tracez d’abord le schéma de ce modèle. Identifiez ensuite ses parties.
b ) Décrivez chacune des parties identifiées sur votre schéma, tel que l’aurait fait Rutherford.
c ) Comment surnomme-t-on ce modèle ? Pourquoi le surnomme-t-on ainsi ?
12
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UM 1.1
14
En quoi consiste la contribution de Niels Bohr au modèle de Rutherford ?
15
Le schéma suivant représente la structure d’un atome selon le modèle de Rutherford, tout en tenant compte de la contribution de Bohr. Identifiez d’abord les parties de cette structure. Puis, décrivez-les.
16
De quelle particule subatomique s’agit-il ? a ) Particule dont le nombre définit le numéro atomique d’un atome. b ) Particule qu’on trouve dans le modèle « plum-pudding ». c ) Première particule à avoir été découverte. d ) Particule qui a la plus faible masse.
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
13
14
17
Selon les précisions apportées par Niels Bohr, qu’arrive-t-il lorsqu’un électron passe d’une orbite énergiquement élevée à une autre orbite dont le niveau énergétique est plus faible ?
18
Comment appelle-t-on la dernière couche électronique d’un atome et les électrons qui s’y trouvent ?
19
Comment se nomme la disposition des électrons sur les couches électroniques d’un atome ?
20
Les numéros atomiques du silicium (Si), du magnésium (Mg), de l’argon (Ar) et du fluor (F), sont respectivement 14, 12, 18 et 9. Représentez ces éléments selon le modèle de Rutherford-Bohr tout en indiquant le nombre de protons dans le noyau. a ) Si
c ) Ar
b ) Mg
d) F
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UM 1.1
21
La configuration électronique suivante respecte-t-elle la règle de remplissage des couches électroniques d’un atome ? Expliquez votre réponse et corrigez, s’il y a lieu, le nombre d’électrons notés sous chaque arc de cercle.
22
Quel est le numéro atomique de l’atome représenté ci-dessous ? Expliquez votre réponse.
23
En 1919, Rutherford fit une nouvelle découverte. a ) Quelle particule, qui se trouve dans le noyau atomique, découvre-t-il ?
b ) L’atome, selon Rutherford, est-il électriquement neutre ? Expliquez votre réponse.
c ) Pourquoi le noyau atomique est-il de charge positive ?
d ) À cette époque, le modèle de Rutherford contient deux particules subatomiques. Quelles sont ces particules ?
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
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1.2 Le tableau périodique
des éléments La découverte des différents éléments qui existent dans la nature est l’œuvre de nombreux scientifiques qui, durant des siècles, ont sondé la matière. À mesure que les techniques permettant d’identifier la nature des éléments se sont développées, le nombre d’éléments a augmenté. Il a alors fallu trouver un moyen d’organiser ces éléments d’une manière pratique. C’est au savant russe Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907) que l’on doit le premier tableau dans lequel les éléments étaient classés selon leurs propriétés physicochimiques. Mendeleïev montra que cette similitude des propriétés était périodique, c’est-à-dire qu’elle revenait à intervalles fixes lorsqu’on classait les éléments selon l’ordre croissant de leur masse atomique. Dans le tableau périodique actuel (voir la figure 5, à la page suivante), les éléments sont plutôt classés selon l’ordre croissant de leur numéro atomique, numéro qui correspond au nombre de protons que l’élément contient. Les modifications engendrées par ce changement sont mineures, et la notion de périodicité demeure une des caractéristiques fondamentales du tableau des éléments.
1.2.1
L’organisation générale du tableau périodique
Le tableau périodique des éléments est un tableau qui répertorie tous les éléments chimiques connus à ce jour et les présente de telle façon que leurs propriétés physiques et chimiques reviennent de manière périodique. Le tableau périodique des éléments comporte trois régions : celle des métaux, celle des non-métaux et celle des métalloïdes. Ces régions sont séparées par ce qui est communément appelé « l’escalier du tableau périodique », comme le montre la figure 5. Les métaux, situés à gauche de l’escalier du tableau périodique, représentent la plus grande proportion des éléments dans le tableau (ce sont les cases bleues de la figure 6 ; voir la page 18). Ces éléments ont des propriétés communes. Ils sont brillants, malléables (ils peuvent être déformés sans se casser) et de bons conducteurs électriques et thermiques. En général, les métaux réagissent avec les acides. De plus, ils sont tous solides à température ambiante, sauf le mercure (Hg).
16
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Fgu 5
L blu éodqu ds élémns.
UM 1.2
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
17
Beaucoup moins nombreux, les non-métaux sont localisés à droite de l’escalier du tableau périodique (ce sont les cases orange de la figure 6), à l’exception de l’hydrogène (H) qui est à gauche. Ils peuvent être gazeux ou solides. Le brome (Br) est le seul non-métal liquide. Ces éléments ont aussi des propriétés communes. Ils sont ternes, cassants et de mauvais conducteurs électriques et thermiques. Certains éléments ne sont ni des métaux ni des non-métaux : ce sont des métalloïdes. Ces éléments peuvent posséder certaines propriétés des métaux et des non-métaux énumérées précédemment. Ils sont situés de part et d’autre de l’escalier du tableau périodique (ce sont les cases vertes de la figure 6). Les métaux
Les métalloïdes
Les non-métaux
Figure 6 Les métaux, les non-métaux et les métalloïdes du tableau périodique.
Comme tout tableau, le tableau périodique est constitué de colonnes et de rangées. Dans les sections 1.2.2 et 1.2.3, aux pages 18 à 21, vous verrez à quoi elles correspondent.
1.2.2
Les familles du tableau périodique
Dans le tableau périodique des éléments, les familles d’éléments sont regroupées en colonnes, numérotées de 1 à 18. Les colonnes sont également numérotées à l’aide de chiffres romains associés aux lettres A et B (voir la figure 5, à la page précédente). La série A comporte huit colonnes numérotées de I A à VIII A. Le chiffre romain qui précède la lettre A indique le nombre d’électrons de valence (électrons qui sont sur la dernière couche électronique) des éléments situés dans cette colonne, sauf en ce qui a trait à l’hélium (He). En plus de cette numérotation, les familles peuvent avoir des noms particuliers ou porter le nom de l’élément qui est placé en haut de la colonne. Par exemple, la famille 15 (V A) est appelée « famille de l’azote ». Les deux premières colonnes du tableau périodique ainsi que les deux dernières ont des noms particuliers (voir la figure 7, à la page suivante).
18
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UM 1.2
Une fmll correspond à une colonne dans le tableau périodique, et ses éléments présentent des propriétés chimiques et physiques similaires parce qu’ils possèdent le même nombre d’électrons de valence. Les alcalins Les alcalino-terreux
Fgu 7
Les gaz inertes Les halogènes
Qu ds 18 fmlls du blu éodqu.
La famille 1 (I A) : les alcalins Situés dans la première colonne du tableau périodique (voir la figure 7), les alcalins sont tous des métaux. Ils ont la particularité de ne posséder qu’un seul électron de valence (électron qui est sur la dernière couche électronique), comme l’indique le chiffre romain (I) placé en haut de la colonne. La figure 8 illustre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalins. Les alcalins sont des métaux mous et très réactifs. Ils fondent à des températures plutôt basses. À cause de leur grande réactivité, ils n’existent pas dans la nature sous la forme d’éléments purs, car ils se combinent avec d’autres éléments pour former des composés. Entre autres choses, ils réagissent violemment avec l’eau pour former des bases (solutions alcalines). Il est à noter que l’hydrogène (H), qui est un non-métal, n’est pas membre de la famille des alcalins bien qu’il soit situé dans la première colonne du tableau périodique. En effet, même s’il a un seul électron de valence comme les éléments de cette famille, il ne possède pas les propriétés des alcalins. L’hydrogène (H) ne fait d’ailleurs partie d’aucune famille.
Lithium (Li)
Sodium (Na)
La famille 2 (II A) : les alcalino-terreux Situés dans la deuxième colonne du tableau périodique (voir la figure 7), les alcalino-terreux sont aussi des métaux qui possèdent deux électrons de valence, comme l’indique le chiffre romain (II) placé en haut de la colonne. La figure 9 (voir la page suivante) montre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalino-terreux.
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Potassium (K)
Fgu 8 L confguon élconqu ds lclns mon qu cux-c n ossèdn qu’un sul élcon d vlnc.
Chapitre 1 L’organisation de La matière
19
Fluor (F)
Béryllium (Be)
Figure 9
Magnésium (Mg)
Calcium (Ca)
Les alcalino-terreux possèdent deux électrons de valence.
Les alcalino-terreux sont des métaux plus durs que les alcalins et beaucoup moins réactifs. Leur température de fusion est plus élevée que celle des alcalins. Chlore (Cl)
Figure 10 Les halogènes possèdent sept électrons de valence.
Hélium (He)
La famille 17 (VII A) : les halogènes Les halogènes sont les éléments qui se trouvent dans l’avant-dernière colonne du tableau périodique (voir la figure 7, à la page précédente). Ils possèdent sept électrons de valence, comme l’indique le chiffre romain (VII) placé en haut de la colonne. La figure 10 présente la configuration électronique de deux éléments appartenant à la famille des halogènes. Éléments colorés, les halogènes peuvent être gazeux à température ambiante, comme le fluor (F) et le chlore (Cl) ; ils peuvent aussi être liquides, comme le brome (Br), ou solides, comme l’iode (I) et l’astate (At). Parce que les halogènes sont très réactifs, on ne les rencontre jamais tels quels dans la nature. Ils sont plutôt combinés à d’autres éléments, de sorte qu’on les trouve généralement sous forme de sels. Les halogènes sont corrosifs, c’est-à-dire qu’ils détruisent lentement certaines substances par une action chimique. Ils sont aussi bactéricides, c’est-à-dire qu’ils tuent les bactéries.
Néon (Ne)
La famille 18 (VIII A) : les gaz inertes La dernière colonne du tableau périodique est celle des gaz inertes (voir la figure 7). La dernière couche de ces éléments est saturée d’électrons : deux dans le cas de l’hélium (He), qui ne possède qu’une seule couche électronique, et huit pour les autres éléments de cette famille. C’est pour cette dernière raison que la numérotation de la colonne de ces éléments est VIII. La figure 11 montre la configuration électronique de trois éléments appartenant à la famille des gaz inertes.
Argon (Ar)
Figure 11 L’hélium (He), un gaz inerte qui n’a qu’une seule couche électronique, contient un maximum de deux électrons. Le néon (Ne) et l’argon (Ar) ont une couche périphérique saturée, soit huit électrons.
20
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Les gaz inertes, aussi appelés « gaz nobles » ou « gaz rares », sont tous à l’état gazeux à température ambiante. Ils sont qualifiés d’« inertes », car ils sont caractérisés par une très grande stabilité chimique, c’est-à-dire qu’ils ne réagissent pratiquement pas avec d’autres atomes. Généralement utilisés dans les enseignes lumineuses et les ballons-sondes, ces gaz ont de nombreuses autres applications.
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1.2.3
Les périodes du tableau périodique
Les rangées du tableau périodique sont appelées « périodes ». Elles sont numérotées de 1 à 7 (voir la figure 5, à la page 17). Lorsqu’on parcourt une rangée du tableau périodique de gauche à droite, on passe des métaux aux métalloïdes, puis aux non-métaux. De façon semblable, lorsqu’on garde le même sens de parcours, on rencontre un alcalin, un alcalino-terreux, un halogène, puis un gaz inerte et ainsi de suite dans la rangée suivante. Ce comportement périodique est caractéristique du tableau des éléments. C’est pourquoi on le nomme « tableau périodique », et que ses rangées sont appelées des « périodes ». Une éod correspond à une rangée dans le tableau périodique, et ses éléments comptent le même nombre de couches électroniques. Chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée à la configuration électronique des éléments. L’hélium (He), par exemple, est situé dans la première période et possède une seule couche électronique, alors que l’argon (Ar) se trouve dans la troisième période et possède trois couches électroniques (voir la figure 11, à la page précédente). Il en est de même pour les autres périodes du tableau périodique (voir les figures 8, 9 et 10, aux pages 19 et 20).
Activités 1.2.1 à 1.2.3 1
Quel savant a mis au point le premier tableau dans lequel les éléments sont classés selon leurs propriétés physicochimiques ?
2
Depuis la première version du tableau périodique, la méthode de classement des éléments a été modifiée. a ) Dans le premier tableau périodique du savant que vous avez identifié à la question 1, comment étaient classés les éléments ?
b ) Dans le tableau périodique actuel, comment sont classés les éléments ?
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21
3
Chaque élément du tableau périodique est représenté dans une case avec diverses indications. Inscrivez à quoi correspondent les indications de l’élément suivant.
30
21
Zn
zinc 65,38
4
Le tableau périodique des éléments comporte trois régions principales. a ) Quelles sont ces régions ?
b ) Quelle région contient le plus grand nombre d’éléments ?
c ) Quelle région contient le moins grand nombre d’éléments ?
d ) Quelle région est située à l'extrême droite du tableau périodique ?
e ) Nommez deux éléments qui font partie de la région identifiée en d).
5
Le tableau périodique des éléments (voir la page suivante) contient une ligne en forme d’escalier. a ) À quoi sert cet escalier ?
22
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b) Tracez la ligne « en escalier » au bon endroit dans la représentation suivante du tableau périodique.
6
À quelle région du tableau périodique les éléments suivants appartiennent-ils ? Cochez, pour chaque élément donné, la case appropriée. Éléments
Régions du tableau périodique Métaux
Non-métaux
Métalloïdes
Te
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23
7
Les énoncés suivants caractérisent l’une des trois régions du tableau périodique. Dans chaque cas, dites de quelle région du tableau périodique il s’agit. Inscrivez, dans chacune des cases, le numéro correspondant à la région appropriée. 1) Les métaux
2) Les non-métaux
3) Les métalloïdes
a ) Nous sommes situés à droite de l’escalier du tableau périodique. b ) Nous sommes ternes et cassants. c ) Nous sommes de bons conducteurs électriques et thermiques. d ) Nous sommes brillants et malléables. e ) Nous possédons certaines propriétés des deux autres régions principales. f ) Nous sommes tous solides à température ambiante, excepté le mercure (Hg). g ) Nous sommes situés à gauche de l’escalier du tableau périodique, et un des éléments de notre colonne ne fait pas partie de notre région. h ) Nous sommes de mauvais conducteurs électriques et thermiques. i ) Nous sommes situés à la fois à gauche et à droite de l’escalier du tableau périodique. j ) Nous sommes tous solides à température ambiante. k ) Nous sommes solides ou gazeux à température ambiante, excepté le brome (Br)
qui est liquide. l ) L’hydrogène (H) fait partie de cette région. m ) En général, les éléments de cette région réagissent avec les acides.
8
Dans le tableau périodique des éléments : a ) comment les familles et les périodes sont-elles disposées ?
b ) comment les familles et les périodes sont-elles numérotées ?
c ) Quels éléments possèdent le même nombre d’électrons de valence : ceux d’une même famille ou ceux d’une même période ?
24
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UM 1.2
9
Dans la représentation du tableau périodique ci-dessous : a ) identifiez les familles marquées d’une flèche ; b ) notez, dans le rectangle prévu à cette fin, le nombre d’électrons de valence que possèdent les éléments de chacune des familles.
10
Dans le tableau périodique, un élément est situé à gauche de l’escalier, bien qu’il soit un non-métal. a ) De quel élément s’agit-il ?
b ) Pourquoi cet élément est-il placé dans la première colonne du tableau périodique, alors qu’il ne fait pas partie de la famille des alcalins ?
11
À quelle famille chacun des éléments ci-dessous, et ceux de la page suivante, appartient-il ? a ) Un élément gazeux très peu réactif. b ) Un métal qui réagit violemment avec l’eau. c ) Un élément appartenant à la colonne II A. d ) Un élément gazeux, coloré et très réactif. e ) Un élément bactéricide.
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25
f ) Un élément gazeux utilisé dans les enseignes lumineuses. g ) Un métal mou. 12
Complétez le tableau suivant en tenant compte des données qui sont déjà fournies.
Nom Symbole de de l’élément l’élément
Configuration électronique
Nombre d’électrons
Numéro Nombre Numéro Nombre de d’électrons de de couches famille de valence période électroniques
Be
17
IA
3
8
26
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3
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1.2.4
La notation de Lewis
Les propriétés chimiques des éléments sont largement déterminées par le nombre d’électrons de valence, c’est-à-dire les électrons qui se trouvent sur la couche périphérique de l’atome. Ainsi, les éléments d’une même famille, qui partagent un ensemble de propriétés communes, ont le même nombre d’électrons de valence, sauf l’hélium (He). Si la couche périphérique d’un élément est saturée, comme c’est le cas des éléments de la famille des gaz inertes, cet élément sera très stable chimiquement. Par contre, si la couche périphérique d’un élément ne contient qu’un seul électron, comme c’est le cas des éléments de la famille des alcalins, cet élément sera très réactif. Les électrons de valence étant les électrons les plus importants dans le comportement chimique des éléments, il n’est pas utile de représenter toute la configuration électronique d’un atome ; on peut illustrer uniquement les électrons de valence. C’est à partir de cette idée que le scientifique américain Gilbert Newton Lewis (1875-1946) a proposé, en 1916, une notation qui porte son nom : la notation de Lewis. La noon d Lws est une façon de représenter l’atome d’un élément en illustrant les électrons de sa couche périphérique à l’aide de points disposés autour de son symbole chimique. Selon cette notation, les éléments sont représentés par leurs symboles chimiques entourés d’autant de points qu’ils comptent d’électrons de valence. Les points sont disposés, un à un, sur les côtés d’un carré imaginaire qui entoure le symbole de l’élément. La distribution des points se fait dans le sens horaire et il y a un maximum de deux points par côté. Pour les éléments qui possèdent plus de quatre électrons de valence, un deuxième tour de remplissage est nécessaire (voir la figure 12). Parmi les éléments possédant moins de quatre électrons, l’hélium (He) est le seul à faire exception à cette règle. En effet, l’hélium n’ayant qu’une seule couche saturée avec deux électrons seulement, sa représentation est la suivante :
Na
Ca
Sodium
Calcium
Fgu 12
Al Aluminium
F
Cl
Br
Fluor
Chlore
Brome
L noon d Lws d qulqus élémns du blu éodqu.
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
27
Activités 1.2.4 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Tous les électrons d’un élément sont représentés selon la notation de Lewis.
b ) Dans la notation de Lewis, les électrons sont représentés par des points.
c ) Deux points seront nécessaires pour représenter les éléments de la famille des alcalins selon la notation de Lewis.
d ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments d’une même période sont représentés par le même nombre de points.
e ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments qui sont représentés par un seul point sont des alcalins.
28
2
Les gaz inertes sont les éléments de la dernière colonne du tableau périodique. Combien de points seront nécessaires pour représenter les éléments de cette famille d’après la notation de Lewis ?
3
Voici une représentation incomplète d’une portion du tableau périodique des éléments. Répondez aux questions de la page suivante.
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UM 1.3
a ) Notez, dans chacune des cases, le symbole de l’élément qui correspond au numéro atomique inscrit. b ) Représentez ensuite ces éléments à l’aide de la notation de Lewis. c ) Que remarquez-vous quant à l’organisation des électrons de valence dans ce tableau ? Expliquez votre réponse.
4
Existe-t-il un ou des métalloïdes qui possèdent moins de quatre points dans leur représentation de Lewis ? Si oui, lequel ou lesquels ?
1.3 Les molécules Dans la nature, très peu d’éléments du tableau périodique existent sous la forme d’atomes individuels. Cela est dû au fait que les atomes ont tendance à se lier chimiquement à d’autres atomes pour former des molécules. Une molécul est un assemblage d’au moins deux atomes, identiques ou différents, liés chimiquement.
A L olécul oxy (O2).
La molécule de dioxygène (O2), par exemple, est formée de deux atomes d’un même élément, soit deux atomes d’oxygène (O) (voir la figure 13A), alors que la molécule d’eau (H2O) contient trois atomes de deux éléments différents, soit un atome d’oxygène (O) et deux atomes d’hydrogène (H) (voir la figure 13B). Les atomes se lient entre eux pour acquérir une configuration électronique leur permettant d’être plus stables chimiquement. L’une des façons d’atteindre cette stabilité est la formation d’ions. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) se forme à partir de l’ion sodium (Na+) et de l’ion chlore (Cl–).
1.3.1
B L olécul ’u (H2O).
Fgu 13 Ls moléculs d doxygèn (O2) d’u (H2O).
Les ions
Pourquoi l’atome de sodium (Na) et l’atome de chlore (Cl) ont-ils tendance à se lier pour former le chlorure de sodium (NaCl) ? Parce que ces atomes sont plus stables lorsqu’ils sont liés l’un à l’autre. Pour acquérir plus de stabilité, ils chercheront à remplir totalement leur couche périphérique avec des électrons de valence.
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CHapitre 1 L’OrganisatiOn de La matière
29
A L’atome d’hélium (He).
Ainsi, le sodium (Na), n’ayant qu’un seul électron de valence sur sa couche périphérique, il cherchera à perdre cet électron pour acquérir la configuration électronique du gaz inerte (nommé aussi « gaz rare » ou « gaz noble ») situé le plus près de lui dans le tableau périodique. La configuration électronique du sodium (Na) s’apparentera alors à celle du néon (Ne). L’atome de chlore (Cl), qui a sept électrons de valence, aura plutôt tendance à gagner un électron pour acquérir la configuration électronique du gaz inerte le plus près de lui dans le tableau périodique, soit l’argon (Ar). En perdant ou en gagnant des électrons, le sodium (Na) et le chlore (Cl) veulent acquérir la stabilité des gaz inertes (voir les figures 15 et 16).
B L’atome de néon (Ne).
Figure 14 La représentation des charges positives (dans le noyau) et des charges négatives (sur les orbites) de deux gaz inertes : l’hélium (He) et le néon (Ne).
La couche (ou l’orbite) électronique la plus éloignée du noyau des gaz inertes possède huit électrons, à l’exception de l’hélium (He), ce qui rend ces gaz très stables (voir la figure 14). Tous les atomes qui ont de un à sept électrons de valence tendent à avoir une couche périphérique de huit électrons, ou deux si l’atome se trouve proche de l’hélium (He), en cédant ou en gagnant des électrons. C’est ce qu’on appelle la « règle de l’octet ». Comment les atomes qui ne possèdent pas huit électrons sur leur couche périphérique finissent-ils par obtenir une couche périphérique complète ? Par ionisation, un processus au cours duquel un atome devient un ion en gagnant ou en perdant un ou plusieurs électrons. Un ion est un atome qui porte une charge électrique positive ou négative résultant de la perte ou du gain d’un ou de plusieurs électrons. Initialement, un atome est électriquement neutre (voir la figure 14), puisqu’il possède autant de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons). Lorsqu’un atome perd un ou plusieurs électrons, le nombre de protons qu’il contient devient alors supérieur au nombre d’électrons qu’il possède. Cet atome, devenu un ion, portera donc une charge positive et sera appelé « cation » (voir l’exemple du sodium, à la figure 15).
Perte
A L’atome neutre
de sodium (Na). Figure 15
B La perte d’un électron.
C L’ion sodium (Na+)
ou cation.
Le processus d’ionisation d’un atome métallique, le sodium (Na).
Lorsqu’un atome gagne un ou plusieurs électrons, le nombre de ses protons est alors inférieur au nombre de ses électrons. L’ion qui en résulte portera donc une charge négative et sera appelé « anion » (voir l’exemple du chlore, à la figure 16 à la page suivante). 30
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UM 1.3
Les atomes métalliques ont tendance à perdre des électrons (voir la figure 15, à la page précédente). Ils forment alors un ion positif de charge égale au nombre d’électrons perdus. Les atomes non métalliques, eux, ont tendance à gagner des électrons (voir la figure 16). Ils forment alors des ions négatifs de charge égale au nombre d’électrons acquis (voir le tableau 1).
Gain
A L’ u chl (CI).
B L i ’u élc.
C U i chl (CI−) u i.
Fgu 16 L ocssus d’onson d’un om non méllqu, l clo (Cl). Il est à noter que, lors de la formation d’un ion, le nombre de protons de l’atome n’est jamais modifié. TABLEAU 1
L’ion le plus probable des éléments des deuxième et troisième périodes du tableau périodique Familles IA
II A
III A
IV A
VA
VI A
VII A
VIII A
Nombre d’électrons de valence
1
2
3
4
5
6
7
8 ou 0
Tendance à perdre des électrons
−1
−2
−3
−4
Li
Be2+
B
3+
Mg2+
Al3+
Tendance à gagner des électrons Ion formé
0
+4 +
Na+
+3
+2
+1
C /C4−
N3−
O2−
F−
Si4+/Si4−
P3−
S2−
Cl−
4+
0 Aucun
On remarque, dans le tableau 1, que les éléments de la famille IV A peuvent perdre ou gagner quatre électrons pour former soit le cation X4+, soit l’anion X4−. L’atome d’hydrogène (H) est un cas particulier. La plupart du temps, il perd son électron pour donner l’ion H+. Cependant, il peut aussi gagner un électron pour former l’ion H−.
Activités 1.3 1
Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’élément qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) Un ion b ) Un ion négatif
1) Un regroupement de deux ou de plusieurs atomes identiques ou différents, unis les uns aux autres par des liaisons chimiques. 2) Un atome qui n’est pas électriquement neutre.
c ) Un ion positif d ) Une molécule
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3) Un anion 4) Un cation
Chapitre 1 L’organIsatIon de La matIère
31
2
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Selon la règle de l’octet, les atomes cherchent à acquérir la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique.
b ) Lors de la formation d’un ion, le nombre de protons que possède l’atome change.
c ) Un atome qui perd des électrons sera chargé négativement. Il s’appellera un « cation ».
d ) Les métaux ont tendance à former des cations, alors que les non-métaux forment plutôt des anions.
e ) La charge portée par un ion est toujours égale au nombre d’électrons de valence de l’atome.
3
4
5
32
Comment l’azote (N) acquiert-il la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près de lui dans le tableau périodique ? Entourez la bonne réponse. a ) Il gagne cinq électrons.
c ) Il perd cinq électrons.
b ) Il gagne trois électrons.
d ) Il perd trois électrons.
Quel ion chacun des éléments suivants est-il susceptible de former ? a ) Béryllium
d ) Potassium
g ) Silicium
b ) Soufre
e ) Phosphore
h ) Fluor
c ) Argon
f ) Aluminium
i ) Néon
Indiquez la charge de chacun des ions formant les molécules suivantes. a ) HI
d ) K2S
g ) MnS
b ) MgF2
e ) BN
h ) Cu2O
c ) Al2O3
f ) CuO
i ) CoCl3
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UM 1.3
6
Pour chacune des représentations ci-dessous : • dites s’il s’agit d’un atome, d’un cation ou d’un anion ; • donnez le symbole chimique de l’élément correspondant ; • inscrivez la charge électrique de l’élément, s’il y a lieu.
7
a)
c)
e)
b)
d)
f)
Remplissez le tableau suivant en inscrivant le nombre de protons, le nombre d’électrons et la charge électrique des ions donnés. Ion
Nombre de protons
Nombre d’électrons
Charge électrique
Césium Soufre Brome Zn2+ Sc3+
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
33
CONSOLIDATION DU ChApITre 1 1
Placez les événements suivants dans l’ordre chronologique sur la ligne du temps. Modèle de Dalton
Modèle d’Aristote
Modèle de Rutherford
Modèle de Démocrite
Modèle de Thomson
Modèle de Rutherford-Bohr
Naissance de J.-C.
−500
2
Années
1200
1600
1800
2000
Les représentations atomiques suivantes sont relatives à quatre éléments du tableau périodique. 1)
3)
2)
4)
Lequel des énoncés ci-dessous est vrai ? a ) Les atomes 1 et 2 font partie de la même famille. b ) Les atomes 2 et 3 font partie de la même période. c ) Les atomes 1 et 4 font partie de la même famille. d ) Les atomes 1 et 3 font partie de la même période.
34
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3
Remplissez le tableau qui suit. Les caractéristiques du silicium (Si)
Numéro atomique
Numéro de colonne dans le tableau périodique
Métal, non-métal ou métalloïde
Numéro de période dans le tableau périodique
État à la température ambiante
Nombre de couches électroniques
Nombre de protons
Configuration électronique
Nombre d’électrons
Nombre d’électrons de valence
4
Indiquez à l’aide d’un crochet si chacune des notations suivantes est vraie ou fausse. Notation de Lewis
5
Représentation selon la notation de Lewis
Vraie
Fausse
Notation de Lewis
Ne
Cl
He
Mg
Vraie
Fausse
Remplissez le tableau ci-dessous en écrivant la formule de la molécule qui se forme selon les ions qui sont donnés. Ion sulfure
Ion phosphure
Ion chlorure
Ion potassium Ion aluminium Ion magnésium
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Chapitre 1 L’organisation de La matière
35
6
Remplissez la grille de mots ci-dessous à l’aide des énoncés qui suivent. II
VIII IV
1
XIII X
2 I 3
4 VII
5
6 IX
V 7
XII
8 XI
9 III VI 10
11
12
13 14
Note : Dans une grille de ce type, on ne met pas d’accents sur les voyelles. HORIZONTALEMENT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14
36
Métal appartenant à la douzième famille. Famille d’éléments possédant sept électrons de valence. Alcalino-terreux qui a une couche électronique de plus que le calcium. Groupe d’éléments ayant le même nombre d’électrons de valence. Élément de la famille des alcalins situé dans la sixième période du tableau périodique. Non-métal situé à gauche de l’escalier du tableau périodique. Élément situé dans la deuxième colonne et la troisième période du tableau périodique. Son symbole est Sn. Autre nom des gaz inertes. Gaz inerte n’ayant pas le même nombre d’élec trons de valence que le reste de sa famille. Alcalino-terreux qui a le plus petit rayon atomique de sa famille. Il a été découvert par J. J. Thomson. Élément non métallique possédant 53 protons. Les éléments d’une même famille possèdent le même nombre d’électrons de…
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VERTICALEMENT I II
III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII
Se dit d’une couche électronique qui contient un nombre maximum d’électrons. Élément qui a sept électrons de valence et qui est situé dans la troisième période du tableau périodique. Gaz inerte qui a deux couches électroniques. Alcalin qui possède une couche électronique de plus que l’hydrogène. Famille d’éléments qui réagissent violemment avec l’eau pour former des bases. Tout élément situé à gauche de l’escalier du tableau périodique. Métal qui a quatre couches électroniques. Son nom fut donné à l’une des façons de représenter l’atome d’un élément. Se dit des gaz qui sont caractérisés par une très grande stabilité chimique. Élément situé entre le césium et le lanthane. Bien qu’il ait quatre couches, sa représentation de Lewis ne comporte que deux points. Rangées du tableau périodique numérotées de 1 à 7. Savant russe qui a élaboré le premier tableau dans lequel les éléments étaient classés selon leurs propriétés physicochimiques.
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chapitre
2
LES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES SOLUTIONS
Dans la nature, les substances pures sont rares. Nous sommes plutôt entourés de mélanges homogènes et hétérogènes. Par exemple, l’air, l’eau potable et l’acier sont des mélanges homogènes qu’on appelle aussi « solutions ». L’eau est considérée comme le solvant universel, car elle peut dissoudre un très grand nombre de substances. Dans ce chapitre, vous découvrirez comment la nature et la quantité des substances dissoutes dans l’eau donnent aux solutions aqueuses certaines de leurs propriétés physiques comme la conductibilité électrique, leur nature acide ou basique, une certaine concentration et un pH.
SOMMAIRE
Rappel 38 2.1 Les électrolytes 39 2.2 La concentration 47 2.3 Le pH 54
RAPPEL
Les solutions • Une solution est un mélange homogène dans lequel un soluté est dissous dans un solvant.
Une solution homogène. Cette solution transparente d’eau et de sulfate de cuivre est un mélange homogène.
• Une solution aqueuse est une solution dont le solvant est l’eau.
Quelques notions sur les solutions La concentration • La concentration d’une solution correspond à la quantité de soluté dissoute par rapport à la quantité totale de solution : • La concentration s’exprime à l’aide de différentes unités comme g/L, % m/V, etc. L’acidité et la basicité L’acidité et la basicité sont liées à la capacité de réagir de certaines substances. Ces termes expriment les caractères opposés de substances qui réagissent de manière différente. Acides
Bases
• Réagissent avec les métaux. • Rougissent le papier tournesol bleu.
• Visqueuses au toucher. • Bleuissent le papier tournesol rouge. • Dissolvent les graisses.
La dissolution La dissolution est le procédé utilisé pour dissoudre une substance dans une autre. A
B
Particule de soluté
C
Particule de solvant
Un exemple de dissolution. Lorsque le sucre est dissous dans l’eau, il perd son état solide pour s’associer aux molécules d’eau. A Un grain de sucre (soluté) déposé dans l’eau (solvant). B Les molécules de sucre, attirées par les particules d’eau, se détachent les unes des autres. C Les molécules de sucre se dispersent uniformément dans l’eau : elles sont dissoutes.
La dilution La dilution est l’ajout de solvant à une solution afin d’en diminuer la concentration. La loi de la dilution C1V1 = C2V2, où C1 : concentration de la solution initiale V1 : volume de la solution initiale Une solution de plus en plus diluée. Lors d’une dilution, le nombre de particules de soluté reste le même, alors que le volume de la solution augmente.
38
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C2 : concentration de la solution finale V2 : volume de la solution finale
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UM 2.1
2.1 Les électrolytes Qu’est-ce qui permet au courant électrique de circuler dans l’eau, alors que l’eau pure ne conduit pas l’électricité ? C’est ce que vous verrez dans la présente section.
2.1.1
La conductibilité électrique
Dans l’expérience présentée à la figure 1, deux électrodes reliées à une ampoule ont été placées dans une solution de chlorure de sodium (NaCl) et dans de l’eau pure (H2O). On constate que, dans le cas de l’eau pure (H2O), l’ampoule ne s’allume pas, tandis qu’elle s’allume dans le cas de la solution de chlorure de sodium (NaCl). Cette expérience montre une propriété importante des solutions : la conductibilité électrique. L’outil 1 de la page 41 présente la technique pour vérifier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse. La conducblé élcqu d’une solution est sa capacité à laisser passer le courant électrique. Le chlorure de sodium (NaCl), lorsqu’il est dissous dans l’eau, libère des particules chargées (ions Na+ et ions Cl−) qui peuvent se déplacer dans l’eau. Ce sont ces ions mobiles qui permettent au courant électrique de circuler. Une substance comme le chlorure de sodium (NaCl) est appelée « électrolyte », et la solution ainsi formée est une solution électrolytique.
Fgu 1 Un xénc d conducblé élcqu.
Un élcoly est une substance qui, une fois dissoute dans l’eau, permet le passage du courant électrique. D’autres substances, comme le sucre, ne permettent pas le passage du courant électrique une fois qu’elles sont dissoutes dans l’eau. On appelle ces substances des « non-électrolytes », car elles libèrent des molécules électriquement neutres. Les solutions ainsi formées sont des solutions non électrolytiques.
Molécule de sucre : C12H22O11(aq)
Un électrolyte est une substance formée d’atomes métalliques (ou d’hydrogène) et d’atomes non métalliques ; c’est le cas du sel de table ou chlorure de sodium (NaCl). Un non-électrolyte est une substance constituée uniquement d’atomes non métalliques ; c’est le cas du sucre (saccharose) (C12H22O11).
2.1.2
La dissociation électrolytique
Selon la nature électrolytique ou non électrolytique du soluté dissous, les particules ne sont pas séparées de la même manière dans l’eau. Lorsqu’un non-électrolyte se dissout, ses molécules se détachent les unes des autres tout en restant entières dans l’eau. Ainsi, les molécules d’eau ne font qu’entourer les molécules de soluté sans parvenir à les briser (voir la figure 2). Il est à noter que les indices entre parenthèses, comme on en voit à la figure 2, indiquent l’état physique des substances, qui peut être liquide (l), aqueux (aq), solide (s) ou gazeux (g).
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Molécule d’eau : H2O(l)
Fgu 2 Ls moléculs d suc (scchos) (C12H22O11), losqu’lls son dssous dns l’u, dvnnn ds moléculs quuss noués d moléculs d’u.
CHapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
39
Lorsqu’un électrolyte se dissout dans l’eau, ses molécules se détachent les unes des autres, puis se dissocient en ions positifs et négatifs. C’est ce qu’on appelle la « dissociation électrolytique ». La dissociation électrolytique se produit quand une substance dissoute se sépare en deux ions de charges opposées. La dissociation électrolytique est une transformation physique. Les ions du soluté sont attirés par les molécules d’eau, et l’électrolyte se dissocie en ions aqueux distincts, de charges opposées (voir la figure 3).
NaCl (s) Figure 3 La dissociation électrolytique du sel de table (NaCl) en ions positifs (Na+) et négatifs (Cl−) dans l’eau.
→
Na+(aq)
+
Cl−(aq)
On peut représenter les dissolutions d’un électrolyte et d’un non-électrolyte par une équation, comme on le fait pour une réaction chimique. Il faut s’assurer que l’équation est bien équilibrée, que ce soit du point de vue atomique ou des charges électriques. La dissolution du sucre (saccharose) (C12H22O11), qui ne produit aucun ion dans l’eau, peut être représentée par l’équation suivante : C12H22O11(s) → C12H22O11(aq)
La transformation physique du sucre, qui passe de l’état solide à l’état aqueux, est indiquée par les indices « (s) » et « (aq) » présents dans l’équation. L’eau (H2O(l)) n’étant pas un réactif, elle n’apparaît pas dans les équations de dissociation. Comme le montre la figure 3, la dissolution du sel de table (NaCl) est une dissociation électrolytique, puisqu’elle produit des ions de charges opposées, les ions Na+ et Cl− qui se trouvent en solution aqueuse. On remarque que, de chaque côté de l’équation, la neutralité électrique est respectée. Voici un autre exemple : l’équation de dissociation électrolytique du trioxyde de dialuminium (Al2O3). Al2O3(s) → 2 Al3+(aq) + 3 O2−(aq)
40
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OUTILS UM 2.1
OUTIL 1
Vérifier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse La ccbl lc s pp caacs cas sls cas ls, p ê cl pa c m x lcs ls à m lmx (voir la figure 4). P s la ccbl lc ’ sl, l fa pc la maè sva : 1. Ava ca s, c ls lcs ccmè avc l’a sll, ps ls ss.
2. S’ass la cca s sls à s s sffsamm ga p l’appal c la psc s s as ls sls. 3. Plac ls x lcs c ccbl cac avc la sl à s. 4. S l m lmx s’allm, cla sgf la sbsac s ccc ’lcc.
Témoin lumineux allumé
A L’a sal c l’lcc.
Figu 4
Témoin lumineux éteint
B L’a sc c pas l’lcc.
L véifiction d l conductibilité élctiqu d solutions quuss.
Activités 2.1.1 et 2.1.2 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La conductibilité électrique est une propriété caractéristique de certains solides uniquement.
b ) Même à l’état solide, un électrolyte permet le passage du courant électrique.
c ) Les électrolytes sont des substances dont la formule chimique est composée d’un métal et d’un non-métal, ou de l’hydrogène (H) et d’un non-métal.
d ) Une solution électrolytique est électriquement chargée, alors qu’une solution non électrolytique est électriquement neutre.
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ChapITre 2 LeS ProPriétéS PhySiqueS deS SoLutionS
41
2
Les montages illustrés ci-dessous ont été utilisés pour observer la conductibilité électrique de deux solutions. Lors de cette expérience, on a comparé les solutions A et B dans lesquelles différents solutés ont été dissous.
Électrodes
Électrodes
Pile
Pile
Solution A
Solution B
Laquelle ou lesquelles des solutions : a ) est conductrice de courant ? b ) est non électrolytique ? c ) est électriquement neutre ? d ) contient des ions en solution ? 3
Classez les substances suivantes selon qu’elles sont des électrolytes ou des non-électrolytes. HF
CO2
NaI
FeF3
AlN
H2S
LiBr
C2H6
Mg3P2
CS2
PCl3
Br 2
CCl4
KF
P2O3
Électrolytes : Non-électrolytes : 4
Soit les séries de substances suivantes. Laquelle est composée seulement d’électrolytes ? a ) CH4
N2O5
b ) NH4Cl 5
H2
C6H12O6 LiOH
SO2 Na2O
c ) HI
KNO3
d ) C12H22O11
BeCl2 H2CO3
MgSO4 SF6
Na3PO4
Parmi les équations et les énoncés ci-dessous et à la page suivante, lesquels correspondent à une dissociation électrolytique ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) La dissolution du soluté dans l’eau ne fait que séparer les molécules les unes des autres. b ) CO2(g) → CO2(aq) c ) La dissolution du soluté dans l’eau produit deux ions de charges opposées. d ) C6H12O6(s) → C6H12O6(aq) e ) MgCl2(s) → Mg2+(aq) + 2 Cl−(aq) f ) On me nomme aussi « dissociation ionique ». g ) H2S(g) → 2 H+(aq) + S2−(aq)
42
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UM 2.1
h ) Br 2(l) → Br2(aq) i ) La dissolution du soluté dans l’eau produit une solution non électrolytique. j ) NaBr (s) → Na+(aq) + Br−(aq) 6
7
Les équations de dissociation électrolytique suivantes sont-elles écrites correctement ? Expliquez votre réponse et corrigez les équations, s’il y a lieu. a ) Li2O(s) → Li+(aq) + O2−(aq)
c ) AlCl3(s) → Al3+(aq) + 3 Cl−(aq)
b ) Ca3P2(s) → 3 Ca2+(l) + 2 P3−(aq)
d ) H2S(g) → 2 H+(g) + S2−(g)
Écrivez les équations de dissociation électrolytique des substances suivantes. a ) HCl(g) b ) MgO (s) c ) Li2S(s) d ) Be3P2(s) e ) LiH (s) f ) Al(OH)3(s) g ) HNO3(l) h ) Na2CO3(s) i ) FeF3(s) j ) CaSO4(s)
8
Les facteurs énoncés ci-dessous établissent la différence de conductibilité entre deux solutions de même concentration, soit le chlorure de potassium (KCl) et le dichlorure de plomb (PbCl2). La luminosité du témoin lumineux d'un détecteur de conductibilité est plus intense dans la solution de KCl. Dites si ces facteurs sont vrais ou faux. Cochez la case appropriée. Vrai Faux a ) Le nombre d’ions est plus faible dans la solution de PbCl2. b ) Les ions libérés par KCl ont une charge supérieure aux ions libérés par PbCl2. c ) Il y a plus de molécules neutres dans la solution de PbCl2 que dans celle de KCl. d ) Les ions libérés par KCl sont mobiles, alors que ceux libérés par PbCl2 ne le sont pas.
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
43
2.1.3
Les acides, les bases et les sels
Un électrolyte peut être un acide, une base ou un sel. On distingue ces substances les unes des autres par leurs propriétés caractéristiques (voir le tableau 1). TABLEAU 1
Quelques propriétés des acides, des bases et des sels Conductibilité électrique
Effet sur le papier de tournesol neutre
Goût
Acide
Oui
Il rougit
Aigre
Base
Oui
Il bleuit
Amer
Sel
Oui
Aucun effet
Salé
Toucher
Visqueux
Réaction avec les métaux
Neutralisation
Oui
Par une base
Non
Par un acide
Non
Les acides Les acides se dissocient dans l’eau en libérant des ions H +, comme le montrent les équations suivantes et la figure 5 :
: ions Cl−
Acide chlorhydrique
HCl(g) → H+(aq) + Cl−(aq)
Acide acétique
CH3COOH (l) → H+(aq) + CH3COO−(aq)
: ions H+
Figure 5 Une solution d’acide chlorhydrique (HCl).
Un acide est un électrolyte qui libère des ions H+ en solution aqueuse. La formule chimique des acides commence par le symbole de l’atome d’hydrogène (H), suivi du symbole d’un non-métal (HCl, H2S, etc.) ou d’un groupe d’atomes (HNO3, H2SO4, etc.). La formule de certains acides, comme l’acide acétique (CH3COOH), fait exception à cette règle.
Les bases Les bases se dissocient dans l’eau en libérant des ions OH−, comme le montrent les équations suivantes et la figure 6 :
: ions OH−
Hydroxyde de sodium
NaOH(s) → Na+(aq) + OH−(aq)
Hydroxyde d’ammonium
NH4OH(l) → NH4+(aq) + OH−(aq)
: ions Na+
Figure 6 Une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH).
Une base est un électrolyte qui libère des ions OH− en solution aqueuse. La formule chimique des bases commence par le symbole d’un métal (Na, Mg, etc.) ou du groupe d’atomes NH4 et se termine par le groupe d’atomes OH (KOH, Mg(OH)2, NH4OH, etc.).
Les sels Les sels sont des électrolytes formés par la réaction de neutralisation entre un acide et une base. Ils se dissocient en libérant des ions positifs et des ions négatifs en solution, comme le montrent les équations et la figure 7, à la page suivante : 44
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UM 2.1
Chlorure de sodium
NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq)
Sulfate de calcium
CaSO4(s) → Ca2+(aq) + SO42−(aq)
Un sl est un électrolyte qui libère des ions positifs et négatifs, autres que H+ et OH−, lorsqu’il est dissous dans l’eau. La formule chimique des sels commence par le symbole d’un métal, suivi du symbole d’un non-métal (NaBr, MgCl2, etc.) ou d’un groupe d’atomes autre que OH (NaNO3, CaSO4, etc.). Il peut arriver que le métal soit remplacé par le groupe d’atomes NH4 (NH4Cl, (NH4)2SO4, etc.).
: n Cl−
: n Na+
Fgu 7 Un soluon d clou d sodum (NCl).
Activités 2.1.3 1
2
Pour chaque équation, dites s’il s’agit de la dissociation d’un acide, d’une base ou d’un sel. a ) HNO3(l) → H+(aq) + NO3−(aq)
e ) NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3−(aq)
b ) Mg(OH)2(s) → Mg2+(aq) + 2 OH−(aq)
f ) NH4OH(s) → NH4+(aq) + OH−(aq)
c ) Li3PO4(s) → 3 Li+(aq) + PO43−(aq)
g ) H2S(g) → 2 H+(aq) + S2−(aq)
d ) CH3COOH (l) → CH3COO−(aq) + H+(aq)
h ) Fe(HCO3)2(s) → Fe2+(aq) + 2 HCO3−(aq)
Les énoncés suivants décrivent-ils un acide, une base ou un sel ? Cochez la case appropriée. Acide
Base
Sel
a ) Je suis une substance qui libère des ions positifs et négatifs autres que H + et OH− en solution. b ) Ma formule chimique commence par le symbole d’un métal suivi de OH. c ) Une de mes formules chimiques s’écrit de cette manière : H suivi du symbole d’un non-métal. d ) Je suis formé pendant la neutralisation d’un acide par une base et vice-versa. e ) Ma formule chimique commence par l’atome H suivi du symbole d’un groupe d’atomes. f ) Ma formule chimique peut être constituée de deux groupes d’atomes.
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutioNs
45
3
Soit une solution aqueuse qui n’a aucun effet sur le papier de tournesol. Peut-on conclure que cette solution est une solution saline ? Expliquez votre réponse.
4
Vous avez réalisé une expérience de laboratoire pour déterminer la nature acide, basique ou saline de quatre solutions aqueuses. Voici les résultats. Résultats de l’expérience Solution 1
Conduit le courant électrique et n’a aucun effet sur le papier de tournesol.
Solution 2
Conduit le courant électrique et bleuit le papier de tournesol.
Solution 3
Ne conduit pas le courant électrique et n’a pas d'effet sur le papier de tournesol.
Solution 4
Réagit avec un ruban de magnésium et neutralise les bases.
Lequel des énoncés suivants est vrai ? a ) La solution 1 est non électrolytique, la solution 2 est basique, la solution 3 est saline et la solution 4 est acide. b ) La solution 1 est saline, la solution 2 est acide, la solution 3 est non électrolytique et la solution 4 est basique. c ) La solution 1 est saline, la solution 2 est basique, la solution 3 est non électrolytique et la solution 4 est acide. d) La solution 1 est non électrolytique, la solution 2 est basique, la solution 3 est acide et la solution 4 est saline. 5
6
Écrivez les équations de dissociation électrolytique des substances suivantes. a ) HBr (g)
c ) K2S(s)
b ) B(OH )3(s)
d ) Al2O3(s)
Classez les substances suivantes selon qu’elles sont des acides, des bases ou des sels. Si une substance n’entre pas dans ces catégories, classez-la dans « Autres ». LiOH
HBr
NH4OH
SO2
CH3OH
C6H12O6
HCN
AlCl3
H3PO4
BaF2
H2S
C2H6
Fe(OH)3
K 2S
NH4NO3
PCl3
Cu(OH)2
PbSO 4
HClO 4
Na2O
CH3COOH
Acides : Bases : Sels : Autres :
46
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2.2 La concentration Les transformations physiques telles que l’évaporation, la dissolution et la dilution font varier la concentration des substances dissoutes. La concnon d’une solution est le rapport entre la quantité de soluté dissous et la quantité totale de solution. La concentration d’une solution peut être exprimée de différentes façons, soit en grammes par litre (g/L), en pourcentage (%) ou en parties par million (ppm).
2.2.1
La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%)
Pour calculer la concentration d’une solution en grammes de soluté par litre de solution (g/L), on utilise l’équation suivante : , où
C : concentration de la solution en grammes par litre (g/L) m : masse du soluté en grammes (g) V : volume de la solution en litres (L)
Voici un exemple de calcul de la concentration en grammes par litre (g/L). EXEMPLE A
Calculer la concentration en grammes par litre (g/L) d’une solution préparée avec 3,0 g d’hydroxyde de sodium (NaOH) dissous dans 125 mL d’eau.
Données :
Calcul :
m = 3,0 g
1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : V = 125 mL = 0,125 L
V = 125 mL C =?
2. Calculer la concentration de la solution en g/L :
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
47
Pour calculer la concentration d’une solution en pourcentage (%), on utilise, selon le contexte, l’une des équations suivantes : Nombre de grammes de soluté par 100 mL de solution Nombre de grammes de soluté par 100 g de solution Nombre de millilitres de soluté par 100 mL de solution
Voici un exemple de calcul de la concentration en pourcentage (%). EXEMPLE B
On a préparé 5,0 L d’une boisson alcoolisée à partir de 600 mL d’éthanol (C 2H5OH). Déterminer la concentration en alcool de cette boisson en nombre de millilitres de soluté par 100 mL de solution (% V/V ). Données :
Calcul :
Vsolution = 5,0 L Vsoluté = 600 mL
1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : Vsolution = 5,0 L = 5 000 mL
C en % V/ V = ?
2. Calculer la concentration de la solution alcoolisée en % V/ V :
La concentration en alcool de cette boisson est de 12 % V/V.
2.2.2
La concentration en parties par million (ppm)
Lorsque la concentration de soluté présente dans une solution est très faible, on peut exprimer sa concentration en parties par million (ppm). La concentration en parties par million (ppm) correspond au nombre de parties de soluté dissous dans un million de parties de solution. Par exemple, une concentration de 1 ppm correspond à 1 g de soluté dans 1 000 000 g de solution. On calcule, dans ce cas, la concentration en parties par million (ppm) d’une solution en utilisant l’équation suivante :
Voici, à la page suivante, un exemple de calcul de la concentration en parties par million (ppm).
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EXEMPLE C
Au Québec, la norme sur la qualité de l’eau exige que la concentration en ions nitrate (NO3−) dans l’eau potable soit inférieure à 10,0 ppm. L’analyse de 500 L d’eau potable d’une ville québécoise a révélé la présence de 7,00 g de nitrates. On considère que 1,00 L d’eau a une masse de 1,00 kg. L’eau de cette ville est-elle potable ?
Données :
Calcul :
Vsolution = 500 L
1. Déterminer la masse de la solution :
m nitrate = 7,00 g C (ppm) = ? 2. Calculer la concentration de la solution en ppm :
L’eau de cette ville n’est pas potable, car sa concentration en ions nitrate (NO3−) est supérieure à la norme.
Activités 2.2 1
Voici des données relatives à quatre solutions. Remplissez le tableau qui suit. Solution 1 : 3,0 g de soluté dissous dans 1,5 L de solution. Solution 2 : 15 mg de soluté dissous dans 10 mL de solution. Solution 3 : 20 mg de soluté dissous dans 12,5 mL de solution. Solution 4 : 1 800 mg de soluté dissous dans 1,5 L de solution.
Solution
Masse (m) de soluté
Volume (V) de la solution
Concentration (C) de la solution (g/L)
1 2 3 4
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
49
2
Voici des données relatives à trois solutions salines. Solution
Masse de sel dans la solution (g)
Volume de la solution (mL)
1
7,5
750
2
6,0
300
3
0,75
150
Laquelle des propositions suivantes classe correctement ces solutions par ordre décroissant de leurs concentrations ? a ) 3, 1 et 2
b ) 2, 3 et 1
c ) 2, 1 et 3
d ) 1, 3 et 2
3
Vous avez à préparer 350 mL d’une solution sucrée dont la concentration sera de 56 g/L. Quelle masse de soluté devrez-vous utiliser ?
4
Pour reproduire l’eau de mer dans son aquarium, votre ami prépare une solution saline à une concentration en sel de 35 g/L en utilisant 4,2 kg de sel. Quel sera le volume de la solution saline obtenue ?
5
Vous disposez des quatre solutions suivantes. Solution 1 : concentration de 1,5 g/250 mL Solution 2 : concentration de 0,08 g/10 mL Solution 3 : concentration de 2,5 g/500 mL Solution 4 : concentration de 4 g/L Quelle solution est la plus concentrée ? a ) Solution 1
50
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b ) Solution 2
c ) Solution 3
d ) Solution 4
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6
L’analyse chimique de 200 mL de jus d’orange montre que le jus contient 24 g de sucre. a ) Quelle est la concentration en sucre de ce jus d’orange en grammes de soluté par 100 mL de solution (% m/ V ) ?
b ) Quelle serait la quantité de sucre contenue dans une bouteille de 1,89 L de jus d’orange, si la concentration en sucre de ce jus était de 8 % m/ V ?
7
Complétez le tableau ci-dessous, qui comporte des données sur les concentrations de trois solutions.
Solution 1
8
Concentration
Concentration
(g/L)
(% m/V)
0,15
Solution 2
2,2
Solution 3
0,049
Vous achetez un contenant de 3,78 L d’alcool à friction (C3H8O) à 70,0 % V/V. Quel est le volume d’alcool contenu dans ce flacon ?
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
51
9
Le nichrome est un alliage de nickel (Ni) et de chrome (Cr) largement utilisé dans des éléments chauffants. L’étiquette d’un échantillon de nichrome indique qu’il est constitué de 36,3 g de nickel et 9,10 g de chrome. Quelle est la concentration en chrome, en % m/m, de cet échantillon de nichrome ? a ) 25,1 % m/m
10
Nitrates (NO3–)
52
Concentration
(mg)
(ppm)
21,3 0,185
Cyanures (CN–)
0,375 13,8
L’ammoniac (NH3) étant toxique pour les poissons, des analyses sont régulièrement faites dans les cours d’eau d’une région pour vérifier sa concentration. L’analyse d’un échantillon de 250 mL d’eau d’une rivière a révélé la présence de 0,007 mg d’ammoniac. Quelle est la concentration, en ppm, de cette eau en ammoniac ? a ) 280 ppm
13
d ) 20,0 % m/m
Masse
Mercure (Hg)
Bore (B)
12
c ) 74,9 % m/m
L’analyse chimique de 2,50 L d’une eau potable a donné les résultats consignés dans le tableau cidessous. Complétez le tableau, en inscrivant dans la dernière colonne, la concentration, en ppm, de chacune des substances présentes dans cette eau potable. Substance
11
b ) 80,0 % m/m
b ) 0,028 ppm
c ) 0,28 ppm
Le tableau ci-contre regroupe les données de cinq solutions aqueuses de chlorure de sodium (NaCl). Lesquelles de ces cinq solutions possèdent la même concentration ? a) Les solutions 1, 4 et 5
c) Les solutions 1 et 3
b) Les solutions 1, 2 et 3
d) Les solutions 2, 4 et 5
d ) 28 ppm Solution
Concentration
1
0,45 % m/V
2
0,045 ppm
3
0,45 g/L
4
4 500 ppm
5
1,35 g/300 mL
La mauvaise qualité de l’air ambiant dans une pièce peut engendrer des problèmes de santé. Par exemple, si la concentration de monoxyde de carbone (CO) dans l'air est de 0,04 % m/m, une personne peut ressentir des maux de tête dans les deux heures qui suivent l’inhalation de ce gaz. Calculez la concentration de CO dans l'air en parties par million (ppm).
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14
Selon la réglementation québécoise, la concentration de plomb (Pb) dans l’eau potable ne doit pas dépasser 0,01 ppm. Si un échantillon de 2,0 L d’eau potable contient 0,000 015 g de plomb, cette eau peut-elle être nocive pour l’organisme ? On considère que 1,0 L d’eau a une masse de 1,0 kg.
15
La concentration de contaminants dans un lac, telles les cyanobactéries, est égale au seuil de toxicité de ces contaminants, c’est-à-dire 0,016 ppm. Déterminez le nombre de kilogrammes de contaminants présents dans ce lac si son volume d’eau est de 380 millions de mètres cubes (m3). On considère que 1,0 L d’eau a une masse de 1,0 kg.
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
53
2.3 Le pH Vous avez vu, dans la section 2.1, qu’il est possible de distinguer les solutions acides des solutions basiques ou des solutions neutres en observant certaines de leurs propriétés. Par exemple, la façon dont ces solutions réagissent au contact d’indicateurs comme le papier de tournesol en dit beaucoup sur leur nature. Vous découvrirez, dans la présente section, une autre propriété observable et mesurable des acides, des bases et des sels : le pH.
2.3.1
L’échelle pH
Que l’on mesure le pH d’une solution à l’aide d’un papier pH ou d’un pH-mètre, les valeurs du pH varient de 0 à 14. Cet intervalle est appelé « échelle pH ». L’échelle pH permet de déterminer le degré d’acidité ou de basicité d’une solution. La valeur du pH indique si une solution est acide, basique ou neutre. Une solution est acide si le pH est inférieur à 7, elle est neutre si le pH est égal à 7 et elle est basique (ou alcaline) si le pH est supérieur à 7 (voir la figure 8). Plus le pH est bas, plus la solution est acide et, inversement, plus le pH est haut, plus la solution est basique. Ainsi, une solution de pH 3 est plus acide qu’une solution de pH 5, alors qu’une solution de pH 11 est plus basique qu’une solution de pH 8.
Figure 8 Le pH de quelques substances courantes.
Les valeurs du pH annoncent aussi combien de fois une solution est plus acide ou plus basique qu’une autre. En effet, une variation de 1 unité de pH fait augmenter ou diminuer l’acidité ou la basicité d’un facteur de 10. Une solution de pH 4 est 100 fois plus acide qu’une solution de pH 6. La figure 8 montre que le cola de pH 2,5 est 10 fois plus acide que le jus d’orange de pH 3,5, alors que la chaux de pH 12,5 est 10 fois plus basique que l’ammoniaque de pH 11,5.
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Søren Sørensen (1868-1939)
En 1909, le chimiste danois Søren Sørensen introduisit le concept de l’échelle pH, un modèle célèbre pour sa simplicité d’utilisation. Il démontra que le pH était, en fait, directement relié à la concentration en ions H+ (ou OH−) d’une solution. Les formules suivantes lui permirent de transformer le pH d’une solution en concentration en ions H+, et vice-versa : pH = −log [H+] [H+] = 10−pH
54
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UM 2.3 1.1
Activités 2.3 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) L’échelle pH compte 14 unités (de 0 à 14) et indique le degré d’acidité d’une solution.
b ) Plus le pH est élevé, plus la solution est acide ; plus le pH est faible, plus la solution est basique.
c ) Une solution basique est aussi appelée solution alcaline.
2
Les tableaux suivants présentent le pH de certaines substances. a ) Donnez la nature (acide, base ou neutre) de chacune des substances. Substance Déboucheur de tuyaux
pH
Nature
14,0
Substance
pH
Bicarbonate de sodium
8,5
Lait
6,5
Batterie à acide
1,0
Eau pure
7,0
Jus de citron
2,4
Sang
7,4
Lait de magnésie
10,5
Suc gastrique
2,0
Eau de pluie
5,6
Blanc d’œuf
7,8
Salive
7,2
Eau de mer
8,0
Chaux
12,5
Nature
b ) Quelle est la solution la plus acide ? c ) Quelle est la solution la plus basique ? d ) Complétez les phrases suivantes. 1) Le bicarbonate de sodium est que la chaux. 2 ) Le jus de citron est 3 ) L’eau de mer est
fois fois fois moins
4 ) Le lait de magnésie est 10 000 fois plus basique que
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basique acide que le sang. que l’eau pure. .
Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
55
Le pH normal d’une pluie acide est de 5,3. À cause de l’émission de certains gaz dans l’atmosphère, comme le dioxyde de soufre (SO2) ou les oxydes d’azote (NOx ), le pH des pluies acides actuelles est de 4,3. Lequel des énoncés suivants est vrai ?
3
a ) Les pluies acides actuelles sont 1 fois plus acides que les pluies acides normales. b ) Les pluies acides normales sont 1 fois plus acides que les pluies acides actuelles. c ) Les pluies acides normales sont 10 fois plus acides que les pluies acides actuelles. d ) Les pluies acides actuelles sont 10 fois plus acides que les pluies acides normales. 4
L’eau d’un lac a un pH de 4,5. Un analyste soutient que l’acidité de cette eau a été multipliée par un facteur de 100 en 2 ans. Quelle était la valeur du pH à ce moment-là ? Expliquez votre réponse.
5
Le tableau ci-dessous présente les valeurs de pH relevées dans quatre solutions aqueuses. Solution aqueuse
pH
1
8,1
2
6,8
3
6,1
4
4,7
Parmi ces quatre solutions aqueuses, laquelle est faiblement alcaline ? a ) Solution aqueuse 1
c ) Solution aqueuse 3
b ) Solution aqueuse 2
d ) Solution aqueuse 4
CONSOLIDATION DU ChApITre 2 1
À l’aide d’un indicateur de conductibilité électrique, vous testez deux solutions de même concentration : l’une de sulfure de dipotassium (K2S) et l’autre de trichlorure de phosphore (PCl3). a ) Dans quelle solution l’ampoule de l’indicateur de conductibilité électrique s’allumera-t-elle ? Expliquez votre réponse en donnant la nature des composés.
b ) Comment nomme-t-on ces deux substances ?
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c ) Sachant que le sulfure de dipotassium (K2S) est une substance solide et que le trichlorure de phosphore (PCl3) est un gaz, écrivez leur équation de dissociation dans l’eau. K 2S : PCl3 : 2
Remplissez le tableau suivant en tenant compte des substances données. Composé
Électrolyte ou non-électrolyte
Nature de la substance
Équation de dissociation électrolytique
Be(OH)2(s) FeCl3(s) H2S(g)
3
On dissout 2,22 g de dichlorure de calcium dans 200 mL de solution. a ) Quelle sera la concentration, en g/L, de cette solution ?
b ) Quelle sera la concentration, en % m/V, de cette solution ?
c ) Quelle sera la concentration, en ppm, de cette solution ?
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
57
4
La concentration d’un soluté dans une solution aqueuse est de 125 ppm. Calculez la quantité, en grammes, de ce soluté contenue dans 3,75 L de solution. On considère que la masse volumique de cette solution est égale à la masse volumique de l’eau pure (1,00 kg/L).
5
Pour décolorer les cheveux de ses clientes, une coiffeuse prépare une solution aqueuse de 3,0 L avec 150 g de peroxyde d'hydrogène (H2O2). a ) Quelle est l’unité la plus appropriée pour exprimer la concentration de cette solution (% m/V, % V/V ou % m/m) ? Expliquez votre réponse.
b ) Déterminez la concentration de la solution selon l’unité choisie à la question a.
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c ) Quelle est la concentration de la solution en parties par million (ppm) ?
6
Pour neutraliser une base, on prépare une solution acide en dissolvant 17,5 mg d’une poudre blanche dans 350 mL de solution. Quelle est la concentration de la solution préparée ? a ) 0,005 g/L b ) 0,005 ppm c ) 0,005 % m/m d ) 0,005 % m/V
7
À une solution aqueuse de pH 4, vous ajoutez un certain volume d’une solution aqueuse B. Vous constatez que l’acidité de la solution A a diminué de 100 fois. Quel est le pH final de la solution A ? a ) pH 7 b ) pH 2 c ) pH 6 d ) pH 8
8
Vous disposez d’une solution aqueuse de pH 9,5. Vous devez la neutraliser. Laquelle des solutions ci-dessous utiliserez-vous ? a ) Une solution aqueuse de pH 7. b ) Une solution aqueuse de sulfure de dihydrogène (H2S). c ) Une solution aqueuse de dichlorure de magnésium (MgCl2). d ) Une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (KOH). e ) De l’eau pure.
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Chapitre 2 Les propriétés physiques des soLutions
59
9
Voici des informations concernant certaines solutions. La solution A est 1 000 fois moins acide que la solution E. La solution B a un pH de 3 unités au-dessous du pH de la solution D. La solution C est 100 fois plus acide que la solution E. La solution D est 10 fois moins basique que la solution C. La solution E est neutre. La solution F est 1 000 fois plus basique que la solution A. Déterminez la valeur du pH de chacune de ces solutions. Laissez des traces de votre démarche.
10
60
Associez chacune des solutions aqueuses de la colonne de gauche à la valeur possible de son pH dans la colonne de droite. a ) Ca(OH)2
1) pH = 7,0
b ) MgCl2
2) pH = 2,1
c ) H2S
3) pH = 10,5
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chapitre
3
LES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES
La matière subit continuellement des transformations. Lorsque les atomes et les molécules de différentes substances interagissent pour former de nouvelles substances, on parle de transformations chimiques. Dans ce chapitre, la loi de la conservation de la masse vous aidera à représenter une réaction chimique avec une équation balancée. Vous découvrirez aussi des exemples de transformations chimiques.
SOMMAIRE
Rappel 62 3.1 La loi de la conservation de la masse 63 3.2 Le balancement des équations chimiques 67 3.3 Des exemples de transformations chimiques (neutralisation acidobasique, combustion, photosynthèse et respiration cellulaire) 72
RAPPEL
Les changements chimiques Un changement chimique est une transformation qui modifie la nature d’une substance. La transformation a pour effet de créer des molécules différentes possédant d’autres propriétés.
Lors de la combustion, le méthane (CH4) réagit avec le dioxygène (O2) pour former de nouvelles molécules, du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d’eau H2O.
CH4 + 2 O2
CO2 + 2 H2O
Des indices de changements chimiques Comme les molécules ne sont pas observables parce que trop petites, il faut d’autres indices pour déterminer s’il y a changement chimique. Le tableau suivant présente les principaux indices permettant de reconnaître un changement chimique. Les principaux indices de changements chimiques Indice
62
Exemple
Changement de couleur
Le papier tournesol devient bleu au contact d’une base.
Dégagement de gaz ou effervescence (production de gaz dans un liquide)
Une pastille antiacide produit des bulles de dioxyde de carbone (CO2) dans l’eau.
Dégagement ou absorption de chaleur
La cuisson des aliments demande (absorbe) de la chaleur.
Émission de lumière
Une luciole brille dans le noir par l’effet d’une réaction chimique.
Formation d’un précipité
Une substance solide résulte du mélange de deux solutions liquides.
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UM 3.1
3.1 La loi de la
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
L’appt d la bala da l dévlppt d la ii
conservation de la masse
L’ivti d la bala t à l’Atiité. Tti, l bala aèt lgtp d péii.
Au cours d’une réaction chimique, les atomes et les molécules des substances initiales, appelées « réactifs », se réorganisent pour former de nouvelles substances, appelées « produits ». Par exemple, la combustion du propane (C3H8) peut être représentée par l’équation suivante :
Réactifs
Ai d à bi , Ati Lavii iit d ’till d dx dèl d bala l pl péi d ép.
Produits
Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) a observé que, au cours d’une transformation chimique, rien ne se perd et rien ne se crée, tout se transforme. C’est ce qui lui a permis d’établir la loi de la conservation de la masse.
Il itdiit l’ag d bala d péii l d xpéi ai d atii l péè bvé. L tiliati ytéati avat t apè a xpéi li pit d tt a pit la li d la vati d la a.
La loi de la consevation de la masse indique que, lors d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs est toujours égale à la masse totale des produits. La figure 1 illustre la combustion de l’acétylène (C2H2). Elle montre que la masse est conservée, de même que le nombre d’atomes de chaque élément, puisque les atomes ne sont ni détruits, ni créés au cours de la réaction.
Molécules des réactifs
2 C2H2(g)
+
Molécules des produits
5 O2(g)
→
10
→
4 CO2(g)
+ 2 H2O(g)
Carbone (C) Oxygène (O) Hydrogène (H)
Nombre d'atomes Masse
4 4 52 g
Masse totale
+ 212 g
160 g
= =
4
4
8
2
176 g
+
36 g
212 g
Figue 1 Au cous de la combustion de l’acétylène (C 2H2), le nombe d’atomes de chaque élément et la masse estent les mêmes avant et aès la éaction.
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CHApITrE 3 Les TrAnsformATIons chImIques
63
La loi de la conservation de la masse permet de déduire la masse d’un réactif ou d’un produit dans une équation chimique, comme dans l’exemple suivant. EXEMPLE
On utilise une quantité déterminée de carbonate de calcium (CaCO3) pour neutraliser 14,6 kg de chlorure d’hydrogène (HCl). La réaction a produit 22,2 kg de dichlorure de calcium (CaCl2), 3,6 kg d’eau (H2O) et 8,8 kg de dioxyde de carbone (CO2). Quelle masse de carbonate de calcium (CaCO3) a été utilisée ? Données :
Calcul : Équation de la réaction :
14,6 kg +
= 22,2 kg + 3,6 kg + 8,8 kg
= 22,2 kg + 3,6 kg + 8,8 kg − 14,6 kg = 20,0 kg La neutralisation de 14,6 kg de chlorure d’hydrogène (HCl) a nécessité l’utilisation de 20,0 kg de carbonate de calcium (CaCO3).
Activités 3.1 1
Soit la réaction de combustion de l’éthane (C2H6) suivante.
Carbone (C)
Oxygène (O)
Hydrogène (H)
a ) Complétez le tableau suivant. Élément
Carbone (C)
Hydrogène (H)
Oxygène (O)
Total
Nombre d’atomes dans les réactifs Nombre d’atomes dans les produits
64
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UM 3.1
b ) Cette réaction respecte-t-elle la loi de la conservation de la masse ? Expliquez votre réponse.
c ) Un ajout est-il nécessaire pour que la réaction respecte la loi de la conservation de la matière ?
2
On neutralise 36,5 g de chlorure d’hydrogène (HCl) par 40,0 g d’hydroxyde de sodium (NaOH). La réaction est représentée par l’équation suivante :
Complétez le tableau ci-dessous. Masse totale des réactifs (g)
3
Masse totale des produits (g)
Nombre total des atomes des réactifs
Nombre total d’atomes d’hydrogène (H) Dans les réactifs
Dans les produits
Parmi les cas suivants, entourez celui ou ceux qui ne respectent pas la loi de la conservation de la masse. a)
c) 146 g
112 g
254 g
4g
13 g
b) 4
Nombre total des atomes des produits
44 g
38 g
9g
d)
Déterminez la masse manquante dans chacune des réactions chimiques suivantes. a ) 2 Fe2O3(s) + 3 C(s)
4 Fe(s) + 3 CO2(g)
20 g
14 g
b ) PCl3(g) + 3 H2O(l) 27,5 g
H3PO3(aq) + 3 HCl(aq)
10,8 g
21,9 g
c ) 2 HCl(aq) + CaCO3(s) 73 g
CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)
100 g
111 g
d ) NaNO3(aq) + H2SO4(aq) 9,8 g e ) Cu2S(s) + 2 Cu2O(s) 7,96 g
8,25 g
18 g
NaHSO 4(aq) + HNO3(aq) 12 g
6,3 g
6 Cu(s) + SO2(g) 19,07 g 3,20 g
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
65
5
La combustion complète d’une bonbonne contenant 13,0 kg de butane (C4H10) a nécessité l’utilisation de 46,6 kg de dioxygène (O2). La réaction a produit 39,4 kg de dioxyde de carbone (CO2) et une certaine quantité d’eau (H2O). L’équation de cette combustion s’écrit comme suit :
Quelle est la masse totale de gaz dégagée dans l’atmosphère ? Laissez des traces de votre démarche.
6
Une élève fait réagir, dans une tasse à mesurer, 300 g d’acide acétique (CH3COOH) avec 420 g de bicarbonate de sodium (NaHCO3). L’équation de cette réaction s’écrit comme suit : CH3COOH(aq) + NaHCO3(aq)
CH3COONa (aq) + CO2(g) + H2O(l)
Elle pèse le produit final et, à sa grande surprise, elle constate qu’il pèse 500 g et non 720 g. Elle se demande ce qui s’est passé. Proposez-lui une solution.
66
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UM 3.2
7
La formation du dioxyde de carbone (CO2) peut se faire en deux réactions successives. 1) O n fait réagir 180 g de carbone (C) avec 240 g de dioxygène (O2) pour obtenir une certaine quantité de monoxyde de carbone (CO) selon l’équation chimique : 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g). 2) L a totalité du monoxyde de carbone (CO) obtenu réagit ensuite avec une certaine quantité de dioxygène (O2) et produit 660 g de dioxyde de carbone (CO2), selon l’équation chimique : 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g). Quelle masse totale de dioxygène (O2) a été utilisée lors de ces deux réactions ? a ) 240 g
b ) 160 g
c ) 480 g
d ) 420 g
3.2 Le balancement
des équations chimiques Lorsque l’équation qui représente une réaction chimique ne tient pas compte de la loi de la conservation de la masse, on l’appelle « équation squelette ». Dans l’équation squelette de la combustion de l’octane (C8H18) présentée dans le tableau 1 (voir la page suivante), la loi de la conservation de la masse n’est pas respectée, car le nombre d’atomes de chaque élément avant et après la réaction n’est pas le même. Pour être conformes à la loi de la conservation de la masse, les équations chimiques doivent être balancées. Le blncmn ds équons cmqus consiste à ajouter des coefficients devant les formules chimiques des réactifs et des produits afin de respecter la loi de la conservation de la masse. Le tableau 1 montre l’équation squelette, puis l’équation balancée. Les coefficients indiquent le nombre de molécules présentes avant et après la réaction chimique. L’équation balancée respecte la loi de la conservation des atomes et de la masse, même si le nombre de molécules avant et après la réaction n’est pas le même.
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
67
TABLEAU 1
Le bilan atomique et moléculaire dans la combustion de l’octane Équation squelette
Nombre d’atomes C
H
O
Avant la réaction
8
18
2
Après la réaction
1
2
3
Nombre de molécules
Équation balancée
Nombre d’atomes
Nombre de molécules
C
H
O
2
16
36
50
27
2
16
36
50
34
L’exemple A de la combustion de l’octane (C8H18) et l’exemple B de la réaction entre l’hydrazine (N2H4) et le tétraoxyde de diazote (N2O4) (voir la page suivante) montrent certaines règles pour balancer une équation chimique. EXEMPLE A
1. Écrire l’équation squelette : 2. Commencer par la molécule la plus complexe (C8H18) et garder les molécules simples (O2) pour la fin. Balançons le C8H18 : • Il y a 8 atomes de C dans C8H18 et 1 seul atome de C dans CO2 ; plaçons le coefficient 8 devant CO2 :
• Il y a 18 atomes de H dans C8H18 et 2 atomes de H dans H2O ; plaçons le coefficient 9 devant H2O :
Balançons maintenant le O2 : • Il y a 2 atomes de O dans O2 et un total de 25 atomes de O dans les produits (16 dans le CO2 et 9 dans le H2O) ; plaçons le coefficient 25/2 devant O2.
3. Utiliser comme coefficients des nombres entiers à la plus petite valeur possible. L’équation précédente respecte la loi de la conservation de la masse, mais les coefficients ne sont pas tous entiers. Multiplions alors toute l’équation par 2 :
On obtient l’équation balancée suivante :
4. Ne pas inscrire le coefficient 1, il est sous-entendu. 5. Ne jamais modifier les indices des formules chimiques. 6. Ne jamais enlever de substances ni en ajouter de nouvelles. 7. Vérifier, une fois l’équation balancée, que le nombre d’atomes de chaque élément est le même dans les réactifs et dans les produits.
68
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EXEMPLE B
1. Écrire l’équation squelette : N2H4(l) + N2O4(l) → N2(g) + H2O(g) 2. Commencer par balancer les atomes d’oxygène (O) : • Il y a 4 atomes de O dans N2O4 et 1 seul atome de O dans H2O ; plaçons le coefficient 4 devant H2O :
N2H4(l) + N2O4(l) → N2(g) + 4 H2O(g) 3. Balancer ensuite les atomes d’hydrogène (H) : • Il y a 4 atomes de H dans N2H4 et 8 atomes de H dans 4 H2O ; plaçons le coefficient 2 devant N2H4 :
2 N2H4(l) + N2O4(l) → N2(g) + 4 H2O(g) 4. Balancer enfin les atomes d’azote (N) : • Il y a un total de 6 atomes de N dans les réactifs (4 dans 2 N2H4 et 2 dans N2O4) et seulement 2 atomes d’azote (N) dans les produits (N2) ; plaçons le coefficient 3 devant N2 :
2 N2H4(l) + N2O4(l) → 3 N2(g) + 4 H2O(g)
Activités 3.2 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé jugé faux. a ) Pour balancer une équation chimique, il est permis de changer les indices des formules chimiques des réactifs et des produits.
b ) Le balancement d’une équation chimique consiste à mettre des coefficients devant certains réactifs et produits pour se conformer à la loi de la conservation de la masse.
c ) Pour que l’équation chimique soit balancée, les coefficients doivent être des nombres entiers les plus grands possible.
2
Les équations chimiques suivantes respectent la loi de la conservation de la masse, mais ne respectent pas les règles relatives au balancement d’une équation. Dites quelle règle n’est pas respectée et corrigez les équations. a)
b)
c)
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
69
3
Pour expliquer à ses élèves les erreurs à éviter dans le balancement d’une équation chimique, un enseignant écrit quatre équations chimiques relatives à la formation de l’eau (H2O) à partir du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2). Pour chacune des équations, dites quelle est l’erreur mise en évidence par l’enseignant. a)
c)
b)
d)
Équation a ) : Équation b ) : Équation c ) : Équation d ) : 4
La réaction de l’acide acétique (CH3COOH) avec le carbonate de disodium (Na2CO3) produit de l’acétate de sodium (CH3COONa), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Écrivez l’équation balancée de cette réaction.
5
Cochez les équations qui ne sont pas balancées.
6
70
a ) HCl + NaOH → NaCl + H2O
d ) Ca(OH)2 + 2 HCl → CaCl2 + H2O
b ) PbSO4 + AgCl → PbCl2 + Ag2SO4
e ) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
c ) Al2O3 + 3 Fe → Fe3O4 + 2 Al
f ) C4H10 + 13 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
Balancez les équations suivantes. a ) Ca + O2 → CaO
h ) MgO + C → Mg + CO2
b ) HBr + LiOH → LiBr + H2O
i ) CH4 + Cl2 → CCl4 + HCl
c ) C3H8 + O2 → CO2 + H2O
j ) Al + HCl → AlCl3 + H2
d ) S8 + O2 → SO3
k ) C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O
e ) KClO3 → KCl + O2
l ) P4 + O2 → P2O5
f ) Ca + H2O → Ca(OH)2 + H2
m ) Cu2S + O2 → Cu2O + SO2
g ) N2O4 → NO2
n ) FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2
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7
Pour chacune des situations suivantes, écrivez l’équation chimique balancée. a ) La réaction entre le nitrate d’argent (AgNO3) et le chlorure de sodium (NaCl) produit du chlorure d’argent (AgCl) et du nitrate de sodium (NaNO3). b ) La réaction de l’aluminium (Al) sur du dichlorure de cuivre (CuCl2) produit du trichlorure d’aluminium (AlCl3) et du cuivre (Cu). c ) La neutralisation de l’hydroxyde de potassium (KOH) par l’acide phosphorique (H3PO4) produit du phosphate de tripotassium (K3PO4) et de l’eau. d ) La réaction du fer (Fe) sur l'eau produit du tétraoxyde de trifer (Fe3O4) et du dihydrogène (H2).
8
Le carbonate de calcium (CaCO3) réagit avec l’acide chlorhydrique (HCl) pour produire du dichlorure de calcium (CaCl2), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O). Quelle équation chimique balancée représente cette réaction chimique ? a ) CaCl2 + CO2 + H2O → CaCO3 + 2 HCl b ) CaCO3 + HCl → CaCl2 + CO2 + H2O c ) CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O d ) CaCl2 + CO2 + H2O → CaCO3 + HCl
9
Indiquez les coefficients qui permettent de balancer l’équation suivante. Entourez la bonne réponse, sachant que les coefficients sont indiqués de la gauche vers la droite de l’équation.
a ) 3, 2, 2, 5, 4 b ) 2, 2, 1, 1, 1 c ) 2, 4, 1, 1, 3 d ) 4, 5, 2, 2, 3 10
Balancez les équations suivantes. a ) Pb(C6H5)4 + O2 → PbO + H2O + CO2
b)
c ) KMnO4 + HCl → MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
71
3.3 Des exemples
de transformations chimiques De nombreux bouleversements qui ont lieu dans notre environnement sont dus aux transformations chimiques. La neutralisation des acides par les bases, la combustion des combustibles fossiles, la corrosion des métaux, la photosynthèse des plantes et la respiration cellulaire sont autant d’exemples de transformations chimiques.
3.3.1
La neutralisation acidobasique
Nous provoquons fréquemment des réactions de neutralisation acidobasique dans la vie quotidienne. Ainsi, l’ajout de substances acides ou basiques dans l’eau des piscines pour corriger le pH ou dans les sols pour neutraliser leur très grande acidité ou basicité provoque ce genre de réaction. Afin d’empêcher la corrosion du réseau d’aqueduc, les villes neutralisent l’acidité de l’eau potable en y ajoutant de la soude (NaOH). Enfin, le chaulage des lacs, qui consiste à répandre de la chaux (Ca(OH)2), a pour effet de neutraliser l’acidité de l’eau due aux pluies acides. La neutralisation acidobasique est une transformation chimique dans laquelle un acide réagit avec une base pour former un sel et de l’eau. L’équation générale de la neutralisation acidobasique s’écrit :
Au cours de la réaction de neutralisation acidobasique, les ions hydrogène (H+) libérés par l’acide réagissent avec les ions hydroxyde (OH−) libérés par la base pour donner de l’eau (H2O). Les ions restants vont former un sel dont la nature dépend des réactifs. Par exemple, la neutralisation de l’acide chlorhydrique (HCl) par l’hydroxyde de sodium (NaOH) forme de l’eau et du chlorure de sodium (NaCl), comme le montre l’équation suivante :
H
O
Na
Cl
Figure 2 La neutralisation complète de HCl par NaOH (pH = 7).
72
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Lorsqu’il y a autant d’ions H+ libérés par l’acide que d’ions OH− libérés par la base, la réaction de neutralisation est complète. La solution résultante est neutre et a donc un pH de 7 (voir la figure 2).
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Lorsque les quantités d’ions H + et OH− sont différentes, la réaction de neutralisation acidobasique est incomplète. Le pH de la solution résultante sera alors acide ou basique selon ce qui est en surplus dans la solution (voir la figure 3).
H
O
Na
Cl
Fgu 3
L nulson ncomlè d HCl NOH : sulus d H+ o à OH– (H < 7, donc cd).
3.3.2
La combustion
La combustion est un exemple de transformation chimique qui dégage de l’énergie. La combuson est une réaction chimique entre un combustible et un comburant qui dégage de l’énergie. Trois éléments sont nécessaires à la combustion : un combustible, un comburant et un point d’ignition. Ensemble, ces trois éléments forment le « triangle du feu » (voir la figure 4). Le combustible est la substance qui brûle au cours de la réaction de combustion en libérant beaucoup d’énergie. Il peut être solide (par exemple, du bois), liquide (par exemple, de l’essence) ou gazeux (par exemple, du gaz naturel). Le comburant est la substance qui alimente la combustion. Le comburant le plus utilisé est le dioxygène (O2). Le point d’ignition est la température que doit atteindre un combustible pour amorcer la combustion. Cette température varie suivant le combustible. On distingue trois types de combustion selon la quantité d’énergie libérée au cours de la réaction et la vitesse de celle-ci (voir le tableau 2, à la page suivante).
Fgu 4 Ls os élémns du « ngl du fu » dovn ê ésns ou qu’l y combuson.
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CHapitre 3 Les transformations chimiques
73
TABLEAU 2
Les trois types de combustion
Type de combustion
Caractéristiques
Exemples
Combustion vive
• • • •
Combustion spontanée
• Se produit sans apport direct d’énergie ; • Possède une température d’ignition inférieure à la température ambiante ; • Se comporte comme la combustion vive une fois la combustion amorcée.
Combustion lente
• • • •
S’accompagne de flammes ; Se produit rapidement ; Se produit à haute température ; Libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.
• • • •
• Incendie de forêt dans une période de fortes chaleurs ; • Camion-citerne transportant des gaz inflammables, qui prend feu à la suite d’un choc.
Ne produit pas de flammes ; S’étend sur une longue période de temps ; Se produit à température ambiante ; Ne dégage que peu de chaleur et aucune lumière.
3.3.3
Feu de bois ; Explosion de moteurs à essence ; Bougie allumée ; Feu d’artifice.
• Respiration cellulaire ; • Corrosion des métaux ; • Oxydation des aliments.
La photosynthèse et la respiration cellulaire
Le maintien de la vie sur Terre dépend de deux transformations chimiques inverses l’une de l’autre : la photosynthèse et la respiration cellulaire. La photosynthèse est la transformation chimique au cours de laquelle des organismes vivants transforment l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique. La photosynthèse a lieu dans les cellules végétales ainsi que chez certains microorganismes grâce à un pigment vert présent dans ces cellules, la chlorophylle. Ce pigment capte les rayons du Soleil pour produire du glucose (C6H12O6), un sucre, et du dioxygène (O2) à partir de dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O) (voir la figure 5). Énergie rayonnante
L’eau (H2O) absorbée par les racines du végétal
Figure 5
74
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Le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’air
Production de dioxygène (O2)
Production de glucose (C6H12O6)
Une représentation simplifiée de la photosynthèse.
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L’équation suivante montre les réactifs et les produits impliqués dans la photosynthèse :
La respiration cellulaire est la transformation inverse de la photosynthèse. Les produits de la respiration cellulaire sont les réactifs de la photosynthèse, alors que les produits de la photosynthèse sont les réactifs de la respiration cellulaire. La respiration cellulaire est une réaction d’oxydation ou de combustion lente qui se produit dans les cellules de tous les organismes vivants. La son cllul est la transformation chimique par laquelle l’énergie contenue dans les sucres (glucose) est libérée pour effectuer le travail dans les cellules vivantes. Au cours de la respiration cellulaire (voir la figure 6), le glucose (C6H12O6), qui est le combustible, réagit avec le comburant qu’est le dioxygène (O2) pour produire du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau (H2O) ainsi que de l’énergie. L’énergie produite par la respiration cellulaire permet aux cellules d’accomplir les tâches essentielles au bon fonctionnement de l’organisme.
Le dioxygène (O2) présent dans l’air
Production de dioxyde de carbone (CO2)
Le glucose (C6H12O6) présent dans l’alimentation
Production d’énergie
Fgu 6
Production d’eau (H2O)
Un ésnon smlfé d l son cllul.
L’équation suivante montre les réactifs et les produits impliqués dans la respiration cellulaire :
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
75
Activités 3.3 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé qui est jugé faux. a ) La combustion est une réaction entre un combustible et un comburant qui absorbe de l’énergie.
b ) La photosynthèse a lieu dans les cellules végétales, alors que la respiration cellulaire se produit dans les cellules animales.
2
Parmi les équations suivantes, entourez celles qui sont des réactions de neutralisation acidobasique. a ) 2 HCl(aq) + Mg(s) → MgCl2(aq) + H2(g) b ) 2 NaCl(aq) + MgBr 2(aq) → 2 NaBr (aq) + MgCl2(aq) c ) KOH(aq) + HI(aq) → KI(aq) + H2O(l) d ) 2 NaOH (aq) + CuSO4(aq) → Na2SO4(aq) + Cu(OH)2(aq) e ) 2 CH3COOH (aq) + Ba(OH)2(aq) → Ba(CH3COOH)2(aq) + 2 H2O(l) f ) Fe(OH)2(aq) + H2S(aq) → FeS (aq) + 2 H2O(l)
3
Complétez les réactions de neutralisation acidobasique suivantes. a ) HBr (aq) + NaOH (aq) → b ) 2 HI(aq) + c) d ) 3 HCl(aq) + e)
4
+ H2O(l) → CaI2(aq) + 2 H2O(l)
+ 2 LiOH(aq) → Li2S(aq) + 2 H2O(l) → AlCl3(aq) + 3 H2O(l) + Mg(OH)2(aq) → MgSe (aq) + 2 H2O(l)
On ajoute, goutte à goutte, de l’hydroxyde de sodium (NaOH) à une solution d’acide sulfurique (H2SO4) de pH 2,5. a ) Écrivez l’équation chimique balancée de cette réaction, sachant qu’elle produit du sulfate de disodium (Na2SO4) et de l’eau.
b ) Le pH de la solution finale sera-t-il supérieur, inférieur ou égal à 7 si la quantité de NaOH excède la quantité d’acide ?
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5
Lisez le texte ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent.
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
L’activité humaine au cœur des changements climatiques L Conéence des Nons Unes su les chngeens clues enue à Ps en 2015 pévo l lon du échueen clue à ons de 2 °C, e un onde sns cbone d’c 2100. Le échueen cuel es bué à l’ugenon des gz à ee de see (GES) dus à l’cvé hune, u plen l’ee de see nuel. P ces gz guen le doxyde de cbone (CO2) e le éhne (CH4). Le pee ven pncpleen de l’eplo de cobusbles ossles, coe le chbon, le péole, ou le gz nuel p cenes nduses coe les cenees. Le second poven de l cobuson du bos e de l’élevge des
unns. D’ues gz, coe l’oxyde de dzoe (N2O) e l vpeu d’eu, conbuen dns de ondes popoons à l’ee de see enocé.
a ) Quels sont les gaz responsables de l’augmentation de l’effet de serre dans l’atmosphère ?
b) À quelle transformation chimique sont surtout dus les changements climatiques ? Donnez un exemple.
6
Pour éteindre ou prévenir les incendies, on peut agir sur l’un des trois éléments du triangle du feu. Indiquez sur quel élément on a agi dans chacune des situations suivantes. Justifiez votre réponse. a ) En camping, vous étouffez le feu de camp avec du sable.
b ) La coupe forestière linéaire fait partie des moyens utilisés pour empêcher une extension rapide des incendies de forêt ou de brousse.
c ) Lors de l’incendie d’un immeuble, un groupe de pompiers s’affaire à arroser l’immeuble en flammes, alors qu’un autre déverse de l’eau sur un immeuble voisin épargné par le feu.
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Chapitre 3 LES traNSfOrmatiONS CHimiqUES
77
7
Indiquez le type de combustion dont il est question dans chacun des énoncés suivants. Cochez la ou les cases appropriées. Combustion Vive
Spontanée
Lente
a ) Explosion de la dynamite. b ) Combustion qui se fait à température ambiante. c ) Combustion qui s’accompagne du dégagement d’une grande quantité de chaleur et de lumière. d ) Formation de rouille sur la coque d’un bateau. e ) Combustion dont le point d’ignition est inférieur à la température ambiante. f ) Combustion s’étalant sur une longue période. g ) Combustion à l’aide du brûleur d’une cuisinière au gaz. h ) Incendie de forêt en période de grave sécheresse. 8
Pour chacun des énoncés ci-dessous, indiquez de quelle transformation chimique il s’agit. Cochez la case appropriée.
Photosynthèse
Respiration cellulaire
a ) Je suis un type de combustion lente. b ) Je ne peux être effectuée que par les végétaux. c ) Je produis de l’énergie. d ) Mes deux réactifs sont le sucre et le dioxygène. e ) Je fabrique une substance qui est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires. f ) J’ai lieu dans les cellules animales et végétales. g ) J’utilise l’énergie du Soleil. 9
78
Expliquez pourquoi la photosynthèse est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires.
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CONSOLIDATION DU ChApITre 3 1
Les affirmations suivantes concernent les transformations chimiques. Indiquez si elles sont vraies ou fausses.
Vrai
Faux
a ) Au cours d’une transformation chimique, la masse totale des réactifs, le nombre total d’atomes ainsi que le nombre total de molécules sont conservés. b ) Le balancement d’une équation chimique consiste à mettre en évidence la loi de la conservation de la masse. c ) La photosynthèse est un type de combustion lente. d ) La température d’ignition d’une combustion spontanée est supérieure à la température ambiante. 2
3
Balancez les équations suivantes. a ) N2 + H2 → NH3
g ) Mg + HCl → MgCl2 + H2
b ) H2 + Cl2 → HCl
h ) NaCl + H2O → NaOH + H2 + Cl2
c ) Al + S → Al2S3
i ) BiCl3 + H2S → HCl + Bi2S3
d ) C2H6 + O2 → CO2 + H2O
j ) SO3 + H2O → H2SO4
e ) NaN3 → Na + N2
k ) K2CrO 4 + BaCl2 → BaCrO4 + KCl
f ) F2 + H2O → HF + O2
l ) N2H4 + H2O2 → N2 + H2O
Associez chacune des équations chimiques de la colonne de gauche au type de transformation chimique qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Énergie
1) Combustion
b ) LiCl + KOH → LiOH + KCl
2) Photosynthèse
c ) C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
3) Neutralisation acidobasique
d ) NaBr + H2O → HBr + NaOH e ) Al(OH)3 + 3 HNO3 → Al(NO3)3 + 3 H2O
4) Respiration cellulaire
f ) 6 CO2 + 6 H2O + Énergie → C6H12O6 + 6 O2
5) Autre
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
79
4
Les autotrophes produisent leur propre nourriture en transformant le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère en glucose (C6H12O6) selon l’équation suivante :
a ) Balancez l’équation chimique précédente.
b ) De quel type de transformation chimique s’agit-il ? 1) Combustion
3) Respiration cellulaire
2) Photosynthèse
4) Neutralisation acidobasique
c ) Complétez l'énoncé suivant. La transformation inverse de la transformation identifiée en b…
5
1) n’est pas une combustion.
3) est une combustion vive.
2) est une combustion spontanée.
4) est une combustion lente.
Certains phosphates présents dans les cours d’eau proviennent des effluents d’usines d’engrais phosphatés. Ils sont rejetés sous forme d’acide phosphorique (H3PO4), et cet acide se neutralise avec de la chaux, Ca(OH)2, une base forte. Au terme de la réaction, on obtient du diphosphate de tricalcium (Ca3(PO4)2) et de l’eau. a ) De quel type de réaction s’agit-il ? b ) En vous aidant de la masse atomique des éléments, vérifiez si la loi de la conservation de la masse est respectée dans l’équation chimique suivante. Balancez d’abord l’équation. H 3PO4 +
80
Ca(OH)2
Ca3(PO4)2 +
Masse des réactifs :
Masse des produits :
Masse totale :
Masse totale :
UNIVERS MATÉRIEL
H2O
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6
Le gaz naturel ou méthane (CH4) est la principale source d’énergie dans plus de 135 000 foyers québécois. a ) Une cuisinière au gaz naturel brûle du méthane, ce qui dégage du dioxyde de carbone (CO2), de la vapeur d’eau et une grande quantité d’énergie qui permet de faire cuire les aliments. 1) À quel élément du triangle du feu correspond le méthane ? 2) À quel type de combustion (vive, spontanée ou lente) correspond la combustion du méthane ? Justifiez votre réponse.
b ) La combustion d’une certaine quantité de méthane (CH4) a nécessité l’utilisation de 12,80 g de dioxygène (O2) et a produit 8,80 g de dioxyde de carbone (CO2) et 7,21 g de vapeur d’eau (H2O). Quelle masse de méthane (CH4) a brûlé ?
7
Parmi les substances suivantes, laquelle ne peut être impliquée dans une transformation de neutralisation acidobasique ? a ) H2O
8
b ) PCl3
c ) KOH
d ) CH3COOH
L’un des moyens pour lutter contre les incendies de forêt qui surviennent pendant les périodes de sécheresse est le recours aux avions bombardiers d’eau. Parmi les choix ci-dessous, lequel associe correctement le type de combustion des incendies de forêt en période de sécheresse avec la composante du triangle de feu visée par l'action des avions bombardiers d’eau? Type de combustion
Composante du triangle du feu
a)
Lente
Point d’ignition
b)
Spontanée
Comburant
c)
Spontanée
Point d’ignition
d)
Vive
Combustible
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Chapitre 3 Les transformations chimiques
81
chapitre
4
LES TRANSFORMATIONS DE L’ÉNERGIE
Le terme « énergie » est fréquemment employé, mais peu de gens peuvent dire ce que l’énergie solaire, l’énergie nucléaire et l’énergie fournie par les « boissons énergisantes » ont en commun. De plus, même si on parle souvent de « consommation d’énergie », l’énergie ne peut pas réellement être consommée puisqu’elle ne peut pas être détruite. Elle peut toutefois être transformée. Ainsi, l’énergie chimique contenue dans l’essence d’une automobile peut devenir de l’énergie mécanique et de l’énergie thermique. Par ailleurs, l’énergie ne se crée pas spontanément : aucune machine ne peut dégager plus d’énergie qu’elle n’en reçoit.
SOMMAIRE
Rappel 83 4.1 La loi de la conservation de l’énergie 84 4.2 L’énergie thermique 88 4.3 Le rendement énergétique 90
RAPPEL
L’éng e l cpc e e u uvee u e e l èe. L’ee e eue e jule (J). Elle peu e pee u plueu e. Quelques formes d’énergie Formes d’énergie
Exemples
Énergie chimique L’énergie chimique est une forme d’énergie contenue dans la matière elle-même. Elle relève de l’agencement des atomes qui forment une molécule, et non de leur agitation.
Les aliments (par exemple, une coupe de crème glacée contenant des glucides et des lipides) renferment de l’énergie chimique qui peut être métabolisée par le corps.
Énergie électrique L’énergie électrique est la forme d’énergie associée au déplacement des électrons dans un matériau conducteur d’électricité.
Dans les centrales hydroélectriques, des turbines transforment l’énergie mécanique de l’eau en énergie électrique. Dans une éolienne, c’est l’énergie mécanique du vent qui est transformée.
Énergie mécanique L’énergie mécanique est la forme d’énergie associée au mouvement et à la position d’un corps.
Une motocyclette roulant à 50 km/h possède de l’énergie mécanique. Si sa vitesse augmente, son énergie mécanique augmente aussi.
Énergie rayonnante L’énergie rayonnante est une forme d’énergie transportée par un rayonnement appelé « onde électromagnétique ».
La lumière et les rayons X sont des ondes électromagnétiques. Ils transportent de l’énergie rayonnante.
Énergie thermique L’énergie thermique est la forme d’énergie que possède un objet en raison du mouvement des particules de matière qui le composent les unes par rapport aux autres.
La lave contient une grande quantité d’énergie thermique qui la maintient à l’état liquide. En refroidissant, elle se solidifie peu à peu.
L’essence et les autres combustibles fossiles sont des sources d’énergie chimique. Celle-ci est libérée lorsqu’il y a combustion.
Un grille-pain transforme l’énergie électrique en énergie thermique et rayonnante. Pour sa part, un ventilateur transforme surtout l’énergie électrique en énergie mécanique.
Un camion roulant à la même vitesse possède une plus grande énergie mécanique, car sa masse est plus grande.
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Chapitre 4 LEs transformations dE L’énErgiE
83
4.1 La loi de la conservation
de l’énergie L’énergie peut changer de forme. On dit alors qu’elle est transformée (voir la figure 1).
Figure 1 Ce radiateur électrique transforme l’énergie électrique en énergie thermique. Chaque joule d’énergie électrique consommé est transformé en un joule d’énergie thermique.
L’énergie peut également passer d’un corps à un autre. On dit alors qu’elle est transférée (voir la figure 2). La loi de la conservation de l’énergie stipule que l’énergie peut être transformée et transférée, mais qu’elle ne peut pas être créée ni détruite. La figure 3 illustre une situation qui peut être analysée sous l’angle de la conservation de l’énergie. Comme on le voit à la page suivante, cet exemple d’un feu d’artifice montre que l’énergie chimique contenue dans la pièce pyrotechnique subit différents transferts et transformations.
Figure 2 En frappant les quilles, la boule leur transfère de l’énergie mécanique. Chaque joule d’énergie mécanique gagné par les quilles est perdu par la boule.
84
UNIVERS MATÉRIEL
Figure 3
L’explosion d’un feu d’artifice.
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UM 4.1
• Elle est transformée en énergie mécanique (entre autres pour projeter les pièces d’artifice dans le ciel). • Elle est transformée en énergie rayonnante (lumière). • Elle est transférée à l’air environnant sous forme d’énergie thermique (chaleur). • Elle est transférée à l’air environnant sous forme d’énergie mécanique (créant le son de l’explosion). En vertu de la loi de la conservation de l’énergie, la quantité totale d’énergie dans l’Univers est constante.
FLASH
SCIENCE
Ls clis
Ds l systè ittil d’uits (SI), l’uit d su d l’i st l jul (J). Tutis, ds l di d l utiti, l’i st lt vlu clis. U cli utitill cs pd à 4,182 J.
L’ppt cliqu ds lits su l’i chiiqu ctu ds ls lits qui puit êt tblis p l cps ls d l disti.
Activités 4.1 1
Associez chacune des transformations d’énergie de la colonne de gauche à une situation où on peut l’observer, dans la colonne de droite. a ) Transformation d’énergie mécanique en énergie thermique.
2
1) Une voiture hybride avance sans consommer d’essence.
b ) Transformation d’énergie électrique en énergie rayonnante.
2) Un avion accélère pour le décollage, propulsé par ses moteurs.
c ) Transformation d’énergie chimique en énergie mécanique.
3) Une pierre de curling qui glisse ralentit sous l’effet du frottement.
d ) Transformation d’énergie électrique en énergie mécanique.
4) Une ampoule à DEL éclaire une petite pièce sans dégager significativement de chaleur.
Énoncez la loi de la conservation de l’énergie.
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CHApItrE 4 LeS TranSformaTIonS De L’énergIe
85
3
Antoine Lavoisier est célèbre pour avoir énoncé la phrase suivante au sujet de la matière : « Rien ne se perd, rien ne se crée ; tout se transforme. » Quel lien pouvez-vous faire entre cette maxime et la loi de la conservation de l’énergie ?
4
Que se passe-t-il quand un joueur de baseball frappe une balle, puis qu’un autre l’attrape ? Complétez le texte suivant à l’aide de la liste de mots fournie. (Un même mot peut être employé plus d’une fois.) 1
2
chimique
3
mécanique transférée
thermique transformée
Texte à compléter 1
Les muscles du frappeur transforment l’énergie
qui
leur a été fournie par la nourriture (métabolisée par le système digestif) en énergie et en énergie thermique. Une partie de l’énergie mécanique des bras du frappeur est
au bâton, de sorte que le bâton
est mis en mouvement lui aussi. 2
Lorsque le bâton frappe la balle, une partie de son énergie est
à la balle. Il y a également une partie de l’énergie du bâton qui est
en énergie
(puisqu’une faible quantité de chaleur est
dégagée). 3
Quand le joueur de l’équipe adverse saute pour attraper la balle, il utilise l’énergie que ses muscles ont consommée pour produire de l’énergie
en se propulsant. Quand il attrape la balle,
une partie de l’énergie
de celle-ci est transférée
à son bras et une autre partie de cette énergie est en énergie thermique.
86
UNIVERS MATÉRIEL
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UM 4.1
5
6
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez l’énoncé lorsqu’il est faux. a)
Il est possible de transformer 10 J d’énergie mécanique en 4 J d’énergie électrique et 6 J d’énergie thermique.
b)
Il est possible de transformer 10 J d’énergie électrique en 3 J d’énergie thermique et 5 J d’énergie rayonnante
L’illustration ci-dessous montre une centrale hydroélectrique et une partie de son réseau de distribution. Les transformations d’énergie et les différents transferts d’énergie impliqués dans la production et la distribution de l’hydroélectricité sont décrits dans les énoncés suivants.
1
L’énergie mécanique de l’eau est transférée à la turbine.
2
Les appareils électriques branchés sur les circuits électriques domestiques transforment l’énergie électrique (en énergie thermique dans le cas des chauffe-eau, en énergie rayonnante dans le cas des téléviseurs, etc.).
3
La génératrice de la centrale transforme l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.
4
Après avoir parcouru le réseau de distribution d’électricité, l’énergie électrique est transférée aux appareils électriques branchés sur le circuit électrique des clients.
Parmi les séries suivantes, laquelle classe les étapes dans l’ordre correct pour expliquer clairement le processus de production et de distribution de l’électricité ? a) 1 – 3 – 4 – 2
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b) 3 – 1 – 2 – 4
c) 3 – 1 – 4 – 2
Chapitre 4 Les transformations de L’énergie
87
4.2 L’énergie thermique L’énergie thermique est une forme d’énergie que possède un objet en raison du mouvement de ses particules (atomes ou molécules) les unes par rapport aux autres. Lorsque les particules qui composent un objet deviennent plus agitées les unes par rapport aux autres, l’énergie thermique de cet objet augmente.
4.2.1
La distinction entre la chaleur et la température
L’énergie thermique d’un corps dépend du nombre de particules qu’il contient ainsi que de sa température. La température d’un objet est une mesure du degré d’agitation de ses atomes ou de ses molécules (voir la figure 4). La température se mesure le plus souvent en degrés Celsius (˚C).
Figure 4 La température de l’eau contenue dans les béchers dépend de la vitesse des molécules les unes par rapport aux autres. Plus les molécules d’eau sont agitées, plus la température est élevée. Substance chaude
Substance froide
Énergie thermique transférée (chaleur)
Figure 5 La substance de gauche, dont la température est plus élevée, transfère de l’énergie thermique (chaleur) à la substance de droite. Ce transfert se poursuit jusqu’à ce que la température des deux substances soit la même.
88
UNIVERS MATÉRIEL
Lorsque deux objets qui ont des températures différentes sont mis en contact, une partie de l’énergie thermique de l’objet qui a la température la plus élevée est transférée à l’objet qui a la température la plus basse. Ce transfert d’énergie thermique est appelé « chaleur » (voir la figure 5). La chaleur est un transfert d’énergie thermique entre deux objets mis en contact lorsqu’il y a une différence de température entre eux. La chaleur se mesure en joules (J). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
UM 4.2
Activités 4.2 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Quand deux objets sont mis en contact, l’objet qui a la température la plus élevée transfère toujours de l’énergie thermique à l’objet qui a la température la plus basse.
b ) Quand deux objets sont mis en contact, la chaleur passe toujours de celui qui a la température la plus élevée à celui qui a la température la plus basse.
c ) Quand un objet reçoit de l’énergie thermique de la part d’un autre corps, les atomes et molécules qui le composent deviennent plus agités.
d ) Quand la température d’un objet s’élève, les particules qui composent cet objet deviennent de plus en plus agitées.
e ) L’énergie thermique se mesure en degrés Celsius (°C).
2
On sort une petite cuillère métallique d’un tiroir et on la plonge dans une tasse de café chaud. a ) Lorsque les substances (la cuillère et le café) sont mises en contact, laquelle : 1) transfère de la chaleur à l’autre ? 2) absorbe de la chaleur ? b ) On dépose la tasse de café sur un comptoir (avec la cuillère dans la tasse). Après quelques instants, on constate que le café est devenu tiède. Où est passée l’énergie thermique perdue par le café ?
c ) Entourez l’énoncé qui est vrai parmi les énoncés suivants. 1) Si on attend suffisamment longtemps, les quantités d’énergie thermique contenues dans le café, la cuillère et l’air ambiant seront égales. 2) Si on attend suffisamment longtemps, les températures du café, de la cuillère et de l’air ambiant seront égales.
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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie
89
4.3 Le rendement
énergétique Lorsqu’on souhaite transformer ou transférer de l’énergie pour effectuer une tâche, il y a seulement une partie de cette énergie qu’on parvient à utiliser. Le reste de l’énergie ne peut pas être transformé en énergie utile ; cette énergie est donc « perdue », « gaspillée ». Souvent, l’énergie inutilisée est libérée sous forme de chaleur : dans une situation où la chaleur dégagée n’est ni utilisable ni recherchée, c’est de l’énergie « perdue ». Le rendement énergétique d’un système correspond au pourcentage de l’énergie consommée qui est transformée ou transférée de façon utile. Le rendement énergétique est exprimé par le rapport suivant :
Le rendement énergétique ne peut jamais dépasser 100 %. L’exemple suivant montre comment évaluer le rendement énergétique dans une situation donnée. EXEMPLE
En 1 seconde, une ampoule électrique de 60 W consomme 60 J d’énergie électrique. Elle produit 3,5 J d’énergie lumineuse ; le reste de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur. Quel est le rendement énergétique de cette ampoule ? Données : Quantité d’énergie utile (énergie lumineuse produite en 1 seconde) = 3,5 J Quantité d’énergie consommée (énergie électrique consommée en 1 seconde) = 60 J Rendement énergétique = ? Calcul :
Le rendement énergétique de l’ampoule est d’environ 5,83 %. Cela signifie que 94,17 % de l’énergie électrique consommée par l’ampoule est transformée en énergie thermique.
Le rendement énergétique d’un chauffe-eau électrique, par exemple, correspond au rapport entre la quantité d’énergie thermique contenue dans l’eau qui sort du chauffe-eau et la quantité d’énergie électrique utilisée pour chauffer cette eau. Pour améliorer son rendement énergétique, il faut limiter le plus possible les pertes de chaleur. Cela peut être fait en isolant le réservoir.
90
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UM 4.3
FLASH
SCIENCE
L’Alérion xii l d
D udi d l’Uivi Lvl i u pi u vhicul cpbl d ul u 1 610 k vc u ul li d’c ! Pu bi c d, l udi xii l’i ciqu pdui à pi d l’i chiiqu cu d l’c. Il dui l f i du u, pii l ul d u, cçu u cqu d’u dyi xpli, c. Fu-il pci qu, pu b l cd d fibl ci d’c, lu pyp ul qu’à vi 30 k/h… La vesion 2015-2016 du monolace Alérion a emoé la 1e lace à l’éco-maahon SAE Suemileage.
Activités 4.3 1
Une lampe à incandescence dissipe, sous forme de chaleur, près de 95 % de l’énergie électrique qu’elle consomme. Une lampe fluocompacte, elle, n’en dissipe que 70 ou 80 %. Quel type de lampe offre le meilleur rendement énergétique ? Expliquez votre réponse.
2
La combustion de l’essence dans le moteur d’une voiture utilise 4 500 000 J d’énergie chimique et permet à la voiture d’acquérir 500 000 J d’énergie mécanique. Quel est le rendement énergétique du système de propulsion de cette voiture ?
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CHApItrE 4 Les transFormatIons De L’énergIe
91
Un ingénieur doit améliorer le rendement des systèmes de remontées mécaniques, alimentés à l’électricité et destinés aux stations de ski.
3
Parmi les idées suivantes, laquelle représente une solution intéressante pour l’ingénieur ? Cochez la case appropriée. a ) Fournir davantage d’énergie électrique aux systèmes de remontées mécaniques. b ) Faire monter moins de skieurs à la fois dans les remontées mécaniques. c ) Diminuer le frottement indésirable sur les câbles des systèmes de remontées mécaniques. 4
Expliquez pourquoi le rendement énergétique d’un système ne peut pas être supérieur à 100 %.
5
Le rendement d’une mobylette est de 15 %. Combien de joules d’énergie cette mobylette a-t-elle consommés si 9 600 000 J d’énergie ont été utiles pour la faire avancer ? a ) 1 440 000 J
c ) 64 000 000 J
b ) 1 560 000 J
d ) 144 000 000 J
CONSOLIDATION DU ChApITre 4 1
Un ouvrier de la voirie utilise un marteau-piqueur à essence pour briser de l’asphalte. a) Quel énoncé décrit correctement les transformations d’énergie lors du fonctionnement du marteau-piqueur ? 1) De l’énergie chimique est transformée en énergie mécanique et en énergie thermique. 2) De l’énergie mécanique est transformée en énergie chimique et en énergie thermique. 3) De l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique. 4) De l’énergie mécanique est transformée en énergie chimique. b) Quels énoncés décrivent correctement les transferts d’énergie lors du fonctionnement du marteau-piqueur ? Encerclez tous les énoncés qui sont corrects. 1) L’énergie consommée est transférée au marteau par l’essence. 2) L’énergie consommée est transférée au marteau par le bruit et l’ouvrier. 3) L’énergie produite est transférée à l’essence. 4) L’énergie produite est transférée au sol, à l’air environnant et à l’ouvrier.
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c ) Comment serait-il possible d’augmenter le rendement du marteau-piqueur ? Entourez tous les énoncés qui sont corrects. 1) En utilisant le marteau moins longtemps. 2) En mettant moins d’essence dans le réservoir du marteau. 3) En mettant plus d’essence dans le réservoir du marteau. 4) En modifiant le moteur du marteau pour qu’il dégage moins de chaleur. 2
Une batterie de piles transforme de l’énergie chimique en énergie électrique. Ce faisant, elle produit également un peu d’énergie thermique. Quel énoncé est vrai ? a ) L’énergie chimique consommée est égale à l’énergie électrique produite. b ) L’énergie chimique consommée est inférieure à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites. c ) L’énergie chimique consommée est égale à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites. d ) L’énergie chimique consommée est supérieure à la somme de l’énergie électrique et de l’énergie thermique produites.
3
Les énoncés suivants se rapportent-ils à la chaleur ou à la température ? a ) Je suis la grandeur mesurée par un thermomètre.
b ) Je suis un transfert d’énergie thermique.
c ) Je suis la mesure du mouvement des atomes et des molécules qui composent un objet.
d ) Je suis mesurée en joules.
e ) Je suis mesurée en degrés Celsius.
4
Vous déposez un verre de lait froid sur une table et vous l’y oubliez. Lesquels des énoncés suivants décrivent correctement ce qui va se passer ensuite ? a ) Le lait va transférer de la chaleur à l’air ambiant. b ) L’air ambiant va transférer de la chaleur au lait. c ) Les molécules qui composent le lait seront de plus en plus agitées. d ) La température du lait va augmenter. e ) L’énergie thermique du lait va augmenter.
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Chapitre 4 Les transformations de L’énergie
93
5
L’énoncé suivant est-il vrai ou faux ? Si, lors d’une réaction chimique, le contenu d’un calorimètre perd 100 joules d’énergie chimique et gagne 100 joules d’énergie thermique, l’énergie du contenu du calorimètre est conservée. a ) Vrai
6
b ) Faux
Voici les données recueillies lors de tests d’utilisation de trois tondeuses électriques. Énergie électrique consommée par le moteur
Énergie mécanique produite par le moteur
CoupeTout XL3
14 300 J
11 900 J
TonteMax 3600
25 725 J
20 580 J
Vert-dur Nx
17 850 J
15 200 J
Modèle
a ) Le moteur de la tondeuse CoupeTout XL3 a consommé 2400 J d’énergie électrique de plus qu’il n’a produit d’énergie mécanique. Où sont passés ces 2400 J ? 1) Ils sont emmagasinés sous forme d’énergie électrique dans la tondeuse.
3) Ils ont été transformés principalement en énergie chimique.
2) Ils ont été transformés principalement en énergie thermique.
4) Ils ont disparu.
b ) Quelle tondeuse offre le meilleur rendement ? 1) CoupeTout XL3 7
94
2) TonteMax 3600
3) Vert-dur Nx
Un moteur électrique a un rendement de 95 %. S’il consomme 1 000 J d’énergie électrique, quelle quantité d’énergie mécanique fournira-t-il ?
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chapitre
5
L’ÉLECTRICITÉ ET L’ÉLECTROMAGNÉTISME
Les phénomènes électriques et magnétiques sont moins abstraits qu’on ne le pense. Ce sont les phénomènes électriques qui causent les éclairs impressionnants que l’on voit lors d’un orage. Ils sont aussi à la source de toutes les réactions chimiques. Ils sont également nécessaires au fonctionnement des ordinateurs et des téléphones intelligents. C’est le magnétisme qui explique le comportement des aimants et l’existence des aurores boréales. Il est également essentiel au fonctionnement des moteurs électriques, des génératrices, des appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM), etc.
SOMMAIRE 5.1 Les phénomènes
électriques 96 5.2 Les circuits électriques 102 5.3 Les phénomènes électromagnétiques 121
5.1 Les phénomènes électriques La notion de charge électrique est au centre de l’étude des phénomènes électriques. C’est la charge électrique des corps qui gouverne leurs inter actions électriques.
5.1.1
Noyau
La charge électrique
La charge électrique (q) est la grandeur physique responsable des phéno mènes électriques. Elle se mesure en coulombs (C). Électron
Figure 1 Le noyau de l’atome, qui contient les protons, a une charge positive. Les électrons, qui ont une charge négative, sont en orbite autour du noyau.
Il existe deux types de charge : la charge positive et la charge négative. Par convention, on dit que les électrons sont des particules qui portent une charge négative, alors que les protons, qui sont dans le noyau des atomes, portent une charge positive (voir la figure 1). Les protons et les électrons portent des charges dont la grandeur est exac tement la même, mais dont les signes sont opposés : Charge du proton : +1,602 × 10−19 C Charge de l’électron : −1,602 × 10−19 C
À la base, les atomes et les corps macroscopiques comptent autant de protons que d’électrons : c’est pourquoi on dit qu’ils sont neutres. Toute fois, ils peuvent transférer des électrons à d’autres corps ou recevoir des électrons en provenance d’autres corps. Si cela se produit, ils porteront une charge résultante positive ou négative (voir la figure 2). Neutre
A
Charge positive
B
Charge négative
C
Figure 2 Un corps peut être neutre, chargé positivement ou chargé négativement. A Un corps qui contient autant de charges positives que de charges négatives (autant de protons que d’électrons) est neutre. (Un corps neutre n’est pas un corps qui ne contient aucune charge.) B Quand un corps compte plus de protons que d’électrons parce qu’il a transféré certains de ses électrons à un autre corps, il porte une charge résultante positive. C Quand un corps compte plus d’électrons que de protons parce qu’il a acquis des électrons qui lui ont été transférés par un autre corps, il porte une charge résultante négative.
96
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UM 5.1
Deux corps qui portent une charge de même signe se repoussent, tandis que deux corps qui portent des charges de signes opposés s’attirent (voir la figure 3).
A
B
C
Figue 3 Les foces qui agissent ente des cos cagés. A Deux hes psiives se epusse. B Deux hes éives se epusse.
5.1.2
C Deux hes de sies ppsés s’ie.
L’électricité statique
L’électicité statique correspond aux phénomènes observables à la suite de l’accumulation de charges électriques sur un corps. La figure 3 illustre des exemples de phénomènes d’électricité statique : des balles chargées s’attirent ou se repoussent. Les éclairs comme celui illustré à la figure 4 sont également liés à l’électricité statique. Pour qu’on puisse observer des phénomènes d’électricité statique, il faut que des charges s’accumulent sur un corps. On appelle ce fait « électrisation ». L’électrisation d’un corps peut se faire de trois façons : par frottement, par conduction ou par induction. Ces trois modes d’électrisation sont expliqués dans le tableau 1 (voir la page suivante). Figue 4 Un exemle imessionnant d’électicité statique. Ls d’u e, l bse des ues quie ue he éive, pbblee à l suie du fee ee les ues d’eu e les piules de le à l’iéieu du ue. P idui, le sl sus le ue quie ue he psiive. Qud l fe d’i éleique ee les hes éives e psiives devie suffise de, l’i s’iise e devie dueu. L dui fi e se que les hes éleiques (éles e is) peuve, ped u bef is, iule ee le sl e le ue. Du e pessus, ue vive luièe es éise : ’es l’éli.
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Beji Fkli (1706-1790)
Pliiie éii, Beji Fkli qué l’hisie de s pys. Il es l’u des iq édeus de l Déli d’idépede des És-Uis (1776). E que physiie, Fkli es élèbe pu s éude des phéèes éleiques, e piulie de l fude. Ses ehehes l’ eé à l’ivei du pee.
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ChApITrE 5 L’ÉLEctrIcItÉ Et L’ÉLEctromagnÉtISmE
97
TABLEAU 1
Les divers types d’électrisation
L’électrisation par frottement
Fourrure de lapin
Verre
Cheveux
Laine
Soie
Ballon de baudruche
Caoutchouc dur (ébonite)
+
Une liste électrostatique permet de savoir quel objet va acquérir une charge négative et quel objet va acquérir une charge positive lors du frottement.
Styromousse
Une liste électrostatique. Une tige de verre frottée à de la soie acquiert une charge positive (et la soie, une charge négative).
Polyester
Un exemple d’électrisation par frottement. Les cheveux transfèrent des électrons au ballon. Les cheveux acquièrent une charge positive et le ballon, une charge négative. Les cheveux se repoussent alors les uns les autres, mais ils sont attirés par le ballon. Pellicule cellulosique (emballage)
Généralement, quand on frotte deux objets l’un contre l’autre, celui dont les atomes ou les molécules retiennent moins bien les électrons perd certains de ses électrons, qui sont transférés à l’autre objet. L’objet qui perd des électrons devient chargé positivement. Celui qui les reçoit devient chargé négativement. Les objets sont donc électrisés.
Tendance à gagner des électrons
Tendance à perdre des électrons
L’électrisation par conduction Quand un objet chargé est mis en contact avec un objet neutre, l’objet neutre acquiert une charge de même signe : il est électrisé par conduction.
A
B
C
Un exemple d’électrisation par conduction. A On s’apprête à mettre une tige chargée négativement en contact avec une balle de styromousse neutre. B Lors du contact entre la tige et la balle, des charges négatives quittent la tige pour aller vers la balle. Cela se produit parce que les charges négatives accumulées sur la tige se repoussent les unes les autres : certaines sont donc chassées de la tige. C Après le contact entre la tige et la balle, la tige et la balle ont toutes les deux une charge électrique négative. (La somme des deux charges correspond à la charge que portait la tige avant le contact.)
L’électrisation par induction Quand on approche un objet chargé d’un objet neutre, les électrons de l’objet neutre subissent une force électrique due à la proximité de l’objet chargé. L’objet neutre reste neutre dans son ensemble, car il contient toujours la même quantité de charges positives et de charges négatives. Aucun transfert de charges n’a eu lieu, mais des charges de même signe s’accumulent sur certaines portions de l’objet. L’objet est électrisé par induction.
A
B
Un exemple d’électrisation par induction. A On approche une tige de charge négative d’une balle neutre, sans les mettre en contact. Les électrons contenus dans la balle sont repoussés par la tige et s’en éloignent donc. Une charge négative s’accumule sur le côté de la balle éloigné de la tige. À l’inverse, une charge positive s’accumule sur le côté de la balle proche de la tige. La balle est électrisée par induction. B Si on éloigne la tige, les charges de la balle se rééquilibrent. La balle n’est plus électrisée.
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Activités 5.1 1
Deux petites balles de styromousse chargées sont suspendues à des ficelles. Dans les cas suivants, quel est le signe de la charge sur chacune des balles de droite ? Écrivez le signe approprié sur ces balles. a)
2
b)
Dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Quand on frotte l’un contre l’autre deux corps neutres faits de matériaux différents, ils acquièrent des charges de même signe.
b ) Un corps neutre est un corps qui ne contient aucune charge.
c ) Quand on frotte deux corps l’un contre l’autre, le corps dont les atomes ou les molécules retiennent moins bien les électrons acquiert une charge négative.
3
Un ion est un atome qui compte un nombre différent d’électrons et de protons. Un ion d’hélium compte deux protons, mais aucun électron. Quelle est, en coulombs, la charge de cet ion ?
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
99
4
La colorisation électrostatique est une technique de peinture par pistolet. Cette technique permet de diminuer le gaspillage de peinture qui se fait normalement lorsqu’on pulvérise des gouttelettes de peinture sur une surface. Quand on utilise la colorisation électrostatique, on donne une charge électrique aux gouttelettes de peinture qu’on vaporise. On donne également une charge à la surface à peindre (par exemple, la carrosserie d’une voiture), de telle sorte que les gouttelettes de peinture sont attirées par ce qui est à peindre. Si l’on transfère des électrons aux gouttelettes de peinture avant de les vaporiser, quel doit être le signe de la charge qu’on donne à la surface à peindre ? Expliquez votre réponse.
5
Lisez la situation présentée ci-dessous. Puis, répondez aux questions qui suivent.
Trois petites balles de styromousse (A, B et C), très légères, sont suspendues à des fils. Ces trois balles sont chargées, mais on ignore le signe des charges qu’elles portent. On approche de chacune de ces balles une tige de caoutchouc dur que l’on a frottée contre un morceau de laine. On fait alors les observations suivantes : a)
b)
A
c)
B
C
a ) Répondez aux questions en indiquant dans la case si la charge est positive (+) ou négative (−). 1) Quel est le signe de la charge portée par la tige de caoutchouc après avoir été frottée contre la laine ? (Référez-vous à la liste électrostatique de la page 98.) 2) Quel est le signe de la charge portée par la balle A ? 3) Quel est le signe de la charge portée par la balle B ? 4) Quel est le signe de la charge portée par la balle C ? b ) Que se passera-t-il si on approche la balle A de la balle B ? 1) Les deux balles se repousseront.
2) Les deux balles s’attireront.
c ) Que se passera-t-il si on approche la balle A de la balle C ? 1) Les deux balles se repousseront.
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2) Les deux balles s’attireront.
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6
Identifiez le mode d’électrisation dont il est question dans chacun des cas suivants.
Mode d’électrisation
Avant l’électrisation
Après l’électrisation
a)
Un corps chargé et un corps neutre
Deux corps chargés, avec des charges de même signe
b)
Deux corps neutres
Deux corps chargés, avec des charges de signes opposés
c)
Un corps chargé et un corps neutre
Un corps chargé et un corps neutre, mais dont les deux extrémités sont chargées, avec des charges de signes opposés
7
L’efficacité de certains linges à épousseter faits en polyester est augmentée grâce à l’électricité statique. a ) Quand on frotte un linge en polyester sur une surface recouverte de poussière, que se produit-il ? Entourez les deux énoncés qui sont vrais. 1) Le linge s’électrise, tout comme la surface époussetée et la poussière qui la recouvre. 2) Le linge, la surface époussetée et la poussière qui la recouvre restent neutres. 3) La poussière est attirée par le linge. 4) La poussière est repoussée par le linge. b ) Qu’arrive-t-il à la poussière qui se trouve juste à côté de l’endroit où passe le linge, mais sans être frottée par le linge ?
8
En vidant votre sécheuse, vous trouvez un bas collé à un chandail en molleton. Vous comprenez que cela est dû au fait que, lors du séchage, les deux vêtements ont été électrisés par frottement. Vous vous posez une question : pourquoi n’arrive-t-il jamais qu’une chaussette colle sur celle avec laquelle elle forme la paire ? a ) Parce que les chaussettes sont deux objets trop petits pour que l’électrisation soit assez forte pour leur permettre de coller l’une à l’autre. b ) Parce qu’il ne peut pas y avoir d’électrisation par frottement quand on frotte ensemble deux objets faits du même matériau. c ) Parce que quand on frotte ensemble deux objets faits du même matériau, il peut y avoir une électrisation par frottement, mais, une fois qu’ils sont électrisés, ces objets ne s’attirent pas.
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
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5.2 Les circuits électriques Certains matériaux, comme les métaux, ont la particularité de permettre aux électrons de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des « conducteurs électriques ».
A
Quand on relie plusieurs éléments conducteurs les uns aux autres et qu’on branche une source d’énergie électrique à ces éléments, les électrons circulent d’un conducteur à un autre. Un circuit électrique est un ensemble de conducteurs électriques reliés en boucle et formant un parcours continu dans lequel les particules chargées électriquement peuvent circuler.
B
Figure 5 La géométrie des fils n’est pas tout à fait identique sur l’illustration et sur le schéma du circuit électrique : néanmoins, c’est le même circuit qui est représenté. A L’illustration de la pile, de l’ampoule, du résisteur et des fils d’un circuit électrique. B Le schéma de la pile, de l’ampoule, du résisteur et des fils d’un circuit électrique.
La figure 5 illustre un circuit électrique. On représente le plus souvent les circuits électriques sous forme schématique, les différentes composantes étant illustrées par des symboles normalisés (voir la figure 6).
Source d’alimentation continue La source (une pile, par exemple) fournit l’énergie électrique qui met les électrons en mouvement dans le circuit.
Conducteur Les composantes d’un circuit sont reliées par des fils conducteurs.
Ampoule Une ampoule transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique.
Résisteur Un résisteur transforme l’énergie électrique en énergie thermique.
Figure 6 Différentes composantes des circuits électriques avec leur symbole normalisé.
Un circuit électrique doit former une boucle fermée pour que les électrons puissent y circuler (voir la figure 7). Par exemple, quand le filament d’une ampoule électrique se rompt, les électrons ne circulent plus, et l’ampoule n’éclaire plus. Quand des particules chargées circulent dans un circuit, il y a, dans ce circuit, ce qu’on appelle un « courant électrique ». Figure 7 Le circuit présente une ouverture : les électrons ne circulent pas, l’ampoule ne s’allume pas et le résisteur ne chauffe pas.
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FLASH
SCIENCE
L cua alaf
Da l ccu qu al pa d pl, l cua ccul uju da l ê . U l cua cu (CC). Da l ccu qu al dc pa l’lcc fu pa l au d dbu dqu, l cua ccul alav da u , pu da l’au. U l cua alaf (CA). Ca appal, l l dau pabl, fc à l’ad d’u pl u d l’lcc dqu. Lu ccu d ccu CC. Quad l bach à u p ual, d ul u adapau CA/CC pu af l cua alaf fu pa la p u cua cu.
U adapau CA/CC.
Le couan élecique (symbolisé par la lettre I) correspond à la quantité de charge qui passe en un point donné d’un circuit durant une unité de temps. Le courant se mesure en ampères (A). Un ampère correspond à un coulomb par seconde (1 A = 1 C/s). Les sources d’alimentation comme les piles possèdent deux bornes (deux endroits où l’on peut effectuer un branchement) : l’une est chargée positivement et l’autre, négativement. La source d’alimentation fournit de l’énergie électrique aux électrons, de sorte qu’ils se mettent en mouvement dans tout le circuit. Les électrons circulent de la borne négative de la source, qui les repousse, vers la borne positive, qui les attire. Cependant, pour des raisons historiques, le courant électrique conventionnel (I) est défini comme un courant qui circule de la borne positive de la source vers sa borne négative (voir la figure 8).
Sens conventionnel du courant
Sens du déplacement des électrons
Figue 8 Dans un cicui, le couan convenionnel cicule de la bone osiive de la ile ves sa bone négaive, même si les élecons ciculen, en éalié, en sens invese.
Les sources d’alimentation électrique créent, dans un circuit, ce qu’on appelle une « différence de potentiel », aussi appelée « tension électrique ». La difféence de oeniel (représentée par la lettreU) entre deux points d’un circuit correspond à l’énergie électrique qui est gagnée ou perdue, par unité de charge, par une particule chargée qui passe de l’un à l’autre de ces points. La différence de potentiel se mesure en volts (V). Un volt correspond à un joule par coulomb (1 V = 1 J/C). Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
CHApItrE 5 L’éLeCtriCité et L’éLeCtromAgnétisme
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5.2.1
Les types de circuits électriques
Quand on étudie les circuits électriques, on distingue les circuits en série des circuits en parallèle.
Les circuits en série Un circuit en série est un circuit dans lequel il n’y a qu’un seul chemin pour le passage du courant (voir la figure 9).
A
Dans un circuit en série, toutes les particules chargées doivent emprunter le même chemin. Le rythme auquel la charge traverse chacun des éléments du circuit est donc le même. Cela signifie que, dans un circuit en série, le courant est partout le même.
Les circuits en parallèle
B
Figure 9 Deux ampoules sont branchées en série avec une pile. Si le courant est de 2 A dans l’une des ampoules, il doit également être de 2 A dans la seconde ampoule. A L’illustration d’un circuit en série formé d’une pile et de deux ampoules. B Le schéma d’un circuit en série formé d’une pile et de deux ampoules.
Un circuit en parallèle est un circuit dans lequel les particules chargées passent soit par une composante du circuit, soit par une autre composante (voir la figure 10). Le courant n’est pas nécessairement le même dans chacune des composantes d’un circuit en parallèle. Par contre, puisque chaque composante est branchée directement à la pile, la différence de potentiel aux bornes de chacune des composantes est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile.
A
B
Figure 10 Deux ampoules sont branchées en parallèle avec une pile. Si la différence de potentiel aux bornes de la pile est de 6 V, la différence de potentiel aux bornes de la première ampoule doit également être de 6 V, tout comme la différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule. A L’illustration d’un circuit en parallèle formé d’une pile et de deux ampoules. B Le schéma d’un circuit en parallèle formé d’une pile et de deux ampoules.
5.2.2 A Ampèremètre
B Voltmètre
Figure 11 Les symboles normalisés utilisés pour représenter un ampèremètre et un voltmètre.
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Les instruments de mesure
Pour mesurer le courant, on utilise un ampèremètre, alors que pour mesurer la différence de potentiel, on utilise un voltmètre (voir la figure 11). La façon d’utiliser un ampèremètre et un voltmètre est expliquée aux pages 105 et 106 dans l’outil 2.
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OUTILS UM 5.2
OUTIL 2
Mesurer le courant et la différence de potentiel Pou su l ou liqu qui vs u opos d’u iui, o uilis u isu ppl « pèè » (voir les figures 12, à gauche, et 14A, à la page suivante).
Comment utiliser un ampèremètre 1. Si l’apèè possèd plus d’u hll, hoisi l’hll qui p d pd ls sus ls plus lvs. 2. Ouvi l iui dbh l fil qui s ouv idi v ou pès l opos ds lqull o vu su l ou (voir les figures 13A et 13B). 3. Is l’pèè ds l iui (voir la figure 13C). U pèè doi oujous ê bh si v l opos ds lqull o vu su l ou*.
Figu 12 Un mèmèt numéiqu (à guc) t un voltmèt numéiqu (à doit).
A
B
Figu 13 L msu du count à l’id d’un mèmèt. A O souhi su l ou qui vs l sisu. B O ouv l iui dbh l fil qui s ouv idi pès (ou v) l sisu. C O bh l’pèè si v l sisu.
4. Li l su du ou ffih su l’pèè. 5. Si l’pèè possèd plus d’u hll si l vlu ffih su l’ppil s ifiu u xiu d l’u ds hlls plus ssibls, slio hll pou obi u su plus pis. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
C
* Qud o uilis u pèè loiqu : · l ou doi bsolu ds l’pèè p s bo posiiv ; · il doi soi p s bo iv. Si o uilis u pèè uiqu qu luii ffih u vlu iv, l siifi qu l ou l vs d fço ivs. Pou qu l’ppil ffih u vlu posiiv, l ou doi y p l bo posiiv soi p l bo iv. ChapITre 5 L’éLectrIcIté et L’éLectrOmagnétISme
105
OUTIL 2
(suite)
Pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé « voltmètre » (voir la partie de droite de la figure 12 de la page précédente, ainsi que la figure 14B ci-dessous).
Comment utiliser un voltmètre 1. Si le voltmètre possède plus d’une échelle, choisir l’échelle qui permet de prendre les mesures les plus élevées. 2. Brancher le voltmètre en parallèle avec la composante aux bornes de laquelle on veut connaître la différence de potentiel (voir la figure 15)*.
3. Lire la mesure de la différence de potentiel affichée sur le voltmètre. 4. Si le voltmètre possède plus d’une échelle et si la valeur affichée sur l’appareil est inférieure au maximum de l’une des échelles plus sensibles, sélectionner cette échelle pour obtenir une mesure plus précise. * Quand on utilise un voltmètre analogique : · le courant doit absolument entrer dans le voltmètre par sa borne positive ; · il doit en sortir par sa borne négative.
A
B
Si on utilise un voltmètre numérique et que celui-ci affiche une valeur négative, cela signifie que le courant le traverse de façon inversée. Pour que l’appareil affiche une valeur positive, le courant doit y entrer par la borne positive et en sortir par la borne négative.
Figure 14 Deux instruments de mesure. A Un ampèremètre analogique. B Un voltmètre analogique ou à aiguilles.
A
B
Figure 15 La mesure de la différence de potentiel à l’aide d’un voltmètre. A On souhaite mesurer la différence de potentiel aux bornes du résisteur. B On branche le voltmètre en parallèle avec le résisteur.
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Activités 5.2.1 et 5.2.2 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) « Tension » et « différence de potentiel » sont des synonymes.
b ) L’unité de mesure de la différence de potentiel est l’ampère.
c ) Dans un circuit en série, le courant est le même dans chacune des composantes du circuit.
d ) Dans un circuit en parallèle, les particules chargées suivent toutes le même chemin.
2
Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé qui lui convient dans la colonne de droite. a ) Un courant
b ) Une ampoule
1) Je corresponds à un coulomb par seconde (C/s). 2) Je suis parfois utilisé pour produire de la chaleur, par exemple dans l’élément chauffant d’un four électrique.
c ) Un résisteur
3) Je laisse passer le courant et je relie les différentes composantes d’un circuit électrique.
d ) Une différence de potentiel
4) Je transforme une partie de l’énergie électrique qui me traverse en énergie lumineuse et une autre partie en énergie thermique.
e ) Un ampère
f ) Un fil électrique
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5) Je quantifie la variation de l’énergie électrique des particules chargées en fonction de la grandeur de la charge qu’elles portent. 6) Je corresponds au rythme auquel les charges électriques traversent une composante.
Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
107
3
Dans l’un des circuits illustrés ci-dessous, laquelle des ampoules ne s’allumera pas ? Entourez cette ampoule et expliquez votre réponse. a)
4
b)
Qui suis-je ? a ) Je suis le type de circuit dans lequel il y a des embranchements. b ) Je suis l’appareil qui sert à mesurer le courant. c ) Je suis un appareil de mesure qui doit être branché en parallèle.
5
Deux résisteurs sont branchés en parallèle avec une pile de 1,5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs ? a ) La différence de potentiel est de 1,5 V aux bornes de chacun des résisteurs. b ) La somme des différences de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs est de 1,5 V. c ) Il est impossible de connaître la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs sans informations supplémentaires.
6
Dans le circuit illustré ci-dessous, l’un des ampèremètres affiche 0,56 A. Quelle valeur de courant affichera l’autre ampèremètre ? Expliquez votre réponse.
0,56 A
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7
Les deux illustrations suivantes représentent respectivement un circuit en série et un circuit en parallèle. a)
Circuit en série
b)
Circuit en parallèle
Parmi les six circuits illustrés ci-dessous, repérez ceux qui se rapportent au circuit a et ceux qui se rapportent au circuit b. Inscrivez l’une des deux lettres (a ou b) dans les cases prévues à cette fin. 1)
4)
2)
5)
3)
6)
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
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8
Schématisez chacun des circuits illustrés ci-dessous dans les rectangles prévus à cette fin. a)
b)
c)
d)
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9
Sur le schéma ci-dessous, une flèche bleue et une flèche rouge ont été tracées. L’une des flèches indique le sens réel du déplacement des électrons et l’autre, le sens du courant conventionnel. Inscrivez, à côté de chaque flèche, s’il s’agit du sens du courant conventionnel ou du sens du déplacement des électrons.
10
Les schémas ci-dessous illustrent différents circuits contenant deux appareils de mesure. Sur chacun de ces schémas, faites un X sur l’appareil de mesure qui n’est pas branché correctement. Expliquez chaque fois votre choix. a)
Explication :
b)
Explication :
c)
Explication :
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
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11
Dessinez le schéma d’un circuit comprenant : a ) deux résisteurs et une ampoule qui sont branchés en parallèle avec une pile ; b ) un ampèremètre qui mesure le courant venant de la pile (dessinez-le en rouge) ; c ) un ampèremètre qui mesure le courant traversant l’ampoule (dessinez-le en bleu) ; d ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes de la pile. Utilisez les symboles normalisés pour représenter chacune des composantes du circuit.
12
Dessinez le schéma d’un circuit comprenant : a ) deux ampoules et un résisteur qui sont branchés en série avec une pile ; b ) un ampèremètre qui mesure le courant venant de la pile ; c ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes de la pile (dessinez-le en rouge) ; d ) un voltmètre qui mesure la différence de potentiel aux bornes du résisteur (dessinez-le en bleu). Utilisez les symboles normalisés pour représenter chacune des composantes du circuit.
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13
À l’aide de la liste de mots donnée ci-dessous, complétez le texte qui suit. alternatif
continu
source d’alimentation
Dans un circuit électrique, il doit y avoir une
qui met les électrons en
mouvement. Le courant de cette source peut être
(une pile ou une
batterie, par exemple), ou
5.2.3
(une prise électrique, par exemple).
La loi d’Ohm
Certaines composantes des circuits électriques, bien que conductrices, offrent une opposition au passage du courant et font perdre aux particules chargées une partie de leur énergie. Les ampoules et les résisteurs (voir la figure 16) sont des exemples de ce type de composantes. La éssnc (R ) est la propriété physique qui décrit à quel point une composante d’un circuit électrique s’oppose au passage du courant. La lo d’Om décrit la relation entre la grandeur de la différence de potentiel (U) aux bornes d’une composante électrique qui présente une résistance (R) et le courant (I) établi dans cette composante. La loi d’Ohm s’exprime par l’équation suivante : U = RI, où
U : différence de potentiel aux bornes d’une composante électrique, en volts (V)
Fgu 16 Ds modèls d éssus.
R : résistance de la composante, en ohms (Ω) l : courant établi dans la composante, en ampères (A)
L’exemple A montre comment utiliser la loi d’Ohm. EXEMPLE A
Un résisteur dont la résistance est de 250 Ω est branché directement aux bornes d’une pile de 9 V. Quel est le courant établi dans le résisteur ? Calcul : Le résisteur étant branché directe- À partir de l’équation de la loi ment aux bornes de la pile, la diffé- d’Ohm (U = RI ), isoler la valeur rence de potentiel est la même aux de I : bornes du résisteur qu’aux bornes de la pile.
R = 250 Ω
Données :
U=9V
R = 250 Ω U=9V I=? Le courant établi dans le résisteur est de 0,036 A.
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
113
Les résisteurs sont des composantes électriques qui ont une propriété particulière. Leur résistance est constante. On utilise la loi d’Ohm sous la forme suivante pour établir la valeur de la résistance :
Ainsi, si on mesure le courant établi dans un résisteur ainsi que la différence de potentiel à ses bornes, on trouvera que le courant (I) augmente proportionnellement à la différence de potentiel (U). L’exemple B illustre ce fait. EXEMPLE B
Au laboratoire, on fait varier la différence de potentiel aux bornes d’un résisteur et on mesure le courant qui y est établi. Avec les données recueillies, on trace un graphique de la différence de potentiel en fonction du courant. (L’avantage d’inverser ainsi les variables dépendante et indépendante est que, dans un graphique de la différence de potentiel en fonction du courant, la pente [taux de variation] de la droite correspond à la résistance du résisteur.) Quelle est la résistance du résisteur ? Données :
Calcul :
Sur le graphique, les deux marques rouges correspondent à des points sur la droite de tendance. Ces points montrent que la différence de potentiel augmente de 3 V quand le courant
La résistance d’un résisteur correspond au taux de variation de la différence de potentiel à ses bornes en fonction du courant qui y est établi.
augmente de 0,024 A.
La résistance du résisteur est de 125 Ω.
Activités 5.2.3 1
114
Le courant qui traverse un résisteur dont la résistance est de 1 000 Ω est de 0,15 A. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de ce résisteur ?
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2
On mesure une différence de potentiel de 5 V aux bornes d’un résisteur dont la résistance est de 1 250 Ω. Quel est le courant qui traverse le résisteur ?
3
La différence de potentiel aux bornes d’un résisteur est de 3 V, alors que le courant qui le traverse est de 0,1 A. Quelle est la résistance de ce résisteur ?
4
Dans le circuit illustré ci-dessous, la résistance du résisteur est de 750 Ω. Si la valeur de la différence de potentiel affichée sur le voltmètre est de 9 V, quelle est la valeur de courant affichée sur l’ampèremètre ?
5
On construit le circuit illustré ci-dessous. La valeur affichée sur l’ampèremètre est de 0,25 A. La valeur affichée sur le voltmètre est de 8,25 V. Quelle est la résistance du résisteur ?
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
115
6
Deux résisteurs sont branchés en série. Le courant est donc le même dans chacun d’eux. Le premier a une résistance de 100 Ω et le second, une résistance de 200 Ω. La différence de potentiel aux bornes du premier résisteur est de 1,5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes du second résisteur ?
7
Complétez le graphique afin qu’il illustre la différence de potentiel en fonction du courant dans un résisteur dont la résistance est de 500 Ω. Pour vous aider, remplissez d’abord le tableau. N’oubliez pas de graduer l’axe vertical du graphique et d’indiquer l’unité de mesure de la différence de potentiel là où il le faut. La différence de potentiel (U) en fonction du courant (l)
I (A)
U (V)
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
8
Tout comme les résisteurs, les filaments des ampoules offrent une résistance au passage du courant. Cependant, la résistance du filament d’une ampoule peut varier, puisque la résistance qu’un matériau offre au passage du courant augmente généralement quand sa température augmente. En vous basant sur ces faits, diriez-vous que le courant qui traverse le filament d’une ampoule branchée à une source de tension constante va augmenter ou qu’il va diminuer en fonction du temps, à partir du moment où on allume l’ampoule ? Expliquez votre réponse.
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5.2.4
La relation entre la puissance et l’énergie électrique
Quand les charges électriques traversent une source de tension, elles gagnent de l’énergie électrique. À l’opposé, quand elles traversent un résisteur ou une ampoule, elles perdent de l’énergie électrique. La ussnc élcqu (P) correspond au rythme auquel l’énergie électrique est consommée ou fournie. La puissance se mesure en watts (W) ; un watt correspond à un joule d’énergie consommée ou fournie chaque seconde. L’équation qui relie la puissance et l’énergie est la suivante : , où
E : énergie consommée ou fournie durant l’intervalle de temps (Δt), en joules (J) P : puissance consommée ou fournie, en watts (W) Δt : intervalle de temps écoulé, en secondes (s)
On peut isoler la puissance (P) dans l’équation précédente :
Pour évaluer la puissance électrique, il existe également une autre équation. Cette équation est la suivante : P = UI, où
P : puissance électrique consommée ou fournie par une composante d’un circuit, en watts (W) U : différence de potentiel aux bornes de cette composante, en volts (V) I : courant établi dans cette composante, en ampères (A)
L’exemple ci-dessous et à la page suivante montre comment utiliser les deux équations pour évaluer la puissance électrique. EXEMPLE
Une bouilloire électrique de 1,5 kW est alimentée par une différence de potentiel de 120 V. a ) Quel est le courant qui traverse la bouilloire ? Données : P = 1,5 kW = 1 500 W
Calcul : À partir de l’équation P = UI, isoler la valeur de I :
U = 120 V I=? Le courant qui traverse la bouilloire est de 12,5 A.
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
117
EXEMPLE (
)
b ) Si la bouilloire met 3 minutes pour faire bouillir 700 mL d’eau, quelle énergie électrique consommet-elle durant cet intervalle de temps ? Données :
Calcul :
P = 1 500 W
Δt = 3 min = 180 s E=? La bouilloire consomme 270 000 J d’énergie électrique pour faire bouillir l’eau.
L’unité SI de mesure de l’énergie est le joule (J), mais les producteurs et distributeurs d’électricité, entre autres, utilisent couramment le kilowattheure (kWh) pour mesurer l’énergie. Un kilowattheure équivaut à 1 000 wattheures (Wh). Cela correspond à la quantité d’énergie consommée par un appareil utilisant une puissance de 1 kW (soit 1 000 W) pendant 1 heure (3 600 s).
Donc, 1 kWh correspond à 3 600 000 J.
Activités 5.2.4 1
Comment peut-on réduire la consommation d’énergie d’un appareil ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) On peut utiliser l’appareil moins longtemps, sans changer sa puissance. b ) On peut utiliser l’appareil plus longtemps, sans changer sa puissance. c ) Si la puissance de l’appareil est réglable, on peut l’utiliser à plus faible puissance, durant le même temps. d ) Si la puissance de l’appareil est réglable, on peut l’utiliser à plus forte puissance, durant le même temps.
2
Un grille-pain consomme 114 kJ d’énergie électrique en 2 minutes. a ) Quelle est sa puissance électrique ?
118
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UM 5.2
b ) Entourez le chiffre correspondant à l’énoncé qui complète correctement la phrase suivante. Si le grille-pain est allumé 6 minutes, il consomme… 1) trois fois moins d’énergie électrique qu’en 2 minutes. 2) l a même quantité d’énergie électrique qu’en 2 minutes. 3) trois fois plus d’énergie électrique qu’en 2 minutes. c ) Si le grille-pain est alimenté par une différence de potentiel de 120 V, quel est le courant qui le traverse ?
3
Un ordinateur portable fonctionne sous une différence de potentiel de 19 V, avec un courant de 3,4 A. a ) Quelle puissance électrique consomme-t-il ?
b ) Quelle est l’énergie électrique que consomme cet ordinateur s’il fonctionne à plein régime pendant 16 heures ?
4
Un four à micro-ondes fonctionne sous une différence de potentiel de 120 V et un courant de 5,8 A quand il est utilisé à puissance maximale. Quelle quantité d’énergie électrique consomme-t-il si on l’utilise à sa puissance maximale pendant 2 min 30 s ?
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
119
5
Vous songez à remplacer l’ampoule de 100 W de l’une de vos lampes par une ampoule DEL de 14,5 W qui procure la même luminosité. Sachant qu’il vous en coûte environ 0,087 $ par kilowattheure d’énergie consommée, combien pourriez-vous économiser sur votre facture d’électricité en utilisant cette lampe durant 1 400 heures sur une période d’un an ?
120
a ) 0,06 $
c ) 10,41 $
e ) 13,95 $
b ) 1,77 $
d ) 12,18 $
f ) 12 180 $
6
Si un réfrigérateur consomme 1,2 kWh par jour, combien de joules consomme-t-il en une journée ?
7
Combien de kilowattheures une ampoule de 60 W consomme-t-elle en une année si elle est allumée en moyenne 5 heures par jour ?
8
Un kilowattheure correspond à une assez grande quantité d’énergie. Pourquoi, selon vous, HydroQuébec et les autres sociétés de distribution d’électricité dans le monde utilisent-elles le kilowattheure plutôt que le joule pour mesurer l’énergie électrique consommée par les particuliers et les commerçants ? Expliquez votre réponse.
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UM 5.3
5.3 Les phénomènes
électromagnétiques Quand on approche deux aimants l’un de l’autre, on sent immédiatement qu’une force s’exerce entre eux. C’est une force magnétique. Bien qu’elles soient différentes des forces électriques, les forces magnétiques leur sont intimement liées.
5.3.1
Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques
Les aimants possèdent tous deux pôles, c’est-à-dire deux parties qui ont un comportement différent l’une de l’autre. L’un de ces pôles est appelé « pôle Nord » et l’autre, « pôle Sud » (voir la figure 17). Une foc d’con mgnéqu est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui s’attirent sous l’effet du magnétisme. Une foc d épulson mgnéqu est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui se repoussent sous l’effet du magnétisme. La figure 18 montre comment les forces d’attraction et de répulsion magnétiques agissent quand on approche l’un de l’autre deux pôles de deux aimants différents.
Attraction
Attraction
Fgu 17 Pu mpo lu fom, ls mns possèdn oujous dux pôls pplés « pôl Nod » « pôl Sud ». Souvn, pou ls dnf, on pn ls dux pôls d’un mn d coulus dfféns on mqu l pôl Nod d’un « N » l pôl Sud d’un « S ».
Répulsion
Répulsion
Fgu 18 Qund on ppoc dux pôls dnqus l’un d l’u, ls s poussn. Qund on ppoc dux pôls dfféns, ls s’n.
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ChaPitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
121
En plus de s’attirer ou de se repousser, les aimants exercent à distance une force d’attraction sur certains objets métalliques fabriqués avec des matériaux ferromagnétiques. Parmi les matériaux ferromagnétiques, on compte, entre autres : S
• le fer ; • le cobalt ; • le nickel ; • les alliages contenant l’un de ces métaux.
N
Figure 19 Les punaises ferromagnétiques sont attirées par l’aimant. En présence de l’aimant, les punaises deviennent, à leur tour, des aimants qui attirent les punaises voisines.
Les objets faits d’un matériau ferromagnétique sont attirés par les aimants (autant par leur pôle Nord que par leur pôle Sud). C’est parce que ces objets deviennent eux-mêmes des aimants, de façon temporaire, quand on les approche d’un aimant permanent. Une fois magnétisés, ils peuvent, à leur tour, attirer d’autres objets ferromagnétiques (voir la figure 19). Le champ magnétique est le concept que l’on utilise pour représenter la capacité des aimants à exercer une force à distance sur les autres aimants et les matériaux ferromagnétiques. On représente le champ magnétique à l’aide de lignes qui partent du pôle Nord des aimants et qui entrent dans leur pôle Sud. En un point de l’espace, la direction de la ligne d’un champ indique la direction de la force qui agirait sur le pôle Nord d’un aimant qu’on placerait là. Dans une région de l’espace, plus les lignes de champ sont rapprochées, plus le champ magnétique est intense. Tous les aimants créent un champ magnétique autour d’eux (voir la figure 20).
A
B
Figure 20 Le champ magnétique créé par un aimant droit. A Il est possible de visualiser le champ magnétique créé par un aimant en plaçant cet aimant sous une plaque de plexiglas ou de verre. Si l’on parsème de la limaille de fer (de petits fragments de fer) sur cette plaque, les morceaux de limaille vont s’aligner le long des lignes de champ. La limaille de fer permet de visualiser la direction et la densité des lignes de champ magnétique. B On peut visualiser le champ magnétique créé par un aimant droit à l’aide de lignes de champ. Les flèches indiquent la direction du champ magnétique. Aux pôles, la densité élevée des lignes indique que l’intensité du champ est forte. Le nombre de lignes de champ qui sortent d’un pôle est égal au nombre de lignes qui entrent dans l’autre pôle.
122
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UM 5.3
La boussole est un instrument qui permet de se représenter la configuration des lignes de champ magnétique et de connaître le sens de ces lignes (voir la figure 21).
A
B
Fgu 21 Ls boussols mn d connî l dcon l sns ds lgns d cm. A L’ulle d’une bussle est un pett nt penent. Cette ulle est plce su un pvt ; elle est dnc lbe de tune su elle-êe. Qund n plce l bussle dns un chp ntque, sn ulle pvte pu s’lne dns le sens de l lne du chp qu psse p le pnt ù elle se tuve, depus le sud ves le nd. Tutefs, le pôle Nd de l’ulle de l bussle pnte à peu pès dns l dectn du nd phque. En effet, vus veez à l questn 5 de l pe 125 que le pôle Nd phque est en ft un pôle Sud ntque. B Les bussles s’lnent le ln des lnes de chp. L’xe qu v du pôle Sud d’une bussle ves sn pôle Nd dnne l’enttn de l lne de chp ntque qu psse p ce pnt.
Activités 5.3.1 1
Entre 2000 et 2012, la plupart des pièces de 1 cent émises au Canada avaient un cœur d’acier (l’acier est un alliage de fer et de carbone). Cependant, certaines pièces avaient un cœur de zinc. Donnez un moyen simple de distinguer les pièces qui sont faites d’acier de celles qui sont faites de zinc.
2
En tous points de l’espace, les lignes de champ magnétique sont orientées dans la direction indiquée par l’aiguille d’une boussole. Chacun des cercles illustrés ci-dessous représente une boussole. Dessinez correctement les aiguilles de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.)
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Chapitre 5 L’éLECTriCiTé ET L’éLECTromagNéTiSmE
123
3
L’illustration ci-dessous montre des lignes de champ magnétique qui entourent un aimant. Encerclez l’erreur que contient cette illustration et corrigez-la.
4
Observez bien les figures présentées ci-dessous. Puis, tracez les lignes de champ magnétique qui entourent l’aimant ou les aimants représentés. a)
b)
c)
124
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UM 5.3
5
La Terre agit comme un aimant permanent : le pôle Nord magnétique de l’aimant constitué par la Terre est près du pôle Sud géographique et le pôle Sud magnétique de l’aimant constitué par la Terre est près du pôle Nord géographique. a ) Complétez la phrase suivante, qui décrit le comportement d’une boussole dans le champ magnétique terrestre. Puisque le pôle Nord d’une aiguille aimantée d’une boussole est attiré par le pôle magnétique de l’aimant constitué par la Terre, l’aiguille d’une boussole s’oriente naturellement de façon que son pôle Nord pointe vers le
géographique.
b ) L’illustration ci-dessous montre quelques-unes des lignes du champ magnétique terrestre. Les cercles représentent des boussoles. Complétez l’illustration en dessinant correctement les aiguilles de ces boussoles. (Représentez le pôle Nord des aiguilles aimantées en rouge et laissez leur pôle Sud en blanc.)
Pôle Sud magnétique de l’aimant constitué par la Terre
Pôle Nord géographique
Pôle Sud géographique
Pôle Nord magnétique de l’aimant constitué par la Terre
c ) De quelle façon une boussole peut-elle être utile à une personne qui fait, par exemple, une excursion en forêt ?
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
125
I (sens du courant conventionnel)
5.3.2
Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant
Les phénomènes électriques et magnétiques sont intimement liés. Quand il y a un courant électrique dans un fil, un champ magnétique est créé autour de ce fil. Les lignes de champ forment des cercles concentriques autour du fil (voir la figure 22). L’intensité du champ magnétique produit par un fil dans lequel il y a un courant électrique dépend de deux facteurs :
Figure 22 Les lignes de champ créées par un courant qui parcourt un fil rectiligne prennent la forme de cercles. Sur l’illustration, les signes + et − indiquent que c’est l’extrémité inférieure du fil qui est reliée à la borne positive de la source d’alimentation électrique, et l’extrémité supérieure qui est reliée à la borne négative. Cela explique pourquoi le courant conventionnel est orienté vers le haut.
• plus le courant électrique dans le fil est grand, plus le champ magnétique est intense ; • plus on s’éloigne du fil, plus l’intensité du champ magnétique diminue (les lignes de champ deviennent plus espacées quand on s’éloigne du fil) (voir la figure 22). Pour déterminer expérimentalement le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un fil rectiligne, on peut utiliser une boussole (voir la figure 23).
I
I
I
Figure 23 Si l’on place des boussoles autour d’un fil parcouru par un courant, leurs aiguilles s’orienteront tangentiellement aux cercles centrés sur le fil. Les pôles Nord pointeront dans le sens des lignes de champ.
La règle de la main droite Figure 24 La règle de la main droite permet de connaître le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant qui circule dans un fil rectiligne.
126
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Pour connaître le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un fil rectiligne, on peut aussi utiliser ce qu’on appelle la « règle de la main droite » : si on aligne le pouce de la main droite dans le sens du courant, les autres doigts de la main s’enroulent dans le sens des lignes de champ magnétique (voir la figure 24).
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Activités 5.3.2 1
Tracez quelques-unes des lignes de champ magnétique créées par le courant électrique qui circule dans chacun des fils illustrés ci-dessous. a)
b)
I
2
Sur l’illustration ci-contre, le petit cercle bleu correspond à une vue de haut, en coupe, d’un très long fil rectiligne. Le fil est parcouru par un courant dirigé vers le haut. Les cercles noirs représentent des boîtiers de boussole. Dessinez correctement les aiguilles de chacune de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.)
3
Dans chacun des cas représentés ici, dites dans quel sens circule le courant dans le fil. a)
4
b)
Antoine fait passer un courant de 3 A dans un très long fil rectiligne. Comment pourrait-il faire pour augmenter l’intensité du champ magnétique créé autour de ce fil ?
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Observez les lignes de champ créées par chacun des fils illustrés ci-dessous. Puis, entourez la lettre correspondant au fil qui est parcouru par le courant le plus grand.
5
a)
b)
Sur l’illustration ci-dessous, on voit un garçon, un écureuil et un oiseau qui se trouvent à différentes distances de fils électriques parcourus par des courants. Classez le garçon, l’écureuil et l’oiseau de façon à les placer selon l’ordre croissant de l’intensité du champ magnétique auquel ils sont exposés.
6
CONSOLIDATION DU ChApITre 5 1
Parmi les illustrations suivantes, laquelle est correcte ? a)
128
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b)
c)
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2
On met une tige chargée positivement en contact avec une petite balle de styromousse chargée négativement. Que se produira-t-il ? a ) Puisqu’ils se repoussent les uns les autres et qu’ils sont attirés par les protons, certains des électrons excédentaires de la balle iront sur la tige. b ) Puisqu’ils se repoussent les uns les autres et qu’ils sont attirés par les électrons, certains des protons excédentaires de la tige iront sur la balle.
3
À l’aide de la liste de mots ci-dessous, complétez le texte qui suit. (Un même mot peut être utilisé plus d’une fois.) négative
neutre
positive
Lisa marche en chaussettes sur un tapis en se traînant les pieds. Le frottement entre le tapis et les chaussettes fait que des électrons sont arrachés à ses bas par les poils du tapis. Lisa acquiert ainsi une charge globalement
. Quand elle touche la poignée d’une porte, Lisa
ressent un choc. Cela est dû au fait que des électrons passent par la poignée pour entrer dans son corps (et ses chaussettes !) afin de rétablir l’équilibre des charges. En effet, ces électrons, de charge , sont attirés par la charge cement fait que Lisa redevient 4
que porte Lisa. Leur dépla.
Vous électrisez un bâton en le frottant sur un linge. Puis, vous approchez le bâton de petits morceaux de papier (neutres) posés sur une table, sans les toucher. Vous voyez alors ces bouts de papier se soulever pour aller vers le bâton. Comment cela s’explique-t-il ? a ) Quand le bâton est approché des morceaux de papier, ceux-ci s'électrisent par frottement. C'est pour cela qu'ils sont attirés par le bâton. b ) Quand le bâton est approché des morceaux de papiers, ceux-ci s’électrisent par conduction. C’est pour cela qu’ils sont attirés par le bâton. c ) Quand le bâton est approché des morceaux de papier, ceux-ci s’électrisent par induction. C’est pour cela qu’ils sont attirés par le bâton.
5
L’illustration ci-contre montre un circuit électrique composé d’une pile de 1,5 V, d’un voltmètre et de deux résisteurs pos sédant chacun une résistance de 250 Ω. a ) Faites un schéma du circuit illustré ci-contre.
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
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b ) Le voltmètre de la page précédente affiche 0,75 V. Quel est le courant dans le circuit ?
c ) Redessinez le schéma du circuit illustré à la page précédente, en y incluant un ampèremètre qui mesure le courant généré par la pile.
d ) Quelle est la puissance électrique consommée par chacun des résisteurs ?
e ) Quelle quantité d’énergie électrique est consommée par chacun des résisteurs en 60 minutes ?
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f ) Vous remplacez l’un des deux résisteurs du circuit par un résisteur de 500 Ω. 1) C e changement aura-t-il pour effet de faire augmenter ou de faire diminuer le courant qui circulera dans le circuit ? Expliquez votre réponse.
2) C e changement aura-t-il pour effet de faire augmenter ou de faire diminuer la différence de potentiel aux bornes de l’autre résisteur de 250 Ω ? Expliquez votre réponse.
6
Un courant de 0,05 A est établi dans un résisteur aux bornes duquel la différence de potentiel est de 4 V. Quelle est la résistance de ce résisteur ? a ) 0,012 5 Ω
7
b ) 0,2 Ω
c ) 80 Ω
Deux ampoules sont branchées dans le même circuit. L’une d’elles brûle, mais la deuxième reste allumée. Parmi les énoncés suivants, lequel est vrai ? a ) Les deux ampoules sont branchées en série. b ) Les deux ampoules sont branchées en parallèle. c ) Il est impossible de savoir comment les ampoules sont branchées sans avoir davantage de précisions. d ) La situation décrite est physiquement impossible : quand l’une des ampoules d’un circuit brûle, toutes les autres s’éteignent nécessairement.
8
Un résisteur de 100 Ω est soumis à une différence de potentiel de 30 V. Quelle puissance électrique consomme-t-il ? a ) 0,3 W b) 9 W c ) 3 000 W
9
Observez la forme des lignes de champ illustrées ci-contre. Qu’est-ce qui a pu les créer ? a ) Un aimant b ) Un fil rectiligne
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Chapitre 5 L’éLectricité et L’éLectromagnétisme
131
10
Un courant est établi dans un long fil conducteur. a ) Sur l’illustration suivante, indiquez les signes des bornes du fil en inscrivant un + et un − aux endroits appropriés. b ) Que se produira-t-il si l’intensité du courant dans le fil augmente? 1) Le champ magnétique deviendra plus intense. 2) Le champ magnétique deviendra moins intense. 3) L’intensité du champ magnétique ne changera pas.
11
Sur les illustrations suivantes, les cercles noirs représentent des boîtiers de boussole. Dessinez correctement les aiguilles de chacune de ces boussoles. (Dessinez le pôle Nord des aiguilles en rouge et laissez le pôle Sud en blanc.) a)
b)
132
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SOMMAIRE
Terre et
espace
CHAPITRE 6 L’espace et l’atmosphère
134
CHAPITRE 7 La lithosphère et l’hydrosphère 161 CHAPITRE 8 La biosphère 191
chapitre
6
L’ESPACE ET L’ATMOSPHÈRE
Les sciences de la Terre ont mis en évidence l’impact de certains phénomènes astronomiques sur notre planète, dont les échanges d’énergie. Dans ce chapitre, vous découvrirez que l’énergie rayonnante du Soleil et le mouvement rotatif de la Terre donnent lieu à divers phénomènes météorologiques. Vous apprendrez aussi que les interactions gravitationnelles de la Terre, de la Lune et du Soleil sont responsables des marées. Enfin, vous étudierez l’impact d’autres phénomènes atmosphériques sur l’environnement pour mieux comprendre cette ressource énergétique renouvelable qu’est l’atmosphère.
SOMMAIRE
Rappel 135 6.1 L’espace 136 6.2 Les masses d’air 141 6.3 La circulation atmosphérique 142 6.4 Les cyclones et les anticyclones 144 6.5 L’eet de serre 149 6.6 Les ressources énergétiques de l’atmosphère 151
RAPPEL
L’atse L’atse est une cuce gazeuse elativeent tansaente qui envele la Tee. Au niveau de la e, l’ai est csé de diazte (78,1 %), de dixygne (20,9 %), d’agn (0,93 %), de gaz cabnique (0,04 %) et de taces d’autes gaz. En atant de la suface de la Tee, l’atse cte quate cuces : la tse, la statse, la ésse et la tese.
Le vent
La luie
Le vent, anifestatin natuelle de l’énegie, est le uveent d’une asse d’ai située à la suface de la Tee. Ce uveent est causé a la cbinaisn de deux facteus :
La luie est une fe d’énegie aynnante. Elle ssde les iétés suivantes :
• le écauffeent inégal des difféentes égins du glbe a l’énegie slaie qui cée des cellules de cnvectin ;
• elle eut ête éflécie (a une suface âle) u absbée (a une suface fncée).
• elle se age en ligne dite et eut ête déviée en assant d’un ilieu à un aute ;
• la tatin de la Tee. Pôle Nord
Transparent On voit clairement au travers.
Vents d’est polaires 60° N
Opaque On ne voit pas au travers.
Translucide On voit au travers, mais l’image est floue.
30° N Calmes tropicaux Calmes équatoriaux 30° S
Pôle Sud
60° S Vents d’est polaires
Ls sx clluls d convcon à l’ogn ds mouvmns d msss d’ dns dvss égons du glob.
L comomn d l lumè v slon l y d sufc qu’ll f.
Le secte électagnétique Le secte électagnétique est l’enseble des aynneents éis a le Sleil. Seuls la luie visible et les ayns infauges (caleu) euvent ête eçus a l’uain.
La gavitatin univeselle La gavitatin univeselle est un énne a lequel deux cs s’attient à cause de leu asse. La asse des cs et la distance les séaant déteinent la fce gavitatinnelle, u gavité. Corps très massif
Grande force d’attraction Corps peu massif
Corps très massif
Petite force d’attraction
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Petite force d’attraction
L’nnsé d l foc gvonnll xcé l cos d guc su l cos d do s foncon d l mss d ccun ds dux cos d l dsnc qu ls sé. (La taille de la flèche augmente avec l’intensité de la force gravitationnelle.)
Chapitre 6 L’ESpACE ET L’ATmoSphèrE
135
6.1 L’espace La présente section traite du flux d’énergie émis par le Soleil et des inter actions entre la Terre et la Lune afin d’expliquer le phénomène des marées.
6.1.1
Le flux d’énergie émis par le Soleil
Le Soleil est composé essentiellement d’atomes d’hydrogène (H) et d’hé lium (He). La fusion des noyaux d’hydrogène, qui se transforment ainsi en atomes d’hélium, dégage une énorme quantité d’énergie. Le flux d’énergie émis par le Soleil est l’énergie de l’ensemble du rayon nement électromagnétique qui s’échappe de sa surface pour se propager dans l’espace. Figure 1
La latitude.
Tr du o pi q Ca ue n ce r
Tro Ca pi qu pr i e d co r ne u
Figure 2
Le solstice de décembre.
ue pi q e r Tro C an c du
du ue e pi q c or n o r T pr i Ca
Figure 3
Le solstice de juin.
Une partie du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre est absorbée par des surfaces généralement foncées (roche, asphalte, brique) et dégagée ultérieurement sous forme de chaleur. L’autre partie de ce rayonnement est réfléchie par des surfaces généralement claires (sable, eau, neige). Elle retourne dans l’atmosphère et, en partie, dans l’espace. La quantité de rayonnement solaire qui touche à la surface de la Terre, appelée « insolation », varie selon divers facteurs (voir le tableau 1). TABLEAU 1
Les facteurs qui influent sur l’insolation
Facteurs influant sur l’insolation
Explication
La latitude (voir la figure 1)
En raison de la forme sphérique de la Terre, les rayons solaires sont plus diffus lorsqu’ils frappent les régions polaires et plus concentrés lorsqu’ils frappent les régions équatoriales.
Les saisons (voir les figures 2 et 3)
Comme l’axe de rotation de la Terre est incliné, la zone qui reçoit le maximum d’insolation (selon l’heure de la journée, là où les rayons du Soleil sont perpendiculaires à la surface du globe) se déplace d’un tropique à l’autre durant l’année.
L’épaisseur de la couche d’ozone
La couche d’ozone de la haute atmosphère (stratosphère) protège la Terre d’une partie des rayons ultraviolets provenant du Soleil. Plus la couche est dense, plus les rayons sont absorbés.
La pollution atmosphérique
Tout comme la présence de nuages, les particules issues de la pollution atmosphérique et des éruptions volcaniques interfèrent dans la quantité de rayonnement solaire qui peut atteindre le sol.
Les surfaces réfléchissantes (albédo*)
Les surfaces réfléchissantes, par exemple le sable clair ou la neige blanche, font « rebondir » les rayons lumineux vers l’espace et d’autres surfaces, lesquelles, selon leur nature, pourront les réfléchir ou les absorber (ex. : l’asphalte et la terre noire).
* L’albédo indique la capacité d’un corps de réfléchir l’énergie lumineuse qu’il reçoit. Les corps pâles ont donc un albédo plus élevé que les corps foncés.
136
TERRE ET ESPACE
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te 6.1
Activités 6.1.1 1
Une partie du rayonnement du Soleil atteignant la surface de la Terre est absorbée par certaines surfaces, puis relâchée ultérieurement sous forme de chaleur. Parmi les facteurs suivants, lequel peut expliquer une diminution de l’insolation ? a ) L’augmentation de particules volatiles due à la pollution atmosphérique. b ) La présence d’un trou dans la couche d’ozone. c ) Le nombre croissant d’édifices possédant bon nombre de fenêtres réfléchissantes. d ) L’arrivée du solstice de juin dans l’hémisphère Sud.
2
Lequel des énoncés suivants est vrai en ce qui concerne l’insolation ? a ) La totalité du rayonnement solaire est absorbée à la surface de la Terre. b ) Peu importe notre situation géographique, l’insolation demeure constante toute l’année. c ) Pour une même insolation, les surfaces foncées absorbent plus d’énergie solaire que les surfaces pâles. d ) Les particules de poussière dans l’air permettent une meilleure diffusion de la lumière, ce qui augmente l’insolation.
3
Au retour de la plage, votre ami vous montre son coup de soleil en disant : « C’est fou comme le soleil est fort au bord de la mer ! » Parmi les facteurs suivants, lesquels ont favorisé la quantité de rayonnement solaire reçue par votre ami ? 1) La couleur pâle du sable.
3) La surface réfléchissante de la mer.
2) L’humidité et les poussières de l’air.
4) La couleur foncée de sa bouée de plage.
a ) 1 et 4
6.1.2
b ) 1, 2 et 3
c ) 1 et 3
d ) 3 et 4
Le système Terre-Lune
Dans le système solaire, les planètes tournent autour du Soleil et des satellites naturels tournent autour de certaines planètes. C’est le cas de la Lune, dont l’orbite fait le tour de la Terre. Les astres et les planètes se maintiennent dans leur orbite et ne dérivent pas dans l’espace grâce à la force gravitationnelle qu’ils subissent et à leur vitesse de rotation. En effet, selon la loi de la gravitation universelle, tous les corps qui ont une masse s’attirent mutuellement. Le phénomène le plus connu résultant de la force d’attraction gravitationnelle entre la Terre et la Lune est celui des marées.
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
137
Le système Terre-Lune est caractérisé par des interactions gravitationnelles dont l’une des manifestations observables sur la Terre est le phénomène des marées. Une marée est une déformation de la surface de l’eau des océans. Elle est le résultat des forces d’attraction qu’exercent la Lune et, dans une moindre mesure, le Soleil sur la Terre. Ainsi, la Lune, par l’attraction qu’elle exerce, provoque un renflement des eaux océaniques qui lui font face : c’est ce qu’on appelle la « marée haute » (voir la figure 4). Au même moment, les eaux situées sur la face opposée de la Terre subissent elles aussi un renflement. A À la pleine Lune, il se produit une marée de vive-eau.
B À la nouvelle Lune, il se produit une marée de vive-eau.
La figure 4B montre qu’il y a deux marées hautes et deux marées basses en même temps, qui sont diamétralement opposées. De plus, comme la Terre tourne sur elle-même, les deux renflements des eaux se déplacent en provoquant des marées hautes et des marées basses en alternance deux fois par jour, toutes les 12 heures environ. Ainsi, la marée monte et descend approximativement toutes les 6 heures. Rotation de la Terre Pôle Nord
Attraction de la Lune Lune
Marée basse Marée haute
C Au premier quartier et au dernier
quartier de la Lune, il se produit deux marées de morte-eau. Attraction gravitationnelle de la Lune Attraction gravitationnelle du Soleil Sens de rotation de la Terre Figure 5 La position du système Terre-Lune par rapport au Soleil influe sur l’amplitude des marées, c’est-à-dire la différence entre le niveau de l’eau à marée basse et le niveau de l’eau à marée haute. Note : La figure n’est pas à l’échelle.
FLASH
SCIENCE
A Le niveau des masses d’eaux océaniques si aucune force d’attraction extérieure n’est exercée sur la Terre.
B La force d’attraction de la Lune sur les masses d’eaux océaniques* produit simultanément deux marées hautes et deux marées basses.
* Comme les marées sont à peine perceptibles dans les lacs et les mers, on ne considère généralement que les marées des masses d’eaux océaniques.
Figure 4 Les interactions gravitationnelles entre la Terre et la Lune, et les marées.
L’attraction gravitationnelle et la position du système Terre-Lune par rapport au Soleil influent sur les marées. Toutefois, l’effet du Soleil sur les marées est deux fois plus petit que celui de la Lune étant donné la grande distance séparant les deux astres. À la pleine et à la nouvelle Lune, la Terre, la Lune et le Soleil se trouvent sur le même axe. Les forces d’attraction du Soleil et de la Lune s’additionnent alors et provoquent des marées de plus grande amplitude appelées « marées de vive-eau » (voir la figure 5).
La marée du siècle
En mars 2015, on a observé un marnage (différence entre marée haute et marée basse) de plus de 16 mètres dans la baie de Fundy, située entre le Nouveau-Brunswick et la Nouvelle-Écosse. On a nommé cet événement « la marée du siècle ». Ce phénomène revient tous les 18 ans. Le prochain est prévu pour le 2 mars 2033.
138
TERRE ET ESPACE
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te 6.1
Activités 6.1.2 1
Observez l’illustration ci-contre, qui montre la position de la Terre par rapport à la Lune et au Soleil à un moment donné. Puis, répondez aux questions.
Terre Soleil
Lune A
a ) 1) Quel type de marée est produit à ce moment précis au point A ? Marée de morte-eau
Marée basse
Marée de vive-eau
Marée basse de morte-eau
2) Justifiez le choix que vous avez fait dans la réponse à la question a1.
b ) Complétez le schéma ci-dessous, qui porte sur les marées produites au moment de l’alignement Terre-Lune-Soleil. 1) Dessinez le niveau des mers. 2) Indiquez toutes les marées produites sur la Terre à ce moment précis. 3) Complétez la légende.
Légende
2
Lisez l’énoncé suivant, puis répondez aux questions a et b. Vous faites une excursion en mer. Au port, le capitaine du bateau vous dit : « Nous partirons demain matin à 7 h 00, pas avant, sinon, nous n’irons nulle part ! Les récifs risqueraient d’abîmer la cale de mon bateau. » a ) Parmi les énoncés suivants, lequel explique la raison de votre départ en mer à cette heure précise ? 1) La marée sera descendante, ce qui permettra un embarquement sécuritaire.
3) La marée sera stable, ce qui permettra de quitter le port sans incident.
2) La marée sera montante, ce qui permettra au bateau de quitter le port sans incident.
4) La marée sera ascendante, ce qui facilitera l’embarquement.
b ) La veille de votre excursion, la marée sera à son plus bas vers 16 h 00. Au moment de quitter le port en bateau, quel sera le mouvement de l’eau ? 1) Descendant, d’où l’urgence de quitter le port à 7 h 00 précises. 2) Descendant, puisqu’il devrait y avoir deux marées basses dans la journée. 3) Montant, puisque la marée haute est prévue 3 heures après l’heure du départ, soit vers 10 h 00. 4) Ni montant ni descendant, puisque la marée aura atteint son niveau optimal vers 7 h 00.
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
139
3
Lisez l’énoncé suivant, puis répondez aux questions a et b. En vacances en Nouvelle-Écosse, au bord de l’océan Atlantique, vous décidez d’observer les marées de 5 h 00 à 19 h 00. La marée est à son plus bas à 6 h 00. a ) Combien de marées, hautes et basses, observerez-vous ? 1) Trois marées : une basse et deux hautes
3) Quatre marées : deux basses et deux hautes
2) Deux marées : une basse et une haute
4) Trois marées : deux basses et une haute
b ) En tenant compte de l’ordre chronologique, quelle rangée de schémas correspond aux marées observées ? Le symbole signifie « Je suis ici ». À 6 h 00
À midi
À 18 h 00
B
B H
1)
H
B
H
H
H
H
H
B H
H
B
B
B
B H
3)
H B
B
2)
À minuit
H
B
B
B
H
B
B
H
B
H
4)
4
140
H
Dans certains pays qui bordent les océans, les maisons situées le long des côtes sont parfois construites sur pilotis, comme le montre la photo ci-contre. Expliquez un des avantages liés à ce genre de construction.
TERRE ET ESPACE
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TE 6.2
6.2 Les masses d’air Sur de vastes territoires, comme celui de l’Amérique du Nord, on trouve de très grands volumes d’air. Or, d’une région à l’autre, ces volumes d’air sont soumis à des conditions différentes de température, d’humidité et de pression. Les volumes d’air qui sont soumis à des conditions particulières d’une région à une autre se nomment des « masses d’air ». Dans le sud du Québec, les masses d’air provenant du sud sont généralement chaudes et humides et celles provenant du nord, froides et sèches. Une masse d’ai est un grand volume de l’atmosphère dont la température, l’humidité et la pression sont relativement homogènes. En raison de leurs caractéristiques différentes, les masses d’air qui se rencontrent ne se mélangent pas. La surface où elles se rencontrent se nomme « front » : il s’agit d’une zone où la direction des vents, la température et le taux d’humidité changent rapidement (voir le tableau 2). TABLEAU 2
Les différences entre un front froid et un front chaud Front froid
Front chaud
Une masse d’air froid rattrape une masse d’air chaud. L’air froid s’infiltre sous cette masse d’air chaud, amenant celle-ci à se refroidir en prenant de l’altitude. Ce refroidissement entraîne la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau.
Une masse d’air chaud rattrape une masse d’air froid et passe au-dessus de l’air froid, plus dense à la même altitude. L’air chaud gagne ainsi de l’altitude et se refroidit graduellement.
Symbole utilisé en météorologie
Facteur de formation
Fortes précipitations Condition météorologique attendue
Nuages épais formés par la condensation de la vapeur d’eau (eau sous forme gazeuse) qui se refroidit, générant de fortes précipitations et de grands vents.
Nuages légers formés de minces couches, laissant place à un temps incertain : nuageux avec averses.
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
L’indic umidx
Duran l caud jurné d’éé, l bullin méérlgiqu arln d « calur rni » u ncr d « l’indic umidx ». L’indic umidx a éé créé n 1965 ar dux méérlgi canadin, J. M. Marn F. A. Ricardn. C indic m n rlain l aux d’umidié d l’air la méraur réll afin d’bnir un imain d
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la calur rni ar l cr (ufi, il n rnd a n cm l vn). Cmm l’indic umidx n’ a un mur, mai l réula d’un calcul, il n’ a rréné ar un unié d mur. À arir d’un indic umidx d 40, n cnidr qu l’ff cmbiné d’un fr aux d’umidié d’un méraur élvé cau baucu d’incnfr.
ChApITrE 6 L’espACe et L’AtMosphèRe
141
6.3 La circulation
atmosphérique L’air est un fluide gazeux qui est continuellement en mouvement autour de la Terre. La circulation atmosphérique est l’ensemble des mouvements des masses d’air qui entourent la Terre. Les mouvements des masses d’air sont causés par les différences de pression entre les zones de l’atmosphère. La pression atmosphérique dépend de la masse volumique de l’air, de l’humidité qu’il contient et, surtout, de sa température dans une région donnée. La circulation atmosphérique dépend donc de la variation de ces facteurs, qui entraînent généralement une boucle de convection (voir la figure 6). B A Source de chaleur
C C D
Air chaud Air froid
Figure 6 Une boucle de convection. A L’air chauffé se dilate. Sa masse volumique diminue et l’air chaud monte. B En s’éloignant de la source de chaleur, l’air se refroidit et se contracte. C La masse volumique de l’air froid augmente et l’air froid redescend. D L’air froid se substitue à l’air chaud qui monte.
Le même phénomène se produit à l’échelle de l’atmosphère terrestre. L’air des régions équatoriales, plus chaud et moins dense, s’élève dans les couches supérieures de l’atmosphère. De l’air plus froid, venu du nord, vient remplir l’espace ainsi libéré, d’autant plus aisément que l’air des régions plus froides a tendance à se condenser et à descendre vers le sol. Cet apport constant de masses d’air refroidies vers l’équateur, où elles seront à nouveau réchauffées, forme ainsi un mouvement de convection. En réalité, la circulation atmosphérique entre l’équateur et les pôles est plus complexe, car deux autres facteurs entrent en jeu : l’insolation qui diminue de l’équateur aux pôles et la rotation de la Terre. En raison de la rotation de la Terre, l’air froid qui se dirige vers l’équateur n’arrive pas directement des régions polaires. Il s’y rend plutôt en formant six boucles de convection appelées des « cellules » (voir la figure 7, à la page suivante). Ainsi, l’air se met en mouvement en formant six cellules dont l’enchaînement des courants de convection permet des échanges de chaleur de l’équateur vers les pôles. 142
TERRE ET ESPACE
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tE 6.3
La rotation de la Terre fait dévier les vents dans une direction bien précise selon la région où ils soufflent. C’est l’effet de Coriolis. À l’intérieur de chaque cellule, l’effet de Coriolis fait dévier les mouvements de l’air à la surface de la Terre. Ces deux phénomènes combinés donnent l’orientation particulière des vents (voir à nouveau la figure 7).
Pôle Nord Vents d’est polaires
Cellule polaire Cellule de Ferrel
Cellules de Hadley
60° N Vents d’ouest dominants
30° N
Alizés du nord-est
Équateur
Alizés du sud-est
Cellule de Ferrel
Vents d’ouest dominants
30° S
60° S
Cellule polaire Vents d’est polaires Pôle Sud
Figue 7 La ciculaion amoshéique. Dans la partie de l’hémisphère Nord où se trouve le sud du Québec, les vents soufflent habituellement d’ouest en est. Les systèmes météorologiques s’y déplacent généralement du sud-ouest vers le nord-est.
FLASH
SCIENCE
L’fft d Cilis
L’fft d Cilis a été décuvt a l savant fançais Gasad-Gustav Cilis (1792-1843). Clui-ci a xliqué qu la tatin d la T fait dévi tut cs n uvnt, a xl d l’ai, su sa sufac. Ainsi, la tajcti ds vnts st dévié vs la dit (dans l sns ai) dans l’éis Nd, t vs la gauc (dans l sns antiai) dans l’éis Sud (voir l’illustration ci-contre). L’fft d Cilis influ aussi su ls cuants ains.
Direction initiale
Déviation vers la droite
La déviaion des vens due à l’effe de Coiolis.
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CHApItrE 6 L’eSpACe eT L’ATmoSphère
143
6.4 Les cyclones
et les anticyclones La circulation des masses d’air au-dessus des régions chaudes ou froides crée des zones de pressions différentes qui produisent des cyclones (ou dépression) et des anticyclones (ou zones de haute pression). La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de l’atmosphère sur la surface de la Terre. Elle se mesure en pascal (Pa), souvent à l’aide d’un baromètre. La pression atmosphérique dépend entre autres du nombre de particules présentes dans un volume donné. Plus le nombre de ces particules est grand, plus la pression est forte et vice-versa.
6.4.1
La formation d’un cyclone
Un cyclone (ou dépression) est une zone de l’atmosphère où l’air chaud monte en tournant à partir d’un centre de basse pression. Dans l’hémisphère Sud, l’air tourne dans le sens horaire (sens des aiguilles d’une montre). Dans l’hémisphère Nord, à l’inverse, il tourne dans le sens antihoraire. Comme le montre la figure 8, le déplacement horizontal de l’air près du sol depuis la zone de haute pression vers la zone de basse pression (vent) est soumis à l’effet de Coriolis qui dévie l’air vers la droite (dans l’hémisphère Nord). Zone de haute pression (anticyclone)
Zone de basse pression (cyclone)
4
Montée de l’air chaud
Centre de basse pression
Descente de l’air froid
Centre de haute pression
5 2
Vent
1
6
3
Figure 8 Les systèmes de basse pression (cyclones) et de haute pression (anticyclones) dans l’hémisphère Nord. Ces systèmes sont à l’origine du vent. 1 Une masse d’air circulant au-dessus d’un sol ou d’un océan relativement chauds se réchauffe. 2 De cette façon, la masse volumique de l’air diminue, ce qui lui permet de s’élever dans l’atmosphère. 3 Des particules d’air froid prennent alors cet espace laissé libre par les particules chaudes, ce qui amorce un mouvement de convection. 4 L’air devient plus dense (masse volumique plus élevée) vu le refroidissement de ses particules. 5 S’ensuit un mouvement descendant vers le sol des particules plus froides (en altitude). 6 Ce mouvement de particules amorce ainsi un mouvement de convection.
144
TERRE ET ESPACE
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te 6.4
Les dépressions entraînent des conditions météorologiques instables, généralement accompagnées de précipitations et de vents. La forme la plus violente de dépression est l’ouragan. En prenant origine au-dessus des océans dans les régions chaudes, l’ouragan génère de fortes précipitations accompagnées de vents violents.
6.4.2
La formation d’un anticyclone
Un ncyclon (ou zone de haute pression) est une zone de l’atmosphère où l’air froid descend en tournant autour d’un centre de haute pression. Dans l’hémisphère Nord, l’air tourne dans le sens horaire (sens des aiguilles d’une montre). Dans l’hémisphère Sud, il tourne dans le sens inverse. À l’opposé du cyclone, l’anticyclone implique le refroidissement d’une masse d’air. Comme le suggère la figure 8 à la page précédente, la présence d’un anticyclone implique toujours la présence d’un cyclone, et vice-versa. En effet, le mouvement de convection s’amorce seulement s’il existe une différence de pression entre deux zones. Les anticyclones entraînent des conditions météorologiques plutôt stables, généralement accompagnées d’un ciel dégagé et de temps sec. Dans certaines conditions, un centre de haute pression qui reste longtemps au-dessus d’une même région peut causer une période de sécheresse ou de froid intense.
Activités 6.2 à 6.4 1
En mars, à l’arrivée du printemps, quels facteurs différencient les masses d’air que nous observons au-dessus du Québec en comparaison avec celles se trouvant au-dessus de l’Arizona, où le climat est désertique ? a ) La température, l’insolation et la pression. b ) La température, l’humidité et le type de nuages. c ) La pression, l’humidité et la quantité de pollution. d ) La pression, la température et l’humidité.
2
Durant les journées chaudes et humides d’été, pourquoi l’arrivée d’un front froid produit-elle des précipitations abondantes et de forts vents ? a ) Situé derrière le front, l’air froid (plus dense) monte rapidement en altitude au-dessus de l’air chaud en place, puis se condense à son contact pour former d’abondantes précipitations. b ) L’air froid, plus dense, situé derrière le front, s’engouffre sous l’air chaud en place. Celui-ci se refroidit en prenant de l’altitude, ce qui peut entraîner la condensation d’une partie de la vapeur d’eau et des précipitations. c ) L’air froid contient plus de particules de vapeur d’eau (humidité) que l’air chaud et produit davantage de précipitations en se mêlant à l’air chaud déjà en place. d ) L’air chaud contient une grande quantité d’humidité qui produira d’abondantes précipitations, peu importe le type de front qu’il rencontrera.
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
145
3
Est-il possible qu’un ouragan entraînant de fortes précipitations et des vents violents soit observé au Nunavut, un nouveau territoire du nord du Canada ? Justifiez votre réponse.
4
Ce schéma représente deux masses d’air situées dans un volume identique. Observez-le attentivement, puis répondez aux questions.
Légende Particule d’air Masse d’air 1
Masse d’air 2
Particule d’eau (H 2O(g))
a ) Dans quelle masse d’air la pression atmosphérique est-elle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.
b ) Supposons que la masse d’air 2 rattrape la masse d’air 1, quel type de front retrouverait-on à la frontière de ces deux masses d’air ? Un front chaud
Un front froid
c ) Au passage de ce front, de quelle façon la température mesurée au sol changerait-elle ? Elle augmenterait.
Elle diminuerait.
d ) Quel type de système décrirait le mieux le phénomène provoqué par l’arrivée de la masse d’air 2 ? Un cyclone
Un anticyclone
e ) Quel symbole devrait-on utiliser pour illustrer cette situation ?
146
1)
3)
2)
4)
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te 6.4
5
Observez la carte météo suivante. Puis, répondez aux questions. a ) Que représente la ligne bleue au centre de la carte ?
Situation météo Mardi
b ) Inscrivez les termes « chaud » et « frais » aux bons endroits sur la carte pour qualifier la masse d’air. c ) Combien de masses d’air observet-on sur cette carte ? Justifiez votre réponse.
d ) Qu’arrivera-t-il à la température de l’air, mercredi, dans la région de Sherbrooke ?
e ) Expliquez comment se déroulera ce changement. Puis, faites un schéma ci-contre pour illustrer vos propos.
Explication :
6
Dans plusieurs maisons, on trouve des ventilateurs installés au plafond de certaines pièces. Comme ceux-ci ne peuvent pas refroidir l’air ambiant, pour quelle raison choisit-on tout de même de les utiliser ? a ) Pour faire circuler l’air ; en hiver, faire descendre l’air chaud au sol et en été, créer une faible brise. b ) Pour créer des courants d’air et ainsi refroidir la pièce. c ) Pour créer une circulation d’air, en été seulement, afin de faire descendre le froid et ainsi économiser en frais de climatisation.
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
147
7
À l’aide des cartes, répondez aux questions suivantes. Prévisions Samedi
Probabilités de précipitations pour Toronto : 10 %
Prévisions Dimanche
Probabilités de précipitations pour Toronto : 50 %
a ) Complétez la capsule météo ci-dessous. Entourez le terme approprié dans chacune des boîtes. Voici les prévisions pour la fin de semaine : Samedi, il y aura du soleil à Toronto, à Ottawa et à Montréal. Dimanche, un front chaud – froid traversera ces trois villes lors du passage d’un
cyclone – anticyclone . Le temps sera plutôt
ensoleillé – nuageux mais relativement doux – froid – glacial . À Montréal, la température atteindra un maximum de -10 à -20 C – 6 à 8 C – 18 à 20 C . Lundi, la pluie cessera à Toronto et à Ottawa après le passage d’un front chaud – froid . À Montréal, le début de la semaine sera encore très ensoleillé – nuageux avec des possibilités d’averses en attendant le passage du même front. b ) Des averses sont prévues lundi à Montréal. Comment ces averses se forment-elles alors ? Dans un premier temps, expliquez ce qui se produit. Puis, faites un schéma pour illustrer vos propos.
Explication :
8
Dans la région de Québec, on prévoit un indice humidex de 40 et une chaleur accablante pour les prochains jours. a ) Qu’est-ce qui caractérisera la masse d’air durant ces journées ?
b ) Cette masse d’air sera-t-elle le résultat du passage d’un front chaud ou d’un front froid ?
c ) À la lumière de ces prévisions, y a-t-il un risque de formation d’ouragan dans la ville de Québec ? Justifiez votre réponse.
148
TERRE ET ESPACE
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te 6.5
6.5 L’effet de serre L’ff d s est un processus naturel par lequel une partie de la chaleur émise par le Soleil est conservée dans l’atmosphère (voir la figure 9). Sans effet de serre naturel, la température moyenne à la surface de la Terre serait d’environ −18 °C.
1 L T çit l’éngi li
(lui). Espace
2 Un ti d l’éngi li,
3
3 1
4 5
5
Atmosphère 2
4
6 6
Fgu 9
u f d ynnnt, tv l’t u ttind l uf tt t l éuff. L ti tnt du ynnnt li éi t éfléi l’t v l’. L’éngi ynnnt bbé l uf tt t nuit ééi, n bnn ti, v l’t u f d lu (yn infug). Un lu tit ti d yn infug t d l lui éfléi tv l’t t ttint l’. L t d yn infug t bbé l gz à fft d , ui ééi ux-i v l uf tt.
L’ff d s.
Les principaux gaz responsables de l’effet de serre (GES) sont présents naturellement dans l’atmosphère : la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l’oxyde de diazote (N2O). Cependant, depuis l’ère industrielle, la présence de ces gaz dans l’atmo sphère a augmenté. Cela est principalement dû à la combustion de combustibles fossiles, responsable d’émissions importantes de GES. En raison de la présence accrue de GES dans l’atmosphère, la chaleur demeure emprisonnée plus longtemps au niveau du sol, ce qui entraîne une hausse des températures moyennes sur la Terre. Il s’agit de l’effet de serre renforcé, qui se traduit par un ensemble de phénomènes, parmi lesquels on peut citer : • la fonte des glaciers et des banquises ;
• le dégel du pergélisol ; • la hausse du niveau des mers ; • la perturbation de nombreux écosystèmes ; • des périodes de sécheresse et d’inondation importantes.
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Chapitre 6 L’espace eT L’aTmosphère
149
Activités 6.5 1
Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez aux questions suivantes. Expéditeur : Pierre Destinataire : Dominique Objet : Enfin arrivés ! Salut Dominique ! Nous sommes finalement au pays des kangourous, après un trajet en avion de près de 24 heures ! Ouf ! Après avoir déposé nos bagages à l’hôtel, nous avons pris un taxi vers le centre-ville. On voyait au loin un épais nuage de fumée. Le chauffeur nous a dit que des incendies de forêt faisaient rage à l’extérieur de la ville… Malgré l’inversion des saisons, les soirées sont fraîches à Sydney… Le long des trottoirs et sur les terrasses, de grosses lampes électriques réchauffent l’atmosphère ! Nous avons d’ailleurs choisi de nous arrêter dans un resto typiquement australien : viandes exotiques cuites sur un feu de bois. Succulent !!! Je te laisse et te promets de te réécrire bientôt ! Ton ami globe-trotter Pierre
a ) Lequel des énoncés suivants est vrai ? Reportez-vous à la situation décrite dans le courriel de Pierre. 1) Les lampes électriques, par la lumière qu’elles dégagent, contribuent à l’effet de serre. 2) La température élevée des incendies de forêt contribue à l’effet de serre. 3) La combustion de combustibles fossiles et de bois produit un important gaz à effet de serre, le CO2. 4) Les GES produits sont évacués vers l’espace lors des soirées fraîches à Sydney. b ) Si l’on considère la position géographique de l’Australie, quelle manifestation de l’effet de serre est la plus susceptible de se produire dans cette région ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) La fonte de glaciers 2) Le dégel du pergélisol 3) La disparition de la banquise 4) Les périodes de sécheresse importantes 5) Les inondations
2
150
Quelle est la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre renforcé ?
TERRE ET ESPACE
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te 6.6
3
Les schémas suivants sont incomplets. Que leur manque-t-il pour représenter l’effet de serre renforcé ? Reliez chaque schéma à l’élément manquant. a) 1) Une partie des rayons est réfléchie par l’atmosphère vers l’espace.
b) 2) Une partie des rayons est absorbée par l’eau.
c)
4
3) Une partie des rayons est réfléchie par l’eau et retourne dans l’espace.
Depuis quelques années, la popularité de l’automobile électrique est grandissante au Québec et au Canada. Par contre, son coût élevé à l’achat pousse les consommateurs à opter pour un véhicule hybride fonctionnant à l’électricité et à l’essence, qui est moins dispendieux. En quoi l’utilisation de l’automobile électrique contribue-t-elle à diminuer l’effet de serre renforcé ?
6.6 Les ressources
A
énergétiques de l’atmosphère L’atmosphère est une réserve d’énergie constamment renouvelée par le rayonnement du Soleil. Ce rayonnement est lui-même une forme d’énergie exploitable grâce à certains systèmes technologiques (voir la figure 10). Fgu 10 Ds sysèms qu xlon l yonnmn du Soll. A D nnux li à cllul vlïqu. Un cllul vlïqu un diiif qui gén un cun élciqu lqu’il xé à l lui. Il cn d 15 à 20 % du ynnn li dinibl (çu u nivu du l). B D nnux li iqu. C nnux cn 75 % du ynnn li dinibl. L’éngi ni u liquid qui gin l clu lin l y d cuffg u l évi d’u d’un in.
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Rayonnement solaire
B
Eau chaude
Eau froide
Chapitre 6 L’espaCe et L’atmosphère
151
Un autre système technologique associé à l’atmosphère est l’éolienne, dont l’ancêtre est le moulin à vent. Aujourd’hui, l’énergie éolienne est exploitée pour produire de l’électricité. Les éoliennes sont généralement de très hautes structures, ce qui leur permet de capter les vents. En tournant, leurs pales activent une génératrice qui se trouve à l’intérieur de la nacelle et qui sert à produire de l’électricité (voir la figure 11).
Pale Génératrice d’électricité
Nacelle
Les ressources énergétiques de l’atmosphère correspondent à l’ensemble des caractéristiques de l’air, en particulier le rayonnement du Soleil et le vent.
Système d’orientation
Divers procédés technologiques mettent ces caractéristiques à profit afin d’en tirer de l’énergie thermique ou électrique (voir le tableau 3).
Mât
Figure 11 TABLEAU 3
Les différentes parties d’une éolienne.
Les principaux impacts de l’exploitation des ressources énergétiques de l’atmosphère
Système technologique
152
Désavantages
Avantages
Panneau solaire à cellules photovoltaïques
• Rendement qui dépend entièrement de facteurs météorologiques (rayonnement solaire). • Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint.
Panneau solaire thermique
• Ne produit pas d’électricité. • Rendement relativement faible qui dépend du rayonnement solaire. Sert donc comme système d’appoint pour le chauffage du chauffe-eau ou d’une habitation.
Éolienne
• Rendement qui dépend entièrement de facteurs météorologiques (vent). • Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint. • Structure imposante (pollution visuelle). • Fonctionnement occasionnant parfois un bruit sourd (pollution sonore). • Nécessite une installation sur un site stratégique : région venteuse, plaine libre d’obstacles ou bordure de mer.
Thermopompe à air (voir la question 6 de la page 155)
• Ne produit pas d’électricité. • Système de chauffage inefficace lorsque les températures sont très froides.
TERRE ET ESPACE
• Utilisent une énergie renouvelable (vent, soleil ou air). • N’émettent aucun GES ni aucun polluant atmosphérique.
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te 6.6
Activités 6.6 1
Ordonnez les transformations d’énergie impliquées dans le fonctionnement d’une éolienne. Pour ce faire, complétez le schéma ci-dessous à l’aide de la liste de mots fournie. Énergie mécanique de la génératrice
2
Énergie électrique (électricité)
Énergie mécanique du vent
Énergie mécanique des pales
Pour plusieurs foyers québécois, la plus grande dépense énergétique est le chauffage. Si une famille souhaite investir dans un système d’appoint pour chauffer sa maison, laquelle des solutions suivantes représenterait la meilleure option ? Justifiez votre réponse. a ) Des panneaux à cellules photovoltaïques
b ) Des panneaux solaires thermiques
Justification :
3
Votre oncle déménage en Gaspésie, une région située en bordure de mer et exposée aux vents. Il désire rendre sa nouvelle demeure plus écologique en matière de chauffage. a ) Cochez le système qui répond le mieux à ses besoins. b ) Cochez les avantages et les désavantages de ce système. Système
Avantages et désavantages du système
Éolienne
Utilise une énergie renouvelable.
Panneaux solaires thermiques
N’émet aucun GES ni aucun polluant atmosphérique.
Panneaux à cellules photovoltaïques
Rendement qui dépend de facteurs météorologiques (vent ou rayonnement solaire). Structure imposante et bruyante (source de pollution visuelle et sonore) Rendement relativement faible. Sert donc comme système d’appoint.
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
153
Répondez aux questions 4 et 5 à l’aide du tableau ci-dessous et de la carte des régions administratives du Québec. Le potentiel éolien techniquement exploitable au Québec pour chacune des régions administratives (2005) Région administrative
Puissance potentielle annuelle ( 109 kWh)
Région administrative
Puissance potentielle annuelle ( 109 kWh)
01 Bas-Saint-Laurent
46,8
10 Nord-du-Québec
10 919,4
02 Saguenay–LacSaint-Jean
118,5
11 Gaspésie−Îlesde-la-Madeleine
51,7 18,4
03 Capitale-Nationale (Québec)
4,7
12 Chaudière-Appalaches
04 Mauricie
3,7
13 Laval
0,0
05 Estrie
5,2
14 Lanaudière
0,2
06 Montréal
0,0
15 Laurentides
0,7
07 Outaouais
0,2
16 Montérégie
11,7
08 Abitibi-Témiscamingue
2,1
17 Centre-du-Québec
09 Côte-Nord
1 078,4
Total pour le Québec
5,6 12 267,3
Source : Étude réalisée pour le ministère des Ressources naturelles et de la Faune du Québec, juin 2005.
4
a ) Quelles sont les trois régions du Québec qui présentent le meilleur potentiel quant à la production annuelle d’électricité provenant d’éoliennes ?
Les régions administratives du Québec
b ) Nommez deux raisons qui peuvent expliquer le potentiel éolien de ces trois régions.
c ) Nommez une autre région du Québec où il pourrait être judicieux de produire de l’électricité à l’aide d’éoliennes. Justifiez votre réponse.
154
TERRE ET ESPACE
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te 6.6
La majorité des parcs éoliens sont implantés en Gaspésie et dans le Bas-Saint-Laurent. Aucun parc éolien n’a été développé dans la région administrative 10 Nord-du-Québec bien qu’elle dispose de près de 90 % du potentiel éolien techniquement exploitable du Québec. Par ailleurs, on y a construit plusieurs centrales hydroélectriques. Quelles raisons peuvent justifier cette situation ? Cochez toutes les bonnes réponses.
5
a ) Au Québec, l’hydroélectricité est un mode de production plus performant que l’éolienne. b ) L’électricité produite par les éoliennes ne peut pas être transportée sur de grandes distances. c ) L’hydroélectricité est un mode de production qui, tout comme l’éolienne, n’émet aucun gaz à effet de serre. d ) La construction d’un parc éolien aurait nécessité des investissements trop importants : construction de routes, de réseaux de transport de l’électricité sur de grandes distances, etc. La thermopompe (voir la photo ci-dessous) est un appareil électrique pouvant chasser la chaleur de l’air vers l’extérieur afin de climatiser une habitation en été et, inversement, transférer la chaleur de l’air de l’extérieur vers l’intérieur en hiver. Toutefois, durant les grands froids d’hiver, elle doit être couplée à un autre système, tel le chauffage au mazout, au gaz ou à l’électricité, afin de répondre aux besoins de chauffage.
6
Nommez un avantage et un désavantage de ce système de chauffage sur le plan environnemental.
Avantage :
Désavantage :
Un modèle de thermopompe.
CONSOLIDATION DU ChApITre 6 1
Parmi les facteurs suivants, entourez ceux qui influent sur l’insolation. a ) La présence de nombreux nuages
d ) Le type de sol
b ) La température de l’eau
e ) La saison
c ) La position géographique sur Terre
f ) L’heure de la journée
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
155
2
Complétez le tableau suivant. a ) Dans la deuxième colonne, pour chaque surface représentée, indiquez si le rayonnement solaire est absorbé ou réfléchi. Cochez la case appropriée. b ) Dans la dernière colonne, nommez le facteur responsable de l’absorption ou de la réflexion du rayonnement solaire.
Surface
Rayonnement solaire Absorbé
Réfléchi
Facteur responsable de l’absorption ou de la réflexion
De la neige
Une piste ou une route asphaltée
Des maisons recouvertes de chaux
Des panneaux solaires à cellules photovoltaïques
3
156
Nommez trois éléments qui distinguent le passage d’un front chaud de celui d’un front froid.
TERRE ET ESPACE
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4
Voici le calendrier lunaire du mois de février 2033. Lundi
PL
Mardi
Mercredi
Jeudi
Vendredi
Samedi
Dimanche
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Légende : PL = Pleine Lune
a ) Combien de marées, hautes et basses, y aura-t-il le 14 février ?
b ) Quel phénomène lunaire particulier aura lieu à cette même date ? c ) Qu’est-ce que cela signifie en ce qui a trait aux marées ?
d ) Qu’est-ce qui explique ce phénomène ? e ) À quelles dates approximatives y aura-t-il des marées de morte-eau ? 5
Pour illustrer la circulation atmosphérique, une enseignante de science prend un contenant fermé hermétiquement dans lequel elle insère de la fumée. En plaçant un carton noir derrière ce contenant, les élèves sont en mesure d’en visualiser le contenu (voir l’illustration ci‑contre). Par quel moyen l’enseignante pourrait-elle faire en sorte que la fumée circule rapidement à l’intérieur du contenant ?
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Chapitre 6 L’espace et L’atmosphère
157
6
Nommez trois éléments communs au cyclone et à l’anticyclone. •
•
•
7
Pourquoi l’effet de serre naturel est-il nécessaire ? a ) Afin de maintenir un équilibre des températures favorable à la vie telle qu’elle existe présentement. b ) Afin de réchauffer les régions polaires et de leur permettre d’avoir un été agréable. c ) Afin de conserver toute la chaleur émise par le Soleil au niveau de la surface terrestre. d ) Pour envoyer les gaz à effet de serre produits par l’activité humaine vers l’espace.
8
Lequel des graphiques suivants montre la façon dont la concentration des GES influe sur l’effet de serre ? c) Effet de serre
Effet de serre
a)
Concentration des GES
Effet de serre
d) Effet de serre
b)
Concentration des GES
158
Concentration des GES
TERRE ET ESPACE
Concentration des GES
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9
Le schéma ci-dessous met en relation plusieurs concepts étudiés dans le présent chapitre. Complétez-le à l’aide de la liste de mots fournie.
• enfé
• nuel
• les éissins de GES
• le ven (i)
• l’uilisin de essues énegéiques enuvelbles
• le éuffeen liique
• l busin de busibles fssiles
• l’énegie du ynneen slie qui ese if dns l’se
• les séeesses e les inndins
• le ynneen slie • le dégel du egélisl
L’effet de serre
• l fne des glies e des bnquises
est produit par
qui peuvent être réduites par
est causé par provenant principalement de entraîne
comme
et qui provoque entre autres
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Chapitre 6 L’ESpacE Et L’atmoSphèrE
159
10
Les systèmes technologiques suivants exploitent différentes ressources énergétiques. Qu’ont-ils en commun quant à leur fonctionnement et à leurs avantages ou désavantages ? a ) Les panneaux solaires à cellules voltaïques et les panneaux solaires thermiques (outre le fait qu’ils sont des panneaux).
b ) Les thermopompes et les éoliennes.
c ) Les panneaux solaires thermiques et les thermopompes.
d ) Les éoliennes et les panneaux solaires à cellules photovoltaïques ?
11
Le tableau ci-dessous présente les ressources énergétiques de l’atmosphère. Complètez-le. Système technologique
Énergie renouvelable utilisée
Avantages
Désavantages
Éolienne
Panneaux solaires à cellules photovoltaïques
Panneaux solaires thermiques
Thermopompe
160
TERRE ET ESPACE
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chapitre
7
LA LITHOSPHÈRE ET L’HYDROSPHÈRE
Dans ce chapitre, vous ferez un survol des différentes composantes de la litho sphère. Vous découvrirez notamment les impacts de l’activité humaine sur ces composantes et comprendrez mieux certains enjeux environnementaux actuels tels que la déforestation. Vous explorerez aussi les caractéristiques de l’hydrosphère et les principes qui expliquent sa circulation à l’échelle des océans et à l’intérieur des continents. Vous verrez finalement comment cette ressource essentielle est mise à contri bution pour produire de l’électricité.
SOMMAIRE
Rappel 162 7.1 La lithosphère 163 7.2 L’hydrosphère 173
RAPPEL
La lithosphère La lithosphère est la couche externe solide de la Terre formée de la croûte terrestre et de la partie supérieure du manteau.
Océan
Continent Croûte terrestre
Lithosphère
Manteau
Les roches sont des assemblages de minéraux qui forment la croûte terrestre. Il existe trois principaux types de roches : • ignées (roche mère) : formées à la suite du refroidissement et de la cristallisation du magma.
La lithosphère. Roche
• sédimentaires : formées par l’accumulation de sédiments et de matière organique.
Minéraux Mica
• métamorphiques : formées à la suite d’une exposition à de hautes températures et pressions. Feldspath
Les minéraux se distinguent par leurs propriétés caractéristiques : éclat, dureté, couleur, couleur du trait, magnétisme, réaction à l’acide (effervescence), masse volumique, forme cristalline et clivage.
L’hydrosphère
Granite Quartz
Une roche, le granite, composée de trois minéraux.
L’hydrosphère correspond à l’ensemble de l’eau présente sur Terre sous les trois formes de la matière : solide, liquide ou gazeuse. La Terre est couverte à 71 % d’eau : 97,2 % de celle-ci est salée et le reste, 2,8 %, est de l’eau douce. Au total, 99,3 % de l’eau douce est inaccessible, car elle est prisonnière des glaciers, parfois aussi des eaux souterraines, ou se trouve sous forme de vapeur. La vapeur d’eau permet une interaction entre l’hydrosphère et l’atmosphère : • elle protège, en partie, les êtres vivants des effets néfastes des rayons ultraviolets ayant traversé l’atmosphère. • elle contribue à maintenir les températures terrestres relativement stables. Eau douce 28 mL Eau salée 972 mL
A Portion d’eau douce par rapport à la quantité d’eau totale.
Moins de 1% de l’eau douce est accessible.
21,50 mL 6,30 mL 0,17 mL 0,01 mL 0,01 mL
Glaciers Eaux souterraines Êtres vivants Eau de surface Atmosphère
B Portion d’eau douce disponible par rapport à la
quantité totale d’eau douce. La répartition de l’eau dans l’hydrosphère.
162
TERRE ET ESPACE
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TE 7.1
7.1 La lithosphère
Minéral : radium
Dans les sections suivantes, vous verrez que la lithosphère offre de nombreuses ressources minérales et énergétiques à l’humain.
7.1.1
Minéral : polonium
Les minéraux
Un minéal est une substance naturelle formée d’un élément ou d’un composé chimique qui entre dans la composition des roches et des sols. Un mineai est une roche extraite de la lithosphère. Cette roche contient une quantité suffisante de minéraux utiles, ce qui en justifie l’exploitation (voir la figure 1). L’exploitation des minéraux implique un grand nombre de transformations, depuis leur extraction jusqu’au produit fini, par exemple des bijoux en or ou des pièces en coltan pour téléphones mobiles. Souvent, ce processus a des conséquences néfastes sur l’environnement (voir le tableau 1). TABLEAU 1
Minerai : pechblende
Figue 1 Un mineai de ecblende (ou uanite) extait du sol afin d’en etie les minéaux, soit le olonium et le adium.
Des exemples d’impacts de l’exploitation minière sur l’environnement
Étapes du processus d’exploitation minière
Impacts environnementaux
Construction des routes d’accès aux sites d’exploitation.
Déplacement de populations animales et destruction de la flore environnante.
Exploitation des sites à ciel ouvert
Exploitation forestière, coupes à blanc et brûlage de la végétation de surface.
Extraction des minéraux par : • broyage ; • procédés chimiques.
• Libération de poussières volatiles dont le potentiel contaminant de l’air, du sol et de l’eau est plus grand que celui du minerai extrait sous sa forme originale. • Drainage des résidus toxiques dus à l’extraction de minerais par des sub stances chimiques (cyanure, acide sulfurique) et à leur réaction au contact de l’air ou de l’eau.
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Mai (1867-1934) Pi (1859-1906) Cui
À la fin u 19 icl, Pi Mai Cui ’inén à la aiacivié. Afin ’n il l’uanium, il npnnn b affin un gan quanié ’un minai applé « pcbln », qui cnin l’x ’uanium. C faian, l cupl écuv ux nuvaux élémn cnnu an la pcbln : l plnium, mai uu, l aium, un élémn xêmmn aiacif. Il fau cpnan ai 1 000 nn pcbln pu bni min ’un gamm aium !
7.1.2
Les horizons du sol
Des phénomènes naturels provoquent l’érosion et l’altération de la roche mère. Des fragments de roches se mêlent ainsi aux végétaux et aux animaux en décomposition et s’accumulent en couches superposées pour former les horizons du sol. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
ChApITrE 7 LA LIthosPhère et L’hydrosPhère
163
Les horizons du sol sont les différentes couches du sol qui se différencient par leur épaisseur et leur composition. Chacun des horizons du sol a un rôle important dans les écosystèmes qu’il supporte (voir la figure 2). Horizons
Composition et rôles O Couche superficielle (en surface) • Surtout constituée d’humus, matière végétale en décomposition. • Riche en éléments nutritifs. Rôles : • Décompose les débris végétaux et animaux, grâce aux décomposeurs, à l’humidité et à la température du sol. • Enrichit le sol en filtrant l’eau de pluie qui entraîne une partie des nutriments vers l’horizon suivant A . • Permet la germination de végétaux, grâce aux éléments nutritifs présents.
O
A
B
C
R
A Terre arable (ou cultivable) • Terre fertile (mélange d’humus et de minéraux). • Sol altérable en raison de l’érosion due au ruissellement, au vent et au gel. Rôles : • Assure la croissance des végétaux (haute teneur en nutriments et aération assurée par les vers, insectes et petits rongeurs). • Neutralise les précipitations acides (grâce aux fines particules minérales qu’elle contient). B Sous-sol • Contient très peu d’humus. • Principalement composé de minéraux. • Plus compact et solide que les horizons supérieurs. Rôles : • Supporte les racines d’arbres ; fournit les minéraux nécessaires à leur croissance. • Permet l’écoulement de l’eau vers les horizons inférieurs. C Roche mère fragmentée • Ne contient aucune matière organique. • Propice à l’exploitation minière. Rôle : • Supporte les horizons supérieurs. R Roche mère altérée • Constituée de roc. Rôle : • Supporte les horizons supérieurs.
Figure 2
Les horizons du sol, leur composition et leurs rôles.
7.1.3
Le pergélisol
Dans certaines régions nordiques, ou situées en altitude, la température passe rarement au-dessus de 0 ºC et une partie du sol conserve une température égale ou inférieure à 0 ºC durant une longue période. L’été y étant souvent très court, le sol reste gelé en profondeur. Le pergélisol est présent dans une vaste partie du Grand Nord canadien. Le pergélisol est la partie du sol considérée comme gelée en permanence pendant au moins deux années consécutives.
164
TERRE ET ESPACE
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te 7.1
Le réchauffement climatique actuel menace le pergélisol. Cela entraîne de nombreuses conséquences, dont : • la libération de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) atmosphériques, deux puissants gaz à effet de serre produits par l’action des microorganismes ; • des glissements de terrains provoqués par les sols plus meubles ; • l’instabilité des bâtiments et des routes causée par l’instabilité des sols (voir la figure 3) ; • la fonte de la banquise et, par conséquent, la disparition du lieu de reproduction de certaines espèces animales et la diminution de la nourriture disponible ; • des inondations.
Fgu 3 L’ffssmn d bâmns s un ds conséquncs du dégl du gélsol.
Activités 7.1.1 à 7.1.3 1
Lequel des énoncés suivants est vrai en ce qui concerne le minerai ? a ) Toutes les roches de la lithosphère sont des minerais. b ) Le minerai est un composant de la roche. c ) On exploite le minerai uniquement pour en tirer des minéraux métalliques tels que l’or ou le zinc. d ) Un minerai est une roche qui contient une quantité appréciable de minéraux utiles et dont l’exploitation est rentable.
2
À quel terme correspond chacun des énoncés suivants ? Inscrivez, dans chaque case, le numéro du terme approprié. 1) Minéral
2) Minerai
3) Roche
a ) Amalgame de différents minéraux formé sous l’effet de la chaleur et de la pression. b ) Élément du tableau périodique. c ) Gravier utilisé comme fondation dans la construction de routes. d ) Roche extraite du sol pour en tirer de l’or. e ) Exploitation de gisements de sel par les Mines Seleine aux Îles-de-la-Madeleine. 3
Indiquez les horizons du sol impliqués dans chacune des activités suivantes. Activités
Horizons du sol
a ) Construction de pilotis pour soutenir un pont. b ) Racler les feuilles mortes à l’automne. c ) Exploitation minière à 1,9 km de profondeur. d ) Planter des fleurs dans un jardin.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
165
4
Quelles seraient les conséquences d’un déversement acide dans une région où le sol est sableux et où l’agriculture ne peut être pratiquée ? Entourez l’énoncé approprié. a ) Le déversement serait neutralisé par les habitants locaux qui étendraient un produit basique au sol pour compenser l’absence de la couche superficielle et de la terre arable. b ) Le déversement ne créerait aucun dommage, puisque l’acide n’a aucun impact sur le sol. c ) L’absence de la couche superficielle et de la terre arable, toutes deux riches en matières organiques et minéraux, ne permet pas de neutraliser le déversement d’une telle substance. d ) Le déversement pourrait être neutralisé malgré l’absence de la couche superficielle, car les minéraux du sol sableux ont la possibilité de contrecarrer les impacts de l’acide.
5
Le réchauffement climatique crée plusieurs bouleversements dans toutes les régions du globe, particulièrement dans les régions nordiques. Lequel des phénomènes suivants n’est pas directement lié au dégel du pergélisol ? a ) L’augmentation du niveau de la mer causée par la fonte des glaciers. b ) L’effondrement de routes construites pour accéder à la baie d’Hudson. c ) L’émergence de bactéries et de virus capables de vivre des centaines d’années en dormance et responsables de maladies. d ) La production accentuée de méthane et de dioxyde de carbone, liés au métabolisme de micro organismes présents dans le sol.
6
Lequel des énoncés suivants décrit un impact réel du dégel du pergélisol sur les horizons O et A du sol ? a ) L’apparition d’espèces végétales qui croissent habituellement dans les régions plus tempérées. b ) L’augmentation de l’albédo étant donné le couvert de neige plus important (surface réfléchissante). c ) Une diminution de la température de ces horizons, vu le couvert de neige plus important. d ) Une meilleure capacité d’absorption de l’eau, car l’épaississement de ces horizons augmente la quantité d’humus et de terreaux qu’ils renferment.
7
Le maire d’une petite communauté du Nunavut, au nord du Canada, propose un plan d’action en réaction au dégel du pergélisol, conséquence directe du réchauffement climatique. Ces changements bouleversent la vie économique du village. Cochez les éléments dont le maire devrait tenir compte dans son budget de la prochaine année pour atténuer les répercussions liées à ce dégel. a ) L’achat de masques à gaz pour protéger la population des émissions importantes de gaz à effet de serre. b ) La vérification régulière de la stabilité des infrastructures, car les glissements ou les affaissements de terrain seront de plus en plus fréquents. c ) La construction d’une nouvelle route d’accès résistant aux variations des températures sans s’affaisser. d ) L’aménagement d’un jardin communautaire (culture de fruits et de légumes). e ) L’aménagement d’une plage propice à la baignade vu le climat plus chaud. f ) Le remplacement de conduites souterraines présentant des fissures dues au gel et au dégel.
166
TERRE ET ESPACE
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te 7.1
8
Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions a et b qui suivent.
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
La déforestation La cossance mondale enaîne souven des coues massves d’abes afn d’oben les ees agcoles nécessaes, ene aues, aux lanaons de cééales desnées à l’almenaon. O, le bos éan coué à un me suéeu au ebosemen, on assse à la défoesaon de vases eoes don les macs su l’envonnemen son moans : abas déus ou gandemen modfés, suve menacée e exncon ogessve de ceanes esces. Ces coues à blanc mnen lenemen à la désefcaon e à l’aauvssemen des sols. Des soluons ? L’agoécologe, qu alle l’agculue, la oecon e la égénéaon de l’envonnemen, semble une aoce effcace. Ses ecnques ncluen : le conôle bologque (lue cone les malades a des édaeus nauels), l’agofoesee
(abes e culues en un se), le sockage nauel de l’eau, l’ulsaon de fume bologque e le mélange culue-béal. En mae de ebosemen e d’agofoesee, une gle s’mose : nclue une vaéé d’esces. Gâce à cee dvesé, l’aaon d’une malade ou d’un aase cblan une esce sécfque n’emêcea as les aues végéaux de ousse malgé les nus n de leu ésse. De lus, les essouces e les mnéaux usés du sol vaen selon les végéaux, ce qu en éven l’aauvssemen. Cee dvesé végéale ae auss dveses esces anmales, céan un mleu lus équlbé e éslen à l’aaon d’élémens nusbles s’aaquan à une des esces ésenes.
a ) Pourquoi les coupes à blanc mènent-elles lentement à la désertification des territoires ? Entourez l’énoncé approprié. 1) Elles rendent le paysage désertique, vu l’absence de végétation résultant des coupes à blanc. 2) Elles transforment le relief, qui prend la forme de dunes sablonneuses et de vallées non propices à l’agriculture. 3) Elles mettent à nu les sols, ce qui en accroît l’érosion, puis le ruissellement tout en diminuant la rétention des minéraux et des nutriments nécessaires à la croissance des végétaux. 4) Elles exposent les sols à l’érosion, ce qui favorise l’arrivée de nouvelles bactéries pathogènes et nuisibles pour la régénération des espèces végétales et la survie des espèces animales. b ) Au Québec, des feux ravagent chaque année des milliers d’hectares de forêt. À l’été 2011, 299 incendies de forêt ont détruit une superficie de 2 500 hectares. L’épinette noire est une espèce souvent utilisée pour le reboisement. Cochez les désavantages associés au reboisement à l’aide d’une seule espèce d’arbres sur un territoire. 1) Risques élevés de ravage causé par les parasites ou les maladies. 2) Diminution de l’attrait visuel vu l’uniformité du paysage ainsi créé. 3) Présence d’une forte odeur de sapinage. 4) Diminution de la biodiversité du nouvel habitat créé par une seule espèce d’arbres et attrait d’un nombre restreint d’espèces animales pour celui-ci. 5) Compactage du sol vu l’utilisation de machinerie lourde utile à la plantation des épinettes. 6) Aauvssemen des sols vu l’unique espèce végétale présente.
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Chapitre 7 LA LithOSphèrE Et L’hyDrOSphèrE
167
7.1.4
Les ressources énergétiques de la lithosphère
La lithosphère comprend de nombreuses ressources énergétiques qui peuvent être regroupées en quatre catégories : les énergies fossiles, la biomasse, l’énergie nucléaire et la géothermie. Les ressources énergétiques de la lithosphère correspondent aux énergies provenant du sol qui sont exploitées, transformées et utilisées grâce à divers procédés technologiques.
Les énergies fossiles Ce type d’énergie est obtenu par la combustion de combustibles fossiles, dont le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Comme ces combustibles prennent des millions d’années à se former, ils sont considérés comme non renouvelables. Les combustibles fossiles permettent de répondre à environ 80 % des besoins énergétiques mondiaux actuels. Au début des années 2010, la production d’électricité à partir des centrales thermiques au charbon était le mode de production d’électricité le plus répandu dans le monde. La figure 4 décrit le principe de fonctionnement des centrales qui utilisent les combustibles fossiles pour produire de l’électricité.
Gaz de combustion Génératrice
Cheminée Chaudière
Turbine à vapeur
3
Réserve d’eau froide
4
4 Les pales de la turbine sont actionnées en rotation par la force de la vapeur d’eau.
1
Arrivée d’air
Brûleurs
Pompe
Arrivée du combustible
Figure 4
168
2 La chaleur produite chauffe l’eau de la chaudière et la transforme en vapeur. 3 La vapeur est conduite à pression élevée vers la turbine.
5
2
1 Le combustible brûlé dans la chambre à combustion dégage une importante quantité de chaleur. Les gaz de combustion sont évacués par une cheminée.
Circuit de refroidissement
5 La turbine entraîne la génératrice dans un mouvement de rotation afin de produire l’électricité. La vapeur ensuite refroidie retourne dans la chaudière sous forme liquide. L’eau ainsi obtenue peut être chauffée de nouveau.
Le fonctionnement d’une centrale thermique.
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te 7.1
L’exploitation des énergies fossiles présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 2). Elle a un impact négatif sur l’environnement. TABLEAU 2
Les avantages et les désavantages des énergies fossiles Avantages
• Faibles coûts de construction des centrales thermiques. • Peuvent être construites un peu partout. • Faibles coûts d’entretien.
Désavantages • Énergie non renouvelable. • Production de CO2 (gaz à effet de serre). • Émissions de NOx, de SO2 et de SO3, responsables des pluies acides. • Contamination des sols et de l’eau par l’exploitation et le transport des combustibles.
La biomasse La biomasse est l’ensemble de la matière organique qui compose tous les êtres vivants et leurs résidus. Utilisée depuis des milliers d’années, l’énergie de la biomasse provient du bois, du maïs et d’autres matières végétales, des déchets d’origine animale ou alimentaire ainsi que des détritus trouvés dans les décharges municipales. Divers procédés appliqués dans des centrales de biomasse permettent de convertir la biomasse en énergie sous forme : • de chaleur, utilisée pour chauffer et produire de l’électricité ; • de combustibles gazeux, dont le méthane, utilisé entre autres pour alimenter des chaudières destinées au chauffage de grands immeubles ; • de combustibles liquides, tel l’alcool (éthanol), surtout utilisé comme additif à l’essence. L’exploitation de la biomasse présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 3). TABLEAU 3
Les avantages et les désavantages de la biomasse Avantages
Désavantages
• Énergie renouvelable, à condition que sa régénération soit égale ou inférieure à sa consommation. • Vastes ressources de biomasse au Canada. • Énergie indépendante des facteurs météorologiques. • Énergie stockable. • Économie des ressources non renouvelables comme le pétrole.
• Production de CO2 et de CH4, d’importants GES, due à l’utilisation d’engrais, de machines agricoles, de moyens de transport et de systèmes de traitement. • Érosion et disparition de la couche superficielle et de la terre arable causées par l’utilisation des résidus de récolte comme combustible. • Contamination de l’air résultant de la combustion de la biomasse. • Pression accrue sur l’environnement causée par l’utilisation d’espaces destinés à la production de la biomasse et par une consommation d’eau importante.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
169
L’énergie nucléaire L’énergie nucléaire est obtenue principalement par la fission de l’uranium. La fission nucléaire est un processus par lequel on brise le noyau des atomes afin de produire une très grande quantité de chaleur (voir la figure 5).
Vapeur d’eau Chaudière
1 La fission de noyaux d’uranium dans le réacteur dégage une importante quantité de chaleur.
Turbine à vapeur
2 La chaleur produite chauffe l’eau de la chaudière et la transforme en vapeur.
3
2
3 La vapeur est conduite à pression élevée vers la turbine.
5
4
4 Les pales de la turbine sont actionnées en rotation par la force de la vapeur d’eau.
1
Pompe Réacteur
Figure 5
Réserve d’eau froide Génératrice
5 La turbine entraîne la génératrice dans un mouvement de rotation afin de produire l’électricité.
Le fonctionnement d’une centrale nucléaire.
L’exploitation de l’énergie nucléaire présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 4). TABLEAU 4
Les avantages et les désavantages de l’énergie nucléaire Avantages
Désavantages
• Excellent rendement. • Technologie fiable. • N’émet aucun gaz à effet de serre.
• Énergie non renouvelable. • Génère des déchets radioactifs. • Risques d’incidents nucléaires entraînant la dissémination de rejets radioactifs dans l’atmosphère et, par conséquent, une contamination à long terme de l’air et du sol. • À court et à moyen terme : brûlures et malformations génétiques chez les personnes exposées aux radiations.
La géothermie Dans les profondeurs de la Terre se trouvent des roches qui contiennent une grande quantité d’énergie thermique. Cette chaleur, une fois amenée à la surface, peut soit produire de l’électricité, soit chauffer directement des bâtiments (voir la figure 6, à la page suivante). L’exploitation de l’énergie géothermique est plus courante dans les régions où les roches chaudes se trouvent près de la surface du sol, comme dans les régions volcaniques ou encore dans les régions situées à la rencontre de plaques tectoniques, où l’activité volcanique est présente.
170
TERRE ET ESPACE
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te 7.1
Électricité
Chauffage 1
2
1
80˚
1 Des tuyaux transportent un liquide caloporteur (mélange eau-antigel) vers les sous-sols. 2 Le liquide caloporteur se réchauffe et remonte à la surface pour transmettre cette chaleur à une pompe thermique, à un système de circulation d’air ou encore à un ensemble turbine-génératrice afin de produire l’électricité.
2
180˚
Fgu 6
L nc d fonconnmn d’un cnl géomqu.
L’exploitation de la géothermie a peu d’impact négatif sur l’environnement. Cette forme d’énergie présente de nombreux avantages : • Elle ne dépend pas des facteurs météorologiques. • Elle utilise une ressource renouvelable. • Elle permet d’économiser les ressources non renouvelables comme le pétrole. • Elle n’émet aucun gaz à effet de serre.
Activités 7.1.4 1
L’Agence internationale de l’énergie prévoit que d’ici 2025, la consommation mondiale des ressources énergétiques fossiles sera de loin supérieure à celle des énergies renouvelables. Quelles seront les conséquences possibles de l’augmentation de la consommation mondiale de ce type d’énergie ? a ) Une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. b ) Une augmentation de la biomasse. c ) Une augmentation des précipitations acides. d ) Une augmentation des températures moyennes due à l’accentuation de l’effet de serre renforcé. e ) La construction de nouvelles centrales nucléaires.
2
En 2009, l’Agence internationale de l’énergie atomique prévoyait qu’entre 2006 et 2030, la demande mondiale d’électricité augmenterait de 80 %, nécessitant la construction de nombreux réacteurs nucléaires. Sur le plan environnemental, en quoi est-il avantageux que des pays émergents tels la Chine et l’Inde se tournent vers la production d’électricité provenant du nucléaire ? Entourez l’énoncé approprié. a) Le Canada, premier producteur mondial d’uranium, peut tirer profit de la vente de ce minerai à ces pays. b) Ce mode de production d’électricité produit peu de gaz à effet de serre. c) L’utilisation de l’énergie nucléaire permet de réduire l’exploitation d’autres ressources non renouvelables telles le charbon et le pétrole. d) Ce mode de production d’électricité est le plus fiable et sans risque pour ces populations très nombreuses.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
171
Observez bien le diagramme à bandes suivant, puis répondez aux questions 3 et 4. La comparaison des émissions de GES entre l’automobile à essence et l’automobile électrique lors de leur fabrication et de leur utilisation (2015) Auto à essence
Auto électrique
350
Fabrication Utilisation Fabrication et utilisation
Émissions de GES (g de CO2/km)
300
250
200
150
100
50
0 Pétrole
Carburant diesel
Charbon
Gaz naturel
Géothermie
Solaire
Éoliennes
HydroNucléaire électricité
Ressources énergétiques utilisées pour recharger la pile de l’automobile électrique Source des données : www.ucsusa.org/sites/default/files/attach/2015/11/Cleaner-Cars-from-Cradle-to-Grave-full-report.pdf
3
4
172
Parmi les ressources énergétiques suivantes, utilisées pour recharger la pile de l’automobile électrique, lesquelles permettent de réduire les émissions de GES occasionnées par la fabrication et l’utilisation de ce véhicule ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) C arburant diesel
4) G az naturel
7) N ucléaire
2) Charbon
5) H ydroélectricité
8) S olaire
3) Éoliennes
6) G éothermie
L’utilisation de l’automobile électrique produit-elle moins de gaz à effet de serre (GES) que l’utilisation de l’automobile à essence ? Justifiez votre réponse.
TERRE ET ESPACE
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te 7.2
5
On utilise divers systèmes technologiques pour transformer l’énergie en électricité. Les composantes qui figurent dans le tableau ci-dessous sont des exemples de systèmes technologiques utilisés dans une centrale thermique. Expliquez le rôle de chacune de ces composantes dans le processus de production d’électricité. Composante
Rôle
Combustible fossile
Turbine
Génératrice
6
Pour produire de l’électricité, quel est l’avantage d’utiliser : a ) l’énergie nucléaire plutôt que celle provenant des centrales thermiques ?
b ) l’énergie de la biomasse plutôt que celle provenant des centrales thermiques au charbon ?
c ) l’énergie géothermique plutôt que celle de la biomasse ?
7.2 L’hydrosphère Dans les sections suivantes, vous explorerez les différents aspects de l’hydrosphère, cette importante ressource énergétique renouvelable. Sur les continents, les précipitations s’écoulent en fonction du relief et des caractéristiques du sol. C’est ainsi que l’eau s’accumule et circule à l’échelle de vastes territoires. Sous l’effet de la gravité, l’eau s’écoule du haut (en amont) vers le bas (en aval) et selon la dénivellation du terrain. Ce ruissellement définit des lignes imaginaires qui relient les points les plus hauts des reliefs (voir la figure 7, à la page suivante). Les lignes délimitant ces territoires se nomment « lignes de crête » ou « lignes de partage des eaux ». Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
173
7.2.1
Les bassins versants
Un bassin versant est une partie du territoire, délimitée par des lignes de crête, qui draine les précipitations vers une rivière, les eaux souterraines ou un réseau de cours d’eau.
Ligne de crête
Figure 7 Le schéma d’un bassin versant. L’eau des précipitations ruisselle vers des bassins versants différents selon qu’elle tombe d’un côté ou de l’autre de la ligne de crête. Le ruissellement entraîne de fines particules, des matières organiques provenant de la surface des sols et des substances dissoutes.
En général, les petits bassins versants font partie de bassins plus grands. Par exemple, le bassin versant de la rivière Saguenay, qui draine les eaux du lac Saint-Jean et de nombreuses rivières, fait partie du bassin versant du fleuve Saint-Laurent, puisque la rivière Saguenay se jette dans le fleuve. Certaines activités humaines ont des effets importants sur les bassins versants (voir le tableau 5). TABLEAU 5
Des exemples d’impacts des activités humaines sur les bassins versants
Activités humaines
174
Impacts sur les bassins versants
Déforestation
• Augmentation de l’écoulement des eaux de surface causant une érosion importante du sol. • Envasement de cours d’eau. • Glissements de terrain. • Inondations.
Agriculture et élevage
• Modification de l’équilibre des écosystèmes et contamination des eaux souterraines due à l’utilisation d’engrais et à l’irrigation.
Exploitation minière
• Contamination des eaux souterraines due au lessivage de produits toxiques résiduels générés par le traitement des minerais.
Urbanisation
• Modification des écosystèmes et des habitats due à l’altération du débit des sources s’écoulant vers le bassin. • Détournement de l’écoulement des cours d’eau (à l’aide de réservoirs, par exemple) menant parfois à leur assèchement.
TERRE ET ESPACE
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te 7.2
7.2.2
La salinité
Composition ionique des sels
La salinité est un des facteurs qui différencient l’eau de mer de l’eau douce (voir la figure 8). La slné correspond à la quantité de sels minéraux dissous dans un volume déterminé de liquide. Plus la salinité de l’eau est élevée, plus la masse volumique de l’eau est grande et, inversement, moins la salinité est élevée, moins la masse volumique de l’eau est grande. Ainsi, en raison de la quantité de sels minéraux contenus dans les océans, l’eau de mer a une masse volumique plus élevée (1,025 g /mL) que celle de l’eau douce (1,0 g /mL). Un même corps flottera donc plus facilement s’il est plongé dans l’eau salée que s’il est plongé dans l’eau douce. L’eau saumâtre, quant à elle, est un mélange d’eau douce et d’eau salée. On trouve des eaux saumâtres là où l’eau douce des continents atteint les océans, à l’embouchure des fleuves, dans les estuaires ou les deltas par exemple. Comme elle est salée, l’eau de mer n’est pas potable, c’est-à-dire qu’on ne peut pas la boire. La principale source d’eau potable est l’eau douce (voir la rubrique Problématique environnementale, à la page 178). L’eau est dite « potable » seulement lorsqu’elle répond à certains critères qui font l’objet de contrôles et d’analyses. Par ailleurs, la plus grande partie des réserves d’eau douce de la planète se trouve sous forme de neige ou de glace.
Sodium (Na+) Chlorures (Cl−) Magnésium (Mg2+) Sulfates (SO 42−) Calcium (Ca2+) Potassium (K+) Autres ions
Eau 96,5 %
30,6 % 55,0 % 3,7 % 7,7 % 1,2 % 1,1 % 0,7 %
Sels 3,5 %
Une petite partie des sels de l’eau de mer provient de l’eau douce des bassins versants fluviaux qui se déverse dans les océans. Ces sels proviennent de l’érosion des roches de la lithosphère par les eaux de ruissellement et les eaux souterraines. La plus grande partie des sels provient de l’activité volcanique et des sources sous-marines situées le long des dorsales océaniques.
Fgu 8 d m.
L comoson d l’u
Activités 7.2.1 et 7.2.2 1
Pour chacune des illustrations ci-dessous, répondez aux questions suivantes. a ) Tracez, à l’aide d’un pointillé, les lignes de crête qui délimitent chacun des bassins versants illustrés. b ) Tracez, à l’aide de flèches, le sens d’écoulement des eaux dans chacun des bassins versants illustrés.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
175
Faites les activités 2 et 3 à l’aide de la carte suivante. L’Est du Canada
2
a ) Un objet flottant, qui ressemble à une bouteille de plastique, est à la dérive près de Gatineau. Cet objet peut-il être porté par le courant jusqu’à Trois-Rivières ? Justifiez votre réponse.
b ) Cochez la meilleure des trois explications suivantes qui aiderait votre ami à comprendre les conséquences de l’augmentation démographique des villes de Gatineau et de Trois-Rivières sur la vie des habitants de Matane. 1) Les réserves d’eau potable de Gatineau et de Trois-Rivières s’épuisent de plus en plus rapidement, rendant l’écoulement des eaux vers Matane passablement dépourvu en eau potable. 2) Davantage de polluants sont transportés vers Matane étant donné que cette ville partage le même bassin versant que Gatineau et Trois-Rivières. 3) Les besoins grandissants des villes de Gatineau et de Trois-Rivières ont pour conséquences de diminuer l’apport du fleuve en eau douce et de faire augmenter la salinité de l’eau à Matane. c ) Quelles activités liées à l’augmentation démographique des villes de Gatineau et de Trois-Rivières ont un impact environnemental sur le territoire où est située Matane ? Cochez les énoncés appropriés. 1) L’augmentation démographique entraîne la déforestation de ces territoires pour la construction de routes et de maisons et, ultimement, une plus grande érosion facilitant le passage (par ruissellement) de polluants dans le bassin versant que partage Matane avec ces villes. 2) Le Festival de montgolfières de Gatineau et le Grand Prix automobile de Trois-Rivières privent la ville de Matane de touristes potentiels. 3) L’augmentation démographique augmente la quantité de déchets produits et entreposés dans les décharges municipales d’où peuvent s’écouler des produits toxiques susceptibles de se déverser dans le bassin versant que Matane partage avec ces villes. 4) L’augmentation des besoins alimentaires de ces deux villes risque de diminuer les stocks de poissons et de crustacés, mettant en péril la survie de l’industrie de la pêche à Matane.
176
TERRE ET ESPACE
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te 7.2
3
Au cours d’une visite à Tadoussac, tout près de l’embouchure de la rivière Saguenay, vous observez que l’eau a une couleur brunâtre là où elle se jette dans le fleuve Saint-Laurent. Vous apprenez que, dernièrement, des pluies très abondantes sont tombées pendant de nombreux jours sur toute la région du Saguenay–Lac-Saint-Jean. Parmi les événements suivants, cochez celui qui s’est produit à l’embouchure de la rivière Saguenay pour que l’eau ait cette couleur. a ) Une usine a déversé une substance toxique brunâtre à l’embouchure de la rivière et les conséquences, la couleur brunâtre entre autres, sont observables jusqu’à Tadoussac. b ) Des pluies acides ont provoqué une réaction chimique avec l’eau des cours d’eau, faisant passer sa couleur bleue à une couleur brunâtre. c ) Les pluies abondantes sur la région se sont écoulées dans le bassin versant de la rivière Saguenay qui se jette dans le fleuve à Tadoussac, entraînant, par ruissellement, de fines particules et des matières organiques, qui ont donné une couleur brunâtre à l’eau. d ) Un bateau, qui s’est échoué à cet endroit, a déversé le contenu de sa cargaison de couleur brunâtre (du pétrole, par exemple).
4
Cochez la principale raison pour laquelle les alpinistes ne transportent pas d’eau en bouteille pendant leur ascension de l’Everest. a ) L’eau gèle pendant l’ascension. b ) La neige présente sur l’Everest sert de réserve d’eau douce qui est potable une fois bouillie. c ) Les bouteilles représentent un poids supplémentaire beaucoup trop important. d ) L’espace dans le sac à dos est insuffisant pour transporter des réserves d’eau embouteillée.
5
Terminez le rapport de laboratoire suivant.
Masse de l’œuf : 61,7 g Volume de l’œuf : 56 cm3 Masse volumique de l’eau douce ( ) : 1,0 g /mL
Eau douce
Eau salée
a ) Quelle est la masse volumique de l’œuf ? Laissez des traces de votre démarche.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
177
6
b)
Pourquoi l’eau salée a-t-elle une masse volumique supérieure à celle de l’eau douce ? Justifiez votre réponse.
c)
Quelle doit être la valeur minimale de la masse volumique de l’eau salée pour que l’œuf flotte ?
Lisez ce texte. Répondez ensuite aux questions a et b , à la page suivante.
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
L’eau potable Près des trois quarts de la Terre sont recouverts d’eau. Or, 97 % de cette eau est salée et moins de 3 % est de l’eau douce, source d’eau potable. De plus, moins de 1 % de cette eau douce est accessible ; elle provient des cours d’eau et des nappes souterraines. Le reste est prisonnier des glaciers, des banquises et des neiges éternelles. Ainsi, l’eau potable est une ressource relativement rare. À l’heure actuelle, deux principaux enjeux concernant les réserves d’eau potable sur la planète sont au cœur des préoccupations. Premièrement, bien que l’eau potable soit un bien précieux, les humains en consomment énormément. Par exemple, l’agriculture utilise près de 70 % de toute l’eau douce consommée mondialement pour l’irrigation des cultures. Or, les engrais utilisés par les agriculteurs sont des polluants qui, par ruissellement et lessivage, finissent par atteindre les cours d’eau. D’autres secteurs d’activité sont aussi de grands consommateurs d’eau douce. On estime que l’industrie en consomme environ 20 %. Au Canada, pas moins de 23 000 substances et produits chimiques sont utilisés dans la production des biens de consommation et dans les procédés industriels. Ainsi, un grand nombre de ces substances se retrouvent ultimement dans les cours d’eau et les nappes souterraines.
178
TERRE ET ESPACE
Deuxièmement, tous les peuples n’ont pas un accès égal à l’eau potable. Les Nations Unies estiment que, d’ici 2050, au moins une personne sur quatre pourrait subir des pénuries d’eau chroniques ou fréquentes. La restauration des écosystèmes liés à l’eau est prioritaire, mais, d’ici 2030, d’autres mesures d’assainissement doivent être mises en place : réduction de la pollution, recyclage des eaux usées, désalinisation, utilisation rationnelle de l’eau. La conservation des zones humides est nécessaire, car, 30,8 % de l’approvisionnement mondial en eau douce provient des eaux souterraines. Or, depuis le siècle dernier, 50 % des zones humides mondiales ont disparu…
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te 7.2
a ) Quelle est la conséquence commune à la déforestation et à la surexploitation de l’eau potable (voir la rubrique Problématique environnementale, aux pages 167 et 178) ? 1) Les deux ressources touchées, pourtant abondantes au Québec, risquent de s’épuiser rapidement. 2) Dans les deux cas, la problématique est liée à la pollution des réserves d’eau douce souterraines. 3) Les deux ressources sont surexploitées dans les pays riches seulement. b ) Parmi les mesures énumérées ci-dessous, cochez celles qui peuvent être prises pour préserver les réserves d’eau potable ou augmenter l’accès à l’eau potable. 1) Consommer des fruits et légumes cultivés sans l’utilisation d’engrais. 2) Construire de nouvelles installations d’épuration dans les régions où les réserves d’eau et l’accès à l’eau potable sont précaires. 3) Exploiter des usines de dessalement de l’eau de mer pour produire de l’eau potable. 4) Réutiliser les biens matériels pour réduire la quantité de déchets qui contaminent les réserves d’eau souterraines une fois enfouis. 5) Utiliser des compteurs d’eau pour inciter les citoyens à réduire leur consommation d’eau potable.
7.2.3
La circulation océanique
L’eau des océans est en mouvement continu. Le mouvement d’une masse d’eau dans une direction donnée est appelé « courant marin ». La cculon océnqu correspond à l’ensemble des courants circulant dans les océans de la planète. Il existe deux types de courants marins : les courants de surface et les courants de profondeur, ou de densité.
Les courants de surface Les vents qui soufflent à la surface des océans sont principalement responsables des courants de surface. Ces courants sont aussi soumis à une force créée par la rotation de la Terre (effet de Coriolis).
Les courants de profondeur Les courants de profondeur sont causés par une différence de salinité et de température de l’eau des océans. D’une part, l’eau salée, en raison de sa masse volumique élevée, a tendance à se diriger vers les fonds marins, en dessous de l’eau douce qui provient des grands fleuves et de la fonte des glaces des régions polaires. D’autre part, lorsque la température de l’eau refroidit (l’atmosphère absorbe une partie de sa chaleur), son volume diminue, ce qui augmente la masse volumique de l’eau. Ainsi, l’eau froide se dirige vers les fonds marins et l’eau chaude, vers la surface. Il s’agit d’un mouvement de convection.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
179
La circulation thermohaline Les courants de surface et les courants de profondeur forment ensemble la circulation thermohaline. Un des effets de ce phénomène de convection est de permettre à l’eau froide, plus dense, de descendre dans les fonds marins et à l’eau plus chaude de remonter en surface (voir la figure 9).
Gulf Stream
Golfe du Mexique
OCÉAN ATLANTIQUE
Mer des Caraïbes
Gulf Stream (courant de surface)
OCÉAN INDIEN
OCÉAN PACIFIQUE
Courants chauds de surface Courants froids et salés de profondeur
Figure 9
FLASH
La circulation thermohaline.
SCIENCE
Un iceberg est un énorme bloc de glace qui s’est détaché d’un glacier. C’est pourquoi il est constitué d’eau douce. Étant donné les densités respectives de la glace pure (920 kg/m3) et de l’eau de mer (1 025 kg/m3), environ 10 % du volume d’un iceberg est immergé. Les spécialistes sont aujourd’hui en mesure de prévoir les mouvements des icebergs. D’ailleurs, ceux-ci représentent une moins grande menace depuis la mise sur pied d’une patrouille internationale des glaces, à la suite du naufrage du Titanic en avril 1912.
180
TERRE ET ESPACE
La circulation thermohaline, en combinant les courants chauds et les courants froids, répartit la chaleur entre les océans. Cela a pour effet de réduire les écarts de température entre les pôles et l’équateur, donc de réguler le climat à la surface de la Terre. Portion de la boucle thermohaline, le Gulf Stream est l’un des courants les plus importants de la planète (voir la figure 9). Il transporte l’eau chaude de la mer des Caraïbes et du golfe du Mexique, remonte vers le nord en longeant la côte américaine, puis se dirige vers l’Europe. De façon générale, on considère que ce courant océanique contribue en partie à réchauffer le climat des parties nord et ouest de l’Europe.
7.2.4
Les glaciers et les banquises
Une partie de l’hydrosphère existe sous forme de neige ou de glaces, qui se trouvent dans les régions polaires et en altitude. Un glacier est une masse formée de glace (eau douce solide) provenant de l’accumulation et de l’entassement de neige à la surface d’un continent. Une banquise est un amas de glaces flottantes (formées principalement d’eau salée solide) à la surface des océans polaires.
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te 7.2
Le réchauffement climatique a pour effet de provoquer la fonte des glaciers et de constamment réduire la superficie des banquises. Ses impacts sur de nombreuses espèces, dont la nôtre, sont nombreux. Par exemple : • L’augmentation du niveau des mers due à l’apport de la fonte des glaciers en eau douce provoquerait : – la disparition des villes côtières ou construites sous le niveau de la mer, comme La Nouvelle-Orléans, aux États-Unis ; – des inondations menant parfois à la création de nouvelles voies navigables, à la diminution de la surface réfléchissante de la Terre (albédo) et aux déplacements de populations humaines. • La perturbation de la circulation thermohaline due à la modification de la salinité de l’eau et de sa densité provoquerait : – la perturbation du climat de nombreuses régions ; – le déplacement ou la disparition d’espèces dépossédées de leur site de reproduction ou de leurs sources d’alimentation.
Activités 7.2.3 et 7.2.4 1
La circulation océanique est caractérisée par deux types de courants : les courants de surface et les courants de profondeur. Les encadrés ci-dessous présentent quatre facteurs qui influent sur la circulation océanique. 1
2
3
4
Rotation de la Terre.
Variation de la température de l’eau.
Variation de la salinité de l’eau.
Vents.
Quels sont les facteurs qui influent particulièrement sur les courants de surface ? a ) 1 et 2 2
b ) 1 et 4
c ) 2 et 3
d ) 2 et 4
a) Selon la figure 9, à la page précédente, la portion de la boucle thermohaline nommée « Gulf Stream » est-elle un courant de surface ou un courant de profondeur ?
b ) Quel territoire bénéficie de l’apport en chaleur du Gulf Stream : la côte est du continent nordaméricain ou les portions nord et nord-ouest de l’Europe ? Justifiez votre réponse.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
181
3
En vacances dans les Prairies canadiennes, Sabrina envoie une carte postale à son bon ami Jim. En regardant la photo de la carte postale, ce dernier constate que de drôles de bus des neiges sont garés sur la glace, en montagne… Selon vous, ces bus sont-ils sur une banquise, comme le croit Sabrina, ou sur un glacier ? Justifiez votre réponse.
a! t r e b l Belle A
4
Salut Jim! Voici une photo de notre voyage au parc national Jasper. Nous nous sommes rendus sur la banquise avec ces drôles de bus des neiges… À bientôt! Sabrina
Jim L’Espérance 123 La rue Laville, QC, J1G 1N0
La circulation thermohaline dépend à la fois des variations de température et des variations de la salinité. Cochez la ou les bonnes réponses aux questions suivantes. a ) Quel élément est principalement responsable des variations de température de l’eau ? 1) L’eau des fleuves qui se jettent dans les océans. 2) La pollution de l’air. 3) Les échanges de chaleur avec l’atmosphère. 4) L’augmentation de la salinité de l’eau due à la fonte des glaciers et des banquises. b ) Quels éléments sont responsables des variations de la salinité ? Cochez toutes les bonnes réponses. 1) L’eau des fleuves qui se jettent dans les océans. 2) La pollution de l’air. 3) Les précipitations (pluie et neige) et la fonte des glaces. 4) La fonte des glaciers. c ) Compte tenu de la progression du réchauffement climatique, la fonte de nombreux glaciers se poursuivra au cours des prochaines années. Quel sera l’impact de cette fonte sur la circulation thermohaline ? 1) Il n’y aura pas d’impact puisque les glaciers sont situés sur le continent. 2) L’eau des océans se refroidira puisque les glaciers sont situés dans les régions nordiques. 3) Le niveau des océans augmentera. 4) La salinité de l’eau se modifiera vu l’apport de cette fonte en eau douce.
182
TERRE ET ESPACE
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te 7.2
Les ressources énergétiques de l’hydrosphère
7.2.5
Essentielle à la vie, l’eau permet aussi de produire de l’électricité. Actuellement, on utilise deux modes de production d’électricité à partir de l’hydrosphère : l’énergie hydroélectrique et l’énergie marémotrice. Les ssoucs éngéqus d l’ydosè correspondent à l’ensemble des caractéristiques de l’eau qui sont mises à profit, grâce à divers procédés technologiques, dans le but d’en tirer de l’énergie électrique.
L’énergie hydroélectrique Ce mode de production d’électricité exploite l’énergie mécanique de l’eau (associée à son mouvement). On trouve deux types de centrales hydroélectriques : les centrales à réservoir et les centrales au fil de l’eau. Dans les centrales à réservoir, d’immenses barrages permettent d’accumuler l’eau et de former des réservoirs afin de créer une chute d’eau assez puissante pour produire une grande force mécanique. Dans les centrales au fil de l’eau, on utilise directement le courant pour produire l’électricité. La création de grands réservoirs n’y est donc pas nécessaire. Toutefois, dans les deux cas, le processus de production d’électricité est sensiblement le même (voir la figure 10).
Ligne à haute tension
Génératrice Bâche en spirale
3
Stator Rotor
Barrage Réservoir d’eau
Turbine
Déversoir Conduite forcée
Roue de turbine
1 2
Canal d’évacuation de l’eau L’eau est évacuée vers le cours d’eau
Fgu 10
1 L’eau est amenée dans une conduite forcée, ce qui permet au courant d’atteindre une grande vitesse. 2 Au bout de cette conduite, une roue de turbine est actionnée (rotation) par le mouvement de l’eau. 3 Le mouvement de la turbine entraîne celui de la génératrice à laquelle elle est reliée. Grâce aux systèmes d’aimants qu’elle renferme et à son mouvement rotatif rapide, la génératrice produit de l’électricité.
Un vu n cou d’un bg ydoélcqu.
Aujourd’hui, près de 95 % de l’électricité produite au Québec est de source hydroélectrique. Or, malgré l’utilisation d’une ressource renouvelable, l’énergie hydroélectrique a des conséquences sur l’environnement. En effet, bien que le fonctionnement des centrales hydroélectriques ne produise pas de gaz à effet de serre, on ne peut en dire autant de leur construction. Cependant, celle-ci en produit beaucoup moins que l’exploitation du gaz naturel et du charbon. De plus, la majeure partie de ces gaz est produite dans les premières années suivant la construction d’un barrage, la situation revenant à la normale après environ 10 ans. Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
183
L’exploitation des centrales hydroélectriques présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 6). TABLEAU 6
Les avantages et les désavantages des centrales hydroélectriques Avantages
Désavantages
• N’émettent aucun gaz à effet de serre. • Excellent rendement. • Technologie fiable.
• Inondation de vastes territoires perturbant l’écosystème en place. • Pollution au mercure en raison de l’activité de bactéries à la suite de l’inondation. • Contamination de la chaîne alimentaire par le mercure que les organismes aquatiques absorbent.
L’énergie marémotrice L’énergie marémotrice, une énergie renouvelable, met à profit l’énergie mécanique produite par les marées océaniques et les courants marins. Cette énergie est encore très peu exploitée. Les recherches actuelles sont orientées vers le perfectionnement de systèmes technologiques capables de tirer un maximum d’électricité soit du mouvement des vagues, soit des courants marins, qui sont moins influencés par les conditions météorologiques. Outre les centrales marémotrices qui exploitent l’énergie des marées, l’hydrolienne, une technologie qui fait appel au même principe que l’éolienne, représenterait une avenue intéressante. En effet, l’eau peut générer une puissance encore plus grande que celle produite par le vent (voir la figure 11). Balise
1 Les pales de l’hydrolienne sont d’abord actionnées par les courants marins. 2 Cette énergie mécanique est transformée en énergie électrique grâce à la génératrice à laquelle les pales sont reliées.
Tour rotative
Génératrice
Câble de collecte du courant
2 1
Pale
Figure 11
Le schéma d’une hydrolienne. Ce système technologique exploite l’énergie des courants marins.
L’exploitation des centrales marémotrices et des hydroliennes présente des avantages et des désavantages (voir le tableau 7, à la page suivante). Elle a un impact négatif sur l’environnement. Certains désavantages freinent actuellement son exploitation à plus grande échelle. 184
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te 7.2
TABLEAU 7
Les avantages et les désavantages des centrales marémotrices et des hydroliennes Avantages
• N’émettent aucun gaz à effet de serre. • Économie des ressources non renouvelables. • Pour les centrales marémotrices, possibilité de prévoir l’heure des marées et de maximiser ainsi la production d’électricité.
Désavantages • • • • •
Envasement (enfoncement dans la boue). Modification des écosystèmes des littoraux. Coût d’exploitation élevé. Faible rendement. Respect nécessaire de certaines conditions particulières pour produire une quantité appréciable d’électricité :
– installation des hydroliennes dans des cours d’eau ayant un fort débit ou dans les océans, au large des côtes ;
– centrales marémotrices exigeant un marnage (différence entre marée haute et marée basse) minimal de 5 m.
Activités 7.2.5 1
Quel est l’avantage d’utiliser une centrale hydroélectrique au fil de l’eau plutôt qu’une hydrolienne ? Entourez l’énoncé approprié. a ) Le barrage d’une centrale hydroélectrique est plus simple à installer que les hélices de l’hydrolienne. b ) Une centrale hydroélectrique ne présente aucun désavantage, alors qu’une hydrolienne peut créer une perturbation de l’écosystème et un envasement. c ) Une centrale hydroélectrique possède un meilleur rendement et une technologie plus fiable que la seconde. d ) Il n’y a aucun avantage à utiliser l’une plus que l’autre.
2
Voici différents types de centrales d’énergie. Hydroélectrique à réservoir
Hydrolienne
Marémotrice
Hydroélectrique au fil de l’eau
Bien que ces centrales produisent toutes de l’électricité à partir du mouvement de l’eau, elles ne présentent pas toutes les mêmes avantages ni les mêmes désavantages. Toutefois, quel avantage partagent-elles sur le plan environnemental ?
3
Vous rédigez un rapport sur l’exploitation et la maximisation du potentiel hydroélectrique des rivières. Quelles sont vos réponses aux deux questions suivantes ? a ) Quel est l’avantage de construire un barrage au fil de l’eau plutôt qu’une hydrolienne ?
b ) Pourquoi ne recommandez-vous pas la construction de centrales marémotrices ?
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
185
Durant les journées portes ouvertes de votre école, vous et votre coéquipier décidez de présenter le principe de fonctionnement d’une centrale hydroélectrique. Vous faites une démonstration à l’aide du montage ci-dessous.
4
Conduite forcée Tube de plastique dans lequel l’eau est versée
Turbine
Tube de plastique permettant d’évacuer l’eau dans un seau de récupération
Aimants permanents Fil électrique
Ampoule
Électro-aimant (bobine de fil électrique avec un noyau en acier servant de génératrice)
Reliez chacune des structures de la centrale, dans la colonne de gauche, à la transformation d’énergie correspondante, dans la colonne de droite. a ) Turbine
1) Transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.
b ) Génératrice
2) Transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.
c ) Ampoule
3) Transfère l'énergie mécanique de l'eau aux pales.
CONSOLIDATION DU ChApITre 7
186
1
Nommez deux éléments communs aux horizons O et A du sol.
2
Nommez un rôle commun aux deux premiers horizons du sol (O et A).
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3
Lisez le texte qui suit. Puis, répondez à la question en cochant la case appropriée.
L’éumn cmbubl fl Actuellement, les réserves de combustibles fossiles s’épuisent rapidement. Pour remédier à ce problème, on développe des technologies qui exploitent les énergies renouvelables, comme l’éolienne, les panneaux solaires ou la pompe géothermique. Toutefois, les compagnies pétrolières continuent de chercher de nouvelles sources de pétrole. C’est dans ce but, entre autres, qu’elles explorent des régions comme les Territoires du Nord-Ouest et le Nunavut, malgré la présence du pergélisol à ces endroits.
Ds cnologs qu xlon ds éngs nouvlbls.
Si un déversement de pétrole survenait dans les Territoires du Nord-Ouest ou au Nunavut, est-ce que le pétrole pourrait pénétrer dans le sol ? a ) Non, car la neige au sol absorberait le pétrole. b ) Non, car le pétrole gèlerait au contact du sol et pourrait aisément être retiré. c ) Oui, car le pergélisol dégèle en surface l’été. Le pétrole demeurerait donc dans le sol si rien n'était fait pour le retirer. d ) Oui, car le dégel du pergélisol dû à l’effet de serre renforcé permettrait au pétrole de ruisseler en profondeur. 4
Reliez chaque ressource énergétique au moyen technologique approprié pour produire de l’électricité. Ressource énergétique
5
Moyen technologique
a ) Combustible fossile
1) Centrale géothermique
b ) Courant marin
2) Centrale nucléaire
c ) Substance radioactive
3) Centrale thermique
d ) Chaleur des profondeurs du sol
4) Hydrolienne
e ) Énergie mécanique de l’eau
5) Centrale hydroélectrique
Les scientifiques s’entendent pour dire que le réchauffement du climat est un phénomène planétaire dont les effets sont particulièrement visibles dans les régions arctiques. a ) Le dégel du pergélisol contribue-t-il à l’effet de serre ? Expliquez votre réponse.
b ) La fonte des glaciers affecte-t-elle le niveau des mers ? Expliquez votre réponse.
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Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
187
c ) La production d’électricité à partir des énergies fossiles contribue-t-elle à l’effet de serre ? Expliquez votre réponse.
d ) La fonte des glaciers a-t-elle un impact sur les premiers horizons (A et O) du sol ? Expliquez votre réponse.
6
Observez bien la carte, puis répondez aux questions suivantes. La distribution de l’eau douce, saumâtre et salée dans le Saint-Laurent et ses bassins versants
Caractéristiques de l’eau Douce (salinité inférieure à 1 g/L) Saumâtre (salinité de 3 à 15 g/L) Salée (salinité d’environ 35 g/L)
a ) La ville de Baie-Saint-Paul est située dans une portion du fleuve Saint-Laurent où l’eau est saumâtre, comme le montre la carte. Dans l’éventualité où la municipalité de Baie-Saint-Paul serait à la recherche de nouvelles sources d’eau potable, devrait-elle envisager le fleuve comme source potentielle d’alimentation ? Justifiez votre réponse.
b ) À votre avis, comment peut-on expliquer que l’eau ne soit ni douce ni salée, mais bien saumâtre dans cette région ? Justifiez votre réponse.
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c ) Parmi les villes énumérées ci-dessous, entourez celles qui font partie du bassin versant du même cours d’eau, autre que le fleuve Saint-Laurent.
7
8
1) Pointe-du-Lac
3) Trois-Rivières
5) Matane
2) Saguenay
4) Alma
6) Québec
La circulation océanique comprend deux types de courants : les courants de surface et les courants de profondeur. Quels sont les éléments qui différencient ces deux types de courants ? Cochez les cases appropriées. a ) La salinité
d ) La hauteur des vagues produites
b ) La température
e ) La densité (masse volumique)
c ) Le pH
f ) La vitesse de déplacement de l’eau
Le réchauffement climatique accélère la fonte des glaciers et des banquises. Si cette tendance se maintient, l’hydrosphère risque d’en être grandement touchée. Reliez chaque élément dans la colonne de gauche à sa conséquence dans la colonne de droite. a ) Bassins versants
1) Possibilités d’inondations et de pertes de territoires dans les régions côtières.
b ) Réserves d’eau potable
2) Plus grande possibilité de production occasionnée par un débit d’eau important.
c ) Surfaces habitables
d ) Production d’électricité à partir de l’eau
e ) Circulation thermohaline
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3) Augmentation du volume d’eau liquide. 4) Hausse du niveau des cours d’eau et de leur débit entraînant une perturbation des écosystèmes locaux. 5) Difficulté ou impossibilité pour certaines masses d’eau de descendre vers le fond, en raison de la modification de la salinité et, conséquemment, de la densité causée par l’apport d’eau douce.
Chapitre 7 La Lithosphère et L’hydrosphère
189
9
Qu’ont en commun les modes de production d’électricité suivants (outre le fait de produire de l’électricité) ? a ) Les énergies fossiles et la biomasse ?
b ) L’énergie hydroélectrique, la géothermie et l’énergie marémotrice ?
c ) L’énergie éolienne et l’hydrolienne ?
d ) La géothermie, les énergies fossiles et la biomasse ?
10
Voici une liste de différents systèmes de production d’électricité. 1) Centrale hydroélectrique à réservoir
3) Centrale nucléaire
5) Hydrolienne
2) Biomasse
4) Géothermie
6) Centrale thermique
Parmi ces systèmes, quels sont ceux dont le fonctionnement ne contribue pas à l’effet de serre renforcé ? a ) 1, 2, 3, 5 11
b ) 1, 2, 4, 5
c ) 2, 3, 4, 5
d ) 1, 3, 4, 5
Le type de ressource énergétique alimentant chacun des systèmes de production d’électricité suivant est-il renouvelable ou non renouvelable ? Cochez les cases appropriées. Système
Type de ressource énergétique Renouvelable
Non renouvelable
a ) Centrale nucléaire b ) Centrale biomasse c ) Hydrolienne d ) Centrale hydroélectrique e ) Centrale géothermique f ) Centrale thermique
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chapitre
8
LA BIOSPHÈRE
Une multitude d’éléments chimiques sont à la base de la vie sur Terre. Pensons à l’oxygène, au carbone et à l’azote : ces éléments chimiques se transforment sous différentes formes grâce aux cycles biogéochimiques. La biosphère, quant à elle, se caractérise par une grande diversité d’organismes vivants. Chacun d’eux se développe dans un milieu qui présente des conditions climatiques particulières. Ces régions de la Terre, dont la flore, la faune et le climat leur sont propres, se nomment « biomes ». Dans ce chapitre, vous constaterez l’importance des cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote. Vous verrez également quelques-uns des biomes terrestres et aquatiques, ainsi que les différents facteurs qui influent sur leur distribution sur Terre.
SOMMAIRE 8.1 Le cycle du carbone
192
8.2 Le cycle de l’azote 196 8.3 Les biomes terrestres 200 8.4 Les biomes aquatiques 203 8.5 Les facteurs inuençant
la distribution des biomes 206
8.1 Le cycle du carbone Le carbone (C) est un élément chimique présent partout sur la planète. Il est essentiel à la vie, car il est à la base des molécules qui forment les cellules. Le cycle du carbone comprend tous les échanges de carbone entre la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère. Ce cycle touche différents aspects de la biosphère. Sa portion biochimique participe à la vie des organismes. Sa portion géochimique est liée aux sols et à la façon dont le carbone y circule. C’est pourquoi le cycle du carbone est un cycle biogéochimique. La figure 1 représente l’ensemble des processus de transformation du cycle du carbone. Gaz carbonique (CO2)
Atmosphère
1 1
3
6
3 2
Végétaux terrestres
Animaux
2
Phytoplancton Hydrosphère
4
Zooplancton
5
Faune aquatique
Lithosphère
Sédiments Nappe de pétrole
Figure 1
5
Le cycle du carbone.
8.1.1
La portion biochimique
La portion biochimique du cycle du carbone est liée aux interactions entre le carbone et les organismes, et comporte plusieurs processus de transformation. Ces processus sont représentés par les flèches bleues sur la figure 1 et sont décrits ci-après. Les échanges de la portion biochimique du cycle du carbone 1
L’absorption du carbone atmosphérique (dioxyde de carbone, CO2)
• Absorption du CO2 atmosphérique par les végétaux terrestres (plantes) et aquatiques (algues et phytoplancton) au moyen de la photosynthèse. • Transformation chimique du CO2 par ces mêmes organismes pour assurer leur croissance et leur reproduction. 2
L’absorption, par les consommateurs, du carbone contenu dans la matière organique (carbone organique)
• Les herbivores l’absorbent en mangeant des végétaux. • Les carnivores l’absorbent en consommant de la viande contenant déjà du carbone. 192
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TE 8.1
Les échanges de la portion biochimique du cycle du carbone ( 3
)
L’émission du carbone dans l’atmosphère (CO2 et méthane, CH4)
• Rejet de CO2 dans l’atmosphère par la respiration, laquelle transforme une partie du carbone absorbé par les organismes vivants (cette portion du cycle peut ainsi recommencer). • Rejet de CH4 dans l’environnement par les déchets que produisent les organismes vivants (une partie de ce carbone retourne à la lithosphère et prend maintenant part à la portion géochimique du cycle).
8.1.2
La portion géochimique
La portion géochimique du cycle du carbone est liée aux processus de formation de certaines roches, comme les calcaires et les schistes argileux. Ces processus sont représentés par les flèches orange sur la figure 1 de la page précédente et sont décrits ci-dessous.
Les échanges de la portion géochimique du cycle du carbone 4
La formation de dépôts calcaires (ou carbonate de calcium, CaCO3)
• Dépôts de calcaire provenant du carbone présent dans les squelettes et les coquilles des organismes marins morts (coraux, mollusques, etc.). • Sédimentation des dépôts calcaires menant à la formation de roches carbonatées. 5
La formation de roches combustibles
• Transformation des roches carbonatées en combustibles fossiles (ex. : hydrocarbures), sous l’effet de la température et de la pression. • Retour à la surface d’une partie des roches carbonatées par le mouvement des plaques tectoniques. 6
Les émissions atmosphériques provenant de combustibles
• Recyclage, par la tectonique des plaques, d’une partie du carbone des roches carbonatées (fusion dans le magma de subduction) – ce carbone retourne dans l’atmosphère lors d’éruptions volcaniques. • Émissions d’importants gaz à effet de serre (GES) provenant de l’extraction et du raffinage de combustibles fossiles (CH4), de la combustion de ceux-ci et des incendies de forêt (CO2).
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Dvid T. Suzuki (1936 - )
Pfssu éméit tité, Dvid Suzuki pssd un nmmé intntinl cquis p 30 nnés d tvil à tit d ccu t vulgistu scintifiqu. À l têt d l fndtin qui pt sn nm, il cntinu d’êt ctif pu l cus d l’nvinnmnt, pticulimnt n c qui tit ux cngmnts climtiqus : « Nus svns qu, pu ggn l till du climt, l mju pti ds ésvs d pétl, d cn t d gz dit dmu dns l sl. Invsti dns ls éngis fssils, c’st sutni lu xtctin t finnc l dstuctin iévsil du climt. » L’Univsité McGill cntinunt d’ncug cs ptiqus, mnsiu Suzuki, imité p d’uts diplômés, ndu à ctt institutin l diplôm qu’ll lui vit décné.
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ChApITrE 8 La bIoSPhère
193
Activités 8.1 1
Reliez chacune des transformations chimiques impliquant du carbone au phénomène correspondant. Transformations chimiques impliquant du carbone
2
a)
6 CO2 + 6 H2O + énergie (dioxyde de carbone et eau)
b)
4 C6H11O5 + 25 O2 (papier et dioxygène)
c)
C6H12O6 + 6 O2 (glucose et dioxygène)
→
6 CO2 + 6 H2O + énergie (dioxyde de carbone et eau)
d)
C6H12O6 + 3 H2O (glucose et eau)
→
3 CH4 + HCO31− + 3 H+ (méthane et acide)
→
C6H12O6 + 6 O2 (glucose et dioxygène)
→ 24 CO2 + 22 H2O + énergie (dioxyde de carbone et vapeur d’eau)
1) Respiration
2) Photosynthèse
3) Digestion
4) Combustion
En vous reportant à la question 1, lequel des phénomènes présents dans le cycle du carbone ne contribue pas à renforcer l’effet de serre ? a ) Respiration
3
Phénomène
b ) Photosynthèse
c ) Digestion
d ) Combustion
Le réchauffement climatique amène plusieurs bouleversements dans l’ensemble de la biosphère. L’un d’eux est le dégel du pergélisol, comme nous l’avons vu au chapitre précédent. Comment le cycle du carbone est-il affecté par le dégel du pergélisol ? a ) Le sol étant encore suffisamment gelé, aucun sédiment ne peut se détacher pour ruisseler et aller former des roches carbonatées. b ) Les bactéries devenues actives au dégel émettent une quantité de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4), augmentant ainsi la présence de ces deux gaz dans l’atmosphère. c ) Le mouvement du sol fragilisé risque de faire remonter à la surface des roches contenant du carbone. d ) Désormais, les végétaux sont plus nombreux à pousser, ce qui favorise la photosynthèse et, conséquemment, une diminution du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2).
4
Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions de la page suivante. Le 12 décembre 2015. Après des pourparlers intenses, les 195 pays réunis à Paris acceptent un accord « historique » sur la réduction des émissions des GES, au terme de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, la COP21. L’objectif est de maintenir la hausse des températures « bien en deçà de 2 degrés » par rapport à l’ère préindustrielle, et même d’essayer de rester sous la barre de 1,5 degré. C’est la première fois que tous les pays s’entendent sur cet enjeu. En effet, depuis plus de 20 ans, l’ONU tente de les convaincre de se concerter pour réduire leurs émissions et ainsi freiner le réchauffement de la planète. Adapté de : Radio-Canada.ca, Un accord historique sur le climat est adopté à Paris : http://ici.radio-canada. ca/nouvelle/754913/accord-final-climat-conference-paris
194
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te 8.1
a ) Quel phénomène impliquant un processus de transformation du cycle du carbone est directement lié à la fois aux hausses des températures et aux émissions de GES mentionnées dans ce texte ? 1) La destruction de la couche d’ozone
3) L’effet de serre renforcé
2) L’effet de serre naturel
4) La formation des pluies acides
b ) Quel processus de transformation du cycle du carbone peut bénéficier de cet accord ? Référezvous à la figure 1, aux pages 192 et 193.
5
Reliez chacune des situations illustrées au processus de transformation du cycle du carbone sur lequel elle a un impact. Situation
Processus de transformation du cycle du carbone
a) 1) L’émission de carbone dans l’atmosphère (CO2 et méthane, CH4)
b) 2) Les émissions atmosphériques provenant de combustibles fossiles
c) 3) La formation de roches combustibles (combustibles fossiles)
d) 4) La formation de dépôts calcaires (ou carbonate de calcium, CaCO3)
e) 5) L’absorption, par les consommateurs, du carbone contenu dans la matière organique
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Chapitre 8 La biosphère
195
6
Parmi les activités suivantes, lesquelles participent directement au cycle du carbone ? a ) Courir un marathon.
d ) Prendre l’avion.
b ) Utiliser un ventilateur électrique.
e ) Produire de l’électricité à partir d’une centrale nucléaire.
c ) Détruire une forêt par une coupe rase (à blanc). 7
g ) Produire de l’électricité à partir d’énergies fossiles. h ) Un lapin qui grignote une feuille de laitue.
f ) Combustion du bois à la suite d’incendies de forêt.
i ) Un vire-vent qui tourne sous l’effet d’une brise.
Comparez les deux diagrammes suivants sur la répartition de la consommation mondiale d’énergie en 2003 et en 2013. Répondez ensuite à la question.
0% 0% 6%
2003 1% 0%
0% 1%
6%
4%
2013 1% 0%
7%
37 %
33 % 30 %
26 % Énergies fossiles = 87 % 24 %
Énergies fossiles = 87 % 24 %
Pétrole Gaz naturel Charbon Énergie nucléaire Hydroélectricité Éoliennes Énergie solaire Géothermie et biomasse Autres
Source des données : http://euanmearns.com/global-energy-trends-bp-statistical-review-2014/
Lequel des énoncés suivants décrit le mieux la situation des émissions de gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère entre 2003 et 2013 et leurs impacts sur l’effet de serre renforcé ? a ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée aux énergies fossiles a occupé le premier rang, tout en demeurant stable, ce qui a entraîné d’importantes émissions de CO2 dans l’atmosphère, un des principaux GES, et contribué à l’effet de serre renforcé. b ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée à l’hydroélectricité a augmenté, ce qui a entraîné d’importantes émissions de CO2 dans l’atmosphère, un des principaux GES, et grandement contribué à l’effet de serre renforcé. c ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée au nucléaire a diminué significativement, ce qui a grandement contribué à réduire les émissions de CO2, un des principaux GES, et permis d’atténuer l’effet de serre renforcé. d ) La part de la consommation mondiale d’énergie associée au pétrole a diminué significativement, ce qui a grandement contribué à réduire les émissions de CO2, un des principaux GES, et permis d’atténuer l’effet de serre renforcé.
8.2 Le cycle de l’azote L’azote est un constituant des molécules qui sont à la base de la vie, tels les protéines et l’ADN. Il se trouve principalement sous forme gazeuse, le diazote (N2), qui compose 78 % de l’air que nous respirons. Comme la plupart des organismes ne peuvent utiliser le diazote gazeux directement, il doit être transformé, d’où la circulation de l’azote dans le sol, l’eau et l’air. 196
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te 8.2
Le cycl d l’zo comprend tous les échanges d’azote entre la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère. Les processus de transformation illustrés à la figure 2 se produisent autant en milieu terrestre qu’en milieu aquatique. Azote atmosphérique (N2) Végétaux
Assimilation 1
Bactéries fixatrices d’azote dans les racines des plantes légumineuses
Bactéries dénitrifiantes 3
Nitrates (NO3−) Nitrites (NO2−) 1
Décomposeurs (champignons, bactéries)
Ammoniac (NH 3) Ammonium (NH4+)
1
Nourriture
2
2
2
Lessivage
Bactéries nitrifiantes
1
1 1
Ammoniac (NH3) Ammonium (NH4+)
Déchets Nitrates (NO3−) Nitrites (NO2−)
Végétaux aquatiques
2
Bactéries nitrifiantes
2
1
Assimilation
Bactéries fixatrices d’azote
Fgu 2
Cyanobactéries
Plantes en décomposition et déchets organiques
L cycl d l’zo n mlux s ququ.
Les échanges du cycle de l’azote 1
La fixation de l’azote (transformation du N2 en NH3 et NH4+, assimilés par les organismes)
• En présence de dioxygène (O2) dans le sol et dans l’eau, certaines bactéries fixent l’azote atmosphérique (N2) pour le transformer en ammoniac (NH3) et en ammonium (NH4+). – Sur terre, la fixation se fait grâce aux bactéries vivant en symbiose dans les racines des plantes légumineuses. – Dans l’eau, la fixation se fait par les cyanobactéries.
• La décomposition d’excréments et de déchets organiques produit, elle aussi, du NH3 (toxique pour les poissons). Sur terre comme dans l’eau, la décomposition se fait par les décomposeurs (bactéries et champignons). • Le N2 atmosphérique peut être transformé en nitrates (NO3−) par les décharges électriques des orages. 2
L ncon (nsfomon d NH3 NH4+ ou fom ds ns (NO3−) ssmlbls ls ognsms)
• En présence de O2 dans le sol et dans l’eau, des bactéries transforment successivement les NH3 et les NH4+ en nitrites (NO2−), toxiques pour les poissons, puis en nitrates (NO3−). • Les végétaux assimilent ces nitrates pour produire leur ADN et les protéines utiles à leur croissance. L’utilisation d’engrais dans l’industrie agricole augmente la quantité de nitrates dans le sol. Les surplus sont ensuite lessivés vers l’hydrosphère. • Les consommateurs s’alimentant de ces végétaux ont ainsi accès à l’azote dont ils ont besoin. 3
L déncon (nsfomon ds NO3− n zo gzux (N2))
• Les NO3− non assimilés par les végétaux sont transformés par d’autres bactéries (dénitrifiantes) en azote gazeux (N2) qui retourne dans l’atmosphère.
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CHapitre 8 La biosphère
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Activités 8.2 1
Les situations suivantes témoignent d’une perturbation dans le cycle de l’azote. Reliez chacune d’elles au processus de transformation du cycle de l’azote qu’elle touche initialement avant de perturber le reste du cycle. Situation
2
Processus de transformation touché
a ) Un surplus d’azote dans le sol sous forme de nitrates
1) La nitrification en milieu terrestre
b ) La diminution du taux de croissance de plants de haricots poussant dans un sol rendu pauvre en nutriments
2) La nitrification en milieu aquatique
c ) La mort de végétaux aquatiques par manque de nutriments
3) La dénitrification
Les phénomènes suivants sont observés dans le champ de monsieur Séguin. Reliez chacun d’eux à l’impact qu’il aura sur le cycle de l’azote. Phénomène observé
a ) Présence importante de champignons dans le champ
b ) Plantation massive du champ avec des plants de haricots (légumineuses)
c ) Présence dans le champ d’une couche de fumier tout au long de la saison
3
Impact sur le cycle de l’azote
1) Une augmentation de la fixation de l’azote atmosphérique 2) Un surplus d’azote organique (nitrates) dont une partie sera assimilée dans le sol (fixation), une autre retournée dans l’atmosphère (dénitrification) et une dernière lessivée vers l’hydrosphère. 3) Une augmentation de la transformation de l’azote sous forme organique à partir de matière en décomposition
Vos voisins décident de faire du compostage. Pour ce faire, ils se procurent un composteur et un guide d’utilisation à la quincaillerie du coin. Vous êtes commis à cette quincaillerie et vous devez répondre à leurs questions.
Gui de d’utili satio du co mposteu n r 1. Placer le co mposteur dans un endroit ombrag é. 2. Y déposer tous les déchet s domestiques or ganiques : épluchures de fruits et de légumes, coqu illes d’œuf, restes de viand e ou de poisson, thé, ca fé, mouchoirs en papier, etc. 3. Brasser le co mpost de temps à autre.
a ) Quel lien majeur y a-t-il entre le compostage et le cycle de l’azote ? 1) Dans les deux cas, la présence de terre est essentielle aux processus de transformation.
2) Le compostage transforme la matière organique et rend l’azote accessible aux végétaux. Ce processus de transformation propre au cycle de l’azote se nomme la nitrification. 3) Dans les deux cas, ils vont produire des déchets. 4) Dans les deux cas, aucun apport en oxygène n’est nécessaire.
198
TERRE ET ESPACE
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te 8.2
b ) Pour quelle raison est-il important de suivre le troisième conseil du guide d’utilisation du composteur ? 1) Pour éviter les mauvaises odeurs. 2) Pour favoriser la croissance de végétaux à l’intérieur du bac. 3) Pour y faire pénétrer plus d’oxygène et permettre ainsi aux bactéries de décomposer la matière organique. 4) Pour aider les microorganismes à se multiplier. c ) Pourquoi un compost est-il fait uniquement de déchets organiques (légumes, fruits, coquilles d’œuf, arêtes de poissons, etc.) ?
4
5
Laquelle des situations suivantes, ayant cours dans une ferme, a le moins d’impact sur le cycle de l’azote ? a ) L’épandage d’engrais et de compost sur les terres agricoles.
c ) L’utilisation de l’électricité pour éclairer les bâtiments.
b ) L’utilisation de machinerie lourde qui compacte le sol.
d) L’utilisation de gicleurs pour arroser les champs.
Les rives d’un lac ou d’une rivière sont essentielles au maintien de l’équilibre des écosystèmes avoisinants. Voici quelques-unes de leurs fonctions. Stabilisation du niveau de l’eau • Retient et évapore une partie des eaux de pluie ou de la fonte des neiges. • Diminue les risques d’inondation.
1
Filtration d’éléments polluants • Retient une partie des engrais, des pesticides et des sédiments présents dans les eaux de ruissellement. • Prévient le vieillissement prématuré des plans d’eau causé par une trop grande concentration de nutriments (nitrates, phosphates, etc.).
2
1
Protection contre l’érosion • Maintient la stabilité des rives. • Conserve les lieux de fraie en diminuant leur ensablement. • Prévient les glissements de terrain.
3
2 3
4
Habitat pour la faune • Offre de la nourriture et un abri aux animaux (plan d’eau). • Offre à l’humain un contact privilégié avec la nature (observation des animaux, pêche, chasse).
4
Parmi les fonctions décrites, laquelle participe au cycle de l’azote ?
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Chapitre 8 La biosphère
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8.3 Les biomes
terrestres Toundra Taïga Forêt tempérée Prairie tempérée
Figure 3
Savane tropicale Désert Forêt tropicale humide
La distribution des différents biomes terrestres.
Les caractéristiques des biomes terrestres dépendent principalement de la température qui y règne et des précipitations qu’ils reçoivent. Ce sont ces facteurs qui déterminent les végétaux qui peuvent y croître et, conséquemment, les animaux qui peuvent y vivre. Un biome terrestre est une grande région continentale caractérisée par son climat, sa flore et sa faune. Plusieurs biomes terrestres sont présents sur Terre (voir la figure 3).
Le tableau 1 présente les principales caractéristiques des biomes terrestres. TABLEAU 1
Les principales caractéristiques des biomes terrestres
Biome
200
Climat
Flore
Toundra
• Températures arctiques, peu de précipitations
• Herbes, mousses, lichens et arbustes rabougris
• Faune adaptée au froid : lemmings, renards arctiques • Animaux migrateurs
• Rocailleux, pergélisol
Taïga
• Hivers longs, froids et enneigés • Étés courts et assez chauds
• Forêt boréale : conifères, arbustes rabougris, mousses et lichens
• Faune diversifiée : écureuils, orignaux, renards, ours noirs, lynx, lièvres, etc.
• Acide, mince et pauvre en nutriments
Forêt tempérée
• Hivers assez doux et humides, étés assez chauds • Précipitations abondantes
• Plantes herbacées, fougères, arbustes et arbres (forêt de feuillus)
• Faune diversifiée : ours noirs, ratons laveurs, lièvres, merles, etc.
• Riche en éléments nutritifs en raison de la matière organique au sol
Prairie tempérée
• Hivers longs et froids, étés assez chauds marqués par des périodes de sécheresse
• Vaste étendue d’herbages • Plusieurs plantes à fleurs • Très peu d’arbres et d’arbustes vu le manque de précipitations
• Grands herbivores : bisons, antilopes, cerfs, etc.
• Terre arable brune, riche en humus, en azote et en bases, aérée, peu lessivée, forte concentration de calcium
Désert
• Précipitations très rares • Températures contrastées entre le jour et la nuit
• Végétation rare et rabougrie avec peu de feuillage ou avec des épines, et munie de longues racines pouvant puiser l’eau et les minéraux en profondeur
• Faune adaptée aux conditions désertiques : insectes, serpents, lézards, coyotes, etc.
• Pauvre en nutriments, aride, sablonneux, certains sols salés et alcalins
TERRE ET ESPACE
Faune
Type de sol
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te 8.3
TABLEAU 1
Les principales caractéristiques des biomes terrestres (suite)
Biome
Climat
Flore
Faune
Type de sol
Forêt tropicale humide
• Températures moyennes entre 20 et 34 °C • Pas de saison sèche • Pluies abondantes toute l’année
• Très diversifiée et dense, plusieurs spécimens de très grande taille : herbacées grimpantes, lianes, palmiers, etc.
• Très diversifiée : amphibiens (diverses grenouilles), reptiles, oiseaux, mammifères (ex. : paresseux à deux doigts, singes, orangsoutangs)
• Acide, riche en fer et en aluminium, pauvre en nutriments essentiels (carbone et phosphore), car lessivé par les abondantes précipitations, donc peu ou pas d’humus en surface
Savane tropicale (aussi appelée « forêt tropicale sèche »)
• Températures moyennes entre 20 et 34 °C • Alternance entre saison sèche (hiver) et saison des pluies (été)
• Très diversifiée : feuillus qui perdent leur feuillage en saison sèche (acacias), herbacées, arbustes, plantes grasses (cactus) avec réserves d’eau, etc. • Taille des végétaux dépassant rarement 20 m
• Grands mammifères : tigres, léopards, jaguars, paresseux, loups à crinière, rhinocéros de Java, espèces migratrices
• Pauvre en nutriments, mais se régénère à la suite d’incendies, grâce à la cendre, riche en substances nutritives.
Activités 8.3 1
Observez les photos suivantes. a ) Sous chacune d’elles, inscrivez le numéro correspondant au biome terrestre approprié. 1
Désert
3
Prairie tempérée
5
Toundra
2
Forêt tempérée
4
Taïga
6
Forêt tropicale humide
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Chapitre 8 La biosphère
201
b ) Pour chacune des photos de la page précédente, nommez deux caractéristiques qui vous ont permis d’identifier le biome. Biome
Caractéristiques visibles sur la photo
1 D ésert
2 F orêt tempérée
3 P rairie tempérée
4 Taïga
5 Toundra
6 F orêt tropicale
humide
2
À l’aide de vos connaissances sur les biomes terrestres, choisissez l’énoncé qui explique pourquoi l’Himalaya se trouve dans la taïga, alors que cette chaîne de montagnes, qui compte les plus hauts sommets de la Terre, est bordée de prairies tempérées au nord et de la forêt tropicale humide au sud. a ) La taïga (forêt boréale) est une zone de transition entre les prairies tempérées et la forêt tropicale humide dans cette région. b ) La fonte des glaciers, de plus en plus importante, érode le sol, laissant peu de nutriments pour la croissance des végétaux propres à la forêt tropicale humide. Ce faisant, seuls des arbustes rabougris et des conifères peuvent désormais y pousser. c ) En très haute altitude, où les températures moyennes sont très froides et les sols enneigés, seule la végétation propre à la taïga peut y croître. À mesure qu’on descend en altitude, la végétation change (prairies et forêt tropicale humide) en fonction du réchauffement des températures. d ) Les importantes précipitations acides (neige) ont rendu les sols plus pauvres en nutriments, laissant place à une végétation moins luxuriante et moins abondante que celle de la forêt tropicale humide ou des prairies tempérées.
202
TERRE ET ESPACE
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te 8.4
3
Lisez la fiche informative suivante. Répondez ensuite à la question. Le dragon barbu Le dragon barbu est un reptile docile, qui se laisse approcher facilement. Il est possible de répondre à ses besoins vitaux lorsqu’il est en captivité et, contrairement à plusieurs de ses congénères, il ne craint pas l’être humain.
Région
Australie, zones arides ou semi-arides
Température tolérée
Jour : entre 28 et 48 °C Nuit : 22 °C
Humidité requise
Faible (40 %)
Sol requis
Sable fin ou éclats de bois
Accessoires nécessaires et nutriments importants pour la vie en captivité
Vivarium, cloche chauffante, plaque ou roche chauffante, nombreuses cachettes, thermomètre, vitamines, suppléments de calcium
Selon les informations de cette fiche, dans quel type de biome terrestre le dragon barbu vit-il ? Justifiez votre réponse à l’aide de trois arguments.
8.4 Les biomes
aquatiques Les biomes aquatiques occupent une importante superficie de la Terre, celle-ci étant recouverte à plus de 70 % d’eau (voir la figure 4). On divise habituellement ces biomes en deux catégories : les biomes marins et les biomes d’eau douce. Ces deux types de biome se distinguent par leur salinité. Un bom ququ est une étendue d’eau douce ou d’eau salée caractérisée par sa flore et sa faune. Biomes dulcicoles Lacs Cours d’eau, deltas et estuaires
Fgu 4
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Biomes marins Récifs de corail Zone abyssale Zone néritique
L dsbuon ds ncux boms ququs.
Chapitre 8 La biosphère
203
8.4.1
Les biomes marins
Les biomes marins se trouvent dans les océans et les mers. Le tableau 2 donne une description de quelques-uns des biomes présents dans ces vastes étendues d’eau. TABLEAU 2
Les principales caractéristiques de quelques biomes marins
Biome
Caractéristiques générales
Flore
Faune
La zone néritique (moins de 200 m de profondeur)
• Surface éclairée par la lumière et réchauffée par le Soleil • Située près des côtes • Zone de pêche importante
• Phytoplancton • Herbes marines
• Invertébrés (crabes, homards, calmars) • Poissons (harengs, sardines, morues) • Oiseaux marins • Mammifères
La zone abyssale (à partir de 2 000 m de profondeur)
• Températures autour de 4 °C • Obscurité totale • Fond recouvert de boue et de sédiments • Recouvre 80 % de la superficie des fonds marins
• Algues et herbes marines • Photosynthèse remplacée par la chimiosynthèse, assurée par des bactéries primitives
• Microorganismes et invertébrés adaptés aux conditions extrêmes (pression élevée, températures froides) • Poissons de fond (ex. : raie)
Les récifs de corail* (moins de 30 m de profondeur)
• Situés dans les eaux chaudes, peu profondes et oxygénées • Le squelette externe des coraux est fait de calcaire (CaCO3) sensible aux variations de pH (acide) causées par le réchauffement climatique et la pollution atmosphérique (CO2).
Très diversifiée : mollusques, nombreuses espèces de poissons (ex. : poisson-clown), cétacés, pieuvres, calmars
Très diversifiée : étoiles de mer, éponges, anémones
* Les coraux sont des invertébrés. Ils ont une bouche centrale. Leurs tentacules vivent en symbiose avec une algue microscopique.
8.4.2
Les biomes d’eau douce
Aussi appelés les « biomes dulcicoles », les biomes d’eau douce regroupent les lacs, les cours d’eau, les terres humides, ainsi que certains estuaires et deltas (dont la salinité est peu élevée). Le tableau 3 présente les principales caractéristiques des biomes d’eau douce et certains des organismes typiques qu’on y trouve. TABLEAU 3
Les principales caractéristiques des biomes d’eau douce
Biome Le lac
204
Caractéristiques générales
Flore
• Étendue d’eau relativement calme bordée par des végétaux (arbres et arbustes) • Soumis aux brassages saisonniers des eaux de surface et de profondeur qui distribuent les nutriments et l’oxygène aux organismes
• Phytoplancton, algues, plantes aquatiques diverses (nénuphars, quenouilles, joncs, etc.)
TERRE ET ESPACE
Faune • Décomposeurs, plancton, poissons (truite, achigan, perchaude, brochet, etc.), amphibiens (grenouille, crapaud, salamandre, etc.), reptiles (couleuvre, tortue), oiseaux (canard, martinpêcheur, etc.)
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te 8.4
TABLEAU 3
Les principales caractéristiques des biomes d’eau douce (suite)
Biome
Caractéristiques générales
Flore
Faune
Le cours d’eau
• Ruisseau, rivière ou fleuve, habituellement bordé d’herbages, de plantes et d’arbres • Voie d’écoulement des eaux de surface ayant un débit plus ou moins rapide en fonction du volume d’eau drainé et du relief
• Croissance de grands • Décomposeurs, plancton, poisvégétaux limitée par le sons (achigan, truite, saumon) courant • Là où l’eau est plus calme, • Mousses, herbages et faune semblable à celle des algues réussissent habilacs : amphibiens, reptiles et tuellement à s’implanter oiseaux. dans ces milieux.
La terre humide
• Eau stagnante comprenant les marais, les marécages et les tourbières • Zone de transition entre un biome terrestre et un biome aquatique, milieu très riche en nutriments, d’où les diversités végétale et animale
• Végétaux vivant dans • De nombreuses espèces un sol saturé d’eau : animales y sont attirées tels mousses, sphaignes, la tortue, la salamandre, le rat herbages, algues et musqué, le canard, le grand quelques plantes héron, etc. (quenouilles, thuyas, etc.)
L’estuaire et le delta
• Caractérisés par une eau saumâtre (mélange d’eau douce et d’eau salée), marquant la transition avec les biomes marins
• Phytoplancton, algues et plantes sont aptes à y pousser selon le taux de salinité qu’ils peuvent tolérer.
• Éponges, capelans, bélugas et rorquals • Nombreux oiseaux telles la bernache, quelques espèces de canard, l’oie des neiges, etc. • Décomposeurs (champignons, bactéries) ainsi que divers crustacés : crevettes, moules et escargots
Activités 8.4 1
Observez les photos suivantes. a ) Sous chacune d’elles, inscrivez le numéro correspondant au biome aquatique approprié. 1
Terre humide (marécage)
3
Lac
5
Océan ou mer
2
Zone néritique
4
Récif de corail (corallien)
6
Cours d’eau (rivière)
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Chapitre 8 La biosphère
205
b ) Pour chacune des photos de la page précédente : • •
Indiquez, dans la deuxième colonne, le type de biome aquatique illustré. Nommez, dans la troisième colonne, deux caractéristiques qui vous ont permis d’identifier ce biome. Type de biome aquatique
Biome
Caractéristiques visibles sur la photo
1 Terre humide (marécage)
2 Z one néritique
3 L ac 4 R écif de corail (corallien) 5 Océan ou mer
6 C ours d’eau (rivière)
2
Vous songez à vous procurer un aquarium et à l’aménager. Vous hésitez entre recréer un milieu tropical, qui rappelle les splendeurs de l’océan, et recréer un milieu plus commun, tel un étang, où vivront seulement des poissons rouges et quelques végétaux. Quel est le principal facteur que vous devez considérer afin de recréer l’un ou l’autre de ces milieux ? Justifiez votre réponse. Au besoin, consultez la figure 4, à la page 203.
8.5 Les facteurs influençant
la distribution des biomes De nombreux facteurs influent sur la distribution des biomes sur la Terre. Par exemple, la latitude a une incidence sur le nombre d’heures d’ensoleillement. Ainsi, les organismes qui ont besoin de soleil pour effectuer la photosynthèse, ou simplement se réchauffer, sont davantage présents dans les régions où cette énergie est omniprésente. La profondeur de l’eau a aussi un effet sur la quantité d’énergie solaire disponible. Elle a donc une influence sur les espèces présentes dans un milieu aquatique donné. Les espèces vivant à proximité des fonds marins sont adaptées pour vivre dans l’obscurité et dans un milieu plus froid, alors que les espèces qui se retrouvent plus près de la surface sont adaptées pour vivre là où il y a plus de lumière. 206
TERRE ET ESPACE
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te 8.5
Le tableau 4 présente des exemples de facteurs qui ont une influence sur la distribution des biomes sur la Terre. TABLEAU 4
Des exemples de facteurs qui influent sur la distribution des biomes
Facteurs qui influent sur la distribution des biomes terrestres • • • • •
Latitude Altitude Précipitations Vents Type de sol
Facteurs qui influent sur la distribution des biomes aquatiques • • • •
Salinité de l’eau Profondeur de l’eau Force et sens du courant Quantité de dioxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) nécessaire à la respiration ou à la photosynthèse
• Nourriture • Insolation (ensoleillement, lumière) • Température
Activité 8.5 1
À l’aide du tableau 4 ci-dessus, complétez le tableau suivant en nommant le facteur qui influe sur la présence de chaque espèce dans le ou les biomes illustrés.
Espèce et biome(s)
Facteur qui influe sur la présence de cette espèce dans ce ou ces biomes
L’ours polaire vit dans la toundra, entre autres, grâce à son épais pelage.
Le thé du Labrador pousse dans certaines tourbières acides, trouvées dans la taïga et dans la toundra.
Le phytoplancton se trouve dans les eaux de surface des cours d’eau, des rivières et des océans.
Des lynx et des lièvres vivent dans la forêt boréale.
Des thuyas géants croissent le long de la côte ouest de l’île de Vancouver, où l’atmosphère est chargée d’humidité pendant de longues périodes de l’année.
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Chapitre 8 La biosphère
207
CONSOLIDATION DU ChApITre 8 1
À partir de l’illustration ci-contre, déterminez les étapes qui sont communes aux cycles du carbone et de l’azote. Entourez le choix de réponse approprié.
1
a ) 1 et 2 b ) 3 et 4
4 6
c ) 2 et 5 d ) 3 et 5 3 2
5
2
Observez la photo ci-contre. L’une des activités décrites ci-dessous ne participe pas à la fois au cycle du carbone et au cycle de l’azote. Laquelle ? a ) Le tracteur qui roule sur le sol. b ) Le fermier qui respire l’air frais. c ) Les arbres qui croissent. d ) Les vaches qui font leurs besoins sur le sol.
3
Les activités suivantes sont reliées au cycle du carbone. Lesquelles contribuent à l’intensification de l’effet de serre renforcé ? Entourez le choix de réponse approprié. 1) Une croissance démographique mondiale importante. 2) Le reboisement d’anciennes zones industrielles sur la Côte-Nord. 3) La mort de bélugas dans le fleuve Saint-Laurent à la suite d’un déversement d’hydrocarbures. 4) Une production accrue d’électricité à l’aide de centrales thermiques aux États-Unis. 5) La reconstitution d’une partie de la couche d’ozone (filtre les rayons ultraviolets), conséquence de l’interdiction d’utilisation des CFC (chlorofluorocarbones). 6) L’augmentation de l’élevage bovin dans les pays en voie de développement.
208
a ) 1, 3, 4
c ) 2, 4, 6
b ) 1, 4, 6
d ) 2, 3, 5
TERRE ET ESPACE
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4
À l’aide de la liste de mots suivante, complétez le tableau comparatif des cycles du carbone et de l’azote en y inscrivant les numéros correspondant à vos choix. Il peut y avoir plus d’une réponse par case. 1) Industries (combustion)
8) Décomposition de déchets organiques (organismes aquatiques morts, défécation)
2) Assimilation par les végétaux
9) Êtres vivants (respiration)
3) Décomposition de squelettes et de coquillages 4) Bactéries fixatrices
10) Alimentation du phytoplancton et autres végétaux aquatiques
5) Sédimentation
11) Bactéries dénitrifiantes
6) Assimilation par les végétaux et herbivores aquatiques
13) Décomposition d’organismes morts
7) Végétaux (photosynthèse)
14) Alimentation par les herbivores et omnivores
12) Formation de roches carbonatées
Transformations dans le cycle du carbone (C)
Tranformations dans le cycle de l’azote (N)
Émissions de CO2
Absorption de CO2
Émissions de N2
Absorption de N2
Rejet de carbone
Absorption de carbone
Émissions de produits azotés
Absorption de produits azotés
Rejet de carbone
Absorption de carbone
Émissions de produits azotés
Absorption de produits azotés
Atmosphère
Lithosphère
Hydrosphère
5
Classez chacun des processus de transformation suivants dans le cycle où il se produit : le cycle du carbone ou le cycle de l’azote. 1) Combustion de combustibles fossiles
4) Fixation par les cyanobactéries
2) Dénitrification par les bactéries dénitrifiantes
5) Photosynthèse par les organismes photosynthétiques
3) Sédimentation d’organismes morts
6) Nitrification par les bactéries nitrifiantes
Cycle du carbone
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Cycle de l’azote
Chapitre 8 La biosphère
209
6
À l’aide de la liste de mots et des photos suivantes, complétez le tableau en utilisant les lettres ou les numéros correspondant à vos choix. 1) Prairie tempérée
4) Divers herbages et plusieurs plantes
2) Biome marin (océan)
5) Algues et phytoplancton
3) Forêt tempérée
6) Feuillus, arbustes et fougères
A
B
C
Biome
Nom Flore Faune
7
Nommez un élément commun aux biomes suivants. a ) La toundra et la taïga
b ) Les cours d’eau et les lacs
c ) Le désert et la toundra
d ) Les mers et les cours d’eau
210
TERRE ET ESPACE
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SOMMAIRE
univers
vivant
CHAPITRE 9 L’écologie
212
chapitre
9
L’ÉCOLOGIE
L’écologie se penche sur les interactions entre les êtres vivants, sur les interactions entre ces êtres et leur environnement, et sur les conséquences de ces interactions. Dans ce chapitre, vous verrez comment chaque organisme occupe une place dans la chaîne alimentaire. Vous verrez aussi qu’il peut se reproduire et servir de nourriture ou d’abri à d’autres organismes au cours de sa vie. De plus, comme tous les autres êtres vivants, il est soumis aux conséquences des interactions avec son milieu.
SOMMAIRE
Rappel 213 9.1 L’organisation des vivants 213 9.2 Les interactions 219
UV 9.1
RAPPEL
L’spè
L’habitat
Un espèce rroup ds individus dont ls aratristiqus physiqus sont nralmnt smblabls. Ils doivnt pouvoir s rproduir ntr ux t lurs dsndants sont viabls t fonds.
L’habitat st un miliu où ls onditions sont adquats pour omblr ls bsoins ds individus d’un spè qui y vivnt. On drit un habitat d’après plusiurs faturs, notammnt sa situation oraphiqu, sa faun, sa flor, son limat ainsi qu la natur du sol t d l’au.
La population Un population st form d l’nsmbl ds individus d’un mêm spè prsnts sur un trritoir donn à un rtain momnt. La taille d’une population orrspond au nombr d’individus qui la omposnt. Il xist divrss mthods d alul slon l typ d population : • l ompta dirt (pour ds individus pu nombrux ou sdntairs) ; • l ompta indirt (bas sur l nombr d nids ou d trrirs, par xmpl) ; • l’hantillonna (n divisant un trritoir n parlls) ; • la aptur-raptur d’individus marqus.
La nih oloiqu La niche écologique d’un spè st l’nsmbl ds onditions t ds rssours (lmnts vivants t non vivants) nssairs au maintin d tt spè.
L’ous ol l oqu occun l mêm b, ms on ds ncs écologqus dfféns (égm lmn, éod d’cvés, c.).
9.1 L’organisation
des vivants Certaines espèces nous semblent inutiles, mais chaque être vivant a sa place parmi les organismes qui peuplent la Terre. Les sections suivantes présentent la manière dont l’ensemble de ces êtres vivants sont organisés.
9.1.1
Les populations
Les différentes espèces se regroupent en populations. Une population se caractérise entre autres par sa taille (voir la section Rappel ci-dessus), sa densité et sa distribution.
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Chapitre 9 L’écOLOgIe
213
La densité d’une population La densité d’une population est le nombre d’individus par unité d’aire (individus/km2) ou de volume d’eau (individus/L). On calcule la densité d’une population à l’aide de l’équation suivante : Densité de la population =
Nombre d’individus de la population Aire du lieu occupé par la population
Par exemple, si un territoire de 180 km2 compte 5 000 écureuils, le calcul de la densité de cette population est le suivant : EXEMPLE
Densité de la population =
5 000 écureuils 180
km2
≈
28 écureuils km2
La taille et la densité d’une population augmentent en fonction de la natalité et de l’immigration ; elles diminuent selon la mortalité et l’émigration.
La distribution d’une population La distribution d’une population, quant à elle, est la façon dont les individus se répartissent sur un territoire. Le tableau 1 présente les trois principaux modes de distribution. Le mode le plus courant est celui de la distribution en agrégats à cause du comportement social des animaux et des ressources souvent concentrées. TABLEAU 1
Les trois principaux modes de distribution d’une population sur un territoire
La distribution en agrégats (en groupes)
La distribution aléatoire (au hasard)
9.1.2
La distribution uniforme (répartition régulière)
Les communautés
L’écologie ne se concentre pas seulement sur les populations, elle étudie aussi les communautés. Une communauté est l’ensemble des populations (animales et végétales) qui vivent sur un même territoire (voir la figure 2, à la page suivante).
214
UNIVERS VIVANT
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UV 9.1
Une des caractéristiques d’une communauté est sa biodiversité. La bodvsé (ou la diversité spécifique) correspond à la diversité des espèces qui composent une communauté. La biodiversité se mesure à l’aide des facteurs suivants (voir la figure 1) : • la richesse spécifique, qui correspond au nombre total d’espèces dans une communauté ; • l’abondance relative, qui désigne le pourcentage d’individus d’une même espèce par rapport au nombre total d’individus de la communauté.
A
B
Fgu 1 Dux bodvsés dfféns. A Un forêt tropal prsnt un rand bodvrst : la rhss spfqu st lv (plusurs spès) t l’abondan rlatv st qulbr (nvron un mêm pournta d haqu spè). B Un sapnèr prsnt un fabl bo dvrst. On y trouv pu d’spès d’arbrs ; la rhss spfqu st don fabl. D plus, l sapn tant l’spè prsnt n plus rand nombr, l’abondan rlatv n’st pas qulbr.
9.1.3
Les écosystèmes
L’écologie consiste aussi en l’étude des écosystèmes. Un écosysèm est l’ensemble des organismes vivants d’une communauté qui interagissent entre eux et avec des composants non vivants présents sur le même territoire. Un écosystème comporte différents niveaux écologiques : l’individu, la population, la communauté et l’écosystème (voir la figure 2).
Individu
Fgu 2
Population
Communauté
Écosystème
Ls nvux écologqus.
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Chapitre 9 L’écOLOgie
215
Activités 9.1 1
Quelle est la différence entre la taille et la densité d’une population ?
2
a ) Trois voisins possèdent chacun un terrain de dimension différente. Sur chaque terrain, une espèce de fleurs a poussé. Complétez ce tableau en tenant compte des données fournies. Population (nombre de fleurs) Terrain 1 Terrain 2
90
Terrain 3
600
Aire (m2)
Densité de population (fleurs/m2)
15
4
60
Aléatoire En agrégats
1,5
Uniforme
b ) Comment la densité de population de deux des trois terrains peut-elle être identique si l’aire des terrains est différente ?
c ) Les propriétaires des terrains 2 et 3 arrachent tous les deux les plants de fleurs sur la moitié de leur terrain. Ils s’aperçoivent alors que la densité des plants de fleurs restants est différente sur chaque terrain. Expliquez pourquoi il en est ainsi.
3
Quel est le mode de distribution des fous de Bassan sur cette plage ? a ) En agrégats b ) Aléatoire c ) Uniforme
216
UNIVERS VIVANT
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UV 9.1
4
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Tous les individus d’un même territoire sont nécessairement de la même espèce.
b ) Le mode de distribution de deux populations d’espèces différentes est nécessairement différent.
c ) À elles seules, plusieurs populations forment un écosystème.
d ) On peut calculer la densité d’une population terrestre, mais pas celle d’une population aquatique.
e ) Une communauté regroupe plusieurs populations.
5
Sachant que les coraux sont des organismes ultra-sensibles aux changements et qu’ils peuvent en mourir, quel serait l’impact d’un tourisme marin intensif sur la biodiversité d’une communauté de coraux ?
6
Une communauté peut présenter une biodiversité plus ou moins grande. Quels sont les indices : a ) d’une faible biodiversité dans une communauté ?
b ) d’une grande biodiversité dans une communauté ?
7
Laquelle des communautés suivantes, composées des espèces A, B et C, possède la plus grande biodiversité ? a ) A : 33 % ; B : 27 % ; C : 40 % b ) A : 20 % ; B : 20 % ; C : 60 % c ) A : 8 % ; B : 80 % ; C : 12 % d ) A : 27 % ; B : 20 % ; C : 53 %
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Chapitre 9 L’écoLogie
217
8
Vous allez à l’animalerie acheter un vivarium et deux lézards. Que devez-vous y ajouter pour reproduire un écosystème ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Un troisième lézard b ) Des composants non vivants (sable, roches et eau) c ) Des insectes pour nourrir les lézards d ) Un deuxième vivarium
9
L’aquarium représenté ci-contre est-il un exemple : a ) d’espèce ? b ) de population ? c ) de communauté ? d ) d’écosystème ?
10
Reliez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé correspondant de la colonne de droite. a ) Écosystème
b ) Population
c ) Communauté
218
1) Ensemble des éléments vivants d’une communauté et des éléments non vivants de ce milieu. 2) Plusieurs populations qui vivent ensemble. 3) Groupe d’organismes vivants de la même espèce.
11
Sur un territoire de 5 km2, on a recensé 410 écureuils roux. Quelle est la densité de cette population ?
12
Une ferme d’élevage de truites possède 20 kL de bassins. Chaque truite produite a une masse d’environ 200 g. Sachant que la densité de la population dans les bassins est maintenue à 12 kg/kL, combien y a-t-il de truites dans cette ferme d’élevage ?
UNIVERS VIVANT
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UV 9.2
9.2 Les interactions Les interactions entre les individus d’une population, d’une communauté et d’un écosystème créent diverses dynamiques et sont à l’origine des transformations de la matière et de l’énergie.
9.2.1
La dynamique des populations
Au fil du temps, on observe dans tous les milieux de nombreuses variations parmi les populations qui y vivent. Un certain nombre de facteurs peuvent influer sur cette dynamique des populations, entre autres le cycle biologique d’une espèce, la croissance d’une population et la capacité limite d’un milieu.
Le cycle biologique d’une espèce Chaque individu naît et grandit. Certains êtres vivants se reproduisent et tous meurent un jour. Les différents stades de la vie constituent ce que l’on nomme le cycl bologqu. Le cycle biologique varie grandement d’une espèce à l’autre. Certaines espèces comme le maringouin ont un cycle très court (voir la figure 3). Cela influence la croissance d’une population.
Adulte
Pupe (ou nymphe)
Œufs
Larve
Fgu 3 L cycl bologqu du mngoun.
La croissance d’une population Le nombre d’individus d’une population varie au cours du temps (voir la figure 4). Plusieurs facteurs, comme les naissances, les décès, l’immigration et l’émigration, influent sur ces variations. Le bilan des variations détermine le type de croissance de la population, ainsi que le montrent le tableau 2 et la figure 4. TABLEAU 2
Le calcul des différents types de croissance d’une population Calcul
Type de croissance d’une population
Naissances + immigrants > décès + émigrants
Croissance positive
Naissances + immigrants = décès + émigrants
Croissance nulle (population stable)
Naissances + immigrants < décès + émigrants
Croissance négative (décroissance)
Fgu 4 Ls cycls d cossnc d’un oulon, uss lés cycls bologqus d’un oulon.
Par exemple, le cycle biologique très court du maringouin favorise des naissances nombreuses et rapprochées qui amènent une croissance rapide de la population. Cependant, la durée de vie de cet insecte étant courte, la mortalité est importante. La croissance est donc nulle.
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Chapitre 9 L’écoLogie
219
La capacité limite du milieu Le nombre d’individus dans une population varie également en fonction de la capacité limite du milieu, c’est-à-dire du nombre maximal d’individus qu’il peut supporter. Ce nombre augmente tant qu’il y a des ressources pour répondre aux besoins des populations du milieu. Lorsque la capacité limite est dépassée, il en résulte un manque de nourriture, ou parfois d’espace, qui entraîne une décroissance de la population. Par exemple, si la nourriture est abondante sur un territoire donné, la croissance de la population est positive. Quand un prédateur y immigre, attiré par les nombreuses proies, la croissance devient nulle, puis négative. Enfin, lorsque le prédateur émigre à cause du manque de nourriture, la croissance de cette population redevient positive (voir la figure 4, à la page précédente).
9.2.2
La dynamique des communautés
Les populations formant une communauté sont en constante interaction entre elles (voir un exemple d’interaction à la figure 5). L’ensemble des interactions entre des populations d’espèces différentes se nomme la dynamique des communautés. Figure 5 Les puces, cachées dans le pelage, se nourrissent du sang du chien. TABLEAU 3
Le tableau 3 présente les principales interactions entre des individus de différentes populations d’une communauté.
Les types d’interactions entre individus appartenant à des populations différentes
Interactions avantageuses pour l’un et nuisibles pour l’autre
Interactions avantageuses pour l’un et neutres pour l’autre
Interactions avantageuses pour l’un et l’autre
Prédation Un individu tue et dévore un individu d’une autre espèce.
Commensalisme Un individu profite d’un autre sans lui nuire ni lui être utile.
Mutualisme Les deux individus retirent des bénéfices de leur coopération.
Exemple : Le lynx (prédateur) se nourrit de lièvres (proies).
Exemple : Les mouettes (commensaux) mangent les restes de nourriture laissés par les humains.
Exemple : Les abeilles butinent le nectar et le pollen des fleurs pour se nourrir et assurent en même temps la pollinisation.
Parasitisme Un individu se nourrit, se développe aux dépens d’un autre et l’agresse, habituellement sans le tuer. Exemple : Une tique (parasite) se fixe sur un chien (hôte) entre autres pour se nourrir de son sang. Compétition Des espèces se disputent une ou plusieurs ressources du milieu. Exemple : Dans le désert, les différentes plantes (compétiteurs) rivalisent pour disposer d’eau.
220
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UV 9.2
Activités 9.2.1 et 9.2.2 1
Comment le cycle biologique influe-t-il sur la croissance de la population ?
2
La laitue, une plante annuelle, meurt à l’automne après avoir donné beaucoup de graines qui germeront au printemps. Le fraisier, une plante vivace, ne donne des fruits que dans sa deuxième année de vie. Expliquez en quoi diffèrent les cycles biologiques de ces deux espèces.
3
Dans les énoncés suivants, nommez le facteur qui fait varier le nombre d’individus d’une population et dites à quel type de croissance on a affaire. a ) Chaque année, des millions de monarques quittent nos régions et vont passer l’hiver dans les forêts du Mexique.
b ) Dans certaines villes, les chats errants sont stérilisés, puis relâchés près du lieu de leur capture.
c ) Malgré l’arrachage des pissenlits, les graines de cette plante, emportées par le vent, viennent constamment recoloniser le terrain.
d ) Au Québec, un nombre limité de permis pour chasser la chevrette (la femelle du chevreuil) sont émis. Or, des chasseurs malhonnêtes tuent des chevrettes sans détenir ce permis.
4
Les guppys, poissons tropicaux, se reproduisent rapidement et en abondance, et leur durée de vie est d’environ deux ans. Si on place quatre guppys dans un aquarium, la population augmentera pendant six mois. Par la suite, on observera une croissance nulle. Donnez une explication de ce phénomène.
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221
5
Deux populations de petits herbivores, des lièvres et des marmottes, vivent en communauté dans un champ de trèfle, où ils trouvent leur nourriture. Une population de prédateurs s’installe tout près et se met à les chasser. a ) De quel type sont les interactions entre les marmottes et les lièvres ?
b ) Quel est l’effet de la profusion d’herbivores sur la population de prédateurs ?
c ) Si le prédateur a une préférence marquée pour les lièvres, quel effet cela aura-t-il sur la population de marmottes ?
6
Dans le tableau suivant, notez les différents types d’interactions qui sont décrits. Description
Interaction
a ) Les pucerons sucent la sève des bourgeons des plantes. b ) Les oiseaux mangent les fruits des arbres, mais rejettent les noyaux, qu’ils répandent un peu partout. c ) Les chouettes et les éperviers chassent tous deux les petits rongeurs. d ) La fixation de l’azote par les bactéries permet aux légumes du potager de profiter de ces éléments. e ) Le poisson-pilote accompagne les requins, trouvant en même temps une protection et sa nourriture dans les restes des repas de ces derniers. f ) Les coccinelles et leurs larves se nourrissent des pucerons. g ) Les jeunes arbres des sous-bois ont besoin de lumière. Lorsque les plus grands font trop d’ombre aux plus petits, ces derniers ne survivent pas. 7
Parmi les interactions décrites dans le tableau de la question précédente, indiquez laquelle ou lesquelles sont avantageuses : a ) pour les deux espèces concernées ?
b ) pour l’une, mais nuisibles pour l’autre ?
c ) pour l’une et neutres pour l’autre ?
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UV 9.2
9.2.3
La dynamique des écosystèmes
Dans un écosystème, les interactions entre les vivants et leur milieu créent une dynamique.
Les relations trophiques Les relations prédateurs-proies sont essentielles à la survie de toutes les espèces d’un écosystème. On les appelle « relations trophiques » et on les représente sous la forme d’une chaîne alimentaire (voir la figure 6). Les lons oqus sont les relations alimentaires qui s’établissent entre les différents êtres vivants d’un écosystème.
Producteur
Consommateur primaire
Consommateurs secondaires
Consommateur tertiaire
signifie « est mangé par »
Fgu 6
Ls lons oqus ésnés un cîn lmn.
La place occupée par un individu dans une chaîne alimentaire constitue son niveau trophique. Dans les écosystèmes, les organismes appartiennent à l’un des niveaux trophiques suivants : • Les producteurs : ce sont les végétaux. On les qualifie d’« organismes autotrophes », car ils produisent eux-mêmes leur nourriture. • Les consommateurs : ce sont des organismes hétérotrophes (qui se nourrissent d’autres organismes vivants). Les consommateurs primaires sont des herbivores qui se nourrissent de producteurs. Les consommateurs secondaires se nourrissent d’herbivores. Les autres consommateurs sont tous considérés comme des consommateurs tertiaires (voir la figure 6). • Les décomposeurs : ce sont des organismes détritivores. Ils se nourrissent de matières organiques mortes et les décomposent en nutriments. Les champignons, les vers de terre et les bactéries appartiennent à ce groupe d’organismes.
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223
Les facteurs écologiques Les facteurs écologiques regroupent les relations et les influences que peuvent avoir entre eux les différents composants d’un écosystème. On compte : • les facteurs biotiques, qui déterminent les relations entre organismes vivants dont les relations trophiques sont un exemple ; • les facteurs abiotiques, constitués, par exemple, du climat, des nutriments du sol et de la salinité de l’eau.
Les perturbations Si tous les facteurs écologiques sont en équilibre, un écosystème peut se maintenir très longtemps. Mais il y a constamment des perturbations qui agissent sur lui. Une perturbation est un dérangement ou une altération se produisant à l’intérieur d’un écosystème. Les perturbations peuvent être rapides et très dévastatrices ou très lentes et peu visibles. Par exemple, l’utilisation depuis de nombreuses années de produits détersifs contenant des phosphates a entraîné une prolifération des cyanobactéries dans les cours d’eau (voir la figure 7). Figure 7 Un lac pollué par des cyanobactéries (algues bleues).
On classe généralement les perturbations en fonction de leur origine, comme le montre le tableau 4. TABLEAU 4
Les types de perturbations
Types de perturbations
Origine
Perturbations naturelles
Feu de forêt, inondation, éruption volcanique, épidémie de grippe, etc.
Perturbations humaines
Déforestation, pollution, chasse intensive, monoculture, etc.
Activités 9.2.3 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La prédation fait partie des facteurs écologiques.
b ) La compétition est un facteur abiotique.
c ) Un végétarien est un consommateur primaire.
224
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UV 9.2
2
Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème nocturne suivant. signifie « est mangé par »
a ) Identifiez le ou les : 1) producteurs :
5) consommateurs tertiaires :
2) décomposeurs :
6) organismes autotrophes :
3) consommateurs primaires :
7) organismes hétérotrophes :
4) consommateurs secondaires :
b ) Quel effet la disparition des grenouilles aurait-elle sur ce réseau trophique ?
c ) Quels effets l’introduction d’un prédateur du raton laveur auraient-ils sur ce réseau trophique ?
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225
3
Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème suivant.
signifie « est mangé par »
a ) Complétez le tableau suivant. Niveaux trophiques
Organismes
Facteurs biotiques
Se nourrissent de feuilles mortes. Herbe
Consommateurs
Se nourrit de criquets, de pissenlits, d’herbe, de trèfles et de vers de terre. Criquet Renard
b ) La composition du sol et le climat de cet écosystème correspondent à quel type de facteurs écologiques ? Des facteurs biotiques
Des facteurs abiotiques
c ) Lequel des niveaux trophiques a un effet direct sur la composition du sol ? Expliquez votre réponse.
d ) Si les marmottes disparaissaient de cet écosystème, quelles seraient les conséquences sur la croissance de la population des vers de terre ?
226
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UV 9.2
e ) À quel type de perturbation aurait-on affaire si la disparition des marmottes était due : 1) à un pesticide ?
4
2) à un virus ?
Reliez chacune des situations dans la colonne de gauche au type d’interaction dans la colonne de droite. a ) Un poisson-clown qui s’abrite au sein d’une anémone et qui peut servir de leurre pour attirer des proies vers l’anémone.
2) Compétition
b ) Des mauvaises herbes qui envahissent lentement la pelouse devant la maison. c ) Des puces dans le pelage d’un chat. 5
1) Parasitisme
3) Mutualisme
Référez-vous à l’illustration du réseau trophique suivant pour répondre aux questions a et b , ci-dessous et à la page suivante. signifie « est mangé par » 1
1
2
2
a ) Repérez les deux types d’interaction présents dans ce réseau trophique. Puis, à l’aide des flèches numérotées 1 et 2, précisez les relations que représente chaque type d’interaction. Type d’interaction 1
Relations représentées R elation :
R elation :
2
R elation :
R elation :
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Chapitre 9 L’écoLogie
227
b ) Si l’arbre ne produit pas de fruits cette année-là, quelle population illustrée subira une augmentation ou une diminution ?
Les transformations de la matière et de l’énergie 9.2.4
Dans un écosystème, les interactions entre les vivants et leur milieu sont à l’origine des différentes transformations.
La productivité primaire Dans un écosystème, on voit continuellement croître de la nouvelle végétation. D’où peut bien provenir cette « nouvelle matière » ? La productivité primaire est la quantité de matière organique produite par les végétaux d’un écosystème lors de la photosynthèse. La croissance des végétaux dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, un milieu riche en nutriments, humide et ensoleillé (facteurs abiotiques) est favorable à la productivité primaire. Par contre, une décroissance de la population d’abeilles nuit à la pollinisation des arbres fruitiers (facteur biotique).
Le flux de la matière Les végétaux utilisent les nutriments disponibles dans le sol pour croître. Ils les réintroduisent ainsi dans la chaîne alimentaire. Le flux de la matière correspond au cycle des éléments chimiques de la matière dans un écosystème. Les végétaux sont mangés par certains animaux, et ceux-ci seront ensuite mangés par d’autres animaux. À chaque étape de ce processus, une partie de la matière organique est décomposée, puis transformée en nutriments. Ces derniers demeurent dans le sol jusqu’à ce qu’un végétal les utilise pour assurer son développement (voir la figure 8). Nourriture
Le recyclage chimique
Nutriments
Figure 8 Le flux de la matière ( ) constitue un cycle dont le recyclage chimique ( ) fait partie.
228
UNIVERS VIVANT
Le recyclage chimique est le phénomène naturel au cours duquel la matière organique est décomposée, puis transformée en nutriments (matière inorganique) qui seront à nouveau disponibles dans le sol (voir la flèche orange dans la figure 8).
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UV 9.2
Le flux de l’énergie Les végétaux convertissent l’énergie lumineuse du Soleil en énergie chimique emmagasinée dans les liaisons entre les atomes. Le flux d l’éng est un transfert d’une partie de l’énergie entre les différents composants vivants d’un écosystème.
Consommateur tertiaire
Prt d’nr sus frm d halur
Les vers, les champignons ainsi qu’un certain nombre de microorganismes sont des décomposeurs. Pour se nourrir, ces derniers décomposent la matière organique présente dans les végétaux et les animaux morts, ce qui crée des nutriments dans le sol. Ces nutriments peuvent s’accumuler sous forme de roches que l’érosion du sol rendra disponibles à nouveau.
Consommateurs secon daires
Consom mateur s pr imair es Produc teurs
Dans un écosystème, l’énergie n’est pas recyclée, contrairement à la matière. De plus, elle n’est pas entièrement transmise d’un niveau trophique à un autre. Elle se perd, sous forme de chaleur, entre Fgu 9 L flux d l’éng dns un cîn lmn. chacun des niveaux trophiques d’une chaîne alimentaire. Cette perte s’accroît à chaque niveau trophique, puisque seulement 5 % à 20 % de l’énergie est transférée au niveau suivant. Par exemple, la croissance d’un requin nécessite, à masse égale, plus d’énergie que celle des algues, parce qu’elle implique un plus grand nombre de niveaux trophiques (voir la figure 9).
Activités 9.2.4 1
Nommez deux facteurs qui ont un effet positif sur la croissance des végétaux (producteurs primaires).
2
La croissance des végétaux influe-t-elle sur la productivité primaire ? Justifiez votre réponse.
3
Expliquez comment la longueur d’une chaîne alimentaire peut influer sur le flux de l’énergie.
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Chapitre 9 L’écoLogie
229
4
Complétez le schéma ci-dessous à l’aide des mots suivants. Végétaux
Animaux
Décomposeurs
Nutriments
Flux de la matière
Matière organique
Productivité primaire Recyclage chimique
5
Observez les deux photos suivantes. Dans lequel de ces écosystèmes la productivité primaire est-elle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.
1
6
7
230
2
Quels organismes sont les principaux responsables du recyclage chimique ? a ) Les producteurs
c ) Les décomposeurs
b ) Les consommateurs
d ) Toutes ces réponses
Quelle est la différence entre le flux de la matière et le flux de l’énergie dans un écosystème ?
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UV 9.2 9.1
Quel serait l’effet de la disparition des décomposeurs d’un écosystème sur :
8
a ) la productivité primaire ?
b ) le flux de la matière ?
c ) le flux de l’énergie ?
CONSOLIDATION DU ChApITre 9 1
Placez chacun des niveaux d’organisation suivants par ordre croissant du nombre d’individus. A. Communauté
2
B. Individu
C. Écosystème
D. Population
Répondez aux questions à partir de la situation décrite ci-dessous. Une biologiste étudie une population de truites grises dans un lac contenant environ 3 km3 d’eau. Elle observe que ces poissons vivent groupés dans la partie fraîche et profonde, laquelle ne représente qu’environ la moitié du volume total du lac. Ensuite, elle évalue que le lac contient environ 386 truites grises. a ) Quelle est la densité de la population de truites grises (en individus par km3 d’eau) dans l’ensemble du lac ?
b ) La biologiste remarque, à chaque prise, qu’aucune autre espèce que la truite grise ne se trouve dans ses filets. Que peut-elle conclure quant à la biodiversité de la communauté de poissons dans ce lac ?
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Chapitre 9 L’écoLogie
231
3
Les loups vivent en meutes. Quel est le mode de distribution des loups sur ce territoire ?
4
Parmi les termes soulignés, dans les situations suivantes, lequel pouvez-vous associer à une croissance positive d’une population ? a ) Un prédateur dont le nombre de proies possibles augmente. b ) Un hôte dont les parasites augmentent. c ) Un animal qui a maintenant un nouveau compétiteur. d ) Une espèce mutualiste dont l’hôte vient de mourir.
5
Sur quels phénomènes, parmi les suivants, les relations trophiques ont-elles un impact ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) La productivité primaire b ) Le flux de la matière c ) Le recyclage chimique d ) Le flux de l’énergie e ) Toutes ces réponses
6
Lisez la situation ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent. Un champ renferme plusieurs espèces qui interagissent entre elles. Ainsi, les sauterelles et les chenilles se nourrissent de végétaux, les oiseaux et les grenouilles mangent les sauterelles et les chenilles, et le renard chasse les oiseaux et les grenouilles. a ) Dans l’encadré suivant, faites une représentation du réseau trophique décrit ci-dessus en utilisant des flèches qui signifient « est mangé par ». Indiquez sous le nom de chaque espèce à quel niveau trophique elle appartient.
232
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b ) À quel type de facteur écologique les relations établies entre les espèces qui forment ce réseau correspondent-elles ? Un facteur biotique Un facteur abiotique c ) Si la population de sauterelles se multiplie à l’excès, comment la capacité limite de ce champ influera-t-elle sur cette population ?
d ) Donnez un exemple de prédation entre deux espèces.
e ) Un épandage de pesticides affecte la population de sauterelles du champ et la fait diminuer de moitié. 1) De quel genre de perturbation s’agit-il ? 2) Expliquez les effets de cette perturbation sur le réseau trophique : I) quant à la taille de chacune des populations :
II) quant aux types d’interactions :
7
La réduction de la consommation de viande et l’augmentation de la consommation d’aliments provenant de la culture maraîchère biologique locale sont de plus en plus des sujets d’actualité. Que répondez-vous à quelqu’un qui vous demande de lui expliquer les avantages d’un tel changement des habitudes du point de vue du flux de l’énergie ?
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Chapitre 9 L’écoLogie
233
SOMMAIRE
235 252 CHAPITRE 12 L’ingénierie électrique 283 CHAPITRE 10 Les matériaux
UNIVERS
CHAPITRE 11 L’ingénierie mécanique
technologique
chapitre
10
LES MATÉRIAUX
Dans ce chapitre, vous étudierez les bases de la science des matériaux. Cette science permet aux concepteurs de sélectionner les matériaux pour les différentes pièces des objets techniques qu’ils créent en fonction des contraintes que subiront ces pièces. Choisir les matériaux adéquatement permet de rendre un objet plus durable et plus résistant.
SOMMAIRE
Rappel 236 10.1 Les contraintes 236 10.2 Les propriétés des matériaux 240 10.3 Les céramiques, les plastiques et les matériaux composites 243 10.4 La dégradation des matériaux et les procédés de protection 247
RAPPEL Quelques types de matériaux et leurs propriétés Types de matériaux
Quelques propriétés
Les métaux Matériaux extraits d’un minerai.
• Excellente conductibilité électrique • Excellente conductibilité thermique
Les alliages Mélanges homogènes d’un matériau métallique avec une autre substance, métallique ou non.
On crée des alliages dans le but d’améliorer les propriétés physiques de leurs constituants. Exemple : l’acier, un alliage de fer et de carbone, a une plus grande dureté que le fer.
Les bois Matériaux organiques provenant de la coupe et de la transformation des arbres.
• • • • • •
Les bois modifiés Matériaux faits de bois (en morceaux, en lamelles, en feuilles ou résidus de coupe) mélangés à d’autres substances (colle, plastiques, agents de conservation, etc.).
Les bois modifiés ont des propriétés plus uniformes et moins variables que celles des bois massifs (contrairement à ceux-ci, ils ont les mêmes propriétés mécaniques dans toutes les directions). Exemples : contreplaqué, panneaux d’agglomérés.
Dureté Élasticité Résilience Faible fragilité Faible conductibilité électrique Faible conductibilité thermique
10.1 Les contraintes Une contrainte est l’effet qu’une force extérieure exerce sur un matériau et qui tend à le déformer. On doit connaître les contraintes que subira une pièce pour choisir le matériau à utiliser pour la fabrication de cette pièce (voir le tableau 1, à la page suivante).
236
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 10.1
TABLEAU 1
Les principaux types de contrainte
Type de contrainte
Exemple
La traction Contrainte mécanique qui tend à étirer une pièce.
Le câble subit une contrainte de traction puisqu’il est soumis à deux forces de tension de sens opposés qui tendent à l’étirer.
La compression Contrainte mécanique qui tend à comprimer (ou à écraser) une pièce.
Les chandelles subissent une contrainte de compression puisqu’elles sont soumises à deux forces de compression de sens opposés qui tendent à les comprimer.
La torsion Contrainte mécanique qui tend à tordre une pièce.
La serviette subit une contrainte de torsion puisqu’elle est soumise à deux forces qui produisent des mouvements de rotation de sens opposés.
Le cisaillement Contrainte mécanique qui tend à cisailler une pièce.
La feuille de métal subit une contrainte de cisaillement. En effet, elle subit deux forces parallèles de sens opposés, qui sont légèrement décalées l’une par rapport à l’autre et qui tendent à la découper.
La flexion Contrainte mécanique qui tend à courber une pièce.
La balançoire à bascule et le plongeoir subissent une contrainte de flexion puisqu’ils sont soumis à des forces qui tendent à les courber.
Activités 10.1 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à l’écraser, on dit qu’il est soumis à une contrainte de compression.
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Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
237
b ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à le découper, on dit qu’il est soumis à une contrainte de traction.
c ) Lorsqu’un matériau subit des forces qui tendent à le courber, on dit qu’il est soumis à une contrainte de torsion.
2
À l’aide des mots de la liste ci-dessous, indiquez la contrainte que subit chacun des objets en gras dans le tableau. Cisaillement
Compression
Flexion
Torsion
Situation
Traction Contrainte
a ) Une mécanicienne pousse sur le manche d’une clé à molette pour serrer un écrou. b ) Un homme est debout sur un paillasson. c ) Une personne ouvre un pot de cornichons en faisant tourner le couvercle. d ) Un cuisinier coupe des feuilles de laitue pour faire une salade. e ) Une dame s’assoit sur une chaise à quatre pieds. f ) La tige d’un boulon est serrée au moyen d’une clé à molette. g ) Un homme fort tire un wagon de train au moyen d’une corde. h ) Les parois d’un sous-marin doivent résister à l’immense pression de l’eau. i ) La travée d’un pont est soutenue par des piliers à ses deux extrémités.
3
À quel type de contrainte les éléments suivants sont-ils soumis ? a ) Ces étagères murales
b ) Le moyeu du rotor d’un hélicoptère Rotor
238
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
Moyeu
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Ut 10.1
4
Le bois massif résiste mieux aux contraintes de compression lorsqu’elles s’exercent parallèlement à son grain que lorsqu’elles s’exercent perpendiculairement à celui-ci. Sachant cela, parmi les deux blocs illustrés ci-dessous, entourez celui qui sera le plus résistant à la compression.
a)
5
b)
L’illustration ci-dessous montre un appareil de musculation utilisé par un homme pour faire des exercices d’extension des genoux. a ) Sur l’illustration, entourez en rouge l’une des parties de l’appareil qui subit une contrainte de traction et dessinez le symbole normalisé approprié. b ) Sur l’illustration, entourez en bleu l’une des parties de l’appareil qui subit une contrainte de compression et dessinez le symbole normalisé approprié. c ) À quel type de contrainte les jambes de l’homme sont-elles soumises ?
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Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
239
10.2 Les propriétés
des matériaux Les propriétés mécaniques des matériaux indiquent comment un matériau réagit aux contraintes qu’il subit. Le tableau 2 décrit sept des principales propriétés mécaniques des matériaux, mais il en existe plusieurs autres. TABLEAU 2
Les principales propriétés mécaniques des matériaux
Propriété mécanique
240
Exemple
La dureté Capacité d’un matériau à résister à la pénétration et à la déformation.
La lame d’une scie doit être plus dure que les matériaux qu’elle coupe pour pouvoir les pénétrer.
La rigidité Capacité d’un matériau à garder sa forme lorsqu’il est soumis à des contraintes.
La rigidité du carbure de tungstène en fait un bon matériau pour la fabrication de crampons ou de la pointe de bâtons de marche.
L’élasticité Capacité d’un matériau à se déformer sous l’effet d’une contrainte et à reprendre sa forme lorsque la contrainte cesse.
Les ressorts d’un matelas doivent être élastiques et reprendre leur forme lorsque l’on cesse de les comprimer.
La ductilité Capacité d’un matériau à se déformer de manière irréversible sans se rompre lorsqu’il est soumis à de fortes contraintes. En particulier, capacité de se laisser étirer facilement.
Puisque l’on peut en faire des fils, le laiton est ductile.
La malléabilité Sous-propriété de la ductilité. Capacité d’un matériau à s’aplatir de manière irréversible sans se rompre lorsqu’il est soumis à des contraintes de compression.
Puisque l’on peut en fabriquer des feuilles, l’or est malléable.
La fragilité Capacité d’un matériau de se casser avant de se déformer significativement lorsqu’il est soumis à une contrainte.
Le verre est fragile puisqu’il se casse sans déformation préalable.
La résilience Capacité d’un matériau à résister aux chocs et à reprendre sa forme après une déformation. La résilience est en quelque sorte l’inverse de la fragilité.
Le polymère dont est fait cet étui pour téléphone doit être résilient pour protéger l’appareil des chocs.
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UT 10.2
Les matériaux ont aussi d’autres propriétés que leurs propriétés mécaniques. On peut, par exemple, caractériser les matériaux en fonction de : • leur conductibilité électrique (capacité à laisser passer le courant) ; • leur conductibilité thermique (capacité à transmettre la chaleur) ; • leur légèreté (faiblesse de leur masse volumique) ; • leur neutralité chimique (résistance aux agents chimiques) ; • leur résistance à la corrosion ; • leur résistance à la chaleur.
FLASH
TECHNO
Le découpage au jet d’eau
Pour découper un matériau, on emploie habituellement un autre matériau plus dur. Ainsi, on se sert souvent des pointes de diamant pour effectuer des coupes dans des matériaux très durs. Cependant, on peut également découper des matériaux d’une grande dureté en utilisant de l’eau ! Comment ? En projetant un jet d’eau à haute pression et à haute vitesse sur le matériau. On arrive de cette façon à reproduire très rapidement le travail que fait lentement l’érosion dans la nature. Le découage au jet d’eau emet de façonne luseus matéaux, comme les lastques, l’alumnum, l’ace et les caoutchoucs.
Activités 10.2 1
À partir de la liste de propriétés mécaniques ci-dessous, complétez chacune des phrases suivantes. (Chaque propriété n’apparaît qu’une fois.) Ductilité a ) La
Dureté
Élasticité
Fragilité
Malléabilité
Résilience
Rigidité
de l’aluminium permet d’en faire des contenants minces.
b ) La du polypropylène fait de celui-ci un bon matériau pour la fabrication des pare-chocs d’automobile. c ) La du quartz est l’une des propriétés pour lesquelles on l’utilise comme cristal vibrant dans des montres. En effet, lorsqu’il vibre, le quartz subit des contraintes, mais ne se déforme presque pas. Moins un matériau se déforme en vibrant, moins il dissipe d’énergie, ce qui est avantageux. d ) À cause de la construction. e ) La
de l’acier, on s’en sert souvent pour façonner des outils de du cuivre permet de l’utiliser pour fabriquer des fils électriques.
f ) La grande du nylon et de certains aciers spéciaux fait en sorte qu’on les emploie souvent pour fabriquer de petits ressorts. g ) Le fait que la céramique se casse plus facilement que l’acier est dû à sa plus grande .
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CHApiTrE 10 LES MATÉRIAUX
241
2
Pour connaître les propriétés d’un nouveau matériau, une ingénieure décide de conduire une série de tests sur des pièces faites de ce matériau. Pour chacun des tests décrits ci-dessous, dites quelle propriété est testée. a)
b)
L’ingénieure attache chacune des extrémités d’une pièce à un mors. La pièce est ensuite étirée. Puis l’ingénieure mesure la déformation obtenue et note la force qui a été nécessaire pour produire cette déformation.
3
c)
L’ingénieure met une pièce dans un appareil. La pièce est ensuite frappée avec une pointe de diamant, un matériau très dur. Puis l’ingénieure mesure la profondeur de l’empreinte laissée par la pointe sur la pièce.
L’ingénieure place une pièce entre deux plaques qui la compriment. Elle mesure ensuite la déformation obtenue et note la force qui a été nécessaire pour produire cette déformation.
L’image ci-contre montre une jante de roue d’automobile. Quelle propriété doit-on principalement rechercher pour cette pièce ? Justifiez votre réponse. a ) La dureté
b ) L’élasticité
c ) La résilience
d ) La fragilité
Justification :
4
5
Quelles sont les propriétés mécaniques recherchées dans le matériau utilisé pour la mèche d’une perceuse ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Ductilité
d ) Fragilité
g ) Légèreté
b ) Dureté
e ) Rigidité
h ) Résistance à la chaleur
c ) Élasticité
f ) Conductibilité électrique
Parmi les deux matériaux suivants, lequel semble un meilleur choix pour la confection d’une pièce de monnaie ? a ) Un alliage ductile et élastique b ) Un alliage dur et résistant à la corrosion c ) Un métal malléable et léger
242
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 10.3
10.3 Les céramiques,
les plastiques et les matériaux composites En 3e secondaire, vous avez étudié quelques matériaux : les métaux et les alliages, les bois et les bois modifiés (voir la section Rappel, à la page 236). Le tableau 3 présente les propriétés de trois autres types de matériaux. TABLEAU 3
Les propriétés des céramiques, des plastiques et des matériaux composites Types de matériaux
Les céramiques • Matériaux solides produits à partir de substances minérales inorganiques comme le sable et l’argile. Exemples : porcelaine, verre, ciment, plâtre
Les matières plastiques • Matériaux organiques de synthèse, formés de macromolécules appelées « polymères ». • Comprend les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les thermodurcissables • Matières plastiques qui restent dures et qui gardent leur forme même lorsqu’elles sont chauffées. • Non recyclables. Exemples : mélamine, certains polyesters Les thermoplastiques • Matières plastiques qui, si on les chauffe, ramollissent de façon qu’on puisse les mouler ou les remodeler. • Recyclables. Exemples : polychlorure de vinyle (PVC), polystyrène, nylon Les matériaux composites • Combinaisons hétérogènes de matériaux qui en améliorent les propriétés. • Constitués d’une matrice (« squelette » du matériau) dans laquelle sont insérées des fibres de renfort. Exemples : béton armé, agglomérés de bois, plastique renforcé de fibres de carbone
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Propriétés • • • • • • • • •
Dureté très élevée Fragilité Rigidité très élevée Résilience faible Neutralité chimique Conductibilité électrique faible Conductibilité thermique faible Résistance à la chaleur très élevée Résistance à la corrosion
• Conductibilité électrique nulle • Conductibilité thermique faible • Légèreté
• • • • •
Dureté Résilience Rigidité Résistance à la chaleur Résistance à la corrosion
• • • •
Élasticité Résilience Neutralité chimique Résistance à la corrosion
• Les propriétés des matériaux composites varient énormément de l’un à l’autre. Par exemple, l’association d’une matrice de plastique peu rigide mais résiliente à des fibres de verre peu résilientes mais rigides permet d’obtenir un matériau rigide et résilient.
Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
243
COMMUNAUTÉ SCIENTIFIQUE
Leo H. Baekeland (1863-1944)
Les premiers plastiques ont été fabriqués au 19e siècle grâce à la transformation chimique de polymères naturels comme le caoutchouc et la cellulose. La première matière plastique entièrement synthétique, la bakélite, a été élaborée en 1907 par le chimiste américain d’origine belge Leo Baekeland. La bakélite est un plastique thermodurcissable : elle durcit de façon permanente après chauffage et moulage. Comme elle est un bon isolant thermique et électrique, on l’a rapidement et largement utilisée pour fabriquer des boîtiers de radio et de téléphone ainsi que divers ustensiles de cuisine.
Activités 10.3 1
Quelles sont les propriétés de l’alumine ? Lisez le texte suivant, puis cochez toutes les cases appropriées.
L’alumine L’alumine est un matériau de la famille des céramiques qui a de nombreux usages. On l’utilise notamment pour fabriquer certaines pièces de fours industriels, des instruments de laboratoire et des implants dentaires. Sa conductibilité thermique est plus élevée que celle de la plupart des céramiques, qui sont généralement de mauvais conducteurs de chaleur. À part cette caractéristique particulière, les autres propriétés de l’alumine sont assez typiques de la famille des céramiques.
2
Conductibilité électrique
Élasticité
Résistance à la chaleur
Conductibilité thermique
Neutralité chimique
Résistance à la corrosion
Dureté
Résilience
Rigidité
Quelles sont les propriétés des polyimides thermodurcissables ? Lisez le texte suivant, puis cochez toutes les cases appropriées.
Les polyimides thermodurcissables Les polyimides thermodurcissables ont des applications variées. On les utilise comme isolants électriques, entre autres comme support à des circuits imprimés. Ils sont assez peu réactifs chimiquement. En raison de leur élasticité supérieure à celle de la plupart des thermodurcissables, on s’en sert aussi pour recouvrir des tubes et des cathéters (tubes à usage médical).
244
Conductibilité électrique
Élasticité
Résistance à la chaleur
Conductibilité thermique
Neutralité chimique
Résistance à la corrosion
Dureté
Résilience
Rigidité
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Ut 10.3
3
On souhaite fabriquer les deux éléments présentés ci-dessous, pour lesquels on cherche des matériaux appropriés. Dans chaque cas, cochez, dans la colonne de gauche, les cases correspondant aux propriétés que devra posséder le matériau choisi. Puis, dans la colonne de droite, cochez le type de matériau qui conviendrait le mieux. a ) Le revêtement intérieur d’un four industriel. Propriétés recherchées
Type de matériau choisi
Dureté
Résistance à la chaleur
Céramique
Élasticité
Résistance à la corrosion
Thermodurcissable
Résilience
Rigidité
Thermoplastique
b ) Un dos d’âne amovible (structure que l’on fixe à la chaussée pour créer une bosse, dans le but de forcer les véhicules à ralentir). Propriétés recherchées
4
Type de matériau choisi
Dureté
Résistance à la chaleur
Céramique
Élasticité
Résistance à la corrosion
Thermodurcissable
Résilience
Rigidité
Thermoplastique
Lisez le texte suivant, puis répondez aux questions.
Le béton Le béton est dur, mais relativement fragile. Il résiste très bien aux contraintes de compression, mais plutôt mal aux contraintes de traction. Le béton armé (voir la photo ci-contre), quant à lui, est un matériau fait d’une structure d’acier recouverte de béton.
a ) À quel type de matériau le béton armé appartient-il ? 1) Les alliages
3) Les matières plastiques
2) Les céramiques
4) Les matériaux composites
b ) Parmi les énoncés suivants, un seul est vrai. Lequel ? 1) Le béton armé supporte beaucoup mieux les contraintes de traction et de flexion que le béton ordinaire. 2) Le béton armé est moins sujet à la corrosion que le béton ordinaire. 3) Le béton armé peut être moulé, alors que le béton ordinaire ne peut pas l’être.
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Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
245
5
Une entreprise de design spécialisée dans les emballages a trois clients.
Client A
Client B
Client C
Produit : Cosmétique, 30 mL
Produit : Tartinade sucrée, 350 mL
Produit : Confiture de luxe, 230 mL
« Nous souhaitons que nos clientes et nos clients puissent emporter notre produit partout avec eux. L’emballage devra être rigide, avec un côté transparent et un côté opaque. »
« Nous recherchons un emballage qui sera pratique pour toute la famille. Il doit pouvoir être pressé pour faire sortir la tartinade. De plus, nous souhaitons que l’emballage soit recyclable. »
« Nos confitures sont des créations gastronomiques préparées de façon artisanale. Nous souhaitons un emballage transparent qui le reflète et met en valeur les ingrédients biologiques locaux utilisés. »
Pour satisfaire ces trois clients, l’entreprise étudie cinq matériaux.
Verre
Aluminium
Polystyrène (PS)
Le verre peut être complètement transparent, ou coloré. Il possède une très grande neutralité chimique, qui lui confère de grandes qualités pour la conservation des aliments. Il est dur, mais fragile et lourd.
L’aluminium est un métal très léger et incassable. Les emballages produits sont flexibles, mais peu résilients. Les techniques de façonnage utilisables limitent les formes que peuvent avoir les contenants, et ceux-ci sont difficilement refermables.
Les PS sont des thermoplastiques qui peuvent être aussi transparents que le verre. On peut cependant les rendre opaques ou les colorer de n’importe quelle couleur. Ils sont durs et beaucoup moins résilients que les autres thermoplastiques.
Polyéthylène basse densité (PEBD)
Polyéthylène haute densité (PEHD)
Les PEBD sont des thermoplastiques. Ils ont une résilience plus élevée que les PEHD. Ils peuvent être translucides ou opaques. Ils sont assez peu rigides, mais très résilients.
Les PEHD sont des thermoplastiques. Ils sont très similaires aux PEBD, mais leur densité est plus grande. Ils sont plus durs, plus rigides et plus opaques que les PEBD.
Lequel de ces matériaux conviendrait le mieux pour chacun des clients ? (Un même matériau peut être sélectionné plus d’une fois.) a ) Le client A b ) Le client B c ) Le client C
246
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 10.4
10.4 La dégradation
des matériaux et les procédés de protection La dégdon d’un matériau correspond à la modification de ses propriétés par son environnement. On peut retarder ou empêcher la dégradation des matériaux en utilisant des procédés de protection (voir le tableau 4). TABLEAU 4
La dégradation et la protection des matériaux Les métaux et les alliages
Causes de la dégradation • Oxydation causant la corrosion (qu’on appelle « rouille » dans le cas des alliages ferreux). Procédés de protection • Les recouvrir d’un revêtement dit « passif » (peinture, vernis, graisse, émail, etc.) qui les isole de l’environnement. • Les recouvrir d’une couche d’un métal qui résiste mieux à la corrosion, comme le zinc. Un métal ou un alliage recouvert de zinc est dit « galvanisé » • Les associer à un métal qui leur offre une protection électrochimique. Le zinc, le magnésium et l’aluminium peuvent protéger l’acier et le fer. Comme ces métaux s’oxydent plus facilement, l’oxygène réagit d’abord avec eux plutôt que de dégrader l’acier ou le fer.
Électrodes sacrificielles
Des électrodes de zinc offrent une protection électrochimique à la coque d’un navire. Les petites pièces de zinc fixées sur l’acier « se sacrifient » en s’oxydant en premier, d’où leur nom d’« électrodes sacrificielles ».
Les bois Causes de la dégradation • Infestation par des insectes, des champignons ou des microorganismes. • Taux d’humidité élevé qui fait gonfler le bois jusqu’à ce qu’il devienne poreux ou se fissure. Procédés de protection • Les peindre, les vernir ou les teindre (revêtement passif). • Les traiter à l’aide d’un enduit protecteur (souvent une solution basique contenant du cuivre). • Les chauffer à haute température.
Le bois traité avec une solution de cuivre a une teinte verdâtre.
Les céramiques Causes de la dégradation • Action de certains acides ou bases fortes ; • Choc thermique (variation brusque de température).
Les céramiques sont beaucoup plus souvent cassées qu’elles ne sont abîmées par l’usure.
Procédés de protection • Les céramiques sont très durables, mais fragiles : il n’y a pas de procédé pour les protéger des chocs.
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Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
247
TABLEAU 4
La dégradation et la protection des matériaux (suite) Les matières plastiques
Causes de la dégradation • Exposition à un rayonnement ultraviolet (UV), comme celui émis par le soleil ; • Pénétration par des liquides ; • Oxydation. Procédés de protection • Leur ajouter, pendant la fabrication, des pigments qui absorbent les rayons UV et des antioxydants. • Les recouvrir d’un revêtement imperméable.
Le plastique de ce bac s’est dégradé.
Les matériaux composites Causes de la dégradation • Déformation de la matrice ou des fibres de renfort. • Diminution de l’adhérence entre la matrice et les fibres de renfort. Procédés de protection • Utiliser des matériaux de qualité qui adhèrent fortement ensemble. La qualité d’un matériau composite a un effet sur sa durabilité.
Activités 10.4 1
Un mécanicien vaporise de l’huile sur une automobile. Lesquels des énoncés suivants sont vrais concernant le rôle de l’huile ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) L’huile procure un revêtement passif à la carrosserie de l’automobile. b ) L’huile procure une protection électrochimique aux alliages de la carrosserie. c ) L’huile galvanise les alliages de la carrosserie. d ) L’huile isole les alliages de la carrosserie de l’environnement. e ) L’huile protège les alliages de la carrosserie des dommages causés par les rayons UV. f ) L’huile protège les alliages de la carrosserie de la corrosion. g ) L’huile protège les alliages de la carrosserie des dommages causés par des variations trop brusques de température.
2
À la fin de l’été, un père demande à son fils de peindre la clôture qu’il vient d’installer. Le fils suggère de remettre cette tâche au printemps. Cela mécontente le père. a ) Le père a-t-il raison d’insister ? 1) Oui, plus tôt la clôture sera repeinte, moins elle se dégradera. 2) Non, le bois ne risque pas de se dégrader pendant l’automne et l’hiver, car il ne fait pas suffisamment chaud. 3) Non, une clôture neuve ne risque pas de se dégrader durant sa première année.
248
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 10.4
b ) Pourquoi la peinture serait-elle un moyen de protection ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) La peinture protège le bois de la corrosion. 2) La peinture protège le bois de l’humidité. 3) La peinture protège le bois des insectes et des microorganismes. c ) Le fils estime qu’une clôture en bois traité n’a pas besoin d’être peinte. A-t-il raison ? Expliquez votre réponse.
CONSOLIDATION DU ChApITre 10 1
Quel type de contrainte s’exerce principalement sur les objets suivants ? a ) La semelle de béton des fondations c ) La tige de métal verticale qui soutient d’un bâtiment une enseigne suspendue
Mur Semelle
b ) L’arbre qui soutient les pales d’un ventilateur
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d ) Les dents des roues dentées d’un engrenage
Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
249
2
Répondez aux questions suivantes sur les propriétés des matériaux. a ) Un matériau peut-il être à la fois ductile et fragile ? Expliquez votre réponse.
b ) Un matériau peut-il être à la fois fragile et résilient ? Expliquez votre réponse.
3
4
Associez chacun des matériaux de la colonne de gauche à la propriété qui le distingue, dans la colonne de droite. a ) Caoutchouc
1) Dureté
b ) Diamant
2) Fragilité
c ) Or
3) Malléabilité
d ) Porcelaine
4) Résilience
Le tableau suivant comprend de l’information au sujet de divers matériaux. Prenez connaissance de ces renseignements, puis répondez aux questions de la page suivante. Matériau
250
Information
Matériau
Information
Acier inoxydable trempé
Dureté élevée Ductilité relativement faible Résistance à la corrosion Conductibilité électrique
Polycarbonate (Lexan®)
Grande transparence Légèreté Durabilité
Aluminium
Légèreté Excellentes ductilité et malléabilité Résistance à la corrosion Conductibilité électrique
Verre borosilicaté (Pyrex®)
Résistance à la chaleur Fragilité Transparence Durabilité
Bois de chêne
Dureté Résilience Coût élevé Sensibilité à l’humidité
Polyéthylène
Légèreté Durabilité Malléabilité Coût faible
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a ) Le tableau ci-dessous présente différentes pièces que l’on souhaite fabriquer. • Dans la deuxième colonne, énumérez les propriétés que doit avoir le matériau qui servira
à fabriquer chaque pièce. • Dans la troisième colonne, nommez le matériau que vous utiliseriez pour fabriquer chaque
pièce. (Choisissez parmi les matériaux que l’on décrit dans le tableau de la page précédente.) Pièce à fabriquer
Propriétés recherchées pour le matériau
Matériau choisi
Lames de ciseaux de couture
Bac coloré d’une jardinière suspendue
Pare-brise d’une voiture pour poupée
Plat de cuisson transparent pour le four
b ) Les matériaux choisis à la question a font partie de deux types de matériaux parmi ceux de la liste suivante. Quels sont ces deux types de matériaux ? 1) Les céramiques
3) Les thermoplastiques
2) Les thermodurcissables
4) Les matériaux composites
c ) En général, les aciers s’oxydent relativement facilement. Pour rendre un acier « inoxydable », on lui allie du chrome et, très souvent, du nickel. Quand il y a du chrome dans l’alliage, en présence d’agents oxydants, le chrome s’oxyde d’abord, et il se forme une couche d’oxyde de chrome à la surface de l’acier. Quel effet cela a-t-il sur l’acier ? 1) Cela rend l’acier plus dur, mais un peu plus ductile. 2) Cela protège l’acier de la dégradation par oxydation. 5
Une personne inspecte la piscine d’une maison qu’elle envisage d’acheter. a ) Elle remarque que les pieds de l’échelle sont rouillés. Qu’aurait-on pu faire pour éviter cette rouille ?
b ) La personne constate que le bois de la terrasse de la piscine, dont la peinture est défraîchie, commence à se fendre. Qu’aurait-on pu faire pour éviter cette dégradation ?
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Chapitre 10 LES MATÉRIAUX
251
chapitre
11
L’INGÉNIERIE MÉCANIQUE
L’ingénierie mécanique, aussi appelée « génie mécanique », s’intéresse à la conception et à la fabrication des objets techniques. Les ingénieurs mécaniciens analysent les mouvements des différentes pièces qui composent les objets techniques. Pour vous initier au génie mécanique, vous étudierez dans ce chapitre les liaisons et les guidages, ainsi que les systèmes de transformation et de transmission du mouvement.
SOMMAIRE
Rappel 253 11.1 Les caractéristiques des liaisons 254 11.2 La fonction de guidage 258 11.3 Les systèmes de transmission du mouvement 262 11.4 Les systèmes de transformation du mouvement 269
RAPPEL
Ls fotos us La foncon d lson est assurée par un organe qui lie ensemble les pièces d’un objet technique. La foncon d gudg est assurée par un organe qui dirige le mouvement d’une pièce mobile. Quelques exemples de liaison et de guidage Liaison-guidage Une pièce d’un objet peut être à la fois un organe de liaison et un organe de guidage.
Liaison sans guidage
Deux pièces peuvent être maintenues ensemble et guidées sans organe de liaison ni de guidage, au moyen de leur forme complémentaire.
La liaison et le guidage sont intimement liés, mais la liaison n’implique pas forcément le guidage.
Vis
Rivet Rainures sur le chambranle de la porte
L v d’un css-nos.
L nnu coulssn d’un o-fnê ls nus du cmbnl.
Un vs ln l d d’un scbu (ou d’un cs) à s cnu.
Ls systès d tssso t d tsfoto du ouvt Un sysèm d nsmsson du mouvmn est un ensemble d’organes dont la fonction est de transmettre un mouvement d’une pièce à une autre, sans modifier la nature de ce mouvement. Un sysèm d nsfomon du mouvmn est un ensemble d’organes dont la fonction est de convertir un mouvement de translation en un mouvement de rotation, ou inversement. • Ds s dux typs d systès, o touv u organe menant (moteur) t u organe mené (récepteur), u sot pfos ls u oy d’u organe intermédiaire. • U systè d tssso ou d tsfoto du ouvt st réversible s l’o t put dv l’o . Transmission du mouvement Organe mené
Le système à courroie et à poulies ci-contre sert à mettre en mouvement le ventilateur au-dessus du moteur.
Organe menant
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Transformation du mouvement Organe menant (pignon)
Le système à pignon et crémaillère illustré ci-contre sert à faire la mise au point d’un microscope. Organe mené (crémaillère)
Chapitre 11 L’ingénierie mécaniqUe
253
11.1
Les caractéristiques des liaisons
Quand un objet technique compte plusieurs pièces, celles-ci doivent être liées entre elles. Chaque liaison comporte quatre des huit caractéristiques présentées au tableau 1. TABLEAU 1
Les caractéristiques des liaisons Caractéristiques
Directe Une liaison est directe lorsque les pièces tiennent ensemble sans l’intermédiaire d’un organe de liaison. Les pièces liées doivent avoir des formes complémentaires. ou Indirecte Une liaison est indirecte lorsque les pièces ont besoin d’un ou de plusieurs organes de liaison pour tenir ensemble.
Démontable Une liaison est démontable lorsqu’on peut séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison.
Exemples La liaison entre le culot de l’ampoule et le réceptacle de son socle est directe.
La liaison entre la plaque métallique et le panneau de bois est indirecte : les organes de liaison sont les vis. La liaison entre deux pièces d’un cassetête est démontable.
ou Indémontable Une liaison est indémontable lorsqu’on ne peut pas séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison. Rigide Une liaison est rigide lorsque l’organe de liaison est rigide ou lorsque, en l’absence d’organe de liaison, la surface des pièces liées est rigide. Élastique
ou
Une liaison est élastique lorsque la surface des pièces liées est déformable ou lorsque l’organe de liaison est déformable. Lors du fonctionnement de l’objet, cela assure un mouvement de rappel (retour à la position initiale) des pièces liées.
254
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
La liaison entre une chaussure et sa semelle est indémontable.
Les liaisons entre les différentes parties de cette bibliothèque sont rigides.
La liaison entre les deux branches d’une pince à linge est élastique.
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UT 11.1
TABLEAU 1
Les caractéristiques des liaisons (suite) Caractéristiques
Exemples La liaison entre le manche et la tige du tournevis est complète.
Complète Une liaison est complète lorsque les pièces ne peuvent pas bouger indépendamment, le mouvement d’une pièce entraînant celui de l’autre. ou
La liaison entre les deux branches d’un fer à défriser est partielle.
Partielle Une liaison est partielle lorsque l’une des pièces liées peut bouger indépendamment de l’autre.
FLASH
TECHNO
Ds ps sphs
Tds l’dst toobl tvll d pls pls dvloppt d vots toos, cll d p s’ff à tt pot ds ps… sphs ! Cs ps t l’vt d pvot ds tots ls dctos. L vot pot doc lss ltlt. Cl fcltt l sttot t pttt d coto ds obstcls ss ch bst d dcto. Cpdt, ls ps sphs pot ps êt ls à l vot p ds ssx. O td l possblt d’ lvtto t pttt lso otl vc l vot. C typ d lso, djà tls po cts ts, st co à l’tt d cocpt c tt x os d vots.
Activités 11.1 1
Identifiez, s’il y a lieu, l’organe de liaison dans les liaisons suivantes. a ) La liaison entre les différentes pages du cahier que vous êtes en train de lire.
b ) La liaison entre la tête et le corps d’une flûte traversière.
Tête
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Corps
CHApiTrE 11 L’ingénierie méCanique
255
c ) La liaison entre la base métallique de la poignée de la poêle à frire et cette poêle.
2
d ) La liaison entre un ordinateur et la fiche du fil d’une paire d’écouteurs.
La figure ci-dessous illustre une vue d’ensemble d’une perceuse sensitive, ainsi qu’une vue éclatée d’une partie de sa base.
Support de table Anneau en C Pignon Vis sans fin Bague Vis d’assemblage
Table
Couvercle Vis de blocage Colonne
Manivelle Poignée de manivelle Vis à épaulement Crémaillère
a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre la poignée de la manivelle et la manivelle. 1) Directe
Indirecte
3) Rigide
Élastique
2) Démontable
Indémontable
4) Complète
Partielle
b ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre le couvercle et le support de la table. 1) Directe
Indirecte
3) Rigide
Élastique
2) Démontable
Indémontable
4) Complète
Partielle
c ) Parmi les pièces suivantes, laquelle ou lesquelles ont une fonction de liaison ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) La vis sans fin
256
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
2) Les vis d’assemblage
3) La vis de blocage
4) La vis à épaulement
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Ut 11.1
3
La photo ci-contre illustre une poinçonneuse. Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre les deux branches de la poinçonneuse, en justifiant vos réponses.
4
Vous fabriquez un nichoir pour oiseaux semblable à celui cicontre. Vous voulez que votre cabane soit durable. À cet effet, vous souhaitez avoir accès à l’intérieur de la cabane, par le toit, pour pouvoir la nettoyer chaque automne. Le toit consiste en une seule pièce rectangulaire. La forme de la cabane est telle que le toit sera légèrement en pente. Parmi les organes de liaison de la colonne de gauche, choisissez les deux options qui seraient appropriées pour joindre le toit et les murs. Puis, associez chacun des organes sélectionnés à la caractéristique de la colonne de droite qui motive ce choix. Organe de liaison
Je choisis... a ) Des clous
Caractéristique de la liaison
parce que la liaison obtenue sera... 1) Complète 2) Partielle
b ) Des vis
5
3) Démontable
c ) De la colle
4) Indémontable
d ) Des charnières (fixées à la cabane et au toit par des vis)
5) Rigide 6) Élastique
Pourquoi est-il approprié que la liaison entre le châssis d’une automobile et ses roues soit élastique ? (Indice : L’organe de liaison entre le châssis et la roue est appelé « ressort » et fait partie d'un ensemble de pièces appelé « suspension ».)
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
257
11.2 La fonction
de guidage À l’intérieur d’un objet technique, les pièces ne se déplacent pas de n’importe quelle façon. La fonction de guidage est la fonction assurée par un organe (ou un groupe d’organes) qui dirige le mouvement d’une ou de plusieurs pièces mobiles. Selon le type de mouvement des pièces mobiles, on distingue trois types de guidage. Ceux-ci sont présentés dans le tableau 2. TABLEAU 2
Les trois types de guidage Type de guidage
Exemple
Guidage en translation Permet de contrôler le mouvement en ligne droite de l’organe guidé.
Le vernier du pied à coulisse est guidé en translation le long de la règle parce que sa forme est complémentaire à celle de la règle.
Guidage en rotation Permet de diriger le mouvement circulaire de l’organe guidé. (Le guidage en rotation est souvent effectué par des éléments cylindriques qui s'emboîtent, comme un arbre et un moyeu, par exemple.)
Les charnières qui lient l’écran d’un ordinateur portable à la base de l’ordinateur assurent la fonction de guidage en rotation de l’écran lorsqu’on le rabat.
Guidage hélicoïdal Permet d’assurer un mouvement hélicoïdal, c’est-à-dire une combinaison d’un mouvement de rotation autour d’un axe et d’un mouvement de translation le long de ce même axe. (En général, les organes de guidage hélicoïdal sont des pièces filetées.)
Charnières
Les filets qui se trouvent à l’intérieur du corps du robinet assurent le guidage hélicoïdal de la tige à laquelle sont liées la poignée et la soupape.
Un organe de guidage oblige la ou les pièces qu’il contrôle à n’effectuer qu’un seul type de mouvement. Donc, s’il y a plus d’un mouvement possible pour un organe guidé, c’est qu’il y a plus d’un dispositif de guidage.
258
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 11.2
Activités 11.2 1
La photo ci-dessous montre un patin à roues alignées. Pour répondre aux questions a à d , entourez la bonne réponse. a ) Parmi les pièces indiquées sur l’illustration, laquelle joue le rôle d’organe de guidage ? 1) Le frein de talon 2) Le bloc-essieu 3) L’essieu 4) La roue b ) Quelle pièce est guidée par l’organe de guidage que vous avez identifié à la question a ? 1) Le frein de talon 2) Le bloc-essieu 3) L’essieu 4) La roue
Frein de talon
Bloc-essieu
Essieu Roue
c ) Quel type de guidage est effectué par l’organe que vous avez identifié à la question a ? 1) En translation 2) En rotation 3) Hélicoïdal d ) Quelle particularité de l’organe de guidage lui permet d’offrir ce type de guidage ? 1) Il a une forme cylindrique. 2) Il est muni de filets. 3) Il est fait en métal. 4) Il est fait en plastique. 2
L’illustration ci-contre montre un système à bielle et manivelle. La manivelle est guidée en rotation alors que le piston est guidé en translation.
Manivelle
a ) Qu’est-ce qui assure le guidage de la manivelle ? Bielle
b ) Qu’est-ce qui assure le guidage du piston ? Piston
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
259
3
Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.
Simple et efficace Lorsqu’on veut abaisser le siège d’un vélo stationnaire comme celui de la figure ci-contre, on tourne d’abord la molette (1) qui se trouve dans le cylindre fileté (2) du support de la selle (3). Le tube de la selle (4) devient alors mobile, et on peut abaisser la selle à notre guise.
3
1
2
4
En fait, lorsqu’on déplace la molette, on retire une tige qui tenait le tube de la selle en place. Ce tube est percé de différents trous. Lorsque la tige de la molette est insérée dans l’un d’eux, le tube ne peut plus bouger, mais, lorsqu’on retire la tige, cela permet au tube d’effectuer un mouvement de translation à la verticale. Lorsque la hauteur du siège convient, on ajuste la tige de la molette pour qu’elle coïncide avec le trou le plus proche, parmi ceux dont est percé le tube. On resserre ensuite la molette, pour enfoncer la tige dans le trou choisi et fixer la position verticale du siège. a ) Quels sont les deux organes qui ont une fonction de guidage lorsqu’on abaisse la selle ? 1) La tige filetée de la molette 2) Le cylindre fileté du support de la selle 3) Le cylindre vertical du support de la selle 4) Le tube de la selle b ) Quelle est la forme de guidage assurée par chacun des organes que vous avez identifiés en a ? •
•
c ) Pourquoi les concepteurs du vélo ont-ils fait en sorte que le mouvement de la molette soit hélicoïdal, plutôt que de simplement laisser aux utilisateurs la possibilité de tirer (en translation) sur la tige qui tient le support de la selle en place ?
260
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 11.2
d ) Le support de la selle et le tube de la selle ont une forme cylindrique, sur ce vélo. Pourraient-ils avoir une forme rectangulaire ? 1) Oui. Cela aurait l’avantage d’empêcher le mouvement de rotation du tube de la selle, quand on le glisse dans le support. Les trous percés dans le tube seraient toujours vis-à-vis de ceux percés dans le support. Il serait donc plus facile d’ajuster la hauteur de la selle. 2) Non, le mouvement de translation deviendrait impossible. e ) Certains vélos sont munis d’un système de guidage supplémentaire, comme celui illustré ci-contre. Quelle en est l’utilité ?
4
Observez ces trois objets. Puis, répondez aux questions.
1
2
3
a ) Pour chacun des objets, identifiez une pièce qui sert d’organe de guidage.
b ) Pour chacun des organes de guidage identifiés en a, dites quel est le type de guidage (en translation, en rotation ou hélicoïdal).
c ) Pour chacun des types de guidage identifiés en b, expliquez pourquoi il a été choisi par le concepteur de l’objet.
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
261
11.3 Les systèmes
de transmission du mouvement TABLEAU 3
Les principaux types de systèmes de transmission du mouvement* Roues de friction • Système réversible • Mouvement des roues en sens inverse • En l’absence de glissement, vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle à son diamètre (D) :
Avantages
Désavantage
• Pièces simples • Mouvement sans à-coup (en l’absence de glissement)
• Glissement quasi inévitable : à utiliser seulement si les forces appliquées et les accélérations sont faibles.
Engrenages • Système réversible • Mouvement des roues en sens inverse • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle au nombre (N) de ses dents :
Avantage
Désavantages
• Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes ; mouvement précis
• Lubrification souvent nécessaire • Pièces plus complexes et coûteuses que des roues de friction • Fonctionnement bruyant (surtout en manque de lubrifiant) Courroie et poulies • Système réversible • Mouvement des roues :
Courroie crantée
– dans le même sens si elles sont du même côté de la courroie – en sens inverse si elles sont de part et d'autre de la courroie • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle à son diamètre (D) (comme dans un système à roues de friction) :
262
Avantages
Désavantage
• Union de deux composantes pouvant être éloignées (Elles peuvent ne pas avoir des axes de rotation parallèles, si la courroie est utilisée en torsion.) • Mouvement sans à-coup (quand il n’y a pas de glissement)
• Risque de glissement : à utiliser seulement si les forces appliquées et les accélérations sont faibles. Munir les poulies de gorges ou utiliser une courroie crantée (voir l'image de droite) limite le glissement.
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Ut 11.3
Les principaux types de systèmes de transmission du mouvement (suite)*
TABLEAU 3
Chaîne et roues dentées • Système réversible • Mouvement des roues :
– dans le même sens si elles sont du même côté de la chaîne – en sens inverse si elles sont de côtés opposés de la chaîne • Vitesse de rotation (V) d’une roue inversement proportionnelle au nombre (N) de ses dents (comme dans un engrenage) :
Avantages
Désavantages
• Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes ; mouvement précis • Union de deux composantes pouvant être éloignées
• Lubrification souvent nécessaire • Pièces plus complexes et coûteuses qu’un système à courroie et poulies • Fonctionnement bruyant
Roue dentée et vis sans fin • Système non réversible
– La vis sans fin est l’organe menant. La roue dentée est l’organe mené. • Axes de rotation de la vis et de la roue perpendiculaires. • Diminution de la vitesse de rotation (V ) de la roue (par rapport à celle de la vis) proportionnelle au nombre (N ) de dents de la roue :
Avantages
Désavantages
• Production d’une grande force avec un effort moindre • Pas de glissement : supporte des forces et des accélérations importantes • Ajustement précis (Un tour de vis entraîne une rotation de la roue de l’angle correspondant à une seule dent.)
• Pièces plus complexes et coûteuses que des roues de friction • Usure assez rapide
* Dans ce tableau, « vitesse de rotation » renvoie à la vitesse en unité d’angle par unité de temps (ex. : tours/min).
Dans un mécanisme qui compte plusieurs roues, on peut calculer la vitesse de n’importe quelle roue à partir de celle de n’importe quelle autre, sans se préoccuper des roues qui les séparent (voir la figure 1).
3
2 2
4 1
4 3
1
A U systè à ouo t ut pouls.
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Fgu 1 Dns cs dux sysèms, on suos qu l ou 1 s l ou mnn. S on cc, xml, l vss d l ou 3, qu’on consdè los comm l ou mné, on u uls ls équons d vss du blu 3 sns s éoccu ds ous 2 4.
B U à ut ous dts.
Chapitre 11 L’ingénierie mécaniqUe
263
L’exemple suivant montre comment utiliser l’une des équations qui permettent d’établir la vitesse des composantes dans un système de transmission du mouvement. EXEMPLE
Une roue dentée qui compte 24 dents entraîne une deuxième roue, qui en compte 16, au moyen d’une chaîne mesurant 0,90 m. À quelle vitesse la roue menante doit-elle tourner pour que la roue menée effectue 18 tours par minute ?
Données :
Calcul :
Vroue menée 5 18 tours/min
À partir de l’équation
N roue menante 5 24
Vroue menée Vroue menante
N roue menée 5 16
isoler la valeur de Vroue menante :
Vroue menante 5 ?
Vroue menante
La longueur de la chaîne est sans importance.
Vroue menée
5
Vroue menante 5
5
N roue menante N roue menée
,
N roue menée Vroue menante N roue menée N roue menante 5
16 24
Vroue menée
18 tours/min
5 12 tours/min La roue menante doit tourner à une vitesse de 12 tours/min.
Activités 11.3 1
Sur chacune des illustrations ci-dessous : a ) identifiez le sens de la rotation des roues ou des poulies partout où leur sens n’est pas indiqué ; b ) tracez un X sur la roue qui tourne le plus lentement. 1)
264
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2)
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Ut 11.3
2
Pourquoi utilise-t-on des engrenages dans les mécanismes d’horlogerie plutôt que des roues de friction ?
3
L’illustration ci-dessous représente le mécanisme d’un batteur électrique.
Moteur
Fouet
a ) Quel type de système de transmission du mouvement transmet la rotation du moteur aux fouets ?
b ) Dans l’encadré vide qui se trouve à droite de l’illustration, faites un schéma technique du système que vous avez identifié dans votre réponse à la question a. Faites votre schéma à l’aide des symboles normalisés. c ) Identifiez l’organe menant dans ce système.
d ) Y a-t-il un organe intermédiaire dans ce système ? e ) Ce système est-il réversible ?
Oui
Oui
Non
Non
f ) Que se passera-t-il si quelqu’un force directement sur les batteurs pour les faire tourner manuellement ? Justifiez votre réponse.
g ) Les fouets tournent-ils dans le même sens ou en sens inverse lorsque le batteur est en marche ? 1) Dans le même sens
2) En sens inverse
h ) Complétez le texte suivant en entourant la proposition appropriée dans chacune des boîtes. Les fouets tournent beaucoup à la même vitesse que
moins – plus
vite que le moteur. En effet, ceux-ci tournent
la vis sans fin – les roues dentées , alors que le moteur actionne
la vis sans fin – les roues dentées .
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
265
4
Une roue de 20 cm de diamètre en fait tourner une autre de 10 cm de diamètre, au moyen d’une courroie. Si la roue menante tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue menée tourne-t-elle ?
5
Dans le mécanisme illustré ci-contre, les roues B et C partagent le même axe et les dimensions des roues sont les suivantes.
A
La roue A mesure 10 cm.
La roue C mesure 20 cm.
La roue B mesure 30 cm.
La roue D mesure 40 cm.
B
C
D
Parmi les énoncés suivants, entourez tous ceux qui sont vrais. a ) La roue B tourne trois fois plus lentement que la roue A. b ) La roue C tourne trois fois plus lentement que la roue A. c ) La roue D tourne deux fois plus lentement que la roue C. d ) La roue D tourne six fois plus lentement que la roue A. 6
266
Une roue d’engrenage qui compte 10 dents fait tourner deux autres roues ; l’une de 20 dents et l’autre de 40 dents. Si la roue menante tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue qui compte 40 dents tourne-t-elle ?
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Ut 11.3
7
À quelle vitesse une vis sans fin doit-elle tourner pour que la roue dentée de 24 dents à laquelle elle est liée fasse 2 tours chaque seconde ?
8
Sur un vélo, le mouvement des pédales est transmis aux roues par un système à chaîne et roues dentées. La roue menante est le plateau, alors que la roue menée est le pignon. Un vélo peut être doté de plus d’un plateau et de plus d’un pignon. Le cycliste peut alors choisir les roues dentées qu’il souhaite utiliser selon les circonstances, en faisant passer la chaîne d’une roue dentée à une autre.
Chaîne (organe intermédiaire)
Pignon (organe mené)
Plateau (organe menant)
a ) Quel organe du système à chaîne et roues dentées tourne à la même vitesse que les roues du vélo ? 1) Le plateau
2) Le pignon
3) Aucun des deux.
b ) Quel organe du système à chaîne et roues dentées tourne à la même vitesse que le pédalier ? 1) Le plateau
2) Le pignon
3) Aucun des deux.
c ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes et qu’il conserve cette cadence. Comment la vitesse du vélo sera-t-elle modifiée si ce cycliste fait passer la chaîne d’un plateau à un autre qui compte deux fois plus de dents ? 1) Le vélo avancera deux fois moins vite.
3) Le vélo avancera deux fois plus vite.
2) La vitesse du vélo ne changera pas.
4) Il est impossible de le savoir.
d ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes et qu’il conserve cette cadence. Comment la vitesse du vélo sera-t-elle modifiée si le cycliste fait passer la chaîne d’un pignon à un autre qui compte deux fois plus de dents ? 1) Le vélo avancera deux fois moins vite.
3) Le vélo avancera deux fois plus vite.
2) La vitesse du vélo ne changera pas.
4) Il est impossible de le savoir.
e ) Dans les vélos, pourquoi utilise-t-on un système à chaîne et roues dentées plutôt qu’un système à courroie et poulies ?
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
267
9
10
Vous décidez de fabriquer un engrenage à partir de vieilles roues dentées que vous avez récupérées dans différents appareils défectueux. Parmi les roues récupérées, illustrées ci-contre (à l’échelle), lesquelles pouvez-vous utiliser ensemble ? Reliez par un trait les paires de roues compatibles.
a)
1)
b)
2)
c)
3)
Un treuil est un appareil de levage qui enroule un câble, de façon à soulever une charge. Certains treuils ont un mécanisme à engrenage. D’autres ont un mécanisme à vis sans fin et roue dentée. 1)
2)
a ) Associez chacun des modèles de treuils de la colonne de gauche à sa caractéristique, dans la colonne de droite. 1) Mécanisme à engrenage
i)
L’enroulement du câble se fait très lentement.
2) Mécanisme à vis sans fin et roue dentée
ii) Le treuil doit être équipé d’un système de blocage indépendant, sans quoi le câble pourrait se désenrouler dès qu’on cesse de faire tourner la manivelle.
b ) Pourquoi ne pourrait-on pas fabriquer un treuil calqué sur un modèle de treuil à engrenage, mais en utilisant des roues de friction plutôt que des roues dentées ?
268
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Ut 11.4
11.4 Les systèmes
de transformation du mouvement TABLEAU 4
Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement Pignon et crémaillère • Transformations
Pignon
– Rotation vers translation (Le pignon mène la crémaillère.)
– Translation vers rotation (La crémaillère mène le pignon.) • Système réversible • Un pignon est une roue dentée. • Une crémaillère est une tige dentée.
Crémaillère
Avantages
Désavantages
• Pas de glissement • Production d’une grande force avec un effort moindre
• Amplitude du mouvement limitée par la dimension de la crémaillère • Lubrification souvent nécessaire pour limiter l’usure des dents
Vis et écrou • Transformation
– Rotation vers translation • Système non réversible Certains systèmes à vis et à écrou ne servent qu’à établir un guidage hélicoïdal. Cependant, on peut utiliser un système à vis et à écrou pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Pour cela, l’organe mené doit être guidé en translation (par des glissières dans le bâti), afin d’en empêcher la rotation.
• Si on empêche l’écrou de tourner, la rotation de la vis est transformée en une translation de l’écrou. Écrou
Vis
• Si on empêche la vis de tourner, la rotation de l’écrou est transformée en une translation de la vis. Vis
Avantages
Désavantages
• Ajustement précis : un tour de l’organe menant entraîne une translation de l’organe mené sur la distance correspondant à un seul filet. (Cette distance est appelée « pas ».) • Production d’une grande force avec un effort moindre
• Frottement important • Mouvement lent
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Écrou
Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
269
TABLEAU 4
Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement (suite) Bielle et manivelle
• Transformations
– Rotation vers translation (La manivelle mène la bielle.) – Translation vers rotation (La bielle mène la manivelle.) • Système réversible • La manivelle est la pièce en rotation. • La bielle est une tige rigide dont une des extrémités est liée à la manivelle et l’autre est liée à une pièce qui effectue une translation alternative (va-et-vient). Cette pièce peut être un piston ou un coulisseau, par exemple.
Piston Bielle Manivelle
Avantages
Désavantage
• Mouvement pouvant être très rapide • Mouvement fluide
• Si le système comporte un piston ou un coulisseau, la lubrification est nécessaire. Manivelle et coulisse
• Transformations
– Rotation vers translation (La manivelle mène la coulisse.) – Translation vers rotation (La coulisse mène la manivelle.) • Système réversible • La manivelle est la pièce en rotation (continue ou alternative). • La coulisse est une pièce rainurée. Coulisseau
Coulisse Manivelle
Manivelle Coulisse
270
Avantage
Désavantage
• Mouvement fluide
• Lubrification souvent nécessaire.
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Ut 11.4
TABLEAU 4
Les principaux types de systèmes de transformation du mouvement (suite) Came et tige guidée
• Transformation
– Rotation vers translation (La came est l’organe menant.) • Système non réversible • La came est une pièce rotative (ronde, ovale, ovoïde ou autre) qui a pour fonction de pousser une autre pièce. • La tige guidée effectue un mouvement de translation alternatif (va-et-vient) qui dépend de la forme de la came et de la position de son axe de rotation.
Tige
Came
Avantage
Désavantage
• Possibilité de produire des séquences de translation variées en utilisant des cames de formes complexes.
• Nécessité d’un mécanisme de rappel (ressort)
Activités 11.4 1
Dans un mécanisme à came et à levier, l’organe menant est une came en rotation continue. L’organe mené est un levier qui est guidé en rotation par un axe. Au fil du mouvement de la came, le levier pivote dans un sens, puis dans l’autre. Un mécanisme à came et à levier est-il un système de transformation du mouvement ? Justifiez votre réponse.
Oui
Non
Justification :
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
271
2
La figure ci-contre illustre le mécanisme d’un tube de déodorant. a ) Quel type de système de transformation du mouvement retrouve-t-on dans ce tube ?
b ) Quel est l’organe menant dans le système illustré ?
c ) Quel est l’organe mené dans le système illustré ?
d ) Ce système est réversible. Vrai ou faux ? Vrai
Faux
e ) Une personne tourne la molette pour faire monter le déodorant. dans le tube. Que se passera-t-il si elle tourne ensuite la molette en sens inverse ? Justifiez votre réponse.
Molette
f ) De quelle distance le déodorant se déplace-t-il quand la molette a fait un tour ? 1) Une distance correspondant à la circonférence de la molette. 2) Une distance correspondant au rayon de la molette. 3) Une distance correspondant au pas de la vis. g ) Nommez deux avantages de l’utilisation de ce système de transformation du mouvement dans la conception d’un tube de déodorant.
3
Vous concevez un objet dans lequel vous devez inclure un mécanisme qui transformera un mouvement de translation alternative en un mouvement de rotation continue. Lequel ou lesquels des systèmes suivants pourriez-vous employer ? Entourez toutes les bonnes réponses. a ) Un système à pignon et crémaillère b ) Un système à vis et écrou c ) Un système à bielle et manivelle d ) Un système à manivelle et coulisse e ) Un système à came et tige guidée
272
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Ut 11.4
4
La figure ci-contre illustre un tire-bouchon. a ) Quel type de système de transformation du mouvement retrouve-t-on dans le mécanisme de ce tire-bouchon ?
Poignée
b ) Sur la figure, entourez, pointez et identifiez par leur nom les différentes parties de ce système de transformation du mouvement. (Ces pièces ne font pas partie de celles qui sont déjà pointées et identifiées sur la figure.) c ) Un tire-bouchon est placé dans la même position que celui qui est illustré ci-contre. Une personne appuie sur la poignée du tire-bouchon, et la vis est enfoncée dans un bouchon en la faisant tourner pour lui imprimer un mouvement hélicoïdal.
Leviers
Vis Corps
1) Qu’arrive-t-il aux leviers (bras) du tire-bouchon ?
2) En quoi y a-t-il transformation du mouvement dans la situation décrite à la question c ?
3) Selon la situation décrite à la question c, quel est l’organe menant et quel est l’organe mené dans le système de transformation du mouvement ?
d ) Les leviers d’un tire-bouchon sont initialement en position relevée, c’est-à-dire qu’ils pointent vers le haut. Une personne appuie sur les leviers de façon à les faire pivoter autour des rivets qui les fixent au corps du tire-bouchon. 1) Expliquez ce qui se produit ensuite. Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes ci-dessous. La crémaillère, la vis et la poignée du tire-bouchon subissent de façon solidaire un mouvement de rotation – translation verticale vers le haut. Si la vis est enfoncée dans un bouchon, celui-ci est entraîné en rotation – translation avec la vis. Le mouvement de rotation – translation des leviers est transformé en un mouvement de rotation – translation de l’ensemble poignée-crémaillère-vis (et du bouchon, si on est en train de déboucher une bouteille). 2) Selon la situation décrite à la question d, quel est l’organe menant et quel est l’organe mené dans le système de transformation du mouvement ?
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
273
5
La figure ci-dessous illustre le fonctionnement d’un moteur à quatre temps. Admission
Compression Ressorts Soupape d'admission
Combustion
Échappement B
Soupape d'échappement Cylindre
A
a ) Sur la figure ci-dessus, identifiez les pièces qui ne sont pas nommées. b ) Les pièces ci-contre forment un système de transformation du mouvement. 1) Inscrivez le numéro correspondant à la pièce dont il est question dans chacun des énoncés suivants.
1
i) Organe menant
2
ii) Organe guidé en translation
3
iii) Pièce en rotation continue A
2) Ce système est-il réversible ? 3) Pourquoi la pièce 1 doit-elle être lubrifiée ?
c ) Les pièces ci-contre forment un système de transformation du mouvement. 1) De quel type de système de transformation du mouvement s’agit-il ?
1
2
2) Inscrivez le numéro correspondant à la pièce dont il est question dans chacun des énoncés suivants. i) Organe menant ii) Organe mené iii) Pièce en rotation continue
3 B
iv) Pièce en translation alternative 3) Ce système est-il réversible ?
274
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Ut 11.4 11.1
d ) Quelle est l’utilité des ressorts dans ce moteur ?
2)
Position de la tige
3)
1 tour de came
Temps
1 tour de came
Temps
1 tour de came
Temps
Position de la tige
1)
Position de la tige
e ) Quel graphique illustre correctement le mouvement des soupapes en fonction du temps ?
f ) Associez chacune des cames illustrées ci-dessous au graphique de la question e qui lui correspond. Sous chaque came, inscrivez le chiffre correspondant au bon graphique. 1)
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2)
Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
275
6
Un cric sert à soulever une voiture pour faire un changement de pneu. Il existe différents modèles de cric. Certains sont munis d’un système à pignon et à crémaillère, mais la plupart sont munis d’un système à vis et à écrou, comme le modèle illustré ci-dessous.
Manivelle Écrou Vis
a ) Quel est le principal avantage d'utiliser un cric pour soulever une voiture ?
b ) Nommez un avantage que le système à vis et à écrou présente par rapport à un système à pignon et à crémaillère dans la conception d’un cric de voiture.
c ) Associez chacun des éléments du système à vis et à écrou du cric de la colonne de gauche, à son rôle dans la colonne de droite. 1) Écrou
i)
Organe menant
2) Vis
ii) Organe mené
d ) Lorsqu’on actionne le cric, la vitesse de soulèvement de la voiture est-elle plus grande ou plus petite que la vitesse linéaire à laquelle la manivelle est tournée ? 1) Plus grande 2) Plus petite e ) Comment pourrait-on augmenter la vitesse de soulèvement de la voiture, sans changer le rythme auquel la manivelle est tournée ? 1) En lubrifiant l’écrou. 2) En utilisant une manivelle plus longue. 3) En diminuant le pas de la vis et de l’écrou. 4) En augmentant le pas de la vis et de l’écrou. Note : Augmenter la vitesse de soulèvement de la voiture impliquera de devoir appliquer une plus grande force sur la manivelle.
276
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CONSOLIDATION DU ChApITre 11 1
L’illustration suivante est une représentation simplifiée d’une portion du mécanisme d’une machine à coudre.
Roue D
Tige de l’aiguille
Moteur
Roue C Roue A
Roue B
Sur cette illustration, seuls les mouvements de deux pièces ont été indiqués, mais plusieurs autres pièces sont en mouvement. Par exemple, le moteur produit un mouvement de rotation. L’aiguille, elle, est en mouvement de translation alternatif vertical (va-et-vient vertical) qui l’enfonce dans le tissu et l’en retire. a ) À partir de la liste de groupes de mots suivante, complétez les énoncés ci-dessous. plus lentement
à la même vitesse
plus vite
1) La roue A tourne
que le moteur.
2) La roue B tourne
que la roue A.
3) La roue C tourne
que la roue B.
4) La roue D tourne
que la roue C.
b ) Lequel des énoncés suivants est vrai ? 1) La roue D tourne dans le même sens que la roue A. 2) La roue D tourne en sens inverse par rapport à la roue A.
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
277
c ) Pourquoi la courroie qui relie les roues C et D est-elle crantée ?
d ) Pourquoi les concepteurs de la machine à coudre ont-ils choisi d’utiliser des systèmes à courroie et poulies plutôt que des systèmes à chaîne et roues dentées ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) Parce que c’est moins bruyant. 2) Parce que l’organe de transmission est moins sujet à la rupture. 3) Parce qu’il y a moins de risques de glissement. 4) Parce que la lubrification n’est pas nécessaire. 5) Parce que c’est moins coûteux. 6) Parce que c’est plus léger (le moteur requiert moins de puissance pour tourner). e ) La portion du mécanisme de la machine à coudre illustrée à la page précédente inclut un système de transformation du mouvement. 1) De quel type de système s’agit-il ? 2) Sur le schéma de la page précédente, pointez les composantes de ce système et indiquez leur nom. Les questions suivantes portent sur les six pièces identifiées sur l’illustration ci-contre. f ) Que pourrait-on faire pour réduire l’amplitude du mouvement de l’aiguille ? Entourez toutes les bonnes réponses.
Pièce 6
1) Ralentir le moteur. 2) Augmenter la vitesse du moteur. 3) Diminuer la longueur de la pièce 2.
Pièce 5 Pièce 4
4) Augmenter la longueur de la pièce 2. 5) Diminuer la longueur de la pièce 3.
Pièce 3
6) Augmenter la longueur de la pièce 3.
Pièce 2
7) Diminuer la longueur de la pièce 4.
Pièce 1
8) Augmenter la longueur de la pièce 4.
g ) Quelles pièces assurent le guidage de la pièce 2 ? La pièce
278
Aiguille
et la pièce
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2
En faisant du rangement dans votre chambre, vous redécouvrez les blocs de construction avec lesquels vous vous amusiez quand vous étiez enfant. Grâce à vos nouvelles connaissances, vous ne regardez plus ce jouet avec les yeux d’un enfant, mais plutôt avec ceux d’un technologue. La figure ci-dessous représente un enclos que vous aviez construit à l’aide de blocs de construction.
Crémaillère
Manivelle à croisillons Axe
Goupille de blocage Pignon
a ) Complétez le texte suivant en entourant la proposition appropriée dans chacune des boîtes. L’enclos-jouet contient un système de L’organe menant est
transmission – transformation
du mouvement.
la crémaillère – le pignon , qui est en rotation – translation . L’or-
gane mené est la crémaillère – le pignon , qui est en rotation – translation . b ) Comment pourrait-on augmenter l’amplitude du mouvement de la porte ? 1) En grossissant le pignon. 2) En augmentant la hauteur de la crémaillère et de la porte. 3) En déplaçant le pignon (et l’axe) vers le haut. c ) Le pignon ne compte que quatre bras. Pourquoi ? 1) Parce qu’il ne servirait à rien que le pignon ait plus de bras. Le nombre de bras est adapté à la distance entre les dents de la crémaillère. 2) Seulement parce que c’était moins cher ainsi. Si le pignon avait plus de bras, on pourrait, sans changer la crémaillère, ajuster de façon plus fine la hauteur de la porte. 3) Parce que si le pignon avait plus de bras, la porte monterait trop rapidement. 4) Parce que si le pignon avait plus de bras, la porte monterait trop lentement.
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Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
279
d ) Complétez le tableau ci-dessous afin d’analyser les fonctions des différentes pièces qui assurent le fonctionnement de la porte de l'enclos-jouet. Pièce
Fonction
Manivelle à croisillons
Axe de la manivelle à croisillons et du pignon
Goupille de blocage
e ) Complétez le tableau suivant en indiquant dans chaque colonne les quatre caractéristiques des liaisons présentées. Liaison entre les blocs formant la crémaillère et la porte
Liaison entre la manivelle et le pignon
Liaison entre la porte et les glissières
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
f ) Complétez le tableau ci-dessous. 1) Dans la première colonne, identifiez quatre pièces de l'enclos qui sont soumises à un guidage. 2) Dans la deuxième colonne, indiquez ce qui assure le guidage de chacune de ces pièces. 3) Dans la dernière colonne, dites de quel type de guidage il s’agit : en translation, en rotation ou hélicoïdal? Organe guidé
280
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
Qu’est-ce qui assure le guidage ?
Type de guidage
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3
L’illustration suivante montre quelques-unes des pièces d’une scie sauteuse.
Manivelle dentée Moteur
Coulisseau
Pignon moteur
Bride Lame Pignon moteur
Moteur Manivelle dentée Galet Coulisseau
a ) Le mécanisme illustré inclut un système de transmission du mouvement. De quel type de système s’agit-il ? 1) Roues de friction
4) Chaîne et roues dentées
2) Courroie et poulies
5) Roue dentée et vis sans fin
3) Roues dentées (engrenage) b ) Quels sont l’organe menant et l’organe mené dans le système de transmission du mouvement que vous avez identifié en a ? Identifiez les pièces en utilisant les termes inscrits sur la figure ci-dessus. Organe menant :
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Organe mené :
Chapitre 11 L’ingénierie mécanique
281
c ) Le mécanisme illustré inclut un système de transformation du mouvement. De quel type de système s’agit-il ? 1) Pignon et crémaillère
3) Bielle et manivelle
2) Vis et écrou
4) Manivelle et coulisse
5) Came et tige guidée
d ) Quels sont l’organe menant et l’organe mené dans le système de transformation du mouvement que vous avez identifié en c ? Servez-vous des termes inscrits sur la figure de la page précédente pour répondre. Organe menant :
Organe mené :
e ) Sur la vue éclatée de la page précédente, encerclez les deux pièces qui servent à guider le coulisseau en translation. f ) Le pignon moteur compte 8 dents. La manivelle dentée en compte 50. Si le moteur tourne à 18 750 tours par minute, combien de tours par minute la manivelle dentée effectue-t-elle ?
g ) En vous basant sur les données de la question f et sur votre réponse à cette même question, dites combien d’allers-retours complets en translation sont effectués par la scie en une minute. 1) 1 500
3) 6 000
2) 3 000
4) 18 750
h ) En vous basant sur les informations données dans l’illustration ci-contre, dites quelle est l’amplitude du mouvement vertical de la lame (distance entre le point le plus haut et le point le plus bas atteints par l’extrémité de la lame).
282
1) 7 mm
4) 18 mm
2) 9 mm
5) 32 mm
3) 16 mm
6) 64 mm
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
Manivelle dentée Maneton Galet Axe de rotation de la roue
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chapitre
12
L’INGÉNIERIE ÉLECTRIQUE
L’ingénierie électrique, aussi appelée « génie électrique », traite des multiples applications de l’électricité. Les ingénieurs électriciens travaillent aussi bien sur les circuits des grands réseaux de distribution d’électricité que sur ceux des composantes électroniques miniatures des ordinateurs. Ils s’intéressent aux ensembles structurés de composantes qui ont chacune une fonction précise. Dans ce chapitre, vous découvrirez certaines fonctions des composantes d’un circuit électrique ou électronique.
SOMMAIRE 12.1 La fonction d’alimentation 284 12.2 Les fonctions de conduction,
d’isolation et de protection 287 12.3 La fonction de commande 292 12.4 La fonction de transformation de l’énergie 295
Un circuit électrique est un ensemble de composantes électriques reliées en boucle et parcourues par un courant. Chaque composante d’un circuit a une fonction. Dans les pages qui suivent, vous verrez les fonctions des composantes les plus usuelles.
12.1 La fonction
d’alimentation Pour que les charges électriques circulent dans un circuit et créent ainsi un courant électrique, il faut leur fournir de l’énergie. La fonction d’alimentation est assurée par toute composante d’un circuit dont le rôle est de fournir l’énergie nécessaire au passage du courant électrique dans ce circuit (voir le tableau 1). Il y a deux types de sources d’alimentation : • les sources de courant continu, qui fournissent de l’énergie en continu à un rythme régulier ; • les sources de courant alternatif, dont la polarité oscille dans le temps.
TABLEAU 1
Quelques types de sources d’alimentation et leurs caractéristiques Source d’alimentation
Pile Appareil transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique. Batterie Ensemble de piles reliées en série ou en parallèle.
284
Caractéristiques Les piles et les batteries produisent un courant continu. Elles permettent d’alimenter les circuits des appareils portatifs, mais elles doivent être remplacées ou rechargées après un certain temps.
Génératrice Appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique.
Les génératrices de type « dynamo » produisent un courant continu. Celles de type « alternateur » (voir ci-contre) produisent un courant alternatif. L’énergie mécanique qui est transformée en énergie électrique provient par exemple d’un moteur à essence, de la turbine d’une centrale hydroélectrique ou des pales d’une éolienne.
Prise de courant Dispositif relié au réseau électrique et destiné à alimenter les appareils qui y sont branchés.
Au Québec, l’énergie fournie par les prises de courant domestiques provient du réseau d’Hydro-Québec. Elle est produite par des génératrices de courant alternatif, souvent dans des centrales hydroélectriques. Les prises de courant fournissent un courant alternatif d’une fréquence de 60 Hz (sa valeur oscille 60 fois par seconde).
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Ut 12.1
Activités 12.1 1
Associez chacune des descriptions de la colonne de gauche au type de courant auquel elle correspond dans la colonne de droite. a ) Type de courant fourni par une source de tension constante b ) Type de courant fourni par une source de tension dont la polarité et l’intensité oscillent continuellement dans le temps
1) Courant continu
c ) Type de courant fourni par les prises électriques
2) Courant alternatif
d ) Type de courant fourni par une pile 2
Associez chacun des éléments de la colonne de gauche au type de source d’alimentation qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) La source d’alimentation d’un téléviseur
1) Une pile
b ) La source d’alimentation d’une montre
2) Une batterie
c ) La source d’alimentation d’une lampe de poche manuelle (actionnée en tournant une manivelle)
3) Une génératrice de type « dynamo »
d ) La source d’alimentation du système d’allumage d’une automobile e ) La source d’alimentation d’appoint utilisée par un hôpital en cas de panne dans le réseau d’Hydro-Québec 3
4) Une génératrice de type « alternateur » 5) Une prise électrique
Lisez les trois textes suivants. Répondez ensuite à la question qui accompagne chacun d’eux. a)
Ls lluls phoovolaïus U llul phoovolaïu s u dsposf u è u oua lu uad l s xpos à la lumè. Losu la lumè fapp la llul, ll asfè d l’ aux los d so u as so js. U oua s alos das l u auul s aah la llul. Ls paaux solas so fa ds assmblas d lluls phoovolaïus. Ds clluls oovolïqus.
Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectriqUe
285
b)
Les thermo-électrogénérateurs
La sonde spatiale New Horizon a pour mission d’étudier le système plutonien et la ceinture de Kuiper. Elle est alimentée par un thermo-électrogénérateur.
Pour réduire la consommation d’essence des automobiles, on se servira peut-être un jour des thermo-électrogénérateurs. En effet, comme une grande partie de l’énergie consommée par un moteur à explosion est perdue sous forme de chaleur, il serait intéressant qu’un appareil puisse récupérer cette chaleur pour produire de l’électricité. C’est ce que fait un thermo-électrogénérateur. Ce dispositif convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique. Son fonctionnement est basé sur l’effet thermoélectrique, grâce auquel un courant électrique apparaît à la jonction de deux semi-conducteurs qui sont à des températures différentes.
À l’heure actuelle, les générateurs thermoélectriques sont trop coûteux pour être introduits dans les produits de consommation de masse. On les utilise donc seulement dans certaines technologies de pointe comme les sondes spatiales, où la chaleur provient de la désintégration d’isotopes radioactifs. Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.
c)
Les transistors Les transistors sont omniprésents dans les microprocesseurs des ordinateurs. Les puces des ordinateurs contiennent plusieurs millions (voire des milliards) de transistors microscopiques.
Un microprocesseur. Ses circuits comptent des millions de transistors.
Qu’est-ce qu’un transistor ? C’est un petit dispositif semi-conducteur qui agit en bloquant ou en laissant passer le courant, à l’instar d’un robinet qui permet d’ouvrir ou de fermer une conduite d’eau. Si un courant est appliqué à la base du transistor, celui-ci laisse circuler l’électricité. Si, au contraire, aucun courant n’est appliqué, le passage de l’électricité est interrompu. L’encodage de l’information sous forme binaire, principe de base de l’informatique, repose sur cette propriété des transistors.
Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.
286
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Ut 12.2
12.2 Les fonctions
de conduction, d’isolation et de protection L’énergie électrique libérée par la source d’alimentation d’un circuit fait en sorte qu’un courant circule dans ce circuit. Ce courant circule dans les parties du circuit qui ont une fonction de conduction, mais pas dans celles qui ont une fonction d’isolation. Par ailleurs, certains circuits sont dotés d’éléments de protection qui visent à limiter les effets négatifs associés à des problèmes de fonctionnement.
La fonction de conduction
12.2.1
Les composantes qui ont une fonction de conduction doivent être fabriquées avec des matériaux conducteurs (qui ont une bonne conductibilité électrique), comme les métaux. La foncon d conducon est assurée par toute composante d’un circuit qui permet le passage du courant. Les fils électriques, qui sont souvent en cuivre, sont un exemple de composante ayant une fonction de conduction. La conductibilité d’une composante conductrice dépend de quatre facteurs (voir le tableau 2). TABLEAU 2
Les principaux facteurs qui ont une influence sur la conductibilité d’une composante électrique
Facteur
Influence
Le matériau
Les métaux sont de bons conducteurs.
La section transversale
Un fil de grand diamètre laisse passer le courant plus facilement qu’un fil de faible diamètre (tout comme un tuyau de grand diamètre laisse passer l’eau plus facilement qu’un tuyau de faible diamètre).
A Bo od
B Mos bo od
La température
Les atomes ou les molécules d’une composante chaude sont plus agités que ceux d’une composante plus froide. Leur mouvement rend le passage des électrons de conduction plus difficile, ce qui diminue la conductibilité.
La longueur
Le courant circule moins bien dans une composante longue que dans une composante semblable mais plus courte, car la plus longue est plus difficile à parcourir pour les électrons.
A Bo od
B Mos bo od
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
287
12.2.2
La fonction d’isolation
Les composantes qui assurent la fonction d’isolation, les isolants, sont de très mauvais conducteurs d’électricité. Les isolants sont souvent en plastique ou en céramique. La fonction d’isolation est assurée par toute composante d’un circuit qui empêche le passage du courant. Les fils électriques métalliques sont enveloppés d’une gaine de plastique qui a une fonction d’isolation. Cette gaine fait en sorte que l’on peut manipuler le fil parcouru par un courant sans s’électrocuter (voir la figure 1). Elle évite également les courts-circuits en empêchant le courant de passer entre deux fils qui se touchent (voir la figure 2).
Figure 1 La gaine qui entoure les fils électriques permet de les manipuler en toute sécurité.
Figure 2 Pour brancher deux fils électriques ensemble, il faut d’abord retirer la gaine isolante qui les recouvre. Aucun courant ne doit circuler dans les fils durant cette opération.
12.2.3
La fonction de protection
Un circuit électrique n’est jamais à l’abri d’une défaillance telle qu’une surcharge ou un court-circuit. Une surcharge se produit lorsque l’intensité du courant dépasse le maximum que peut supporter le circuit. La surcharge risque d’entraîner une surchauffe et, en conséquence, un incendie.
Figure 3 Ce panneau avertit du risque d’électrisation.
Un court-circuit se produit quand le courant emprunte un chemin imprévu parce que deux conducteurs qui ne sont pas censés être en contact sont connectés. Le court-circuit peut entraîner une surcharge ou même l’électrisation ou l’électrocution d’une personne (voir la figure 3). Une personne est électrisée lorsqu’un courant électrique traverse son corps, ce qui peut entraîner des brûlures internes ou une fibrillation cardiaque (un dérèglement du rythme du cœur). Quand l’électrisation cause la mort de la personne, on parle d’électrocution. La fonction de protection est assurée par toute composante d’un circuit électrique dont le rôle est de couper le passage du courant lorsque le circuit ne fonctionne pas normalement. Il y a deux principaux types de systèmes de protection : les fusibles et les disjoncteurs (voir le tableau 3, à la page suivante).
288
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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UT 12.2
TABLEAU 3
Deux types de composantes qui assurent la fonction de protection Fusible
Disjoncteur
Description Petit tube ou bouchon isolant dans lequel une lamelle ou un fil de métal est inséré.
Description Interrupteur mécanique qui peut être déclenché manuellement, ou par un dispositif magnétique ou thermique.
En temps normal… Le courant traverse le fusible.
En temps normal… Le courant traverse le disjoncteur (l’interrupteur est fermé).
Si le courant devient trop grand… L’énergie électrique qui traverse le fil le fait fondre. Il se rompt : cela empêche le courant de passer.
Si le courant devient trop grand… L’interrupteur s’ouvre et coupe le courant.
Désavantage d’un fusible Une fois qu’il est grillé, un fusible doit être remplacé.
Avantage d’un disjoncteur Une fois que le problème qui a causé le déclenchement est réglé, il suffit d’actionner l’interrupteur manuellement. Aucune pièce n’a à être changée.
Les disjoncteurs ont aujourd’hui remplacé les fusibles dans les bâtiments (voir la figure 4). On trouve cependant toujours des fusibles dans certains appareils (comme les cuisinières) et dans les voitures.
Disjoncteur principal
Disjoncteurs secondaires
Fgue 4 Dans un anneau de dstbuton, le dsjoncteu ncal contôle tous les ccuts et eut coue tout le couant. Les dsjoncteus secondaes contôlent chacun un ccut.
FLASH
TECHNO
Ls disjocs d fi à la
Das ls salls d bai, pafois pès ds vis d cisi, ls piss lcis so mis d’ disposiif appl « disjoc d fi à la ». C disposiif vis à limi ls iss accs d’lcocio ps cs lix aiso d la psc d’a. Ls disjocs d fi à la compa l coa i so d la pis à cli i y o apès avoi avs l’appail lci i y s bach ( sèch-chvx, pa xmpl). Si l coa i o das la pis s ifi a coa i so, cla siifi ’ pai ds chas lcis « fi », c i s aomal. Il s p ff cs chas soi ai d avs l cops d la pso i s s d l’appail. Das l cas, l disjoc d fi à la cop immdiam l coa.
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CHApiTrE 12 L’IngénIerIe éLeCtrIque
289
Activités 12.2 1
Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez ceux qui sont faux. a ) Deux fils électriques faisant partie de deux circuits différents peuvent se toucher sans problème s’ils sont gainés d’un isolant.
b ) Un disjoncteur se déclenche quand la tension électrique à ses bornes dépasse une certaine valeur.
c ) Quand un disjoncteur se déclenche, la lamelle de métal qui est en son cœur fond, ce qui bloque le passage du courant.
d ) Dans un matériau conducteur, les électrons de conduction se déplacent facilement. Dans un matériau isolant, ils se déplacent difficilement et lentement.
e ) Le fer, le nickel et le cobalt sont de bons conducteurs tandis que l’aluminium et le zinc sont des isolants.
2
La photo ci-contre montre l’intérieur d’une fiche électrique. Pour chacune des parties pointées, dites si sa fonction en est une de conduction ou d’isolation. A
B
C
D
A
B
C
D
E
E
Conduction Isolation
3
Pourquoi les fils électriques sont-ils reliés aux pylônes électriques par des raccords de porcelaine ou de verre, comme on le voit sur la photo ci-contre, plutôt que d’être fixés directement aux pylônes ? Raccord
290
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 12.2
4
Pour vérifier la qualité de l’eau d’un puits, les hydrogéologues évaluent sa salinité à l'aide d'un conductivimètre. Cet appareil possède deux électrodes que l’on plonge dans l’eau. Elles sont reliées à une pile et à un ampèremètre, comme on le voit ci-contre. a ) Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes pour compléter le texte ci-dessous. Le courant circule entre les deux électrodes en passant dans l’eau qui les sépare. Étant donné que l’eau très salée est meilleure – moins bonne
conductrice que
l’eau peu salée, le courant mesuré par l’ampèremètre sera d’autant plus
petit – grand
que la salinité de
l’eau sera élevée. b ) Complétez les deux énoncés suivants en entourant la bonne réponse. 1) Les conductivimètres sont des appareils généralement petits, ce qui fait que les électrodes sont souvent assez proches l’une de l’autre. Si on augmentait la distance entre les électrodes, le courant enregistré… i) augmenterait. ii) diminuerait. iii) resterait le même. 2) Quand l’eau devient plus chaude, le courant enregistré… i) augmente. ii) diminue. iii) reste le même. 5
Une bricoleuse possède une vieille maison dont les circuits électriques sont munis de fusibles. a ) Après une surcharge, l’un de ces fusibles grille et elle décide de le remplacer. Pour retirer l’ancien fusible, elle utilise une paire de pinces métalliques. Pourquoi est-ce une très mauvaise idée ?
b ) Plus tard la même année, un autre fusible fond. Comme la bricoleuse n’a plus de fusible de rechange, elle met à la place un simple morceau de papier d’aluminium de même taille. Le circuit fonctionne ensuite normalement. Pourquoi cette solution est-elle malgré tout très mauvaise ?
c ) Nommez un avantage qu’il y aurait à remplacer le panneau de distribution à fusibles par un panneau à disjoncteurs.
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
291
12.3 La fonction
de commande Pour que le courant puisse circuler dans un circuit, il faut que celui-ci forme une boucle fermée. Un tel circuit est qualifié de « circuit fermé ». À l’opposé, un « circuit ouvert » comprend au moins une ouverture (un « trou ») ; le courant ne peut donc pas y circuler. La fonction de commande est assurée par toute composante d’un circuit qui permet d’ouvrir ou de fermer le circuit de façon à bloquer ou à laisser passer le courant. Un interrupteur est l’un des dispositifs qui peuvent assurer la fonction de commande dans un circuit. La figure 5 illustre un circuit dont l’interrupteur est fermé, puis le même circuit avec l’interrupteur ouvert. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, un interrupteur en position « marche » est fermé, alors qu’un interrupteur en position « arrêt » est ouvert.
A
B
Figure 5 Dans un circuit, l’interrupteur remplit la fonction de commande. A Un circuit dont l’interrupteur est fermé (marche). B Un circuit dont l’interrupteur est ouvert (arrêt).
FLASH
TECHNO
Les claviers et les écrans tactiles
Chacune des touches du clavier d’un ordinateur fonctionne comme un petit interrupteur, qui ferme un circuit quand on appuie dessus. Ce signal indique au processeur la touche qui a été enfoncée. Les écrans tactiles remplissent la même fonction qu’un clavier. Certains de ces écrans doivent absolument être touchés à mains nues ou à l’aide d’un matériau conducteur pour fonctionner. Ils maintiennent en permanence une petite quantité de charges à leur surface. Quand ils sont touchés par un conducteur, certaines des charges fuient vers celui-ci. Le processeur de l’écran est en mesure de détecter cette fuite et d’évaluer avec précision où elle s’est produite, c’est-à-dire de savoir exactement où l’écran a été touché.
292
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Ut 12.3
12.3.1
Les types d’interrupteur
Le tableau 4 présente différents types de mécanismes d’interrupteur. TABLEAU 4
Le mécanisme de différents interrupteurs
Type d’interrupteur
Exemple
Schémas de principe du mécanisme Fermé (marche)
Ouvert (arrêt)
À levier Le mouvement d’un levier entraîne la fermeture ou l’ouverture du circuit. Interrupteur à couteau
Interrupteur mural À bouton-poussoir Selon que le boutonpoussoir est enfoncé ou non, le circuit se ferme ou s’ouvre.
À bascule Le mouvement d’un levier à plat entraîne la fermeture ou l’ouverture du circuit.
À commande magnétique Certains interrupteurs de ce type sont fermés en présence d’un champ magnétique et ouverts en son absence (comme celui ci-contre). D’autres fonctionnent à l’inverse.
Aimant
Interrupteur
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
293
Activités 12.3 1
Entourez la proposition appropriée dans chacune des boîtes pour compléter le texte suivant. Pour allumer la lampe, on doit mettre l’interrupteur en position
marche – arrêt . Ce faisant, on
ouvre – ferme le circuit : cela permet à la lame de l’interrupteur d’établir le contact entre les deux bornes de l’interrupteur. Ainsi, le courant commence à – cesse de circuler dans le circuit, y compris dans l’ampoule, qui s’allume. 2
À quel type d’interrupteur les mécanismes décrits ci-dessous appartiennent-ils ? a ) On emploie souvent ce mécanisme pour les interrupteurs d’arrêt d’urgence, qui doivent être très simples et que l’on doit pouvoir manipuler avec un minimum d’attention. On trouve aussi ce mécanisme dans les interrupteurs des tableaux de bord des automobiles. Comme il n’est généralement pas facile de dire si les interrupteurs de ce type sont en position « marche » ou « arrêt », on leur adjoint souvent un voyant lumineux. 1) À levier
2) À bouton-poussoir
3) À bascule
4) À commande magnétique
b ) C’est le mécanisme le plus répandu pour les interrupteurs, car il est très robuste et très fiable. Il comporte un levier à plat qui bascule selon la position de l’interrupteur. Toutefois, il n’est pas toujours simple de savoir si ces interrupteurs sont en position « marche » ou « arrêt ». 1) À levier 3
2) À bouton-poussoir
3) À bascule
4) À commande magnétique
La photo ci-dessous illustre un système d’alarme qui se déclenche quand on ouvre la porte.
A
B
Le boîtier
A
, fixé au chambranle de la porte, renferme un aimant.
Le boîtier B , fixé sur la porte, renferme un circuit contrôlé par un interrupteur à commande magnétique. Ce circuit contient également le haut-parleur de l’alarme et une pile pour l’alimenter. L’interrupteur à commande magnétique est en position ouverte en présence d’un champ magnétique.
À l’aide des symboles ci-dessous (au besoin), dessinez le schéma d’un circuit qui pourrait être contenu dans le boîtier B lorsque la porte est ouverte.
Interrupteur à commande magnétique – Ouvert
Interrupteur à commande magnétique – Fermé
Haut-parleur
294
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Ut 12.4
12.4 La fonction
de transformation de l’énergie La foncon de nsfomon de l’énege est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (voir le tableau 5, ci-dessous et à la page suivante). TABLEAU 5
Différents types de transformation de l’énergie Transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse
• L’électricité est transformée en lumière.
Une dode éleco lumnescene (DEL).
Une moule à ncndescence.
Un écn à csux lqudes.
Transformation de l’énergie électrique en énergie thermique • L’électricité est transformée en chaleur. Quand on fait passer un courant dans un matériau qui résiste à son passage, une partie de l’énergie électrique se transforme en chaleur. Ce phénomène est souvent indésirable, mais, quand on le recherche, on dit que la composante responsable assure la fonction de transformation de l’énergie.
L’moule logène nfouge d’une lme cuffne.
L’élémen cuffn d’un fou gllen.
Transformation de l’énergie électrique en énergie magnétique • L’électricité est transformée en magnétisme.
Un élecomn de levge.
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Un el d’mgee ésonnce mgnéque.
ChapitrE 12 L’ingénierie éLectrique
295
TABLEAU 5
Différents types de transformation de l’énergie (suite) Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique
• L’électricité est transformée en mouvement (visible ou non). La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique se fait souvent en utilisant des électroaimants : le magnétisme n’est alors qu’une étape intermédiaire entre l’électricité et le mouvement.
Un moteur électrique (fonctionne à l’aide d’un électroaimant).
Un avertisseur sonore piézoélectrique, d’un four à microondes, par exemple (fonctionne sans électroaimant).
Un haut-parleur (fonctionne à l’aide d’un électroaimant).
Activités 12.4 1
Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions.
PROBLEMATIQUE ENVIRONNEMENTALE
L’énergie Comme la population mondiale augmente sans cesse et que les gens consomment de plus en plus, les besoins en matière d’énergie ne cessent de croître. Or, les ressources exploitées pour produire l’énergie que nous utilisons ne sont pas inépuisables. De plus, même l’exploitation de ressources renouvelables a des conséquences négatives sur l’environnement. Dans ce contexte, il est primordial d’utiliser les ressources qui sont à notre disposition à bon escient, en tentant de limiter les pertes et le gaspillage. L’une des causes importantes des pertes d’énergie est associée aux transformations de l’énergie d’une forme à une autre. Par exemple, une ampoule à incandescence ne transforme que 5 % de l’électricité qui lui est fournie en lumière. Dans ces
conditions, le développement et l’utilisation de technologies écoénergétiques doivent rester au cœur des préoccupations de l’humanité ! Au Canada, pour pouvoir afficher le symbole international ENERGY STAR®, les produits doivent respecter de rigoureuses exigences sur le plan du rendement énergétique imposées par le gouvernement du Canada.
Le symbole international ENERGY STAR®.
a ) Expliquez sommairement le lien existant entre le symbole international ENERGY STAR ®, la fonction de transformation de l’énergie et la protection de l’environnement.
296
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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Ut 12.4
b ) Au Québec, étant donné que l’énergie provient surtout de l’hydroélectricité, une source d’énergie renouvelable, est-il juste de dire qu’il n’est pas nécessaire d’économiser l’énergie électrique ?
2
Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à la fonction de transformation de l’énergie qu’il assure, dans la colonne de droite. a ) Une ampoule à incandescence
1) Transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse
b ) L’élément chauffant d’une bouilloire électrique c ) Le flash d’un appareil photo
2) Transformation de l’énergie électrique en énergie thermique
d ) Un ventilateur électrique e ) Un tube fluorescent f ) Un écran cathodique
3) Transformation de l’énergie électrique en énergie magnétique
g ) La cloche d’un système d’alarme contre l’incendie h ) Le moteur d’un rasoir électrique
4) Transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique
i ) Un électroaimant 3
Quand le vent fait tourner les pales d’une éolienne, leur mouvement entraîne celui d’une bobine conductrice plongée dans un champ magnétique. La rotation de cette bobine produit un courant électrique.
Bobine
Générateur
Pales
Une éolienne a-t-elle une fonction de transformation de l’énergie électrique ? Pourquoi ?
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
297
4
a ) Nommez deux pièces d’un téléphone intelligent qui ont une fonction de transformation de l’énergie électrique.
b ) Quelles formes d’énergie produisent les pièces que vous avez nommées dans la question a ?
5
a) Nommez une pièce d’automobile qui transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.
b ) Nommez une pièce d’une automobile (équipée d’un moteur à combustion) qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique.
6
Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions qui suivent.
Le cristal de quartz Les montres et les horloges à quartz fonctionnent grâce aux propriétés piézoélectriques du cristal de quartz. La piézoélec tricité est la propriété des matériaux dont le potentiel électrique varie quand ils subissent une contrainte mécanique. Réciproquement, ces matériaux se déforment lorsqu’ils sont soumis à une polarisation électrique. Branché à la pile de l’horloge, le cristal de quartz vibre à une fréquence régulière très précise. Ces oscillations mécaniques créent à leur tour des variations rapides de la tension. Un circuit électronique compte ces oscillations de la tension et en diminue la fréquence pour générer une impulsion élec trique à chaque seconde. Ces impulsions alimentent ensuite un moteur électrique qui fait tourner les aiguilles.
Pile
Solénoïde
Cristal de quartz piézoélectrique
Aimant
Moteur électrique
Microprocesseur Circuit électronique
Les pièces d’une horloge à quartz.
a ) Quelles pièces de l’horloge assurent une fonction de transformation de l’énergie électrique ? 1) Le cristal de quartz
3) Le moteur électrique
2) Le microprocesseur
4) La pile
b ) En quel type d’énergie les pièces que vous avez nommées en réponse à la question a transforment-elles l’énergie électrique ?
298
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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CONSOLIDATION DU ChApITre 12 1
a ) Quelle est la différence entre un courant alternatif et un courant continu ?
b ) Nommez deux sources de courant alternatif et deux sources de courant continu. 1) Sources de courant alternatif :
2) Sources de courant continu :
2
Le schéma ci-contre illustre de façon simplifiée une portion du circuit électrique d’une voiture. L’interrupteur le plus près de la batterie est contrôlé en tournant la clé de la voiture et permet d’activer les essuie-glaces, le klaxon et les lumières du tableau de bord. Associez chacune des composantes du circuit de la colonne de gauche à sa fonction, dans la colonne de droite.
a ) Batterie 1) Fonction d’alimentation b ) Interrupteurs 2) Fonction de conduction c ) Fusibles 3) Fonction d’isolation d ) Moteur des essuie-glaces
e ) Klaxon
f ) Lumière du tableau de bord
4) Fonction de protection
5) Fonction de commande
6) Fonction de transformation de l’énergie
g ) Fils électriques
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
299
3
Le schéma suivant présente les principales fonctions remplies par les différentes composantes d’un circuit électrique. À l’aide de la liste de mots fournie, complétez ce schéma.
Les différentes fonctions d’un circuit électrique Liste de mots • à bascule • à bouton-poussoir • à commande magnétique • à levier • contrôler le passage du courant par l’ouverture ou la fermeture du circuit
Fournir l’énergie nécessaire à la circulation du courant
est remplie par
Fonction de conduction
est généralement remplie par
• des fils électriques • énergie lumineuse • énergie magnétique
Empêcher le courant de passer
est généralement remplie par
• énergie mécanique • fonction d’alimentation • fonction de protection • fonction d’isolation • laisser passer le courant
Protéger les autres composantes du circuit en cas d’anomalie
est remplie par
• la longueur • la température
Fonction de commande
• le matériau
est remplie par
• transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie • un disjoncteur • une batterie • une génératrice • une prise de courant • un fusible
Fonction de transformation de l’énergie par exemple en
• un interrupteur
300
UNIVERS TECHNOLOGIQUE
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une pile : appareil transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique : appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique : ensemble de piles reliées en série ou en parallèle : dispositif relié au réseau électrique destiné à alimenter les appareils qui y sont branchés
dont la conductibilité dépend des facteurs suivants :
la section transversale
certains plastiques céramique
qui comporte un mécanisme
énergie thermique
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Chapitre 12 L’ingénierie éLectrique
301
INDEX Les termes en caractères bleus correspondent aux concepts des programmes. Ils apparaissent également ainsi dans l’une des pages indiquées, accompagnés de leur définition. Les numéros en caractères gras réfèrent aux pages où le concept ou le sujet est le plus détaillé.
A Abondance relative, 215 Accélération, 5 Acide, 16, 44, 54, 72-73, 162, 201 ADN (acide désoxyribonucléique), 196, 197 Agriculture biologique (voir Agroécologie) Agroécologie, 167 Aimant, 121-123, 293, 294 Alcaline (solution) (voir Base) Alcalino-terreux (famille des), 18, 19, 20 Alcalins (famille des), 18, 19, 20 Alimentation (électrique), 102-103, 258, 284, 287, 295 Alliage (matériau), 122, 236, 247 Alpha (voir Particule alpha) Altitude, 164, 180, 207 Ampère, 103, 113 Ampèremètre, 14, 105-106 Amplitude (des marées), 138 Ampoule, 39, 90, 102, 104-105, 113, 117, 254 Anion, 31 Anticyclone, 144, 145 Arbre (guidage en rotation), 258 Argile, 243 Aristote (384-322 av. J.-C.), 4 Atmosphère, 77, 135, 149, 152, 162, 170, 179, 192-193, 197, 198 Atome (voir aussi Modèle atomique), 3-8, 27, 29-31, 39, 44-45, 63, 68-69, 88, 96, 98, 136, 229, 287 Autotrophe (organisme), 223 Axe de rotation (de la Terre), 136
302
INDEX
Azote (voir aussi Cycle de l’azote, Diazote), 18, 135, 149, 196-197
B Balancement d’équations chimiques, 67 Banquise, 149, 165, 178, 180, 181 Barrage, 183 Base, 19, 38, 44, 54, 72-73 Bassin versant, 174 Becquerel, Henri (1852-1908), 4 Béton, 243 Bielle, 270 Biodiversité, 215 Biome aquatique, 203-205, 206-207 Biome d’eau douce, 204-205 Biome marin, 204 Biome terrestre, 200-201, 206 Bohr, Neils (1885-1962), 5-7 Bois (matériau), 236, 240, 247, 254 Boucle (d’un circuit électrique), 12, 284, 292 Boussole, 123, 126
C Came, 271 Capacité limite du milieu, 219 Carbone (voir aussi Cycle du carbone), 63, 64, 74, 75, 77, 149, 192-193, 236, 243 Cation, 30-31 Cellule, 74-75 végétale, 74 Centrale électrique, 183, 284 à réservoir, 183 au fil de l’eau, 183
géothermique, 170-171, 187 marémotrice, 183, 184, 185 nucléaire, 168, 170 thermique, 168, 169 Céramique, 243, 244, 247, 288 Chaîne alimentaire, 184, 223, 228-229 Chaleur (voir aussi Énergie thermique), 8, 88, 90, 135, 136, 141, 149, 168, 169, 170, 179, 180, 229, 241, 243, 244, 286, 295 Champ électrique, 5, 96 Champignon, 197, 205, 223, 229, 247 Champ magnétique, 122 Changement chimique, 62 Changement de vitesse, 263-264 Changements climatiques, 77 Charge électrique, 6, 30-31, 96, 98 Charge ionique, 17 Chaulage, 129 Chlorophylle, 74 Ciment, 243 Circuit électrique, 102, 113, 284, 288 en parallèle, 14, 106, 284 en série, 104, 105, 284 Circulation atmosphérique, 142, 143 Circulation océanique, 179 Circulation thermohaline, 180-181 Cisaillement (contrainte de), 237 Coefficient, 66-67 Comburant, 73, 75 Combustible, 73, 75 fossile, 72, 77, 149, 168, 187, 193 Combustion, 62, 63, 67, 72, 73-74, 75, 77, 83, 149, 168, 169, 193 Commande (fonction de), 292, 293 Commensalisme, 220
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Communauté, 214, 215 Compétition, 220 Composé, 19 Composite (voir Matériaux composites) Compression (contrainte de), 237, 240 Concentration, en grammes par litre (g/L), 47-48 en parties par million (ppm), 48, 49 en pourcentage (%), 47-48 Condensation, 141 Conducteur (électrique), 16, 18, 83, 97, 102, 287, 288, 289 Conductibilité électrique, 39, 41, 44, 236, 241, 243, 287-288 Conduction (électrique), 287-288 Configuration électronique, 6, 7, 8, 19, 20, 21, 29 Consommateur, 178, 192, 197, 223, 229 Contrainte, 236-237, 298 Convection, 135, 141, 145, 179, 180 Corail, 203, 204 Coriolis Gaspard-Gustave (1792-1843), 143 effet de, 143, 144, 179 Corrosion, 72, 74, 241, 243, 247 Couche d’ozone, 136 Couche électronique, 6, 7, 18, 19, 20, 21 Coulisseau, 270 Coulomb (C), 96, 103 Loi de, 96 Courant (électrique), 39, 102-103, 104, 105, 126, 151, 284, 285, 286, 287, 288, 289 Courant de convection, 142 Courants marins, 143, 179, 184 de profondeur, 179 de surface, 179 Courroie (système), 253, 262, 263 Cours d’eau, 169, 170, 171, 174, 178, 192, 204-205, 224 Court-circuit, 288 Crémaillère, 253, 269 Croissance (d’une population), 219 Croûte terrestre, 162
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Curie, Marie (1867-1934), 163 Curie, Pierre (1859-1906), 163 Cycle biogéochimique, 192 Cycle biologique, 219 Cycle de l’azote, 196-197 Cycle du carbone, 192-193 Cyclone, 144-145
D Dalton, John (1766-1844), 3, 4 Déchets, 169, 193 Décomposeur, 164, 197, 204-205, 223, 229 Décomposition, 163, 197 Défi énergétique (voir Énergie) Déforestation, 167, 174, 224 Dégradation (d’un matériau), 247-248 Delta, 205 Démocrite (460-370 av. J.-C.), 4 Dénitrification, 197 Densité (d’une population), 214 Désert, 200, 220 Désertification, 167 Détritivore (organisme), 223 Diazote (voir aussi Tension électrique), 68, 77, 196 Différence de potentiel (voir aussi Tension électrique), 103 Dilution, 38, 47 Disjoncteur, 288-289 de fuite à la terre, 289 Dissociation électrolytique, 39-40 Dissolution, 38, 40, 47 ionique (voir Dissociation électrolytique) moléculaire, 39 Distribution des biomes, 206-207 d’une population, 214 Ductilité (des matériaux), 240 Dureté (des matériaux), 236, 240, 241, 243 Dynamique des communautés, 220 Dynamique des écosystèmes, 223 Dynamique des populations, 219
E Eau douce, 162, 175, 178, 179, 180, 181, 203-204 Eau potable, 49, 72, 175, 178 Eau saumâtre, 175, 205 Échelle pH, 54 Écologie, 214, 215 Écosystème, 164, 174, 184-185, 215, 219, 223, 224, 228-229 Effet de serre, 77, 143, 149, 165, 169, 193 Élasticité (des matériaux), 236, 240, 244 Élastique déformation, 240, 248 liaison, 253, 254 Électricité, 8, 39, 41, 104, 152, 168, 169, 170, 183, 285, 286, 288, 295, 296, 298 Électricité statique, 97, 98 Électrisation, 97-98 par conduction, 97-98 par frottement, 97-98 par induction, 97-98 Électroaimant, 295, 296 Électrode, 39, 41, 247 Électrolyte, 39-40, 44-45 Électron, 4, 5, 6, 7, 8, 18, 19, 20, 21, 27, 29-31, 96, 97, 98, 102, 103, 285, 287 de valence, 6, 7, 18, 19, 27, 29 Élevage, 77, 174 Énergie, 83 chimique, 74, 83, 229 électrique, 83, 103-104, 113, 117-118, 152, 284, 286, 288289, 295-296 éolienne, 152 géothermique, 168, 170-171 hydroélectrique, 183 lumineuse, 229, 295 marémotrice, 183, 184, 185 mécanique, 83, 84-85, 91, 183-184, 284, 296 nucléaire, 170 rayonnante (du Soleil), 74, 83, 135, 136, 149, 151, 152, 204, 206 renouvelable, 152, 169, 184 solaire, 135, 206 thermique, 83, 88, 90, 152, 286, 295 Engrais, 169, 174, 178, 197 Engrenage, 262, 263
INDEX
303
Éolienne, 152, 184, 187, 284 Équation squelette, 67-69 Érosion, 163, 164, 169, 229, 241 Espèce, 165, 167, 174, 181, 206, 213-215, 219-220, 223 Estuaire, 175, 204 Étude des populations, 213-214, 215 Évaporation, 47
F Fabrication, 236, 240, 248 Facteur écologique, abiotique, 224, 228 biotique, 224, 228 Facteurs influençant la distribution des biomes, 206-207 Famille (tableau périodique), 18-19 Famille chimique, 18-20, 27, 30-31 Ferromagnétique, 122 Fibre de carbone, 243 de renfort, 243, 248 de verre, 243 Fixation de l’azote, 197 Flexion (contrainte de), 237 Flux de la matière, 228 de l’énergie, 229 Flux d’énergie émis par le Soleil (voir aussi Énergie rayonnante du Soleil), 136 Fonction d’alimentation, 102, 284 de commande, 292 de conduction, 287 de guidage, 253, 258 de liaison, 253, 254, 255 de protection, 287, 288 de transformation de l’énergie, 295, 296 d’isolation, 287, 288 Force (mécanique) (voir aussi Frottement), 183 Force gravitationnelle, 135, 137 Force magnétique (voir aussi Forces d’attraction et de répulsion électriques, magnétiques), 121 Forces d’attraction et de répulsion (électriques, magnétiques), 121-122 Forêt, 74, 193, 200-201, 215, 224 304
INDEX
boréale (voir Taïga) tempérée, 200 tropicale, 200-201, 215 Formule chimique, 44-45 Foudre, 97 Fragilité (des matériaux), 240 Franklin, Benjamin (1706-1790), 97 Front, 141 Frottement, 91, 97, 98, 269 Fusible, 289
G Gaz à effet de serre, 77, 143, 149, 164, 193 Gaz inertes (famille des), 19, 20, 27, 30 Génératrice, 284 GES (voir Gaz à effet de serre) Glacier, 149, 162, 178, 180, 181 Guidage en rotation, 258 en translation, 258 hélicoïdal, 258 Gulf Stream, 180
H Habitat, 167, 174, 213 Halogènes (famille des), 19-20, 21 Haut-parleur, 491 Hélicoïdal (guidage), 258 Hétérotrophe (organisme), 223 Horizons du sol, 163-164 Hydrosphère, 162, 173, 180, 183, 192, 197
I Inclinaison (de la Terre) (voir Axe de rotation de la Terre) Indicateur, 54 Indice Humidex, 141 Insolation, 136, 142, 203 Intensité du courant, 288 Interaction (entre les espèces), 219-220 Ion, 29, 30, 39-40, 44, 54, 72-73 Ionisation, 30 Isolant électrique, 244, 288 Isolation (électrique), 287, 288
L Lac, 72, 143, 174, 204 Lavoisier, Antoine Laurent de (17431794), 63 Liaison mécanique, 254-255 Ligne de crête, 174 Ligne de partage des eaux (voir Ligne de crête) Lignes de champ, 122-123, 126 Limaille de fer, 122 Lithosphère, 162, 163, 168, 192, 197 Loi de Coulomb, 96 Loi de Kirchhoff, 218-220 Loi de la conservation de la masse, 63-64, 67, 68 Loi de la conservation de l’énergie, 84 Loi de la gravitation universelle, 137 Loi d’Ohm, 113-114 Lubrifiant, 262, 263, 269, 270 Lune, 137
M Malléabilité, 240 Manivelle, 269 Marée, 136, 137, 138, 184 Masse, 47, 48, 49, 63-64, 67-69, 229 Masse atomique, 16, 17 Masse d’air, 135, 141, 145 Masse volumique, 142, 162, 175, 179, 241 Matériaux, 236, 237, 240, 241, 243, 247-248 composites, 243-244 de construction, 243 ferromagnétiques, 122 organiques, 162 Matière plastique, 241, 243, 244, 288 Matrice (d’un matériau composite), 243, 244 Mélange hétérogène, 243 homogène, 236 Mendeleïev, Dimitri I. (1834-1907), 16 Métal (matériau), 102, 122, 237, 247, 287-288
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Métalloïdes (catégorie des), 17, 18, 21 Métaux (catégorie des), 17, 18-19, 20, 21, 44, 72, 74 Minerai, 163, 174 Minéral, 163 Minéraux (voir aussi Sels minéraux), 162, 163, 164, 167, 175 Modèle atomique (Antiquité grecque, Dalton, Thomson), 3-4 Modèle atomique de RutherfordBohr, 5 Molécule, 29, 39-40, 63, 67-68, 98, 192, 196, 243, 287 Moteur électrique, 296, 298 Mouvement (d’une pièce), 253, 254, 255, 258, 269 Moyeu, 258 Mutualisme, 220
N Neutralisation acidobasique, 44, 64, 72-73 Nitrate, 49, 197 Nitrification, 197 Nitrite, 197 Niveau trophique (voir aussi Relation trophique), 223, 229 Non-métaux (catégorie des), 17, 18, 21 Notation de Lewis, 27 Noyau atomique, 6, 8, 30, 170 Numéro atomique, 6, 16, 17
O Ohm (voir Loi d’Ohm) Onde électromagnétique, 83, 135, 136 Organe (mécanique) de guidage, 253, 258 de liaison, 253, 254 menant, 253, 269, 271 mené, 253, 263, 269 moteur (menant), 253, 269, 271 Organisme (autotrophe, hétérotrophe), 223 Ouragan, 145 Oxydation, 72, 247
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Ozone stratosphérique, 136
P Parasitisme, 220 Particule alpha, 5 bêta, 5 élémentaire (voir Proton, Électron) Pergélisol, 164, 165, 187 Période (du tableau périodique), 21 Périodicité des propriétés, 16 Perturbation (des communautés), 224 pH (voir aussi Échelle pH), 54, 72, 73 Photosynthèse, 72, 74-75, 192, 204, 206-207, 228 Photovoltaïque (cellule), 151, 152, 285 Pignon, 253, 269 Pile, 102-104, 284, 298 Plaques tectoniques, 170, 193 Plastique (façonnage), 241 Plastique (matériau) (voir Matière plastique) Pluies acides, 54, 72, 169 Point d’ignition, 73 Polarité, 284 Pôle magnétique, 121-123 Polymère, 240, 243, 244 Population, 178, 181, 213, 214-215, 219-220 Potentiel hydrogène (voir aussi Échelle pH), 54 Poulies, 253, 262, 263 Prairie tempérée, 200 Précipitations (climat), 141, 145, 200-201 Prédation, 220 Pression atmosphérique, 142, 144 Problématiques environnementales, 77, 167, 178, 296 Processus (du cycle du carbone) biochimiques, 192-193 géochimiques, 192-193 Producteur, 223, 229 Productivité primaire, 228
Propriétés caractéristiques, 41, 44 chimiques, 16, 18-19 des solutions, 39 physiques, 16, 18-19, 39 Propriétés mécaniques (des matériaux), 236, 240 Protection (des matériaux), 247-248 (électrique), 287, 288 Protéine, 196, 197 Proton, 5, 6, 16, 30, 96 Puissance électrique, 117
Q Quartz, 298
R Radioactivité, 4, 5, 8, 163, 170 Rayonnement alpha, 5 bêta, 5 gamma, 5 Rayonnement solaire (voir Énergie rayonnante du Soleil) Réaction de combustion, 73 de synthèse (voir Photosynthèse) Réaction à des indicateurs, 54 Réchauffement climatique, 77, 165, 204-205 Récifs coralliens (voir aussi Corail), 203-204 Recyclage chimique, 228-229 Règle de la main droite, 126 Règle de l’octet, 30 Relation trophique (voir aussi Niveau trophique), 223 Rendement énergétique, 90, 91, 152, 296 Résilience, 236, 240, 243 Résisteur, 102, 105-106, 113-114, 117 Respiration, 193, 207 Respiration cellulaire, 72, 74-75 Ressort, 240, 271 Ressources énergétiques de la lithosphère, 168 de l’atmosphère, 152
INDEX
305
de l’hydrosphère, 183 Richesse spécifique, 215 Roche calcaire, 193 carbonatée, 193 mère, 162-163, 164 Röntgen, Wilhelm (1845-1923), 4 Rotation (de la Terre), 136, 138, 142, 143, 179 (guidage en), 258 Roue de friction, 262, 263 dentée, 263, 264, 269 menée, 262, 263, 264 Roue dentée et vis sans fin, 263 Rutherford, Ernest (1871-1937), 5, 8
S Sable, 136, 243 Saison, 136 Salinité (de l’eau), 175, 179, 181, 203, 204 Savane tropicale, 200-201 Sédimentation, 193 Sédiments, 162 Sels, 20, 44, 45, 54 Sels minéraux, 175 Semi-conducteur, 286 Sol (voir Horizons du sol) Soleil (voir aussi Flux d’énergie émis par le Soleil), 74, 135, 136, 138, 149, 151, 152, 206, 229, 248 Solstice, 136 Solution aqueuse électrolytique (voir Électrolyte) Sous-bassin versant (voir Bassin versant) Surcharge, 288 Symbiose (voir aussi Photosynthèse), 197
306
INDEX
Système de transformation du mouvement, 253 à bielle, manivelle, 270 à came et tige guidée, 271 à pignon et crémaillère, 253, 269 à vis et écrou, 269 Système de transmission du mouvement, 253, 262-263, 264 d’engrenages, 262 de roue dentée et de vis sans fin, 263 de roues de friction, 262 Système Terre-Lune, 137, 138
T Tableau périodique, 3, 16, 17, 1821, 29, 30, 31 Taïga, 200 Taille (d’une population), 213-214 Tectonique des plaques, 170, 193 Température, 73-74, 88 ambiante, 16, 20 Température (environnement), 141, 142, 149, 162, 164, 180, 200-201 Tension (forces de), 237 Tension électrique, 103, 113, 117, 183, 296, 298 Terre arable, 164 Terre humide, 204 Thermodurcissables, 243, 244 Thermoplastique, 243 Thomson, Joseph John (1856-1940), 4, 8 Tige guidée, 271 Toundra, 200 Traction (contrainte), 237 Transformation chimique, 63, 72-75 de l’énergie, 90, 228 de l’énergie électrique, 295 physique, 40, 47
Transistor, 286 Translation (guidage en), 258 Tropiques, 136 Types de matériaux, 243 Types de mouvements, 258
V Vis et écrou, 269 Vis sans fin, 263 Vitesse, 262-264 Volcanique (irruption, activité), 170, 175, 193, 224 Voltmètre, 104, 106
Z Zone néritique, 204
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SOURCES
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UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1 p. 1 (ouverture de l’Univers) : Ezume Images/Shutterstock.com • p. 2 (ouverture du chapitre) : Shawn Hempel/Shutterstock.com • p. 7 : Brian Maudsley| Dreamstime.com • p. 8 : Library of Congress • p. 10 : Wikimedia Commons • p. 14 : Antonio Abrignani/ Shut ter s tock .com • p. 16 : Andreasg| Dreamstime.com • p. 23 : Maxx-Studio/Shutterstock.com
CHAPITRE 2 p. 37 (ouverture du chapitre) : totojang1977/Shutterstock.com • p. 38h : studiovin/Shutterstock.com • p. 39h : Matt Meadows/SPL/Publiphoto • p. 41 : Stephanie Colvey • p. 46 : HUANSHENG XU/Shutterstock.com • p. 47 : Olivier Le Queinec/Shutterstock.com • p. 49 : Maria Sbytova/Shutterstock. com • p. 54 : Oesper Collections, University of Cincinnati
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CHAPITRE 3 p. 61 (ouverture du chapitre) : yevgeniy11/Shutterstock.com • p. 62 (effervescence) : Diego Cervo/ iStockphoto • p. 62 (chaleur) : BlueOrange Studio/ iStockphoto • p. 62 (luciole) : Anita Patterson Peppers/Shutterstock.com • p. 62 (précipité) : David Taylor/Science Photo Library • p. 67 : Shaiith/ Shutterstock.com • p. 77 : Alexey Seafarer/Shutterstock.com • p. 78 : Leigh Prather/Shutterstock.com
CHAPITRE 4 p. 82 (ouverture du chapitre) : ssuaphotos/Shutterstock.com • p. 83 (énergie chimique) : M. Unal Ozmen/Shutterstock.com • p. 83 (énergie électrique) : mysticenergy/iStockphoto • p. 83 (énergie mécanique) : Hirkophoto/iStockphoto • p. 83 (énergie rayonnante) : Chones/Shutterstock.com • p. 83 (énergie thermique) : Robert Crow/Shutterstock.com • p. 84h : GoodMood Photopi/Shutterstock.com • p. 84bg : Artbox/Shutterstock.com • p. 84bd : Dana.S/Shutterstock.com • p. 91 (Monoplace Alérion) : Écomarathon
CHAPITRE 5 p. 95 (ouverture du chapitre) : Josemaria Toscano/ Shutterstock.com • p. 97c : MonoLiza/Shutterstock.com • p. 97b : Everett – Art/Shutterstock. com • p. 98h : Phil Degginger/Science Photo Library • p. 100h : Ria Novosti/SPL • p. 103h : Petkov|Dreamstime.com • p. 105h : Janicke Morrissette/Le Bureau Officiel • p. 106hg : PhotoLibrary/www.fotosearch.com • p. 106hd : Boreal Northwest • p. 113hd : Andrew Lambert Photography/SPL /Publiphoto • p. 120 : Dee Boldrick|Dreamstime.com • p. 121h : April Cat/ Shutterstock.com • p. 122h : MilanB/Shutterstock. com • p. 123hg : Solomin Andrey/Shutterstock. com • p. 123c : Peter Spirer|Dreamstime.com
SOURCES
307
TERRE ET ESPACE CHAPITRE 6 p. 133 (ouverture de l’Univers) : Marcel Clemens/ Shutterstock.com • p. 134 (ouverture du chapitre) : solarseven/Shutterstock.com • p. 137 : Vadim Sadovski/Shutterstock.com • p. 138b : Warren Price Photography/Shutterstock.com • p. 140 : Stephen Bures|Dreamstime.com • p. 147b : Pancaketom|Dreamstime.com • p. 150 : Maxger/ Shutterstock.com • p. 151 : Smileus/Shutterstock. com • p. 153 : Pack-Shot/Shutterstock.com • p. 155 : Christian Delbert/Shutterstock.com • p. 156 (neige) : Maksym Gorpenyuk|Dreamstime. com • p. 156 (route) : brave rabbit/Shutterstock. com • p. 156 (maisons) : Jeffrey Banke|Dreamstime.com • p. 156 (panneaux) : Smileus/Shutterstock.com • p. 158 : Tatiana Grozetskaya/ Shutterstock.com
CHAPITRE 7 p. 161 (ouverture du chapitre) : Robert Bohrer/ Shutterstock.com • p. 162 (granit) : Alexey/Shutterstock.com • p. 162 (mica) : Tyler Boyes/Shutterstock.com • p. 162 (feldspath) : Tyler Boyes/ Shutterstock.com • p. 162 (quartz) : efesan/iStockphoto • p. 163b : Collection Dupondt/akg-images • p. 165 : Pi-Lens/Shutterstock.com • p. 177 : Roca/ Shutterstock.com • p. 178 : Ivan Bajic/iStockphoto • p. 182 (carte postale) : JoeBreuer/iStockphoto • p. 182 (timbre) : rook76/Shutterstock.com • p. 187 : mustafa deliormanli/iStockphoto • p. 189 : Lora Sutyagina/Shutterstock.com
308
Shutterstock.com • p. 200 : Maxger/Shutterstock. com • p. 201 (toundra) : Gregory A. Pozhvanov/ Shutterstock.com • p. 201 (forêt tropicale) : ESB Professional/Shutterstock.com • p. 201 (taïga) : Creative Travel Projects/Shutterstock.com • p. 201 (prairie) : Gabrielle Hovey/Shutterstock.com • p. 201 (désert) : samvaltenbergs/iStockphoto • p. 201 (forêt tempérée) : Edoardo Moretto/Shutterstock.com • p. 202 : Kandelaki/Shutterstock. com • p. 203h : Mike Kwok|Dreamstime.com • p. 205 (récif de corail) : Richard Carey|Dreamstime. com • p. 205 (lac) : Matt Thompson|Dreamstime. com • p. 205 (marécage) : Stanislav Stoklas/Shutterstock.com • p. 205 (mer) : Stanislav Stoklas/ Shutterstock.com • p. 205 (rivière) : Steve Krull/ iStockphoto • p. 205 (zone néritique) : Martin Lehmann/Shutterstock.com • p. 207 (ours) : Lanaufoto|Dreamstime.com • p. 207 (thé) : Steven Bourelle/Shutterstock.com • p. 207 (phytoplancton) : John Walsh/Science Photo Library • p. 207 (lynx) : AISPIX by Image Source/Shutterstock.com • p. 207 (thuyas) : Colin D. Young/Shutterstock.com • p. 208b : bloodstone/iStockphoto • p. 210 (écureuil) : Jarek2313|Dreamstime.com • p. 210 (antilope) : Claudio Bocchia|Dreamstime.com • p. 210 (corail) : Brian Lasenby|Dreamstime.com • p. 210 (loup) : Holger Karius|Dreamstime.com • p. 210 (bison) : Steve Degenhardt|Dreamstime.com • p. 210 (requin) : Aquanaut4|Dreamstime.com • p. 210 (forêt) : Ralf Broskvar|Dreamstime.com • p. 210 (océan) : Rich Carey/Shutterstock.com • p. 210 (prairie) : David P. Lewis/Shutterstock.com
UNIVERS VIVANT
CHAPITRE 8
CHAPITRE 9
p. 191 (ouverture du chapitre) : Denis Tabler/Shutterstock.com • p. 193 : Art Babych/Shutterstock. com • p. 195a : huyangshu/Shutterstock.com • p. 195b : Chayantorn Tongmorn/Shutterstock.com • p. 195c : Erllre|Dreamstime.com • p. 195d : ShopArtGallery/Shutterstock.com • p. 195e : Artbox2|Dreamstime.com • p. 198 (bac) : Peter Burnett/iStockphoto • p. 198 (feuille) : rangizzz/ Shutterstock.com • p. 199 (paysage) : ActiveLines/ Shutterstock.com • p. 199 (arbre) : rolandtopor/
p. 211 (ouverture de l’Univers) : PCHT/Shutterstock. com • p. 212 (ouverture du chapitre) : somchaij/ Shutterstock.com • p. 213h : Alexey Seafarer/Shutterstock.com • p. 213b : starchaser/Shutterstock. com • p. 215g : ESB Professional/Shutterstock.com • p. 215d : haraldmuc/Shutterstock.com • p. 216 : Pinkcandy/Shutterstock.com • p. 218h : pupahava/ Shutterstock.com • p. 218b : Menno Schaefer/ Shutterstock.com • p. 220h : 3drenderings/Shutterstock.com • p. 220b : Natee K. Jindakum/Shut-
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UNIVERS TECHNOLOGIQUE
Brandon Bourdages|Dreamstime.com • p. 247 (céramiques) : design56/Shutterstock.com • p. 248 (matières plastiques) : robbin lee/Shutterstock.com • p. 248 (matériaux composites) : Volodymyr Kyrylyuk/Shutterstock.com • p. 249 (torsion) : Diane Labombarbe/iStockphoto • p. 250b : Phonlamai Photo/Shutterstock.com
CHAPITRE 11 CHAPITRE 10 p. 234 (ouverture de l’Univers) : Javier Larrea/Age Fotostock/maXx images • p. 235 (ouverture du chapitre) : nostal6ie/Shutterstock.com • p. 236 (métaux) : pockygallery/Shutterstock.com • p. 236 (alliages) : Thanate Rooprasert/Shutterstock.com • p. 236 (bois) : Praisaeng/Shutterstock.com • p. 236 (bois modifiés) : Neveshkin Nikolay/Shutterstock. com • p. 237 (traction) : Wessel Cirkel|Dreamstime. com • p. 237 (compression) : NENG TIEO/Shutter stock.com • p. 237 (torsion) : stocksnapper/iStock photo • p. 237 (cisaillement) : Dmitry Naumov/ Shutterstock.com • p. 237 (flexion g) : Olesia Bilkei/ Shutterstock.com • p. 237 (flexion d) : sportgraphic/ Shutterstock.com • p. 238bg : Africa Studio/Shut terstock.com • p. 238bd : Anupong Nantha/Shut terstock.com • p. 240 (dureté) : ar tiomp/ Shutterstock.com • p. 240 (rigidité g) : mezzotint/ Shutterstock.com • p. 240 (rigidité d) : frantic00/ Shutterstock.com • p. 240 (élasticité) : frytka/ iStockphoto • p. 240 (ductibilité) : tunart/iStock photo • p. 240 (malléabilité) : Alterfalter|Dreams time.com • p. 240 (fragilité) : Bertold Werkmann| Dreamstime.com • p. 240 (résilience) : Olga Popova/Shutterstock.com • p. 241 : Lucafabbian| Dreamstime.com • p. 242c : Sawitri Khromkrathok| Dreamstime.com • p. 243 (céramiques) : David Sucsy/iStockphoto • p. 243 (thermodurcissables) : Ashley Whitworth/Shutterstock.com • p. 243 (thermoplastiques) : hujiie/Shutterstock.com • p. 243 (matériaux composites) : 6th Gear/Big Stock Photo • p. 244h : Bettmann/CORBIS • p. 244c : sebra/Shutterstock.com • p. 244b : fotosv/Shut terstock.com • p. 245 : Bambulla|Dreamstime.com • p. 246g : bikeriderlondon/Shutterstock.com • p. 246c : Phovoir/Shutterstock.com • p. 246d : Tyler Olson/Shutterstock.com • p. 247 (métaux et alliages) : Wikipedia Commons • p. 247 (bois) :
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p. 252 (ouverture du chapitre) : Soloviova Liudmyla/ Shutterstock.com • p. 253hg : Polina Lobanova/ Shutterstock.com • p. 253hc : Chris Singshinsuk/ Shutterstock.com • p. 253hd : Tatiana Popova/ Shutterstock.com • p. 253bg : Sasiistock/iStock photo • p. 254 (directe) : Paul Tessier/iStockphoto • p. 254 (indirecte) : Jazzeroo72/iStockphoto • p. 254 (démontable) : Lisa Valder/iStockphoto • p. 254 (indémontable) : Aleksandr Ugorenkov| Dreamstime.com • p. 254 (rigide) : Baloncici| Dreamstime.com • p. 254 (élastique) : Keattikorn| Dreamstime.com • p. 255 (complète) : Anthony Maragou|Dreamstime.com • p. 255 (partielle) : Empire331|Dreamstime.com • p. 255b : Stockbyte/ Thinkstock • p. 256hg : Brookebecker|Dreamstime. com • p. 256hd : lofot/Dreamstime.com • p. 257h : © homydesign – Fotolia.com • p. 257b : Scofield Za/Shutterstock.com • p. 258c : Bezmaski|Dreams time.com • p. 259 : PhotoObjects.net/Thinkstock • p. 261h : Maksym Bondarchuk/Shutterstock.com • p. 261cg : Daniel R. Burch/iStockphoto • p. 261cc : Matthew Benoit|Dreamstime.com • p. 261cd : Aarrow|Dreamstime.com • p. 263bg : Yuri Turkov/ Shutterstock.com • p. 263bd : Yuri Turkov/Shut terstock.com • p. 265 : ThomasLENNE/Shutter stock.com • p. 276b : Viacheslav Nikolaenko/ Shutterstock.com
CHAPITRE 12 p. 283 (ouverture du chapitre) : Vladimir Hodac/ Shutterstock.com • p. 284 (pile) : Kasia/Shutter stock.com • p. 284 (batterie) : Bigrock/Dreamstime. com • p. 284 (génératrice) : Lisa F. Young/Dreams time.com • p. 284 (prise de courant) : John Clines/ Shutterstock.com • p. 285 : electra/Shutterstock. com • p. 286h : HelenField/Shutterstock.com • p. 286b : © Viktor Lugovskoy/iStockphoto • p. 287bd : nokkaew/Shutterstock.com • p. 288hg :
SOURCES
309
© Nicholas Homrich/iStockphoto • p. 288cg : © BanksPhotos/iStockphoto • p. 288bg : TyBy/Shutterstock.com • p. 289hgh : Mrs_ya/Shutterstock. com • p. 289hgb : bancha_photo/Shutterstock. com • p. 289hd : Kazarlenya/Shutterstock.com • p. 289c : Tortoon/Shutterstock.com • p. 289b : © 4kodiak/iStockphoto • p. 290c : Chalermsak/Shutterstock.com • p. 290b : Archives Hydro-Québec • p. 292 : LdF/iStockphoto • p. 293 (interrupteur mural) : shutswis/Shutterstock.com • p. 293 (interrupteur à bouton-poussoir) : Angelo Gilardelli/ Dreamstime.com • p. 293 (interrupteur à bascule) : Stefan-Xp/Wikipedia • p. 294 : Patrick St-Hilaire • p. 295 (ampoule à incandescence) : EvilWata/ Shutterstock.com • p. 295 (DEL) : Krasowit/Shut-
terstock.com • p. 295 (écran à cristaux liquides) : ZynatiszJay/Shutterstock.com • p. 295 (élément chauffant) : ffolas/Shutterstock.com • p. 295 (ampoule halogène infrarouge) : Erika J. Mitchell/ Shutter stock.com • p. 295 (électroaimant de levage) : Slavoljub Pantelic/Shutterstock.com • p. 295 (appareil d’irm) : abramsdesign/Shutterstock.com • p. 296 (moteur électrique) : AlexLMX/ Shutterstock.com • p. 296 (haut-parleur) : SJ Travel Photo and Video/Shutterstock.com • p. 296 (avertisseur sonore piézoélectrique) : NNL-STUDIO/ Shutter stock.com • p. 296 : Ressources naturelles Canada, Office de l'efficacité énergétique • p. 301 : Evan Lorne/Shutterstock.com
Illustrations Arto Dokouzian : p. 135cd Denis Fyfe : p. 237 (symboles), 262 (symboles), 270hg (symboles), 293 Martin Gagnon : p. 135g Late Night Studio : p. 3hg, 4g, 4c, 5g, 5c, 11, 42, 73b, 104bg Marc Tellier : p. 96c, 98, 99, 100c, 101c, 127c, 131, 132c, 132b, 151, 208, 253bd, 255c, 262c, 266c, 268c, 269h, 269 (symboles), 270, 271, 275, 277, 278, 281, 282, 287, 293bc, 293bd, 294 Michel Rouleau : p. 3hd, 3bg, 3bd, 4d, 5d, 6, 7h, 9, 12, 13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 38c, 38b, 39, 44, 45, 62, 63, 74, 75, 86, 87, 88c, 96h, 97h, 101, 102g, 103c, 104h, 104c, 105c, 106b, 108-112, 113b, 115, 121, 122b, 123hd, 123b, 124, 125, 126, 127h, 127b, 128h, 128c, 128bg, 128bd, 129, 130, 132h, 135b, 136, 138h, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 146, 147c, 148c, 149, 152, 157, 162h, 162b, 163h, 164, 168, 170, 171, 174, 175b, 177, 183, 184, 186, 197d, 214, 215b, 219h, 223, 225, 226, 228, 229, 310
SOURCES
230, 239, 242h, 249, 256b, 257c, 258h, 258b, 259b, 260, 262h, 262b, 263, 264, 265, 266b, 267, 268h, 269hd, 269cd, 272, 273, 274, 276h, 279, 284, 291, 292, 293hg, 297, 298 Late Night Studio/Michel Rouleau : p. 8, 128bc Michel Rouleau/Marc Tellier : p. 64, 72, 73h, 88b, 192, 197g, 227, 266h Late Night Studio/Marc Tellier : p. 40, 102d
Cartes Colpron
Illustrations des activités interactives Denis Fyfe Martin Gagnon Late Night Studio Michel Rouleau Marc Tellier Colpron (cartes)
Reproduction interdite © TC Média Livres Inc.
ST
SCIENCE ET TECHNOLOGIE
4e SECONDAIRE
2e édition
Gu id e
Kaléidoscope, 2e édition Science et technologie 4e secondaire
Remerciements
Guide Ahmed Bensaada, Annie Bolduc, Valérie Claude, Mourad Meziane, Catherine Rhéaume, Karine Tardif © 2018 TC Média Livres Inc. © 2012 Chenelière Éducation inc. Édition (2e édition) : Annie Fortier Édition (1re édition) : Annie Fortier, François Moreault Coordination (2e édition) : Suzanne Lavigne Coordination (1re édition) : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Cécile Poulou-Gallet, Ginette Gratton Révision linguistique : Suzanne Lavigne Correction d’épreuves : Isabelle Canarelli Illustrations : Michel Rouleau, Marc Tellier, Denis Fyfe, Colpron (cartes) Conception graphique : Gisèle H et Pige communication Infographie : Pige communication Conception de la couverture : Gisèle H Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick St-Hilaire
Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Marc Bergeron, C.S. des Premières-Seigneuries, Julie Ricard, C.S. de la Rivière-du-Nord. Pour son travail de révision scientifique réalisé avec rigueur et expertise, l’Éditeur tient à remercier : Denis Fyfe, consultant (analyse d'objet technique).
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Sources des photos p. AS-24 : Hein Nouwens/Shutterstock.com ; p. AS-27 : Ilbusca/iStockphoto.
TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction du présent ouvrage, en totalité ou en partie, par tous les moyens présentement connus ou à être découverts, est interdite sans l’autorisation préalable de TC Média Livres Inc. Les pages portant la mention « Reproduction autorisée © TC Média Livres Inc. » peuvent être reproduites uniquement par l’enseignant dont les élèves disposent personnellement du cahier périssable faisant partie intégrante de l’ensemble didactique comprenant le présent ouvrage et exclusivement pour les élèves visés dans ce paragraphe. Toute utilisation non expressément autorisée constitue une contrefaçon pouvant donner lieu à une poursuite en justice contre l’individu ou l’établissement qui effectue la reproduction non autorisée. ISBN 978-2-7650-5401-6 Dépôt légal : 1er trimestre 2018 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 1
2 3
4 5
IP
21
20
19
18 17
Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.
Planication Le cahier d’apprentissage Kaléidoscope, Science et technologie, 2e édition propose une séquence d’apprentissage par univers. Chaque univers comporte un nombre variable de chapitres qui portent sur les concepts prescrits par les programmes d’études. Le tableau des pages P-2 à P-4 suggère le même ordre de présentation des chapitres que celui du cahier. Il est toutefois possible de l’adapter au rythme des groupes classes, en modiant l’ordre de présentation des chapitres. Ce tableau indique également le moment opportun pour utiliser les ressources complémentaires offertes dans le guide, ainsi que les activités interactives.
Sommaire
Univers matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-2 Terre et espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-3 Univers vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-3 Univers technologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-3
Savoirs et activités
Pages du cahier
Ressources complémentaires* (pages du guide)
Activités interactives (AI)**
UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1
2
1.1 Les modèles atomiques
3
–
AI 01
ST
1.2 Le tableau périodique des éléments
16
–
AI 02
ST
1.3 Les molécules
29
–
–
Consolidation du chapitre 1
34
–
–
CHAPITRE 2
37
AS-5 à 8 ÉV-7 à 9
2.1 Les électrolytes
39
Labo 1, L-3 à 6
2.2 La concentration
47
2.3 Le pH
54
Consolidation du chapitre 2
56
CHAPITRE 3
61
3.1 La loi de la conservation de la masse
63
–
3.2 Le balancement des équations chimiques
67
–
3.3 Des exemples de transformations chimiques
72
–
Consolidation du chapitre 3
79
–
CHAPITRE 4
82
4.1 La loi de la conservation de l’énergie
84
–
4.2 L’énergie thermique
88
–
4.3 Le rendement énergétique
90
–
Consolidation du chapitre 4
92
–
CHAPITRE 5
95
5.1 Les phénomènes électriques
96
L’organisation de la matière
Les propriétés physiques des solutions
Les transformations chimiques
Les transformations de l’énergie
L’électricité et l’électromagnétisme
AS-3 et 4 ÉV-3 à 6
–
AI 03
ST
AI 04
ST
Labo 2, L-7 à 10 –
–
AS-8 à 10 ÉV-10 à 12 AI 05
ST
AI 06
ST
–
AS-10 à 12 ÉV-13 et 14 AI 07
ST
–
AS-12 à 14 ÉV-15 à 18 –
AI 08
ST
5.2 Les circuits électriques
102
Labo 3, L-11 à 15 Labo 4, L-16 à 19
AI 09
ST
5.3 Les phénomènes électromagnétiques
121
Labo 5, L-20 à 26
AI 10
ST
Consolidation du chapitre 5
128
–
Consolidation de l'univers matériel
– AI 11
ST
* Les ressources complémentaires du guide qui accompagnent les activités du cahier sont les suivantes : L : Laboratoires ÉV : Outils d’évaluation AS : Banque d’activités supplémentaires AOT : Analyse d’objet technique ** Les activités interactives sont disponibles dans la version numérique du cahier sur la plateforme
P-2
Kaléidoscope • Planification
de Chenelière Éducation.
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Savoirs et activités
Pages du cahier
Ressources complémentaires* (pages du guide)
Activités interactives (AI)**
TERRE ET ESPACE CHAPITRE 6
134
6.1 L’espace
136
–
6.2 Les masses d’air
141
–
6.3 La circulation atmosphérique
142
–
6.4 Les cyclones et les anticyclones
144
–
6.5 L’effet de serre
149
–
6.6 Les ressources énergétiques de l'atmosphère
151
–
Consolidation du chapitre 6
155
–
CHAPITRE 7
161
7.1 La lithosphère
163
7.2 L'hydrosphère
173
Consolidation du chapitre 7
186
CHAPITRE 8
191
AS-22 à 25 ÉV-24 et 25
8.1 Le cycle du carbone
192
Labo 7 (démo), L-31 à 35
8.2 Le cycle de l’azote
196
–
8.3 Les biomes terrestres
200
–
8.4 Les biomes aquatiques
203
–
8.5 Les facteurs influençant la distribution des biomes
206
–
Consolidation du chapitre 8
208
–
UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9
212
L’espace et l’atmosphère
La lithosphère et l’hydrosphère
La biosphère
L’écologie
AS-15 à 17 ÉV-19 à 21
ST
AI 13
ST
AI 14
ST
AI 15
ST
AS-18 à 22 ÉV-22 et 23 – Labo 6 (démo), L-27 à 30 –
AS-26 à 28 ÉV-26 à 28
9.1 L’organisation des vivants
213
–
9.2 Les interactions
219
–
Consolidation du chapitre 9
231
– AOT-3 à 13
UNIVERS TECHNOLOGIQUE CHAPITRE 10
235
10.1 Les contraintes
236
–
10.2 Les propriétés des matériaux
240
–
10.3 Les céramiques, les plastiques et les matériaux composites
243
10.4 La dégradation des matériaux et les procédés de protection
247
Consolidation du chapitre 10
249
Les matériaux
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AI 12
AS-29 ÉV-29
– – – Kaléidoscope • Planification
P-3
Savoirs et activités
Pages du cahier
Ressources complémentaires* (pages du guide)
CHAPITRE 11
252
11.1 Les caractéristiques des liaisons
254
–
11.2 La fonction de guidage
258
–
11.3 Les systèmes de transmission du mouvement
262
–
11.4 Les systèmes de transformation du mouvement
269
–
Consolidation du chapitre 11
277
–
CHAPITRE 12
283
12.1 La fonction d’alimentation
284
12.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection
287
12.3 La fonction de commande
292
–
12.4 La fonction de transformation de l'énergie
295
–
Consolidation du chapitre 12
299
–
L’ingénierie mécanique
L’ingénierie électrique
P-4
Kaléidoscope • Planification
AS-30 à 33 ÉV-30 à 32
AS-33 à 35 ÉV-33 et 34
Activités interactives (AI)** AI 16
ST
AI 17
ST
– –
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Laboratoires La section Laboratoires du guide Kaléidoscope, Science et technologie comporte 5 laboratoires et 2 démonstrations qui portent sur les concepts abordés dans le cahier d’apprentissage. Classées par univers puis par chapitre, ces activités de type expérimental permettent de mettre en pratique certains contenus et de développer ainsi la compétence 1 (Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d’ordre scientique et technologique).
Sommaire
Univers matériel Chapitre 2 Laboratoire 1 – La conductibilité électrique et les électrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-3 Laboratoire 2 – L’échelle pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-7
Chapitre 5 Laboratoire 3 – Les circuits électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-11 Laboratoire 4 – La loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-16 Laboratoire 5 – Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-20
Terre et espace Chapitre 7 Laboratoire 6 – La circulation océanique (DÉMONSTRATION). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-27
Chapitre 8 Laboratoire 7 – Le cycle du carbone (DÉMONSTRATION) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L-31
Le guide se poursuit à la page suivante.
UM
•
Laboratoire 1 Chapitre 2 • 1/4
La conductibilité électrique et les électrolytes Cahier, p. 39 à 41
LABORATOIRE Buts A. Associer les notions d’électrolytes et de conductibilité électrique. B. Associer les électrolytes à la dissolution ionique. 45 minutes Rapport de laboratoire, p. L-4 à L-6 Matériel Pour le groupe classe • 14 béchers de 100 mL contenant chacun 50 mL d’une solution aqueuse (concentrée à 0,1 mol/L) préparée avec les substances suivantes : 1. Acide chlorhydrique (HCl) 2. Acide nitrique (HNO3) 3. Acide sulfurique (H2SO4) 4. Chlorure de sodium (NaCl) 5. Éthanol (C2H5OH) 6. Glycérol (C3H8O3) 7. Hydroxyde d’ammonium (NH4OH) 8. Hydroxyde de potassium (KOH) 9. Hydroxyde de sodium (NaOH) 10. Méthanol (CH3OH) 11. Nitrate d’ammonium (NH4NO3) 12. Nitrate de sodium (NaNO3) 13. Sucre (C12H22O11) 14. Sulfate de magnésium (MgSO4) • Un détecteur de conductibilité électrique par poste de travail • Du papier tournesol bleu et rouge (un contenant de chaque couleur par poste de travail) • Du papier essuie-tout
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Remarques • Fournir une solution différente à chaque poste de travail. • Organiser la classe en 14 postes de travail. À chaque poste, on doit disposer d’un bécher contenant une des 14 solutions, d’un détecteur de conductibilité électrique, de papier tournesol bleu et rouge et de papier essuie-tout. Les dyades se déplacent d’un poste à l’autre pour tester la solution qui s’y trouve. • Les élèves doivent procéder au laboratoire en n’utilisant que le matériel mis à leur disposition à chacun des postes. Afin de ne pas souiller les solutions, ils ne doivent pas employer le détecteur de conductibilité dans plusieurs solutions. • Chaque dyade utilise un morceau de papier essuie-tout dans lequel elle dépose les papiers tournesol utilisés. Pour éviter de laisser les réponses aux équipes suivantes, les élèves devront jeter le papier essuie-tout avec tous les papiers tournesol utilisés après avoir complété la tournée des postes. • Pour le protocole expérimental, voir le corrigé du rapport de laboratoire à la page C-1.
À chaque poste, on doit disposer de languettes de papier tournesol bleu et rouge. Pour en réduire l’utilisation, on peut couper les languettes en deux.
Kaléidoscope • Laboratoires
L-3
Nom :
Groupe :
Date :
UM
•
Laboratoire 1 Chapitre 2 • 2/4
La conductibilité électrique et les électrolytes Cahier, p. 39 à 41
Rapport de laboratoire Les buts de l’expérience A. Associer les notions d’électrolytes et de conductibilité électrique. B. Associer les électrolytes à la dissolution ionique.
Les hypothèses Question A. Selon vous, les substances indiquées sont-elles un électrolyte (E) ou un non-électrolyte (NE) ? Inscrivez vos hypothèses dans la deuxième colonne du tableau à la question 3 de la page L-5. Question B. Donnez les raisons qui vous incitent à faire ce classement.
Le protocole expérimental Matériel 1. Notez tout le matériel utilisé par le groupe classe pour réaliser ce laboratoire.
Manipulations 2. Décrivez la démarche suivie pour réaliser ce laboratoire.
L-4
Kaléidoscope • Laboratoires
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Nom :
Groupe :
Date :
UM
•
Laboratoire 1 Chapitre 2 • 3/4
Les résultats 3. Inscrivez dans les colonnes non encore remplies du tableau les résultats obtenus durant l’expérience. La conductibilité, l’acidité et la basicité de différentes substances Substances testées
Électrolyte (E) / Non-électrolyte (NE)
Conductibilité Oui / Non
Acidité (testée à l’aide du papier tournesol bleu) Rougit / Reste bleu
Basicité (testée à l’aide du papier tournesol rouge) Bleuit / Reste rouge
1. Acide chlorhydrique (HCl) 2. Acide nitrique (HNO3) 3. Acide sulfurique (H2SO4) 4. Chlorure de sodium (NaCl) 5. Éthanol (C2H5OH) 6. Glycérol (C3H8O3) 7. Hydroxyde d’ammonium (NH4OH) 8. Hydroxyde de potassium (KOH) 9. Hydroxyde de sodium (NaOH) 10. Méthanol (CH3OH) 11. Nitrate d’ammonium (NH4NO3) 12. Nitrate de sodium (NaNO3) 13. Sucre (C12H22O11) 14. Sulfate de magnésium (MgSO4)
L’analyse des résultats 4. Quels groupes de substances, parmi celles qui ont un effet sur l’un des deux papiers tournesol, doivent être considérés comme des électrolytes ? Donnez un exemple de chacun d’eux.
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Kaléidoscope • Laboratoires
L-5
Nom :
Groupe :
Date :
UM
•
Laboratoire 1 Chapitre 2 • 4/4
5. Au cours de sa dissolution dans l’eau, l’hydroxyde de sodium (NaOH) subit une dissociation ionique qui donne naissance aux ions Na+ et OH− : on dit alors que la dissolution est ionique. Sachant que ces ions sont responsables de la conduction électrique des solutions aqueuses contenant de l’hydroxyde de sodium (NaOH), quels sont, d’après vous, les ions libérés par les autres substances des groupes mentionnés dans la réponse de la question 4 ?
6. Certaines des substances utilisées conduisent le courant électrique, mais n’appartiennent pas aux deux grands groupes d’électrolytes nommés à la question 4. a) Quel est le nom de ce troisième groupe d’électrolytes ? b) Nommez les substances qui en font partie.
7. Quels sont, d’après vous, les ions libérés par ces substances ?
8. La dissolution du sucre (C12H22O11) ne produit pas d’ions mais des molécules neutres. Les solutions aqueuses engendrées par ce type de dissolution ne conduisent pas l’électricité. Par comparaison avec le sucre, que pouvez-vous dire de la dissolution des autres non-électrolytes ?
La conclusion 9. Répondez aux questions suivantes. a) Après avoir confronté vos prédictions de la partie « Les hypothèses » à vos résultats, donnez la définition des électrolytes.
b) Quel type de dissolution caractérise les électrolytes ?
c) Quel type de dissolution caractérise les non-électrolytes ?
L-6
Kaléidoscope • Laboratoires
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UM
•
Laboratoire 2 Chapitre 2 • x/4 1/4
L’échelle pH Cahier, p. 54
LABORATOIRE Buts A. Connaître et savoir utiliser l’échelle pH. B. Classer différentes valeurs de pH selon l’acidité ou la basicité d’une solution. C. Connaître le pH de quelques solutions de la vie quotidienne. 45 minutes Rapport de laboratoire, p. L-8 à L-10 Matériel Par dyade • Deux plaques à titrage • Une tige de verre • Une bouteille compte-gouttes d’indicateur universel Par groupe de deux dyades • Un ensemble de bouteilles compte-gouttes avec des solutions tampons de pH 2 à 12 Pour le groupe classe • Douze solutions différentes provenant de la vie courante, disposées autour de la classe dans des béchers de 100 mL. Par exemple : – de l’antiacide en solution – de la boisson gazeuse (incolore) – du détergent à lessive liquide – de l’eau minérale gazéifiée – de l’eau du robinet – du jus de citron – du lave-vitre – du rince-bouche – du savon à vaisselle – du shampoing – une solution de bicarbonate de sodium (NaHCO3) – du vinaigre
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Remarques • Ce laboratoire peut s’organiser de différentes manières, selon l’équipement dont dispose l’école. • Pour varier, on peut également mesurer le pH avec un papier indicateur universel. Dans ce cas, il est conseillé de découper au préalable le rouleau en languettes afin d’éviter le gaspillage. Il serait aussi préférable d’avoir reproduit une échelle permettant aux élèves de bien distinguer le code des couleurs associées aux différents pH, afin d’en distribuer un exemplaire à chaque dyade. • Pour le protocole expérimental, voir le corrigé du rapport de laboratoire à la page C-2.
• Les produits à vérifier doivent être incolores, sinon les élèves auront de la difficulté à établir la couleur que prend le papier indicateur universel. • Dans le but de concilier bon fonctionnement et économie de matériel et de temps de préparation, il est recommandé de prévoir un ensemble de bouteilles de solutions tampons par groupe de deux dyades, que les élèves se partageront. Selon les groupes, on peut cependant procéder au même partage par groupe de trois ou quatre dyades.
Kaléidoscope • Laboratoires
L-7
Nom :
Groupe :
Date :
UM
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Laboratoire 2 Chapitre 2 • 2/4
L’échelle pH Cahier, p. 54
Rapport de laboratoire Les buts de l’expérience A. Connaître et savoir utiliser l’échelle pH. B. Classer différentes valeurs de pH selon l’acidité ou la basicité d’une solution. C. Connaître le pH de quelques solutions de la vie quotidienne.
Les hypothèses Dans la colonne « Solutions » du tableau « Les valeurs de pH de quelques solutions à usage domestique » de la page suivante, inscrivez le nom des solutions retenues par votre enseignante ou enseignant pour le laboratoire. Remplissez ensuite la colonne « Hypothèses » en indiquant si, selon vous, chacune des solutions est acide, basique ou neutre. La vérification de l’hypothèse se fera dans la dernière colonne du tableau.
Le protocole expérimental Matériel 1. En plus des solutions que vous venez d’inscrire dans le tableau, notez tout le matériel dont vous aurez besoin pour ce laboratoire.
Manipulations 2. Décrivez la démarche utilisée.
L-8
Kaléidoscope • Laboratoires
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Nom :
Groupe :
Date :
UM
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Laboratoire 2 Chapitre 2 • 3/4
Les résultats 3. Remplissez le tableau ci-dessous à l’aide des résultats que vous avez obtenus. Les valeurs de pH de quelques solutions à usage domestique Solutions
Hypothèses (acide, basique, neutre)
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Couleur obtenue
pH
Caractère de la solution (acide, basique, neutre)
Kaléidoscope • Laboratoires
L-9
Nom :
Groupe :
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UM
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Laboratoire 2 Chapitre 2 • 4/4
L’analyse des résultats 4. Parmi les solutions que vous avez testées, laquelle est la plus acide ?
5. Entre quelles valeurs de pH se situent les substances comestibles utilisées dans cette expérience ?
6. Quelle est la substance la plus basique de votre tableau ?
7. Quelles sont les autres substances qui ont un pH basique ?
La conclusion 8. Quel est le pH des solutions acides ?
9. Quel est le pH des solutions basiques ?
10. Quel est le pH des solutions neutres ?
11. Vos hypothèses étaient-elles toutes exactes à propos du pH des solutions à usage domestique ?
L-10
Kaléidoscope • Laboratoires
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UM
•
Laboratoire 3 Chapitre 5 • x/5 1/5
Les circuits électriques Cahier, p. 102 à 106
LABORATOIRE Buts A. Se familiariser avec les symboles normalisés usuels pour représenter différentes composantes des circuits électriques. B. Réaliser des circuits en série et des circuits en parallèle. C. Analyser les circuits en série et les circuits en parallèle.
• Au besoin, il est possible de schématiser les circuits en groupe classe au tableau. Par exemple, on peut utiliser des cartons sur lesquels sont dessinés séparément chacun des symboles normalisés des composantes à brancher (voir la figure ci-dessous). Un élève volontaire peut alors agencer les symboles en les faisant tenir avec des aimants ou des punaises.
75 minutes Rapport de laboratoire, p. L-12 à L-15 Matériel Par dyade • Un ampèremètre • Une pile de 9 V avec boîtier ou une source de courant • Deux ampoules miniatures avec socles • Un interrupteur • Sept fils conducteurs avec pinces crocodile Remarques • Pour réaliser le laboratoire, les élèves doivent être capables de : – réaliser un circuit en série avec une pile, un interrupteur et deux ampoules ; – réaliser un circuit en parallèle avec une pile, un interrupteur et deux ampoules ; – brancher et utiliser correctement un ampèremètre.
Un exemple de schéma d’un circuit en série réalisé avec des composantes dessinées sur des feuilles.
• Les symboles normalisés des composantes à utiliser sont présentés aux pages 102 (pile, conducteur (fil) et ampoule) et 292 (interrupteur) du cahier. • La procédure d’utilisation d’un ampèremètre est présentée dans l’Outil 2 – Mesurer le courant et la différence de potentiel, à la page 105 du cahier. • Pour le protocole expérimental, voir le rapport de laboratoire pages L-12 et L-13.
Tic De nombreux sites proposent des animations sur la construction de circuits électriques en série et en parallèle fonctionnels, dont voici quelques-uns. Ces outils pédagogiques peuvent être utilisés soit dans la discussion préalable au laboratoire, soit comme exercices pour la consolidation des apprentissages. • www.physagreg.fr/animations.php • phys.free.fr/intsfla.htm • https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab
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Kaléidoscope • Laboratoires
L-11
Nom :
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Date :
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Laboratoire 3 Chapitre 5 • x/5 2/5
Les circuits électriques Cahier, p. 102 à 106
Rapport de laboratoire Les buts de l’expérience A. Se familiariser avec les symboles normalisés usuels pour représenter différentes composantes des circuits électriques. B. Réaliser des circuits en série et des circuits en parallèle. C. Analyser les circuits en série et les circuits en parallèle.
L’hypothèse On veut élaborer deux circuits électriques avec les mêmes composantes pour allumer deux ampoules identiques : le premier en série et le second en parallèle. Dans quel circuit l’éclairage des ampoules sera-t-il le plus intense ?
Le protocole expérimental Matériel • Un ampèremètre • Une pile de 9 V avec boîtier ou une source de courant • Deux ampoules miniatures avec socles • Un interrupteur • Sept fils conducteurs avec pinces crocodile Manipulations
PARTIE A – Le circuit en série 1 Réaliser le montage d’un circuit électrique en série pour allumer les deux ampoules. 2 À l’aide de l’ampèremètre, mesurer le courant aux endroits suivants sur le circuit :
– Point A : Avant la pile (après la deuxième ampoule). – Point B : Après la pile (avant la première ampoule). – Point C : Entre les deux ampoules. 3 Noter les valeurs obtenues dans le tableau « Les valeurs du courant en différents points du circuit en
série et du circuit en parallèle » de la question 2, à la page L-13. 4 Garder l’ampèremètre branché à un point au choix et dévisser une des deux ampoules. Fermer le
circuit à l’aide de l’interrupteur et noter les observations à la question 3b, à la page L-14.
L-12
Kaléidoscope • Laboratoires
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Groupe :
Date :
UM
•
Laboratoire 3 Chapitre 5 • x/5 3/5
PARTIE B – Le circuit en parallèle 1 Réaliser le montage d’un circuit électrique en parallèle pour allumer les deux ampoules. 2 À l’aide de l’ampèremètre, mesurer le courant aux endroits suivants sur le circuit :
– Point A : Avant la pile (après les deux ampoules). – Point B : Après la pile (avant les deux ampoules). – Point C : Avant la première ampoule (après l’embranchement des fils). – Point D : Avant la seconde ampoule (après l’embranchement des fils). 3 Noter les valeurs obtenues dans le tableau de la question 2 ci-dessous. 4 Garder l’ampèremètre branché au point A ou au point B et dévisser une des deux ampoules. Fermer le
circuit à l’aide de l’interrupteur et noter les observations à la question 7, à la page L-14.
Les résultats 1. Dessinez les deux circuits électriques (en série et en parallèle) dans l’encadré ci-dessous et identifiez les différents points du circuit (A, B, C dans les deux circuits et D dans le circuit en parallèle). Dans chacun des circuits, indiquez par des flèches le sens du courant conventionnel.
2. Remplissez le tableau suivant. Les valeurs du courant en différents points du circuit en série et du circuit en parallèle Points du circuit
Courant pour le circuit en série (A)
Courant pour le circuit en parallèle (A)
Point A Point B Point C Point D
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Kaléidoscope • Laboratoires
L-13
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Groupe :
Date :
UM
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Laboratoire 3 Chapitre 5 • x/5 4/5
L’analyse des résultats 3. En vous basant sur les résultats obtenus pour le circuit en série, répondez aux questions suivantes. a) Que pouvez-vous dire sur la grandeur du courant ?
b) Que se passe-t-il lorsqu’une ampoule est dévissée dans le circuit en série ?
c) Comment peut-on expliquer ce résultat ?
4. En vous basant sur les résultats obtenus pour le circuit en parallèle, répondez aux questions suivantes. a) Que pouvez-vous dire sur la grandeur du courant ?
b) Quelle relation mathématique relie les courants aux points B, C et D ?
5. Le courant qui sort de la pile dans les deux circuits (en série et en parallèle) a-t-il la même valeur ?
6. Quelle conclusion peut-on tirer de l’observation faite à la question 5 ?
7. Que se passe-t-il lorsqu’une ampoule est dévissée dans le circuit en parallèle ?
8. Comment peut-on expliquer l’observation faite à la question 7 ?
L-14
Kaléidoscope • Laboratoires
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Groupe :
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Laboratoire 3 Chapitre 5 • x/5 5/5
La conclusion 9. Répondez aux questions suivantes. a) Dans lequel des circuits l’intensité de l’éclairage des ampoules est-elle la plus forte ?
b) Pouvez-vous expliquer pourquoi ?
10. Selon les résultats que vous avez obtenus, diriez-vous que votre hypothèse de départ était juste ? Expliquez votre réponse en indiquant les nouvelles informations que vous avez apprises au cours de cette expérience.
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Kaléidoscope • Laboratoires
L-15
UM
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Laboratoire 4 Chapitre 5 • x/4 1/4
La loi d’Ohm Cahier, p. 113 et 114
LABORATOIRE Buts A. Schématiser un circuit électrique. B. Mesurer la différence de potentiel et le courant dans un circuit électrique. C. Déterminer graphiquement la résistance de résisteurs en appliquant la loi d’Ohm. 60 minutes Rapport de laboratoire, p. L-17 à L-19 Matériel Par dyade • Deux résisteurs de résistance inconnue, identifiés A et B • Une source de différence de potentiel variable • Cinq fils conducteurs • Un ampèremètre (ou un multimètre utilisé comme ampèremètre) • Un voltmètre (ou un multimètre utilisé comme voltmètre) Remarques • Les résisteurs identifiés A et B peuvent avoir une résistance différente des résisteurs utilisés dans le corrigé du rapport de laboratoire (40 Ω et 20 Ω). À la limite, chaque poste de travail pourrait avoir des résisteurs de valeurs différentes. Selon le matériel disponible à l’école, il est toutefois recommandé de ne pas utiliser de valeurs trop élevées (supérieures à 50 Ω).
• Si on utilise des résisteurs de basse résistance, il peut être utile d’ajouter un interrupteur au circuit afin d’éviter qu’ils ne chauffent trop. Dans ce cas, indiquer aux élèves de laisser l’interrupteur ouvert entre les prises de mesure. Pour la construction du circuit servant à la démonstration devant la classe : • Prévoir deux ondulés plastiques (Coroplast™) ou panneaux de contreplaqué assez grands (d’environ 70 cm sur 100 cm) afin qu’ils puissent recevoir plusieurs résisteurs montés en série sur un panneau et en parallèle sur l’autre panneau.
L-16
Kaléidoscope • Laboratoires
En effet, si l’intensité du courant qui circule dans le circuit est réduite, l’erreur relative s’accroît. Si, au contraire, les valeurs de résistance sont trop basses, le courant trop fort peut alors faire chauffer les résisteurs. • Selon le type d’ampèremètre et de voltmètre disponible, il est préférable d’utiliser une valeur de résistance qui permet d’éviter un changement d’échelle des appareils. C’est pour cette raison que l’enseignante ou l’enseignant doit prendre soin de fixer l’étendue et l’intervalle des mesures du tableau de la question 2 de la page L-18. Toutefois, il est suggéré d’effectuer les mesures de 0 V à 12 V par intervalles de 2 V. • Au début du laboratoire, il peut être intéressant de faire la démonstration du circuit électrique sur un ondulé de plastique ou un panneau de contreplaqué (voir la figure et la rubrique TTP ci-dessous). Cela aidera grandement les élèves à réaliser l’étape 1 des manipulations.
Le schéma du circuit électrique
• Pour le protocole expérimental, voir le rapport de laboratoire à la page L-17.
On peut fixer les fils conducteurs avec de la colle chaude et les éléments qu’on désire modifier ou changer de place avec des crochets ou des bandes velcro. Les fils peuvent tout simplement être insérés dans les bornes prévues à cette fin. • Des aimants peuvent aussi être placés sous les instruments et les résisteurs, et être fixés au tableau. Dans ce cas, utiliser une vieille source de différence de potentiel variable dont on aura enlevé l’intérieur ou une boîte de carton qui représentera la source de différence de potentiel variable.
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Laboratoire 4 Chapitre 5 • x/4 2/4
La loi d’Ohm Cahier, p. 113 et 114
Rapport de laboratoire Les buts de l’expérience A. Schématiser un circuit électrique. B. Mesurer la différence de potentiel et le courant dans un circuit électrique. C. Déterminer graphiquement la résistance de résisteurs en appliquant la loi d’Ohm.
L’hypothèse Le présent laboratoire vise à vous faire acquérir une technique tout en vous familiarisant avec la notion de circuit électrique. L’utilisation d’une technique, par exemple celle de la détermination de la résistance de résisteurs, ne demande pas d’émettre une hypothèse au préalable.
Le protocole expérimental Matériel • Deux résisteurs de résistance inconnue, identifiés A et B • Une source de différence de potentiel variable • Cinq fils conducteurs • Un ampèremètre (ou un multimètre utilisé comme ampèremètre) • Un voltmètre (ou un multimètre utilisé comme voltmètre) Manipulations 1 Réaliser le circuit électrique qui servira à l’expérience en utilisant le résisteur A et en tracer
le schéma à la question 1 de la page L-18. 2 Allumer la source de différence de potentiel et la régler à 2 V. 3 Lire la mesure du courant à l’aide de l’ampèremètre et l’inscrire dans le tableau de la question 2,
à la page L-18. 4 Refaire l’étape 3 pour des valeurs de différence de potentiel de 4 V, de 6 V et ainsi de suite jusqu’à 12 V. 5 Éteindre la source. Débrancher le résisteur A et le remplacer par le résisteur B. 6 Répéter les étapes 2, 3 et 4 des manipulations pour le résisteur B.
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L-17
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Laboratoire 4 Chapitre 5 • x/4 3/4
Les résultats 1. Tracez le schéma du circuit électrique du laboratoire dans l’encadré ci-contre.
2. Remplissez le tableau suivant. Les valeurs des résisteurs Résisteur A Différence de potentiel (V)
Résisteur B Courant (A)
Différence de potentiel (V)
Courant (A)
L’analyse des résultats 3. À partir du tableau de la question 2, tracez le graphique de la différence de potentiel en fonction du courant pour les résisteurs A et B. Tracez les deux courbes sur le même graphique.
L-18
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Laboratoire 4 Chapitre 5 • x/4 4/4
4. À partir du graphique de la question 3 : a) calculez le taux de variation de chacune des droites. Laissez une trace de votre démarche dans l’encadré ci-dessous.
Réponse :
b) Lequel des deux résisteurs offre la plus grande résistance au passage du courant électrique ?
5. Que représente le taux de variation de chacune des courbes du graphique de la question 3? Justifiez votre réponse.
6. Les résistances sont-elles constantes pendant toute la durée de l’expérimentation ? Justifiez votre réponse.
La conclusion 7. Quelle est la valeur de la résistance de chacun des résisteurs ?
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Kaléidoscope • Laboratoires
L-19
UM
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 1/7
Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques Cahier, p. 121 à 123
LABORATOIRE Buts A. Classer des substances selon leurs propriétés magnétiques. B. Découvrir la loi des pôles magnétiques. C. Représenter schématiquement des champs magnétiques produits par des aimants. 75 minutes Rapport de laboratoire, p. L-21 à L-26 Matériel Par dyade • Deux aimants droits • Divers objets faits de substances variées : – Des clous, des vis, des écrous – Du papier d’aluminium – Du fil de cuivre – Une lame de zinc – Un trombone – Une règle en plastique – Un crayon – Un morceau de bois – Une pièce de un cent – Cinq pièces canadiennes de cinq cents d’années variées dont certaines antérieures à 1982 et d’autres postérieures à 2001 – Un morceau de verre – Une boussole – Un morceau de caoutchouc – Un morceau d’acier – D’autres objets pouvant être apportés en classe par les élèves
• Distribuer les aimants après avoir remis aux élèves le reste du matériel. Cela évitera d’avoir à séparer les objets ferromagnétiques qui s’y seraient collés et empêchera la magnétisation temporaire de certains d’entre eux. • Signaler aux élèves que la limaille de fer et les aimants ne doivent pas être mis en contact direct, car il serait ensuite difficile de les séparer. On peut recouvrir préalablement les aimants d’une pellicule de plastique protecteur. • Demander aux élèves de ne pas faire passer l’aimant audessus de la boussole, car ceci pourrait inverser les pôles de l’aiguille.
L-20
Kaléidoscope • Laboratoires
• Deux aimants droits • Une boussole • Un bout de ficelle de 20 cm de long • Deux aimants droits • Une boussole • De la limaille de fer • Une feuille de carton rigide ou de plexiglas (21,75 cm sur 28,2 cm) • Une feuille de papier blanc (21,75 cm sur 28,2 cm) • Deux crayons en bois Remarques • Dans la partie A de l’expérience, on peut demander à chaque élève de fournir un objet supplémentaire de son choix : bijou, monnaie, article scolaire, etc. • Une fois la partie A de l’expérience terminée, demander aux élèves de conserver la boussole et les aimants pour les utiliser dans les parties B et C du laboratoire. • Pour réduire le temps consacré au laboratoire, utiliser un rétroprojecteur pour faire la démonstration des champs magnétiques à l’aide d’une plaque de plexiglas, de limaille de fer et d’aimants. • L’enseignante ou l’enseignant peut choisir la ou les parties à réaliser. • Pour le protocole expérimental, voir le rapport de laboratoire aux pages L-21, L-23 et L-24.
• Si des élèves apportent en classe ou au laboratoire du matériel électronique (ordinateur, tablette, etc.), les avertir de ranger ces objets pour qu’ils ne soient pas à proximité des tables où ils réaliseront leurs expériences. • De manière à faciliter la manipulation de la limaille de fer, la placer dans une salière (ou un objet équivalent). • On peut ajouter au matériel de la partie B un support universel et une pince universelle de façon à maintenir l’aimant suspendu. S’assurer, dans ce cas, que l’aimant est suffisamment éloigné du support métallique.
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 2/7
Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques Cahier, p. 121 à 123
Rapport de laboratoire Les buts de l’expérience A. Classer des substances selon leurs propriétés magnétiques. B. Découvrir la loi des pôles magnétiques. C. Représenter schématiquement des champs magnétiques produits par des aimants.
L’hypothèse Question A. Parmi les substances qui sont proposées dans le matériel de la partie A de l’expérience, quelles sont celles qui possèdent des propriétés magnétiques ?
Question B. Comment les extrémités de deux aimants réagissent-elles lorsqu’on les approche l’une de l’autre ?
Question C. Qu’est-ce que le champ magnétique ?
PARTIE A – Les propriétés magnétiques
Le protocole expérimental Matériel • Deux aimants droits • Divers objets faits de substances variées : – Des clous, des vis, des écrous – Du papier d’aluminium – Du fil de cuivre – Une lame de zinc – Un trombone – Une règle en plastique – Un crayon – Un morceau de bois
– Une pièce de un cent – Cinq pièces canadiennes de cinq cents d’années variées dont certaines antérieures à 1982 et d’autres postérieures à 2001 – Un morceau de verre – Une boussole – Un morceau de caoutchouc – Un morceau d’acier – D’autres objets :
Manipulations 1 Approcher différents objets les uns des autres et observer leur comportement. 2 D’après les observations effectuées, former trois classes d’objets selon leurs propriétés magnétiques. 3 Noter dans le tableau de la question 1, à la page L-22, le nom des objets qui appartiennent aux trois
classes.
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L-21
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 3/7
Les résultats 1. Remplissez le tableau suivant en classant les objets selon leurs propriétés magnétiques. Les propriétés magnétiques de divers objets Les objets qui attirent et/ou repoussent d’autres objets
Les objets qui sont uniquement attirés par un objet
Les objets qui ne sont ni attirés ni repoussés par les autres objets
L’analyse des résultats 2. Quelle propriété peut être attribuée aux objets : a) qui sont attirés par un aimant ? b) qui ne sont pas attirés par un aimant ? 3. Quels sont les objets qui peuvent autant attirer que repousser un aimant ?
4. Comment appelle-t-on les substances uniquement attirées par un aimant ?
La conclusion 5. Selon les résultats que vous avez obtenus, diriez-vous que votre hypothèse de départ et vos prédictions étaient justes ? Expliquez votre réponse en indiquant l’information nouvelle que vous avez acquise au cours de cette expérience.
L-22
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 4/7
PARTIE B – La loi des pôles magnétiques
Le protocole expérimental Matériel • Deux aimants droits • Une boussole • Un bout de ficelle de 20 cm de long Manipulations 1 Attacher solidement une extrémité de la ficelle au milieu d’un des aimants droits. 2 Tenir la ficelle par son extrémité pour que l’aimant puisse pivoter librement. 3 Approcher du pôle Sud de l’aimant suspendu le pôle Nord de l’autre aimant. Noter les observations
dans le tableau de la question 6 ci-dessous. 4 Approcher les deux pôles Nord puis les deux pôles Sud des aimants et noter les observations. 5 Approcher le pôle Nord, puis le pôle Sud, d’un des aimants droits de l’extrémité colorée de l’aiguille
de la boussole, et noter les observations.
Les résultats 6. Dans le tableau suivant, notez vos observations à l’aide des termes « Répulsion » et « Attraction ». Pôle Nord
Pôle Sud
Pôle Nord Pôle Sud Aiguille de la boussole
L’analyse des résultats 7. Quelle est la condition pour que deux pôles magnétiques : a) se repoussent ? b) s’attirent ? 8. Selon vos observations, quelle extrémité de l’aiguille de la boussole correspond à un pôle Nord ? Justifiez votre réponse.
La conclusion 9. Formulez la loi des pôles magnétiques dans vos propres mots.
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L-23
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 5/7
PARTIE C – La visualisation des champs magnétiques
Le protocole expérimental Matériel • Deux aimants droits • Une boussole • De la limaille de fer • Une feuille de carton rigide ou de plexiglas (21,75 cm sur 28,2 cm) • Une feuille de papier blanc (21,75 cm sur 28,2 cm) • Deux crayons en bois Manipulations 1 Déposer l’aimant droit sur la table de travail entre les deux crayons espacés de 20 cm. 2 Placer la feuille de carton sur les deux crayons en s’assurant que l’aimant est bien au centre de celle-ci. 3 Déposer une feuille de papier blanc sur le carton. 4 Saupoudrer de la limaille de fer sur la surface de la feuille. (Il peut être utile de tapoter délicatement
la feuille de papier afin de permettre à la limaille de fer de se répandre plus facilement.) 5 Dans l’espace prévu pour les résultats à la page suivante (figure 1), dessiner les lignes de champ
révélées par la limaille de fer. 6 Placer la boussole à différents endroits au-dessus de la limaille de fer (voir la disposition des boussoles
sur la figure 1). Observer l’orientation des aiguilles de la boussole. Dessiner ensuite les aiguilles sur la figure 1 (colorer la pointe qui désigne le pôle Nord et laisser le pôle Sud en blanc). 7 Soulever la feuille de papier blanc et recueillir la limaille de fer. 8 Répéter les manipulations
1 à 7 des « Manipulations » en utilisant deux aimants droits placés selon les indications suivantes : Figure 2 : deux pôles Nord qui se font face à 3 cm de distance ; Figure 3 : un pôle Nord et un pôle Sud qui se font face à 3 cm de distance ; Figure 4 : un pôle Nord et un pôle Sud qui sont placés côte à côte à environ 5 cm de distance.
9 Dans les espaces prévus pour les résultats aux pages L-25 et L-26 (figures 2 à 4), dessiner les lignes
de champ qui sont révélées par la limaille de fer. Dessiner ensuite les aiguilles des boussoles (colorer la pointe qui désigne le pôle Nord et laisser le pôle Sud en blanc).
L-24
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 6/7
Les résultats
Figure 1 Le champ magnétique d’un aimant droit.
Figure 2 Le champ magnétique de deux aimants (N/N).
Figure 3 Le champ magnétique de deux aimants (N/S) à 3 cm.
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L-25
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Laboratoire 5 Chapitre 5 • 7/7
Figure 4 Le champ magnétique de deux aimants côte à côte (N/S) à 5 cm.
L’analyse des résultats 10. a) À quel endroit la limaille de fer se concentre-t-elle plus particulièrement ? b) Selon vos observations, les lignes de champ magnétique peuvent-elles se croiser ? c) Quelle est l’orientation que prend l’aiguille d’une boussole en comparaison des lignes de champ magnétique ? d) Par quel pôle de l’aimant les lignes de champ magnétique sortent-elles ?
11. Expliquez, à l’aide des lignes de champ que vous avez dessinées, pourquoi deux pôles identiques se repoussent.
La conclusion 12. Quelle est l’allure du champ magnétique d’un aimant droit ? Est-ce que le résultat obtenu est conforme à votre hypothèse de départ ?
L-26
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TE
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Laboratoire 6 Chapitre 7 • 1/4
La circulation océanique Cahier, p. 179 et 180
DÉMONSTRATION Buts A. Modéliser le processus de convection dans les océans à l’échelle planétaire. B. Comprendre comment les courants marins transfèrent l’énergie solaire emmagasinée dans les régions équatoriales vers les pôles. C. Connaître les facteurs qui influent sur la masse volumique de l’eau. 45 minutes Rapport de démonstration, p. L-29 et L-30
• Pour un meilleur effet visuel durant les démonstrations, on peut utiliser un aquarium au lieu des béchers de 1 L. Dans ce cas, adapter les quantités d’eau en conséquence. • Dans la 2e démonstration, l’eau distillée et la solution d’eau salée doivent être à la même température afin que la seule variable étudiée soit la concentration de sel.
Matériel Par élève • Un crayon bleu • Un crayon rouge Pour le groupe classe • Un bécher de 1 L • 800 mL d’eau chaude du robinet • Un morceau de glace • Du colorant alimentaire bleu • Deux béchers de 1 L • 500 mL d’eau distillée • 500 mL d’une solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCl) (concentrée à 300 g/L) • Du colorant alimentaire bleu • Du colorant alimentaire rouge • Une feuille de papier blanc
Introduction • Réactiver les connaissances des élèves sur la masse volumique et la densité en leur expliquant que : – La masse volumique est la quantité de matière qui se trouve dans un volume donné. – La densité est le rapport entre la masse volumique d’un corps et la masse volumique d’un corps de référence (l’eau dans le cas des liquides et des solides). – La masse volumique de l’eau à 3,98 °C est proche de 1 g/cm3. À cette température, la masse volumique de l’eau est à son maximum. Cette particularité de l’eau permet à de l’eau tiède, de l’eau très froide et de la glace de flotter sur de l’eau à 3,98 °C, car leur densité est plus faible. • Établir dès le départ le code de couleur utilisé pour les activités qui suivent : – rouge : chaud ; – bleu : froid. • Demander aux élèves de répondre aux questions 1 et 2 du rapport de démonstration, à la page L-29.
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L-27
TE
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Laboratoire 6 Chapitre 7 • 2/4
Manipulations 1re démonstration – L’effet de la température de l’eau sur les courants de profondeur 1 Présenter aux élèves le matériel de la démonstration. 2 Mettre l’eau chaude du robinet dans le bécher. Déposer la glace sur l’eau et mettre immédiatement une
goutte de colorant alimentaire bleu sur la glace. • Demander aux élèves de répondre à la question 3 du rapport de démonstration, à la page L-29. Souligner que le phénomène qu’ils ont illustré à la question 3b porte le nom de « courant de convection » et qu’il est causé par la différence de masse volumique entre l’eau chaude et l’eau froide. Faire le parallèle avec les courants de convection de l’air. • Demander aux élèves de répondre à la question 4 à la page L-30.
2e démonstration – L’effet de la salinité de l’eau sur les courants de profondeur 1 Présenter aux élèves le matériel de la démonstration. 2 Déposer la solution d’eau salée dans le bécher et y ajouter quelques gouttes de colorant alimentaire
bleu. 3 Verser l’eau distillée dans l’autre bécher et y ajouter quelques gouttes de colorant alimentaire rouge. 4 Faire la démonstration en versant très doucement l’eau distillée rouge du deuxième bécher sur l’eau
salée bleue du premier bécher. 5 Une fois l’eau rouge complètement versée, attendre que les eaux se séparent. Mettre la feuille de
papier blanc derrière le bécher pour mieux voir la superposition des deux couleurs. • Demander aux élèves d’observer attentivement ce qui se produit, puis de répondre à la question 5 du rapport de démonstration, à la page L-30. • À l’occasion d’une discussion dirigée, amener les élèves à mentionner les raisons pour lesquelles l’eau aux pôles devient plus dense et descend dans le fond océanique, ce qui crée un courant de densité. • Demander aux élèves de répondre à la question 6 à la page L-30. Les élèves devront saisir ce qui suit : – L’eau, en se déplaçant vers les pôles, se refroidit, ce qui augmente sa masse volumique. – L’eau aux pôles augmente son niveau de salinité. En effet, lorsque l’eau de mer gèle pour former les banquises, elle libère le sel dans l’eau. Encore une fois, la masse volumique de l’eau augmente. • Décrire aux élèves comment l’action combinée de la température de l’eau et de la concentration de sel dans l’eau produit la circulation thermohaline des océans (voir la figure 9, dans le cahier à la page 180).
Réinvestissement • Demander aux élèves de répondre à la question 7 du rapport de démonstration, à la page L-30. • Discuter avec les élèves des conséquences du réchauffement climatique sur la circulation océanique.
L-28
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Laboratoire 6 Chapitre 7 • 3/4
La circulation océanique Cahier, p. 179 et 180
Rapport de démonstration Introduction 1. Quels sont, selon vous, les facteurs susceptibles d’influencer : a) le comportement (remonter en surface ou plonger en profondeur) des courants dans l’océan ?
b) la température des différents courants dans les océans ?
2. Parmi les facteurs nommés à la question 1, lesquels sont le plus susceptibles d’influencer : a) les courants de surface ? b) les courants de profondeur (ou de densité) ?
1re démonstration – L’effet de la température de l’eau sur les courants de profondeur 3. Observez attentivement la première démonstration, puis répondez aux questions suivantes. a) Dans l'encadré ci-contre, représentez dans la couleur appropriée le mouvement de l’eau colorée observé dans le bécher.
b) Décrivez brièvement le phénomène que vous avez illustré.
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L-29
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TE
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Laboratoire 6 Chapitre 7 • 4/4
4. Distinguez les régions océaniques qui se réchauffent intensément des régions qui se réchauffent moins intensément au cours d’une année.
2e démonstration – L’effet de la salinité de l’eau sur les courants de profondeur 5. Observez attentivement la deuxième démonstration, puis répondez aux questions suivantes. a) Représentez dans les couleurs appropriées ce que vous observez dans l’encadré ci-contre.
b) Décrivez brièvement les phénomènes que vous avez illustrés.
6. Pourquoi l’eau qui se trouve aux pôles a-t-elle une masse volumique plus grande que l’eau qui se trouve à l’équateur ou dans les régions tropicales ?
Réinvestissement 7. Quelles pourraient être les conséquences du réchauffement climatique sur la circulation thermohaline des océans ?
L-30
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TE
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Laboratoire 7 Chapitre 8 • 1/5
Le cycle du carbone Cahier, p. 192 et 193
DÉMONSTRATION Buts A. Distinguer les processus de fixation des processus de libération du carbone (C) au cours du cycle. B. Expliquer les processus de transformation de la matière dans le cycle du carbone (C). C. Comprendre que les activités humaines peuvent influencer le cycle du carbone (C). 75 minutes Rapport de démonstration, p. L-34 et L-35 Matériel Pour le groupe classe • Une éprouvette de 25 mm sur 150 mm • Un bouchon en caoutchouc no 2 • Une paille • Du bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S) • Environ 18 mL d’eau sans chlore
• L’eau sans chlore est obtenue en laissant reposer de l’eau du robinet 24 heures à l’air libre. • Si la 2e démonstration est effectuée au début de la période, on pourra observer un changement de couleur dans le cylindre gradué placé sous la lampe, dès la fin de la période.
• Deux cylindres gradués de 50 mL • 70 mL d’eau sans chlore • Du bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S) • Une paille • Quatre à six branches de plantes aquatiques (plantes de type cabomba ou élodée) • Deux morceaux de parafilm (10 cm sur 10 cm) • Une lampe de 100 W sur pied • Une feuille de papier d’aluminium (10 cm sur 20 cm) • Une feuille de papier blanc • 50 mL d’eau sans chlore • Un bécher de 150 mL • Du bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S) • 1/8 de cuillère à thé de levure sèche active pour le pain • 1/4 de cuillère à thé de sucre granulé • Un bécher de 600 mL • De l’eau chaude du robinet • Un morceau de parafilm (10 cm sur 10 cm, environ)
Si l’enseignante ou l’enseignant ne dispose que d’une période, il est possible de préparer le deuxième cylindre (dans l’obscurité totale) la veille, pour présenter le résultat aux élèves.
Introduction Demander aux élèves de répondre à la question 1 du rapport de démonstration, à la page L-34.
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L-31
TE
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Laboratoire 7 Chapitre 8 • 2/5
Manipulations 1re démonstration – L’expérience témoin 1 Remplir à moitié l’éprouvette d’eau sans chlore. 2 Ajouter environ 10 gouttes de bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S). 3 Faire observer la couleur de la solution aux élèves. 4 Ajouter du gaz carbonique (CO2) en soufflant à travers la paille dans l’éprouvette et la fermer
rapidement avec le bouchon.
5 Agiter doucement l’éprouvette. 6 Observer le changement de couleur du bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S).
• Demander aux élèves de répondre à la question 2 du rapport de démonstration, à la page L-34.
2e démonstration – La respiration et la photosynthèse végétale 1 Mettre environ 35 mL d’eau sans chlore dans chacun des deux cylindres gradués. 2 Ajouter 15 gouttes de bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S) dans chaque cylindre gradué. 3 Introduire deux ou trois branches de plantes aquatiques dans chaque cylindre gradué. 4 Introduire une paille dans un des cylindres gradués. 5 Questionner les élèves :
– Quels sont les produits de la respiration ? (Rép. : Le gaz carbonique (CO2).) – Que se passe-t-il si je souffle dans la paille ? (Rép. : L’indicateur change de couleur.) 6 Souffler dans la paille. 7 Couvrir les deux cylindres gradués avec un morceau de parafilm afin de fermer les systèmes. 8 Demander aux élèves d’observer la couleur de la solution dans chacun des cylindres gradués. 9 Mettre le cylindre gradué dans lequel on a soufflé sous la lampe et placer l’autre dans l’obscurité en le
couvrant de papier d’aluminium. 10 Attendre 24 heures et observer avec les élèves le changement de couleur du bleu de bromothymol
(C27H28Br2O5S) dans chacun des cylindres gradués. Pour faciliter l’observation, placer une feuille de papier blanc derrière les cylindres gradués. Dans le cylindre gradué éclairé par la lampe, dans lequel on a insufflé du gaz carbonique (CO2), la plante a utilisé le gaz carbonique pour faire la photosynthèse et le liquide est passé du jaune au bleu. Dans le cylindre plongé dans l’obscurité, il y a eu respiration cellulaire, donc dégagement de gaz carbonique (CO2) et le liquide est passé du bleu au jaune. • Demander aux élèves de répondre aux questions 3 et 4 du rapport de démonstration, à la page L-34.
L-32
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TE
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Laboratoire 7 Chapitre 8 • 3/5
3e démonstration – La respiration animale 1 Dans le bécher de 150 mL, mélanger environ 50 mL d’eau avec 20 gouttes de bleu de bromothymol
(C27H28Br2O5S). 2 Ajouter 1/8 de cuillère à thé de levure et 1/4 de cuillère à thé de sucre, puis agiter doucement sans
trop mélanger. 3 Couvrir le bécher de 150 mL d’un morceau de parafilm. 4 Déposer le bécher de 150 mL à l’intérieur du bécher de 600 mL dans lequel on aura préalablement mis
de l’eau chaude pour faire un bain-marie et accélérer le processus. Le changement de coloration de l’indicateur devrait débuter après 45 minutes environ. • En attendant de pouvoir observer les résultats de la 3e démonstration, inviter les élèves à consulter la figure 1 du cahier, à la page 192. • Présenter aux élèves les différents processus de transformation (portions biochimique et géochimique) du cycle en distinguant ceux qui libèrent du carbone (C) de ceux qui le fixent. Leur demander de distinguer les processus de transformation qui se déroulent dans l’atmosphère, dans la lithosphère et dans l’hydrosphère. • Demander aux élèves de répondre à la question 5 du rapport de démonstration, à la page L-35. • Vers la fin de la période, observer les changements de coloration du bleu de bromothymol (C27H28Br2O5S) qui ont eu lieu dans les différents cylindres et béchers des trois démonstrations. Demander aux élèves de nommer les processus de transformation démontrés et les composantes de la biosphère dans lesquelles le carbone (C) est libéré ou fixé.
Réinvestissement • Demander aux élèves de répondre à la question 6 du rapport de démonstration, à la page L-35. • Discuter avec le groupe classe des effets des activités humaines sur le cycle du carbone (C) et sur l’environnement.
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L-33
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Laboratoire 7 Chapitre 8 • 4/5
Le cycle du carbone Cahier, p. 192 et 193
Rapport de démonstration Introduction 1. Parmi les activités ci-dessous, quelles sont celles qui, selon vous, impliquent directement des processus de transformation du carbone ? a) Respiration
e) Construction d’une maison
b) Combustion de combustibles fossiles
f)
c) Formation des coquillages
g) Éruptions volcaniques
d) Déjections d’animaux (excréments et urine)
h) Photosynthèse
Production d’électricité
1re démonstration – L’expérience témoin 2. Au terme de la 1re démonstration, comment le bleu de bromothymol (C 27H28Br2O5S) réagit-il en présence de gaz carbonique (CO2) ?
2e démonstration – La respiration et la photosynthèse végétale 3. Après avoir observé l’expérience de la plante aquatique dans le cylindre gradué placé à la lumière, répondez aux questions suivantes. a) Quel changement de couleur avez-vous pu observer ? b) Que pouvez-vous conclure de ce changement de couleur ?
4. Après avoir observé l’expérience de la plante aquatique dans le cylindre gradué placé dans l’obscurité, répondez aux questions suivantes. a) Quel changement de couleur avez-vous pu observer ?
b) Que pouvez-vous conclure de ce changement de couleur ?
L-34
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Laboratoire 7 Chapitre 8 • 5/5
3e démonstration – La respiration animale 5. Au terme de la 3e démonstration sur la respiration des levures, répondez aux questions suivantes. a) Quel changement de couleur avez-vous pu observer ?
b) Que pouvez-vous conclure de ce changement de couleur ?
Réinvestissement 6. Nommez différents impacts de l’activité humaine sur : a) les émissions de carbone dans l’atmosphère.
b) l’absorption de carbone atmosphérique.
c) la formation de roches combustibles.
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L-35
Le guide se poursuit à la page suivante.
Banque d’activités supplémentaires La banque d’activités supplémentaires du guide Kaléidoscope, Science et technologie comporte de nombreuses activités en lien avec les concepts abordés dans le cahier d’apprentissage. Classées par univers puis par chapitre, ces activités permettent de consolider les contenus qui nécessitent une plus grande pratique.
Sommaire
Univers matériel Chapitre 1 – L’organisation de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-3 Chapitre 2 – Les propriétés physiques des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-5 Chapitre 3 – Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-8 Chapitre 4 – Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-10 Chapitre 5 – L’électricité et l’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-12
Terre et espace Chapitre 6 – L’espace et l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-15 Chapitre 7 – La lithosphère et l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-18 Chapitre 8 – La biosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-22
Univers vivant Chapitre 9 – L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-26
Univers technologique Chapitre 10 – Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-29 Chapitre 11 – L’ingénierie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-30 Chapitre 12 – L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AS-33
Le guide se poursuit à la page suivante.
Nom :
Groupe :
Activités supplémentaires UM Chapitre 1
Date :
Univers matériel Chapitre 1 1
L’organisation de la matière
À qui associez-vous chacun des énoncés ci-dessous ? Mettez un X dans la ou les cases appropriées. Démocrite
Aristote
Dalton
a) Dans la matière, il n’y a pas de notion de vide. b) Les atomes réagissent entre eux pour former des molécules. c) La matière est constituée de particules très petites et indivisibles appelées « atomes ». d) La matière est continue et divisible à l’inni. e) Les atomes d’un même élément sont identiques. 2
Rutherford a modié le modèle atomique de Thomson à la suite de l’expérience de la feuille d’or. Parmi les caractéristiques ci-dessous, lesquelles permettent de décrire un atome selon le modèle atomique de Rutherford ? Ci-dessous, entourez la lettre correspondant à la bonne réponse. 1) Les protons sont concentrés dans un petit espace positif situé au centre de l’atome.
4) Les électrons se déplacent librement autour du noyau.
2) L’atome contient autant de protons que d’électrons.
5) L’atome est rempli d’une masse positive contenant des grains négatifs.
3) L’atome est divisible et composé de charges positives et de charges négatives réparties uniformément.
6) L’atome est presque entièrement constitué de vide.
a) 1, 6 et 7 3
b) 2, 3, 5 et 6
7) La masse de l’atome est concentrée dans son noyau. c) 1, 2, 4, 6 et 7
d) 2, 3, 5 et 7
Soit les alcalins des 2e et 3e périodes du tableau périodique des éléments. Dans l’encadré ci-dessous, donnez le nom de ces éléments et représentez-les selon le modèle de Rutherford-Bohr en précisant le nombre de protons dans le noyau.
Élément :
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Élément :
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-3
Nom :
4
Groupe :
Le tableau suivant présente les propriétés de certains éléments. À quelle famille chimique chacun de ces éléments appartient-il ? Inscrivez votre réponse dans la troisième colonne. Élément
5
Propriété
Famille chimique
A
Possède trois couches électroniques et deux électrons de valence.
B
Possède cinq électrons de valence sur la dernière couche.
C
Possède deux couches électroniques dont la dernière est saturée.
D
Réagit violemment avec l’eau et possède une charge nucléaire égale à +19.
E
Élément qui ne réagit ni avec les métaux, ni avec les non-métaux.
F
Présente des réactions chimiques semblables à celles du potassium (K).
G
Possède deux électrons de valence de moins que le gaz inerte qui se trouve sur la même rangée que lui.
Associez chaque dénition de la colonne de gauche avec l’élément qui lui correspond dans la colonne de droite. Dénition Élément pouvant perdre ou gagner quatre électrons
AS-4
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 1 6
Date :
Élément •
•
X
Ion possédant plus de protons que d’électrons
•
•
Élément de la famille du carbone
Ion relié à Mg2+ pour former une molécule neutre
•
•
Cation
Ion provenant d’un atome ayant perdu trois électrons de valence
•
•
X2−
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
3+
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Nom :
Groupe :
Chapitre 2 1
Activités supplémentaires UM Chapitre 2
Date :
Les propriétés physiques des solutions
Complétez les phrases ci-dessous à l’aide de la liste de mots suivante. Un même mot peut être utilisé plus d’une fois. • Électrolyte
• Ions positifs
• Non-électrolyte
• Électrolytique
• Métallique
• Non métallique
• Ionique
• Molécules neutres
• Non métalliques
• Ions négatifs
• Non électrolytique
a) Le pentachlorure de phosphore (PCl5) est un de
deux
, car il est constitué
atomes
.
Sa
dissolution
dans
et une solution
l’eau
produit
des
.
b) Une solution préparée à partir de la dissolution du bromure de potassium (KBr) est dite .
La
dissolution
de
KBr
dans
l’eau,
appelée
ou et
,
des
.
dissociation
libère Le
KBr
puisqu’il est constitué d’un atome d’un atome 2
des est
un et
.
Complétez le tableau suivant. a) Dans la deuxième colonne, inscrivez un X an d’indiquer de quel type de molécule il s’agit. b) Dans la troisième colonne, inscrivez un X si la dissociation est électrolytique. c) Dans la quatrième colonne, écrivez l’équation de dissociation. Type de molécule Molécule Électrolyte
Nonélectrolyte
Dissociation électrolytique
Équation de dissociation
Hl(g) Al2O3(s) PBr3(l) MgCl2(s)
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-5
Nom :
3
Groupe :
Date :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 2 6
Le chaulage est une technique utilisée pour accroître le pH des lacs acides en déversant de la chaux (CaO) dans l’eau du lac. En réagissant avec l’eau, la chaux produit de la chaux hydratée (Ca(OH)2). a) Quelle est la nature (acide, base ou sel ) de chacune des deux substances ? Expliquez votre réponse. CaO :
Ca(OH)2 :
b) Comment l’eau du lac réagit-elle une fois la chaux hydratée formée à sa surface ?
4
Une solution d’alcool a une concentration de 60 % V/V. a) Quelle serait la concentration en alcool, en % m/V, de cette solution si la masse volumique de l’alcool était de 0,79 g/mL ?
b) Donnez la concentration de cette solution en g/L.
AS-6
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires UM Chapitre 2
5
Le sulfure de dihydrogène (H2S) est un gaz très toxique avec une odeur caractéristique d’œuf pourri. Son seuil de perception olfactive est compris entre 0,02 et 0,1 ppm. Durant un contrôle de la qualité de l’air dans un laboratoire, on détecte 0,015 mg de H2S par mètre cube (m3) d’air. La masse volumique de l’air est de 1,20 kg/m3. Est-il normal que les personnes qui travaillent dans ce laboratoire n’aient rien senti ?
6
Lequel des énoncés ci-dessous concernant le pH est faux ? a) Plus le pH est faible, plus la solution est acide. b) Une solution dont le pH est compris entre pH 7 et pH 14 est une solution alcaline. c) Le pH des solutions s’exprime par des valeurs entières comprises entre 0 et 14. d) Une solution de pH 3 est 100 fois moins basique qu’une solution de pH 5.
7
À une solution aqueuse de concentration donnée, on ajoute de l’eau de telle sorte que sa concentration est diminuée de quatre fois. Lequel des énoncés ci-dessous est vrai ? a) Le volume nal est égal au quart du volume initial et la quantité de soluté dans la solution diminue de quatre fois. b) Le volume nal est égal à quatre fois le volume initial et la quantité de soluté dans la solution reste inchangée. c) Le volume nal est égal à quatre fois le volume initial et la quantité de soluté dans la solution diminue de quatre fois. d) Le volume nal est égal au quart du volume initial et la quantité de soluté dans la solution reste inchangée.
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-7
Nom :
8
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 3 6
Date :
L’eau de Javel, fréquemment utilisée comme désinfectant et décolorant, peut être vendue sous forme concentrée dans des contenants de 250 mL. Sur l’étiquette d’un de ces contenants, on lit : « Verser tout le contenu dans une bouteille de 1 L et compléter le remplissage de cette bouteille avec de l’eau froide. » a) De combien de fois l’eau de Javel concentrée est-elle diluée dans ce cas ?
b) L’eau de Javel concentrée a une concentration de 152 g/L de chlore actif. Calculez la concentration, en g/L, de chlore actif de la solution préparée par dilution.
Chapitre 3 1
Les transformations chimiques
Parmi les quatre situations ci-dessous, laquelle ne respecte pas la loi de la conservation de la masse ? a)
d)
b) c)
2
AS-8
Balancez les équations suivantes. a)
c)
b)
d)
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
3
Groupe :
Activités supplémentaires UM Chapitre 3
Date :
Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. II
V
VII
1 VI III
2 I IV
3
4
5
6
7
8
Horizontalement
Verticalement
1
Transformation inverse de la photosynthèse.
I
2
Un des réactifs de la réaction de neutralisation acidobasique dont le pH est inférieur à 7.
Forme d’énergie produite au moment de la respiration cellulaire.
II
L’ion libéré par la base au moment de la réaction de neutralisation acidobasique.
Température que doit atteindre un combustible pour amorcer la combustion.
III
Un des produits de la photosynthèse.
4
Combustible dans la respiration cellulaire.
IV
5
La respiration cellulaire est un exemple de ce type de combustion.
Un des réactifs de la réaction de neutralisation acidobasique.
V
Forme d’énergie nécessaire à la photosynthèse.
VI
Type de cellule, siège de la photosynthèse.
VII
Substance initiale d’une réaction chimique.
3
6
Type de solution obtenu après neutralisation complète d’un acide par une base.
7
Type de combustion qui libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.
8
Type de combustion dont la température d’ignition est inférieure à la température ambiante.
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-9
Nom :
4
Groupe :
Date :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 4 6
Lisez le texte ci-dessous, puis répondez aux questions.
Problématique environnementale
Les changements climatiques
L’une des activités humaines responsables de la pollution atmosphérique est l’utilisation de la voiture. En effet, celle-ci entraîne, notamment, l’émission d’environ 15 % de dioxyde de carbone (CO 2) et de 60 % de monoxyde de carbone (CO) dans l’atmosphère. a) Sachant que le dioxyde de carbone (CO2) provient de la combustion complète de l’octane (C8H18), principal constituant de l’essence, écrivez l’équation chimique balancée de cette combustion.
b) Le monoxyde de carbone (CO) est produit par la combustion incomplète de l’octane (C8H18). Écrivez l’équation chimique balancée de cette combustion, qui ne produit que du monoxyde de carbone et de l’eau.
c) Quelle combustion est responsable du réchauffement climatique planétaire : celle présentée en a, celle présentée en b, ou les deux ? Justiez votre réponse.
Chapitre 4 1
Les transformations de l’énergie
La loi de la conservation de l’énergie stipule que l’énergie peut être transformée et transférée, mais qu’elle ne peut être ni créée ni détruite. a) Que veut-on dire quand on dit que l’énergie peut être transformée ? Répondez en donnant un exemple pour soutenir votre explication.
b) Que veut-on dire quand on dit que l’énergie peut être transférée ? Répondez en donnant un exemple pour soutenir votre explication.
AS-10 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
2
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires UM Chapitre 4
Émilie fait du vélo stationnaire. Cela donne lieu à au moins une transformation d’énergie. Dans la colonne de gauche, entourez la ou les formes d’énergie qui sont transformées (consommées) par le corps d’Émilie. Dans la colonne de droite, entourez la ou les formes d’énergie qui sont produites par le corps d’Émilie. Énergie consommée
Énergie produite
a) Énergie chimique
1) Énergie chimique
b) Énergie électrique
2) Énergie électrique
c) Énergie lumineuse d) Énergie mécanique
[
e) Énergie thermique 3
3) Énergie lumineuse 4) Énergie mécanique 5) Énergie thermique
Dans chacun des cas suivants, dites si l’énoncé décrit la chaleur ou la température. a) Je suis un transfert d’énergie thermique. b) Je suis une mesure du degré d’agitation des atomes ou des molécules d’un corps. c) On me mesure en joules.
4
Le moteur à combustion d’une automobile a un rendement énergétique de 12 %. Combien de joules d’énergie mécanique peut-il produire à partir de 1 000 J d’énergie chimique ?
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-11
Nom :
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 5 6
Date :
5
Donnez un moyen d’améliorer le rendement énergétique d’un vélo.
6
Un haut-parleur fonctionne sous une tension de 120 V, avec un courant de 0,4 A. Le son qu’il émet emporte 30 J d’énergie mécanique à chaque seconde. (On peut donc dire qu’il émet 30 J d’énergie sonore par seconde.) a) Quelle est la puissance électrique consommée par le haut-parleur ?
b) Combien de joules d’énergie électrique le haut-parleur consomme-t-il en une seconde ? 1) 0,8 J
2) 30 J
3) 48 J
4) 2 880 J
c) Quel est le rendement énergétique de ce haut-parleur ?
Chapitre 5 1
L’électricité et l’électromagnétisme
Quelle est l’utilité d’une pile dans un circuit ?
AS-12 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
2
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires UM Chapitre 5
Au laboratoire, vous avez monté un circuit électrique simple avec un résisteur de 50 Ω et une source d’alimentation qui génère une différence de potentiel variable. Quelque temps après avoir activé la source, vous remarquez que le résisteur commence à chauffer signicativement. Votre enseignant vous explique que c’est un signe que le courant établi est trop élevé. Que pouvez-vous faire pour régler le problème ? Entourez toutes les bonnes réponses. a) Augmenter la différence de potentiel aux bornes de la source. b) Diminuer la différence de potentiel aux bornes de la source. c) Remplacer le résisteur par un résisteur de 10 Ω. d) Remplacer le résisteur par un résisteur de 100 Ω.
3
Un résisteur de 4 Ω est parcouru par un courant de 2 A. Quelle est la différence de potentiel à ses bornes ?
4
Une souris d’ordinateur fonctionne sous une tension de 5 V et un courant de 100 mA. a) Quelle est la puissance de cette souris ?
b) Combien d’énergie cette souris consomme-t-elle si on l’utilise durant 2,5 heures ?
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-13
Nom :
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM Chapitre 5 6
Date :
c) Le port USB auquel la souris est branchée peut fournir un courant maximal de 2 A sous une tension de 5 V. Quand le courant augmente, la quantité d’énergie électrique que l’ordinateur doit transmettre à la composante branchée au port USB varie. Sans faire de calcul, expliquez comment et pourquoi une augmentation du courant entraîne une variation de l’énergie consommée.
5
Les aiguilles des boussoles s’orientent naturellement de façon à ce que leur pôle Nord pointe vers un point situé dans l’Arctique, près du pôle Nord géographique de la Terre. Qu’est-ce que cela indique au sujet du point vers lequel les aiguilles des boussoles pointent ? (Indice : La Terre se comporte comme un gigantesque aimant.)
6
Certains matériaux sont attirés par les aimants alors que d’autres ne le sont pas. Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux.
7
a)
Les matériaux qui sont attirés par des aimants sont appelés matériaux ferromagnétiques.
b)
Les matériaux qui sont attirés par des aimants portent nécessairement une charge électrique.
c)
Les matériaux qui sont attirés par des aimants se transforment eux-mêmes en aimants quand on les approche d’un aimant.
L’énoncé ci-dessous contient une erreur. Corrigez-la en expliquant votre réponse. Les lignes de champ magnétique qui entourent un l parcouru par un courant sont circulaires, centrées autour du l et espacées régulièrement.
8
Complétez le texte suivant à l’aide des mots ou des groupes de mots manquants. La règle de la main droite est utile quand on étudie le champ magnétique produit par un . Quand on applique la règle de la main droite, on place le le fil. Les
dans le sens du courant qui parcourt s’enroulent alors dans le sens des .
AS-14 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Activités supplémentaires TE Chapitre 6
Date :
Terre et espace Chapitre 6 1
L’espace et l’atmosphère
Quel effet aurait chacune des situations hypothétiques suivantes sur l’insolation ? Expliquez votre réponse. a) Si la couche d’ozone de la haute atmosphère était absente.
b) Si l’axe de rotation de la Terre n’était pas incliné.
c) Si la quantité de particules issues de la pollution atmosphérique, en suspension dans l’atmosphère, augmentait considérablement.
2
Vous faites du camping avec des amis sur le bord d’un lac du Québec. Un de vos amis vous dit : « Je vais rester éveillé pendant 24 heures, assis au bord du lac, pour observer les marées monter et descendre. » Pour quelle raison devriez-vous dire à votre ami que c’est peine perdue ?
3
Le tableau suivant porte sur la circulation atmosphérique. Pour chacune des situations mentionnées dans la première colonne, expliquez en quoi la variation de la masse volumique de l’air rend la situation possible.
Situation
Explication
Le déplacement d’une montgolère dans le ciel
La fumée d’une cigarette qui monte dans l’air environnant
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-15
Nom :
4
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM TE Chapitre Chapitre66
Date :
Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. V
VI IV
1
II III
I
2
3
4
5
6
Horizontalement 1
Un des facteurs qui inuent sur la quantité de rayonnement solaire reçue à la surface de la Terre.
2
Quantité de rayonnement solaire parvenant à toucher le sol terrestre.
3
Agit comme certaines surfaces (asphalte, brique, roche) soumises au rayonnement solaire (propriété caractéristique).
Verticalement I
Déformation de la surface des eaux océaniques provoquant un mouvement ascendant ou descendant.
II
Facteur en partie responsable de la quantité de rayonnement solaire parvenant au sol.
III
Corps céleste essentiellement composé d’atomes d’hydrogène et d’hélium.
4
Elle subit l’attraction de la Lune tout en gravitant autour du Soleil.
IV
Force exercée par la Terre sur les objets situés à proximité.
5
Gaz situé dans la haute atmosphère et pouvant capter une partie du rayonnement solaire.
V
Action qu’exerce la Lune sur les eaux océaniques et qui provoque leur renement.
6
Agit comme certaines surfaces (glace, neige, sable) lorsque les rayons du Soleil les frappent (propriété caractéristique).
VI
Son alignement avec la Terre et le Soleil provoque des marées de vive-eau.
AS-16 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
5
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires TE Chapitre 6
Lisez le texte suivant, puis répondez aux questions. Chaud et froid La Lune est le corps céleste le plus près de la Terre. À l’échelle du système solaire, la distance Terre-Lune est minime. Aussi, ces deux astres sont soumis à la même quantité de rayonnement solaire. Toutefois, les températures observées à leur surface respective sont très différentes. La température moyenne à la surface de la Lune est de −18 °C et les écarts de températures y sont considérables (de −170 °C la nuit à +120 °C le jour environ). À la surface de la Terre, la température moyenne est de 20 °C et les écarts de températures y sont moindres (de −50 °C à +50 °C environ). a) Sur le plan atmosphérique, quelle est la principale différence entre la Lune et la Terre ? b) En quoi l’effet de serre naturel explique-t-il les différences d’écarts de températures entre la Lune et la Terre ? Répondez en tenant compte de la réponse que vous avez donnée en a.
6
L’énergie solaire passive met à prot l’énergie rayonnante du Soleil qui est captée, emmagasinée et distribuée à l’intérieur d’une habitation sans nécessiter de source d’énergie supplémentaire. Les solariums et les serres (à certains moments de l’année) sont des exemples de dispositifs exploitant l’énergie solaire passive. Ainsi, le chauffage et la climatisation des habitations sont plus efcaces, ce qui réduit les coûts en électricité. a) Nommez un avantage (autre que l’économie en frais d’électricité) à exploiter l’énergie solaire passive. b) Nommez deux critères qui devraient être observés pour optimiser l’utilisation de cette forme d’énergie dans une habitation.
7
Pour chacun des modes de production d’électricité mentionnés dans le tableau ci-dessous, expliquez ce qui se produirait si l’élément mentionné subissait un bris majeur. Mode de production d’électricité
Élément brisé
Éolienne
Le système d’orientation
Solaire (panneaux)
Un grand nombre de cellules photovoltaïques
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Conséquence
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-17
Nom :
Groupe :
Chapitre 7 1
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM TE Chapitre Chapitre76
Date :
La lithosphère et l’hydrosphère
Pour chacune des situations suivantes, nommez le ou les horizons du sol directement touchés (O, A, B, C ou R). Situation
Horizon touché
Branches et brindilles tombées des arbres Dynamitage du roc pour construire une route souterraine Plantation d’un nouvel arbre Formation du diamant à une profondeur supérieure à 150 km sous la surface de la Terre 2
Qui suis-je ? a) Je suis l’horizon du sol sur lequel tombe la première neige. b) Je suis l’horizon du sol qui abrite les colonies de fourmis.
3
Les compagnies minières recherchent toujours de nouveaux gisements. Selon vous, l’exploitation de gisements dans des zones de pergélisol serait-elle envisageable pour ces compagnies ? Expliquez votre réponse.
4
Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions de la page suivante.
Problématique environnementale L’étalement urbain À peine 2 % de la supercie du territoire québécois est cultivable. Comme les meilleures terres agricoles du Québec se situent dans la région montréalaise de la plaine du Saint-Laurent, l’étalement urbain crée une pression énorme sur l’agriculture de cette région et entraîne notamment la déforestation de supercies importantes. Créee en 2007, la Commission de protection du territoire agricole (CPTAQ) visait une meilleure protection du territoire agricole et forestier du Québec. Selon cette commission, 50 000 hectares de terres agricoles auraient servi à la construction résidentielle et commerciale en périphérie de Montréal entre 1994 et 2007. La poursuite de cette pratique reviendrait à retirer du territoire agricole une supercie équivalente à une fois l’île de Montréal à chaque décennie. Le rapport annuel de 2015-2016 atteste toutefois qu’en vertu de l’article 59 de la Loi sur la protection du territoire et des activités agricoles (LPTAA), les supercies visées et autorisées pour la construction résidentielle sont les moins élevées de la dernière décennie. De plus, même si les décisions approuvant l’implantation d’équipements institutionnels, de services d’utilité publique, d’énergie, de transport ou de communication sont nombreuses, certaines comportent des conditions visant à limiter les répercussions sur la pratique de l’agriculture.
AS-18 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires TE Chapitre 7
a) Nommez deux impacts environnementaux liés à l’étalement urbain dans la région montréalaise.
b) Proposez deux solutions pour remédier au problème lié à l’étalement urbain et à la déforestation dans la région montréalaise.
5
Nommez un avantage et un désavantage associés à chacun des modes de production d’électricité suivants. Mode de production d’électricité
Avantage
Désavantage
À partir d’énergies fossiles
À partir de la biomasse
À partir de l’énergie nucléaire
À partir de la géothermie
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-19
Nom :
6
Groupe :
Date :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM TE Chapitre Chapitre76
À l’aide de la carte suivante, répondez aux questions.
Vous vous rendez aux Îles-de-la-Madeleine avec vos parents durant l’été, en partant de Québec. Vous décidez de vérier les caractéristiques de l’eau à votre départ et à votre arrivée. a) À Québec, vous lancez dans le euve un dé à jouer, dont la masse est de 4,5 g et le volume, de 4,5 cm 3. Que se produit-il avec le dé ? Expliquez votre réponse.
b) À destination, vous lancez un dé à jouer dans le golfe. Que se produit-il alors ? Expliquez votre réponse.
7
Selon vous, un glacier peut-il devenir une banquise ? Pourquoi ?
AS-20 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
8
Groupe :
Activités supplémentaires TE Chapitre 7
Date :
Observez l’illustration ci-contre, puis répondez aux questions. a) Comment se nomme l’accumulation naturelle indiquée par une èche sur l’illustration ?
b) Nommez deux caractéristiques, visibles sur l’illustration, qui permettent de dénir cette accumulation naturelle.
c) Cette accumulation naturelle s’est-elle formée au sommet des lignes de crête ou de part et d’autre de celui-ci ? Expliquez votre réponse.
9
Nommez un élément qui différencie les centrales hydroélectriques à réservoir des centrales hydroélectriques au l de l’eau.
10
Qu’est-ce que les centrales hydroélectriques au l de l’eau et les hydroliennes ont en commun ?
11
Pour chacun des modes de production d’électricité mentionnés dans le tableau ci-dessous, expliquez ce qui se produirait si l’élément mentionné subissait un bris majeur. Mode de production d’électricité
Élément brisé
Nucléaire
La réserve d’eau froide
Hydrolienne
Une des deux génératrices
Hydroélectrique
Une conduite forcée
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Conséquence
Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-21
Nom :
12
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM TE Chapitre Chapitre86
Date :
Pour chacune des situations présentées dans le tableau ci-dessous, cochez les modes de production d’électricité qui seraient les plus appropriés selon vous. Expliquez vos choix. Modes de production d’électricité les plus appropriés
Situation a) De nouveaux besoins énergétiques devront être satisfaits dans la réalisation du Plan Nord du Québec.
Explication
1) Centrale nucléaire 2) Centrale thermique (charbon ou diésel) 3) Biomasse 4) Centrale hydroélectrique 5) Hydrolienne 6) Centrale marémotrice
b) Les États-Unis pourraient faire face à une crise énergétique dans quelques années.
1) Centrale nucléaire 2) Centrale thermique (charbon ou diésel) 3) Biomasse 4) Centrale hydroélectrique 5) Hydrolienne 6) Centrale marémotrice
Chapitre 8 1
La biosphère
La viabilité d’un écosystème tel qu’un aquarium requiert une vigilance constante. Expliquez ce qui se produit dans un aquarium lorsque les éléments ci-dessous sont manquants. Éléments manquants
Conséquence
Végétaux aquatiques
Bactéries nitriantes
Poissons
AS-22 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires TE Chapitre 8
2
Quel serait l’impact, sur le cycle du carbone, de la disparition d’un très grand nombre de végétaux sur Terre ?
3
Quel est l’impact de chacune des situations suivantes sur le cycle du carbone ? Situation
Impact sur le cycle du carbone
L’extraction intensive du pétrole des sols qui en contiennent
L’augmentation de dioxyde de carbone, un des gaz à effet de serre, dans l’atmosphère
La pollution atmosphérique en Sicile (Italie) subséquente à l’éruption volcanique de l’Etna en 2012
L’augmentation de la population mondiale
4
Selon vous, pour quelle raison les horticulteurs recommandent-ils aux gens, en plus d’utiliser de l’engrais et du compost, de retourner la terre plusieurs fois avant d’y planter des végétaux ?
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-23
Nom :
5
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM TE Chapitre Chapitre86
Date :
Le mot « désert » est généralement associé à une chaleur accablante et à la sécheresse. Toutefois, on entend parfois l’expression « désert froid » pour désigner la toundra. Donnez trois caractéristiques de la toundra qui permettent de la désigner par l’expression « désert froid ».
6
En général, les estuaires et les deltas sont classés comme des biomes d’eau douce. Toutefois, dans certaines classications, on les considère comme des biomes marins. Dites dans vos mots ce qui peut expliquer cette différence de classication.
7
Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez aux questions. Les coquilles d’animaux marins Une équipe de chercheurs de l’Université de Tasmanie, en Australie, a montré que la masse des coquilles d’animaux marins microscopiques était en moyenne de 30 à 35 % plus petite aujourd’hui qu’avant l’ère industrielle. Les chercheurs ont fait ce constat en étudiant les fossiles de ces animaux dans des couches de sédiments de l’océan Austral. Ils pensent que l’acidication des océans pourrait expliquer ce phénomène. En effet, l’analyse de carottes de sédiments permet de démontrer une augmentation de la quantité de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère au cours des derniers 50 000 ans. Or, il est établi que l’absorption du CO2 par l’océan augmente l’acidité des eaux.
a) À votre avis, pourquoi les océans seraient-ils plus acides aujourd’hui qu’avant l’ère industrielle ?
AS-24 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires TE Chapitre 8
b) La masse des coquilles des organismes marins, dont il est question dans le texte, diminue avec l’acidication des océans. Décrivez un effet à long terme de l’acidication des océans sur ces organismes et sur d’autres organismes marins.
c) Comment cette situation pourrait-elle être améliorée ?
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-25
Nom :
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM UV Chapitre Chapitre 96
Date :
Univers vivant Chapitre 9 1
L’écologie
Quelle est la densité de chacune des deux espèces si, dans une forêt de 250 km2, on compte environ 4 200 érables et 3 000 bouleaux ? a) Densité des érables :
b) Densité des bouleaux :
2
Deux biologistes mènent une étude sur le même territoire. L’un d’eux recense les diverses populations vivantes tandis que l’autre étudie la composition du sol et son impact sur la végétation. À quel niveau écologique chacun de ces biologistes travaille-t-il ? Expliquez votre réponse.
3
Parmi les activités suivantes, lesquelles provoquent une diminution de la biodiversité des espèces qui composent une communauté ? Entourez toutes les bonnes réponses. a) La monoculture
d) La surpêche
b) L’aménagement de parcs naturels
e) Le reboisement d’un territoire avec différentes espèces d’arbres à la suite d’un feu de forêt
c) La chasse intensive d’une espèce AS-26 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
4
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires UV Chapitre 9
Expliquez la différence entre les interactions suivantes. a) La prédation et le parasitisme
b) La compétition et le mutualisme
c) Le commensalisme et le mutualisme
5
Le poisson-clown (Amphiprioninæ) trouve un refuge à l’abri de ses prédateurs naturels dans les tentacules de l’anémone de mer. En retour, il protège cette dernière contre d’autres poissons prédateurs. De quel type d’interaction s’agit-il ? Expliquez votre réponse.
6
En bordure des autoroutes du Québec, les colonies de roseaux communs (Phragmite australis) sont constituées d’une espèce exotique à croissance rapide, résistante et très envahissante, introduite par l’homme. a) Expliquez en quoi cette espèce constitue une menace pour l’écosystème où elle pousse.
b) De quel type de perturbation s’agit-il ? Expliquez votre réponse. Le roseau commun (Phragmite australis)
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-27
Nom :
7
Groupe :
Date :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UM UV Chapitre Chapitre 96
Au cours de la photosynthèse, les végétaux fabriquent leur propre matière organique. a) Comment nomme-t-on ce phénomène ? b) Expliquez en quoi ce phénomène est indispensable à la survie d’un écosystème.
c) Quels autres noms donne-t-on aux végétaux ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) Organismes autotrophes 2) Organismes hétérotrophes 3) Producteurs 4) Consommateurs 8
Lorsque vous absorbez les nutriments présents dans les légumes que vous mangez, vous réutilisez des éléments chimiques de la matière pour en poursuivre le cycle. Comment se nomme ce phénomène ?
9
La dépense d’énergie est-elle plus grande si on nourrit un lézard avec des fruits, des légumes et des graines, ou si on le nourrit avec des vers ?
AS-28 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
Groupe :
Date :
Activités supplémentaires UT Chapitre 10
Univers technologique Chapitre 10 1
Les matériaux
Associez chacun des objets ou pièces de la colonne de gauche au type de contrainte qu’il subit, dans la colonne de droite. Pièce ou objet
Type de contrainte
Le couvercle d’une boîte de conserve que l’on est en train d’ouvrir • à l’aide d’un ouvre-boîte L’une des barres asymétriques, à laquelle une gymnaste • est suspendue
• Cisaillement • Flexion • Torsion
Une serviette que l’on essore • 2
L’aluminium est utilisé pour fabriquer les feuilles métalliques qui enveloppent des aliments qu’on met au four. Nommez deux propriétés de l’aluminium liées à cette utilisation.
3
Associez chacun des procédés de protection des métaux et alliages de la colonne de gauche à sa description, dans la colonne de droite. Procédé de protection Galvanisation •
Protection par électrodes sacricielles •
Description • Associer au métal ou à l’alliage à protéger un métal qui réagit plus rapidement avec l’oxygène, et qui peut donc s’oxyder « à la place » de celui que l’on veut protéger. • Isoler un matériau de son environnement.
Revêtement passif (peinture, vernis, • graisse, émail, etc.) 4
• Recouvrir un métal ou un alliage d’un métal qui résiste mieux à la corrosion, comme le zinc.
Nommez deux procédés de protection pouvant être utilisés sur des matières plastiques. •
•
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-29
Nom :
Groupe :
Chapitre 11 1
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UT UM Chapitre Chapitre11 6
Date :
L’ingénierie mécanique
Le battant d’une porte est lié à son cadre. a) Donnez les quatre caractéristiques de cette liaison. b) Le battant est lié au cadre au moyen d’organes de liaison. Quels sont-ils ? c) L’organe de liaison de la porte assure également une autre fonction mécanique. Laquelle ? 1) Une fonction d’étanchéité 2) Une fonction de lubrication 3) Une fonction de guidage d) Les charnières de la porte sont elles-mêmes liées au battant. 1) Cette liaison est-elle directe ou indirecte ? Expliquez votre réponse.
2) Nommez les trois autres caractéristiques de la liaison.
2
Une couturière lie la doublure du manteau qu’elle confectionne au manteau lui-même à l’aide d’une fermeture éclair. a) La liaison entre le manteau et sa doublure est-elle démontable ou indémontable ? b) Quel avantage cette caractéristique de la liaison présente-t-elle dans cette situation précise ? Expliquez votre réponse.
c) Nommez les trois autres caractéristiques de la liaison entre le manteau et sa doublure. d) Nommez un autre organe de liaison auquel la couturière aurait pu recourir à la place de la fermeture éclair pour obtenir la caractéristique que vous avez nommée dans la réponse à la question a. e) Nommez les quatre caractéristiques de la liaison entre la fermeture éclair et la doublure. S’il y a lieu, identiez également l’organe de liaison.
AS-30 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
3
Groupe :
Activités supplémentaires UT Chapitre 11
Date :
Une commode est un meuble comportant plusieurs tiroirs. a) Pour assurer le guidage des tiroirs d’une commode, un organe de guidage est-il absolument nécessaire ? Expliquez votre réponse.
b) Votre oncle, ébéniste à ses heures, a décidé d’installer des glissières pour les tiroirs de la commode qu’il fabrique. Pourquoi ?
4
Plusieurs vélos sont équipés d’un dérailleur qui permet au cycliste de choisir entre plusieurs pignons et plateaux de différentes grandeurs. Le texte ci-dessous traite de l’effet qu’a la taille du pignon et du plateau choisis sur la vitesse du vélo. À l’aide des mots de la liste suivante, complétez-le.
Pignon •
• Plateau
• Faible
• Lentement
• Plus
• Grande
• Moins
• Rapidement
Supposons qu’un cycliste fasse un tour de pédalier par seconde. S’il opte pour un grand plateau et un petit pignon, le pignon complétera
d’un tour par seconde. En conséquence, la roue
arrière du vélo tournera relativement
et le vélo avancera rapidement. Toutefois, le
cycliste devra exercer une force relativement
sur les pédales.
Si le cycliste opte pour un petit plateau et un grand pignon, le pignon complétera d’un tour par seconde. En conséquence, la roue arrière du vélo tournera relativement lentement et le vélo avancera
. Toutefois, le cycliste devra exercer une force relativement sur les pédales.
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-31
Nom :
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UT UM Chapitre Chapitre11 6
Date :
5
Les clés qui servent à serrer les cordes des instruments de musique pour les accorder sont munies d’un système à roue dentée et vis sans n. Quels avantages ce système de transmission du mouvement présente-t-il dans ce mécanisme ?
6
Différents types de mécanismes peuvent être utilisés dans le système de direction d’une automobile. Quel système de transformation du mouvement est utilisé dans la direction illustrée ci-dessous ? a) Un système à pignon et à crémaillère b) Un système à vis et à écrou c) Un système à bielle et à manivelle d) Un système à came et à tige guidée
7
Deux roues dentées sont liées par une chaîne. L’une des roues compte 120 dents et effectue 20 tours/min. L’autre roue fait 30 tours/min. Combien compte-t-elle de dents ?
AS-32 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
8
Groupe :
Activités supplémentaires UT Chapitre 12
Date :
Un engrenage est formé de trois roues dentées qui ont les caractéristiques suivantes. • La roue A compte 16 dents.
• La roue B compte 8 dents.
• La roue C compte 24 dents.
Par rapport à cet engrenage, un seul des énoncés suivants est faux. Lequel ? a) La roue B tourne trois fois plus vite que la roue C. b) La roue B tourne deux fois plus vite que la roue A. c) La roue A tourne deux fois plus vite que la roue C. d) La roue B tourne en sens inverse par rapport à la roue C. e) La roue B tourne en sens inverse par rapport à la roue A.
Chapitre 12 1
L’ingénierie électrique
Lisez le texte suivant, puis répondez aux questions.
Problématique environnementale L’énergie Les ampoules uocompactes consomment environ quatre fois moins d’énergie électrique que les ampoules à incandescence pour produire la même intensité lumineuse. Néanmoins, au Québec, on peut afrmer que ce n’est qu’en été que l’énergie excédentaire consommée par les ampoules à incandescence est réellement « gaspillée ».
a) Qu’est-ce que la dernière phrase de ce texte signie ?
b) Les ampoules ont une fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse. Toutefois, en hiver, bien qu’elles n’aient pas été conçues et qu’elles ne soient pas utilisées expressément pour cela, on peut dire que les ampoules remplissent alors une autre fonction utile. Quelle est-elle ? 1) Fonction d’alimentation 2) Fonction d’isolation 3) Fonction de protection 4) Fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie thermique
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-33
Nom :
2
Groupe :
Activités Activités supplémentaires supplémentaires UT UM Chapitre Chapitre12 6
Date :
Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.
Le moteur électrique
Aimant •
Un moteur électrique est un dispositif qui transforme l’énergie électrique fournie par une source d’alimentation électrique en énergie mécanique. Pour fonctionner, le moteur illustré ci-contre utilise le lien entre l’électricité et le magnétisme. Quand elles passent dans l’armature du moteur, les charges électriques sont plongées dans un champ magnétique intense résultant de la présence d’un aimant autour de l’armature. Or, quand des • Armature charges en mouvement sont exposées à un champ • Commutateur magnétique extérieur, elles subissent une force perpendiculaire à la direction de leur mouvement et à la direction des lignes de champ magnétique. Cette force a pour effet de faire pivoter l’armature. La représentation simpliée d’une partie Le contact entre l’armature et la partie du circuit où d’un moteur électrique. se trouve la source d’alimentation est assuré en tout temps par un commutateur. (Il est à noter également que la forme du commutateur fait en sorte que le sens du courant s’inverse tous les demi-tours de l’armature, ce qui est essentiel pour que le mouvement de l’armature se fasse toujours dans la même direction.) a) Quelle est la fonction globale d’un moteur électrique ?
b) Quelle composante du moteur électrique assure la fonction d’alimentation dans le circuit illustré ci-dessus ? c) Nommez deux composantes du circuit illustré ci-dessus qui assurent la fonction de conduction. d) Votre ami souhaite fabriquer un petit moteur électrique, mais il ne dispose que de connaissances très sommaires en électricité. Aussi, vous lui proposez votre aide. Votre ami a un schéma du circuit à réaliser et il sait donc qu’il doit inclure un commutateur dans son circuit. Il réussit à trouver une pièce de plastique qui a exactement la forme souhaitée. Que lui expliquez-vous quand il vous montre sa trouvaille ?
e) Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. 1)
L’armature a une fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie thermique.
2)
Le circuit est alimenté par un courant continu.
3)
Le commutateur assure la fonction de protection dans ce circuit.
AS-34 Kaléidoscope • Activités supplémentaires
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Nom :
3
Groupe :
Activités supplémentaires UT Chapitre 12
Date :
Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. VI
5 V
I
4 IV III
2 VII
II
VIII
1 6 7 3
Horizontalement 1
Quand elle augmente, la conductibilité d’un matériau diminue parce que le mouvement accru des atomes et des molécules rend le passage des électrons de conduction plus difcile.
Verticalement I
Composante qui limite le courant dans un circuit en s’opposant au passage des charges.
II
Composante qui transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.
2
Fonction remplie par une composante qui génère un courant électrique dans un circuit.
III
Forme que peut prendre l’énergie après avoir été transformée par un élément chauffant.
3
Se produit lorsque l’intensité du courant dépasse le maximum que peut supporter un circuit.
IV
Type de génératrice créant un courant continu.
4
Se dit d’un matériau non conducteur, comme le plastique ou la céramique.
V
Type de génératrice fournissant une tension dont la polarité oscille continuellement dans le temps.
5
Composante transformant l’énergie chimique en énergie électrique et pouvant être utilisée pour alimenter un appareil portatif.
VI
Fonction remplie par une composante qui coupe le courant quand il devient trop élevé.
VII
Type de matériaux utilisés pour fabriquer des composantes ayant une fonction de conduction.
VIII
Type de courant produit par une source de tension constante (pile, batterie, etc.).
6
Position d’un interrupteur qui empêche le passage du courant.
7
Capacité d’un matériau à laisser circuler les charges électriques.
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Kaléidoscope • Activités supplémentaires
AS-35
Le guide se poursuit à la page suivante.
Outils d’évaluation Les outils d’évaluation du guide Kaléidoscope, Science et technologie consistent en une évaluation par chapitre du cahier d’apprentissage. L’évaluation porte sur les concepts abordés dans chacun des chapitres du cahier. Elle permet de mesurer les connaissances des élèves et de vérier ainsi le développement de la compétence disciplinaire 2 (Mettre à prot ses connaissances scientiques et technologiques).
Sommaire
Univers matériel Chapitre 1 − L’organisation de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-3 Chapitre 2 − Les propriétés physiques des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-7 Chapitre 3 − Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-10 Chapitre 4 − Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-13 Chapitre 5 − L’électricité et l’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-15
Terre et espace Chapitre 6 − L’espace et l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-19 Chapitre 7 − La lithosphère et l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-22 Chapitre 8 − La biosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-24
Univers vivant Chapitre 9 − L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-26
Univers technologique Chapitre 10 − Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-29 Chapitre 11 − L’ingénierie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-30 Chapitre 12 − L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ÉV-33
Le guide se poursuit à la page suivante.
Nom :
Groupe :
Outils d’évaluation UM Chapitre 1
Date :
Univers matériel Chapitre 1 1
L’organisation de la matière
Soit l’halogène de la 3e période du tableau périodique des éléments. Dans l’encadré ci-dessous, donnez le nom de cet élément et représentez-le selon le modèle de Rutherford-Bohr en précisant le nombre de protons dans le noyau.
Élément : 2
En 1903, Ernest Rutherford t une expérience qui consistait à envoyer un rayonnement émis par une substance radioactive entre les bornes d’un champ électrique. Il réussit ainsi à identier les constituants de ce rayonnement. Selon le schéma de l’expérience ci-dessous, identiez la particule à laquelle correspond chacune des trois trajectoires. Entourez la bonne réponse.
1
2 3
3
a) 1 : bêta (b), 2 : gamma (), 3 : alpha (a)
c) 1 : alpha (a), 2 : bêta (b), 3 : gamma ()
b) 1 : alpha (a), 2 : gamma (), 3 : bêta (b)
d) 1 : bêta (b), 2 : alpha (a), 3 : gamma ()
Classez les modèles atomiques ci-dessous selon l’ordre chronologique, puis donnez le nom de chacun d’eux.
A
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B
C
D
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-3
Nom :
4
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 1 6
Date :
Parmi les éléments du tableau suivant, lesquels possèdent les propriétés suivantes : cassants, ternes, non malléables et mauvais conducteurs de chaleur ? Justiez votre réponse ci-dessous.
A
B C D
E
F
5
Le tableau suivant présente les propriétés de cinq éléments du tableau périodique. a) Dans la colonne « Classication », indiquez s’il s’agit d’un métal, d’un non-métal ou d’un métalloïde. b) Dans la colonne « Propriétés », inscrivez un X devant les propriétés permettant de le classer ainsi. Élément
Propriétés
Classication
Ductile A
Solide Bonne conductibilité thermique Réagit avec les acides Existe en très petite quantité dans la nature
B
Ne forme pas de composés avec les autres éléments Gazeux Point d’ébullition très bas Solide
C
Conduit le courant électrique Possède 1 électron de valence Masse volumique faible Mauvais conducteur de chaleur
D
Très dur Non malléable Conduit le courant électrique Masse volumique très faible
E
Ne conduit pas le courant électrique Possède 6 électrons de valence
ÉV-4
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
6
Groupe :
Outils d’évaluation UM Chapitre 1
Date :
Le tableau ci-dessous regroupe des caractéristiques propres à 10 des 20 premiers éléments du tableau périodique. Écrivez, dans la colonne de droite, le nom et le symbole chimique de l’élément en question. Nom et symbole chimique de l’élément
Caractéristique
7
A
Possède deux électrons de valence et une dernière couche saturée.
B
Possède 15 électrons et 16 neutrons.
C
Doit perdre trois électrons pour obtenir la conguration électronique externe de l’élément désigné en A.
D
Est un gaz inerte qui se trouve sur la même rangée que l’élément désigné en B.
E
Est l’halogène le plus léger.
F
Possède deux électrons de valence de moins que l’élément désigné en E.
G
Appartient à la même famille que l’élément désigné en C.
H
Est un alcalino-terreux qui peut avoir la conguration électronique externe de l’élément désigné en D.
I
Est l’alcalin qui précède l’élément désigné en G.
J
Se trouve entre les éléments désignés en G et en B.
Complétez le tableau suivant. Élément
Nombre de couches électroniques
Nombre d’électrons de valence
Numéro de la famille
Numéro de la période
Br
Potassium
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-5
Nom :
8
9
Groupe :
Parmi les représentations de Lewis ci-dessous, laquelle ou lesquelles sont correctes ? Entourez la ou les bonnes réponses. a)
c)
e)
b)
d)
f)
Complétez les représentations ci-dessous. a) Ion calcium
c) Ion P3−
15 p
20 p
b) Ion B3+
ÉV-6
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 1 6
Date :
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
d) Ion azote
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Nom :
Groupe :
Chapitre 2 1
Outils d’évaluation UM Chapitre 2
Date :
Les propriétés physiques des solutions
Pourquoi une solution de chlorure de sodium (NaCl ) conduit-elle l’électricité ? a) Parce que le NaCl est un solide conducteur d’électricité. b) Parce que la solution contient des ions libres de se déplacer. c) Parce que la solution est électriquement chargée. d) Parce que la conductibilité électrique est une propriété de l’eau.
2
3
Dans un laboratoire, on vous remet une poudre blanche et on vous demande de déterminer s’il s’agit d’un acide, d’une base ou d’un sel. Parmi les quatre actions ci-dessous, laquelle devrez-vous effectuer en premier pour déterminer la nature de cette poudre ? a) Vérier sa conductibilité électrique.
c) La dissoudre dans l’eau.
b) Mesurer sa masse et son volume pour déterminer sa masse volumique.
d) Observer son effet sur le papier de tournesol neutre.
Parmi les quatre substances suivantes, laquelle est une base ? a) CH3OH
4
b) Ca(OH)2
c) CH3COOH
d) MgCO3
Complétez le tableau suivant. Molécule
Nature chimique
Équation de dissociation électrolytique
Ba(OH)2(s) AlCl3(s) Na3PO4(s)
H2SO4(l )
5
Pour neutraliser un acide, vous devez préparer 350 mL d’une solution basique à 8 g/L. Déterminez la masse de la base à peser pour préparer cette solution.
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-7
Nom :
6
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 2 6
Date :
Le tableau suivant présente la masse de soluté et le volume de quatre solutions aqueuses. Solution
Masse de soluté
Volume de solution
A
45 g
3,0 L
B
250 mg
100 mL
C
900 mg
0,6 L
D
6,25 g
250 mL
Lequel des énoncés ci-dessous classe correctement les solutions par ordre croissant de leur concentration ?
7
a) Solution D,
Solution A,
Solution B,
Solution C
b) Solution A,
Solution C,
Solution D,
Solution B
c) Solution B,
Solution D,
Solution C,
Solution A
d) Solution C,
Solution B,
Solution A,
Solution D
On dissout 12 g de sel dans 250 mL de solution. a) Quelle serait la concentration, en % m/V, de la solution saline obtenue ?
b) Quelle serait sa concentration en % m/m, sachant que la masse volumique de cette solution saline est de 1,15 g/mL ?
ÉV-8
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
Groupe :
Outils d’évaluation UM Chapitre 2
Date :
8
Pour des raisons de sécurité, Santé Canada xe la concentration maximale de fer (Fe) dans l’eau potable à 0,3 ppm. Un échantillon de 5,0 L d’eau d’un arrondissement de Montréal contient 1,15 mg de fer. On considère que cette eau a une masse volumique de 1,0 kg/L. Cette eau est-elle potable ?
9
Le pH de l’eau pure est de 7. Déterminez le pH des solutions suivantes. Solution
pH
a) Le suc gastrique, 100 000 fois plus acide que l’eau pure. b) Une solution d’ammoniac (NH3), 1 million de fois plus basique que l’eau pure. c) Le jus de pomme, 10 000 fois moins basique que l’eau pure. d) L’eau de mer, 10 fois moins acide que l’eau pure.
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-9
Nom :
Groupe :
Chapitre 3 1
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 3 6
Date :
Les transformations chimiques
Le dinitrate de cuivre (Cu(NO3)2), utilisé pour patiner le bronze à chaud, peut être fabriqué par l’action de l’acide nitrique (HNO3) concentré sur le cuivre (Cu). En plus du dinitrate de cuivre, la réaction produit aussi du dioxyde d’azote (NO2) et de l’eau. a) Écrivez l’équation balancée de cette réaction. b) On fait réagir 12,7 g de cuivre métallique avec une certaine masse d’acide nitrique. La réaction produit 37,5 g de dinitrate de cuivre, 18,4 g de dioxyde d’azote et 7,2 g d’eau. Quelle masse d’acide nitrique a-t-on utilisée ?
c) On a effectué cette réaction sous la hotte, car le gaz produit, le NO 2, est un gaz de couleur rouge orangé, corrosif et très toxique, qu’il ne faut pas respirer. Considérant ce fait, quelle masse de produits récupérera-t-on à la n de la réaction présentée en b ? Expliquez votre réponse.
2
Laquelle des équations suivantes est correctement balancée ? a) b) c) d)
ÉV-10
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
3
4
Groupe :
Outils d’évaluation UM Chapitre 3
Date :
Balancez les équations suivantes. a)
c)
b)
d)
Certains médicaments composés d’hydrogénocarbonate (bicarbonate) de sodium (NaHCO3) sont utilisés dans les cas d’acidité excessive de l’estomac. a) Quelle est, selon vous, la nature chimique de l’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO 3) ? Justiez votre réponse.
b) Si l’acide présent dans l’estomac est du chlorure d’hydrogène (HCl ), écrivez l’équation chimique balancée de cette réaction, sachant qu’elle produit du chlorure de sodium (NaCl ), du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau. c) L’inconvénient de l’utilisation de l’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3) est le dégagement du dioxyde de carbone (CO2) dans l’organisme. On pourrait donc utiliser plutôt le lait de magnésie, un médicament fait à base de dihydroxyde de magnésium (Mg(OH)2). Écrivez l’équation chimique balancée de la neutralisation de HCl par Mg(OH)2. d) Selon vous, l’utilisation d’un antiacide permet-elle de neutraliser complètement l’acidité de l’estomac ? Expliquez votre réponse.
5
Complétez les phrases ci-dessous à l’aide de la liste de mots suivante : • Comburant
• Combustible
• Point d’ignition
a) À l’aide d’un extincteur à eau pulvérisée, on arrose un boisé en feu an d’arrêter la combustion du bois en diminuant le . b) On ferme le robinet d’arrêt d’une cuisinière à gaz en feu. On empêche ainsi le d’alimenter la combustion. c) Après un accident, de l’essence se déverse sur une chaussée et prend feu. On étouffe la combustion en appauvrissant l’apport de grâce à de la mousse physique, un mélange d’eau et d’air.
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-11
Nom :
6
Groupe :
Date :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 3 6
La respiration cellulaire est un type de combustion lente. a) Quel est, dans la respiration cellulaire : 1) le combustible ? 2) le comburant ? b) Complétez le tableau ci-dessous, qui porte sur la respiration cellulaire et la photosynthèse. Respiration cellulaire
Photosynthèse
Réactifs
Produits
Forme d’énergie impliquée
Lieu de la réaction
Fonction
ÉV-12
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
Groupe :
Chapitre 4 1
Outils d’évaluation UM Chapitre 4
Date :
Les transformations de l’énergie
Un homme mange un biscuit dont l’emballage indique qu’il contient 628 kJ. Au départ, cette énergie est emmagasinée dans le biscuit sous forme d’énergie chimique. Après la digestion du biscuit, une partie de l’énergie est absorbée par l’organisme de l’homme sous forme d’énergie chimique. Une autre partie est excrétée dans les selles. Au cours de la digestion, de l’énergie thermique est aussi produite. a) Parmi les énoncés suivants, lesquels sont vrais ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) De l’énergie est transférée du biscuit vers l’organisme de l’homme. 2) De l’énergie chimique est transformée en énergie lumineuse. 3) De l’énergie chimique est transformée en énergie thermique. 4) De l’énergie mécanique est transformée en énergie chimique. b) Parmi les énoncés suivants, lequel est vrai ? Justiez votre réponse. 1) L’énergie chimique gagnée par l’homme est inférieure à 628 kJ. 2) L’énergie chimique gagnée par l’homme est égale à 628 kJ. 3) L’énergie chimique gagnée par l’homme est supérieure à 628 kJ.
2
Trois tasses identiques contenant la même quantité de liquide sont placées côte à côte. • La tasse 1 est remplie d’eau très froide, presque glacée. • La tasse 2 est remplie d’eau tiède. La température de cette eau est la même que celle de l’air ambiant. • La tasse 3 est remplie d’eau très chaude, presque bouillante. a) Quelle tasse contient l’eau dont la température est la plus élevée ? 1) La tasse 1
2) La tasse 2
3) La tasse 3
4) Impossible de le savoir sans informations supplémentaires. b) Quelle tasse contient l’eau qui possède le plus d’énergie thermique ? 1) La tasse 1
2) La tasse 2
3) La tasse 3
4) Impossible de le savoir sans informations supplémentaires.
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-13
Nom :
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 4 6
Date :
c) Parmi les énoncés suivants, lesquels sont vrais ? Entourez toutes les bonnes réponses. 1) L’eau contenue dans la tasse 1 transfère de la chaleur à l’air ambiant. 2) L’air ambiant transfère de la chaleur à l’eau contenue dans la tasse 1. 3) L’eau contenue dans la tasse 2 transfère de la chaleur à l’air ambiant. 4) L’air ambiant transfère de la chaleur à l’eau contenue dans la tasse 2. 5) L’eau contenue dans la tasse 3 transfère de la chaleur à l’air ambiant. 6) L’air ambiant transfère de la chaleur à l’eau contenue dans la tasse 3. 3
L’écran d’un téléviseur a un rendement de 10 %. Combien d’énergie électrique doit-il consommer pour produire 100 joules d’énergie lumineuse ?
ÉV-14
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Nom :
Groupe :
Chapitre 5 1
L’électricité et l’électromagnétisme
Associez chacune des particules élémentaires de la colonne de gauche à l’énoncé qui lui correspond dans la colonne de droite. Particule
2
Outils d’évaluation UM Chapitre 5
Date :
Énoncé
Proton
•
•
Je porte une charge positive.
Électron
•
•
Je porte une charge de −1,602 × 10−19 C.
Votre enseignant met à votre disposition plusieurs petites tiges chargées. a) En vous attardant à deux de ces tiges, vous constatez qu’elles se repoussent l’une l’autre. Que pouvez-vous conclure quant aux signes des charges qu’elles portent ?
b) Vous considérez deux autres tiges. Celles-ci s’attirent. Que pouvez-vous conclure quant aux signes des charges qu’elles portent ?
3
Martin tente de retirer le chandail de laine qu’il porte par-dessus son t-shirt, mais il a un peu de difficulté parce que les deux vêtements collent ensemble. Comment expliquez-vous ce phénomène ? Utilisez au moins une fois chacun des termes de la liste suivante dans votre explication. • Charges opposées
4
• Électricité statique
• Électrons
• Frottement
• Transfert
Mélanie dispose d’une pile, d’un résisteur, d’une ampoule et de plusieurs fils électriques. a) Elle utilise ce matériel pour réaliser un circuit en série. Schématisez l’un des circuits qu’elle pourra obtenir.
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ÉV-15
Nom :
Groupe :
Date :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 5 6
b) Mélanie utilise le même matériel pour réaliser un circuit en parallèle. Schématisez l’un des circuits qu’elle pourra obtenir.
5
Vous disposez d’une pile de 1,5 V et d’un résisteur dont vous ignorez la résistance. Expliquez comment vous pouvez utiliser un ampèremètre pour connaître la résistance du résisteur. Pour appuyer vos explications, faites un schéma du circuit que vous utiliserez pour votre mesure. Explication :
6
Une pile de 9 V est branchée directement aux bornes d’un résisteur de 100 Ω. Quel est le courant dans le circuit ?
ÉV-16
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Outils d’évaluation UM Chapitre 5
Date :
7
Dans un radiateur électrique, il y a un résisteur de 24 Ω aux bornes duquel une différence de potentiel de 120 V est établie. Quelle est la puissance de ce radiateur ?
8
La che signalétique d’un séchoir à cheveux contient l’information suivante. 120 V
60 Hz
2 000 W
Pendant combien de temps peut-on utiliser ce séchoir à cheveux avant de consommer 1 kWh d’énergie électrique ? a) 2 s b) 30 min c) 0,56 h d) 2 h e) 7 200 000 h 9
Dans chacun des cas illustrés ci-dessous, dites si les deux aimants sont dans une position où ils s’attirent ou dans une position où ils se repoussent.
a)
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b)
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ÉV-17
Nom :
10
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM Chapitre 5 6
Date :
Dans chacun des cas illustrés ci-dessous, dessinez quelques-unes des lignes de champ créées par la présence du courant dans le fil. a)
b)
I
11
Vous analysez deux longs fils rectilignes parcourus par un courant. Dans le premier fil, le courant est plus grand que dans le second. Parmi les énoncés ci-dessous, lequel est juste ? a) Le champ magnétique qui entoure le premier fil est plus intense que celui qui entoure le second fil. b) Le champ magnétique qui entoure le second fil est plus intense que celui qui entoure le premier fil. c) Le champ magnétique est aussi intense autour du premier fil que du second.
ÉV-18
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Outils d’évaluation TE Chapitre 6
Date :
Terre et espace Chapitre 6 1
L’espace et l’atmosphère
Les interactions gravitationnelles du Soleil, de la Terre et de la Lune inuent sur le comportement de chacun de ces astres. a) À quel moment la Lune fait-elle diminuer la quantité de rayonnement solaire reçue à certains endroits de la Terre ? b) Dans quelle circonstance l’inuence de la Lune et du Soleil est-elle la plus importante sur les océans ? c) Comment se nomme la situation que vous avez décrite dans la réponse à la question b ? d) Est-ce que tous les habitants de la Terre peuvent simultanément être témoins du phénomène que vous avez nommé dans la réponse à la question c ? Expliquez votre réponse.
2
L’image satellite ci-contre montre une masse d’air en mouvement dans l’hémisphère Nord. a) Sur l’image, situez à l’aide d’un « X » le centre de cette masse d’air.
b) S’agit-il d’un centre de haute pression ou de basse pression ? Expliquez votre réponse.
c) Si cette image satellite avait été prise dans l’hémisphère Sud, quel phénomène atmosphérique y serait représenté ? Expliquez votre réponse.
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ÉV-19
Nom :
3
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM TE Chapitre Chapitre66
Date :
Observez la carte météo suivante, puis répondez aux questions.
a) Combien de masses d’air apparaissent sur cette carte ? b) Qu’est-ce qui vous permet d’arriver à cette conclusion ?
c) Sachant que les masses d’air se déplacent généralement d’ouest en est sur le territoire du Québec, quel type de front arrivera sur la région de Sherbrooke dimanche ? Expliquez votre réponse.
d) Sur la carte ci-dessus, dessinez la ligne du front que vous avez identié dans la réponse à la question c. e) Ce front est-il associé à un cyclone ou à un anticyclone ? Expliquez votre réponse.
f) Faites une prévision météorologique pour la ville de Sherbrooke pour la journée de dimanche.
4
Quelles seraient les conséquences d’une diminution importante de l’épaisseur de l’atmosphère terrestre ? Entourez toutes les bonnes réponses. a) Il n’y aurait plus que des journées chaudes et ensoleillées. b) Il y aurait une baisse importante de l’effet de serre naturel. c) On observerait des écarts plus importants entre les températures moyennes du jour et de la nuit. d) Il n’y aurait plus de problème de pollution atmosphérique. e) La diminution de l’épaisseur de la couche d’ozone entraînerait une augmentation signicative des cancers de la peau. f) La vue sur l’espace étant meilleure, les ciels paraîtraient plus étoilés.
ÉV-20
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Nom :
Groupe :
Date :
Outils d’évaluation TE Chapitre 6
5
Qu’ont en commun tous les modes de production d’électricité qui exploitent les ressources énergétiques de l’atmosphère ?
6
Pour chacune des situations, nommez le mode de production d’électricité à privilégier an de produire de l’électricité tout en minimisant les impacts environnementaux. Expliquez vos choix.
Situation
Mode de production d’électricité à privilégier
Explication
Permettre aux gratte-ciel d’un centre-ville d’être autosufsants en matière énergétique
Faire fonctionner le ltreur à eau de la piscine familiale
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ÉV-21
Nom :
Groupe :
Chapitre 7
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM TE Chapitre Chapitre76
Date :
La lithosphère et l’hydrosphère
1
Quelle est la différence entre un diamant et un minerai de diamant ?
2
Les entreprises d’exploitation minière recherchent des minéraux pour répondre à différents besoins. a) Selon vous, quels horizons du sol contiennent le plus de minéraux tels le cuivre et le fer ? Expliquez votre réponse.
b) À quelle condition un sol peut-il être considéré comme une source de minerais exploitable ?
3
Nommez deux éléments qu’ont en commun les centrales thermiques qui exploitent les combustibles fossiles et les centrales nucléaires.
4
Quel type de courant, de surface ou de profondeur, serait le plus touché dans les situations suivantes ? Expliquez vos réponses. a) S’il n’y avait pas de vents.
b) Si toute l’eau des océans était de l’eau douce et de température égale.
5
On veut construire une route dans les montagnes. Parmi les énoncés ci-dessous, entourez celui qui correspond aux critères dont il faut tenir compte pour ce chantier. a) La route doit être construite sur les lignes de crête. b) Il faut tenir compte de l’écoulement des eaux des bassins versants environnants. c) Il ne faut pas tenir compte du relief ni de l’écoulement des eaux des bassins versants environnants. d) La route doit être construite sur la ligne de partage des eaux.
ÉV-22
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6
Groupe :
Outils d’évaluation TE Chapitre 7
Date :
À l’aide de la carte et des informations suivantes, répondez aux questions.
Le lac Baïkal Situé au Kazakhstan (sud de la Russie), le lac Baïkal est le 8e lac au monde par sa supercie et représente 20 % du volume d’eau douce mondiale contenue dans les lacs et les rivières. Encaissé dans les montagnes, il reçoit l’apport de 336 cours d’eau.
a) Selon vous, peut-on afrmer que l’eau du lac Baïkal est nécessairement potable ? Justiez votre réponse.
b) Ce lac est-il un bassin versant ? Justiez votre réponse à l’aide de deux arguments.
7
Pour chacune des situations, nommez le mode de production d’électricité à privilégier an de produire de l’électricité tout en minimisant les impacts environnementaux. Expliquez vos choix.
Situation
Mode de production d’électricité à privilégier
Explication
Éclairer la salle paroissiale d’une petite municipalité de l’Île-du-Prince-Édouard, dans le golfe du Saint-Laurent
Fournir en électricité un hôpital rural en Haïti, un pays durement frappé par les séismes en raison de sa situation géographique (zone de rencontre de plaques tectoniques)
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ÉV-23
Nom :
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Chapitre 8 1
Date :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM TE Chapitre Chapitre86
La biosphère
Expliquez le rôle de chaque élément présenté dans le tableau suivant dans le cycle du carbone et dans le cycle de l’azote. Élément
Rôle dans le cycle du carbone
Rôle dans le cycle de l’azote
Les végétaux
Les microorganismes aquatiques (phytoplancton et cyanobactéries)
Les décomposeurs
Le dioxygène atmosphérique
2
La toundra et la taïga sont deux biomes qu’on trouve sur le territoire québécois. Bien que ces biomes se ressemblent à certains égards, nommez deux caractéristiques qui permettent de les différencier.
ÉV-24 Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
3
Groupe :
Outils d’évaluation TE Chapitre 8
Date :
Lisez le courriel ci-dessous. Puis, répondez aux questions. Expéditeur : Jean-Guy Destinataire : Jeanne Objet : Ah ! les vacances ! Salut Jeanne, Désolé de ne pas t’avoir donné signe de vie plus tôt. Nous revenons de vacances. C’était merveilleux. Nous avons fait du canot et un peu de pêche. Je n’avais jamais vu autant de grenouilles ! Nous les avons observées en train de prendre un bain de soleil sur leurs nénuphars ! Éric nous a fait goûter à des cœurs de quenouilles et Benjamin a pris soin d’un petit canard qui semblait abandonné. Il faut que tu voies cet endroit, la nature y est superbe ! Je te laisse, je dois défaire mes bagages avant le retour au boulot demain… Ton ami Jean-Guy a) À proximité de quel biome Jean-Guy et ses amis ont-ils passé leurs vacances ? 1) Près d’un lac
2) Près d’une rivière
3) À la mer
b) Justiez votre choix à l’aide de trois indices relevés dans le courriel.
4
Selon vous, quel facteur inuant sur la distribution des biomes explique le mieux chacune des situations suivantes ? a) La rareté des végétaux aquatiques dans les profondeurs de l’océan
b) La migration des caribous, à l’automne, vers la toundra riche en lichens, située dans le nord du Québec
c) La présence d’arbres de taille importante qui poussent dans le climat chaud et humide de la forêt tropicale
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ÉV-25
Nom :
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Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM UV Chapitre Chapitre 96
Date :
Univers vivant Chapitre 9 1
2
L’écologie
Laquelle des communautés suivantes présente la plus grande biodiversité ? a) Une pelouse sans mauvaises herbes
c) Un champ de maïs
b) Un désert
d) Une forêt tempérée
Dans un aquarium, les poissons tropicaux se déplacent généralement de façon indépendante les uns des autres, lorsqu’ils sont la seule espèce à y vivre. Toutefois, en présence d’un gros poisson, tel un requin, ils se déplacent en groupes. a) Quel est le mode de distribution des poissons tropicaux : 1) lorsqu’ils sont seuls dans un aquarium ? 2) lorsqu’ils se trouvent en présence d’un requin ? b) L’aquarium mesure 5 dm de longueur, 3 dm de largeur et 3 dm de hauteur, et contient 27 néons, de petits poissons à bande bleue. Quelle est la densité de cette population ?
c) Le mode de distribution des poissons tropicaux a-t-il une inuence sur la densité de leur population ? Expliquez votre réponse.
3
Répondez à la question ci-dessous en inscrivant les numéros correspondant aux éléments de la liste suivante. 1) De l’eau
3) Des roches décoratives
2) Des poissons rouges (Carassius auratus)
4) Un poisson laveur de vitres
5) Des plantes aquatiques (Hygrophila difformis) 6) Du sable
Parmi les éléments énumérés dans cette liste, lesquels forment ensemble : a) une population ?
c) un écosystème ?
b) une communauté ?
ÉV-26
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Nom :
Groupe :
Date :
Outils d’évaluation UV Chapitre 9
4
Une amie vous demande ce qu’est le cycle biologique d’une espèce. À l’aide de l’exemple de la poule, expliquez-lui brièvement ce concept.
5
Malgré un nombre important de naissances, la croissance d’une population peut être nulle. Expliquez ce phénomène.
6
Observez les courbes du diagramme ci-dessous, puis répondez aux trois questions suivantes.
a) Quel type d’interaction y a-t-il entre les individus de ces deux populations : prédation ou compétition ? Expliquez votre réponse.
b) À quel type de relation ce type d’interaction appartient-il ?
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ÉV-27
Nom :
Groupe :
Date :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UM UV Chapitre Chapitre 96
c) Ce type d’interaction peut-il avoir une inuence sur la capacité limite d’un milieu ? Expliquez votre réponse.
7
Quels facteurs écologiques peuvent inuer sur une population animale ? Donnez un exemple pour chaque facteur.
8
Au cours d’une éruption volcanique, la végétation du versant nord d’une montagne est complètement ravagée par la lave, alors que la forêt avoisinante reçoit une épaisse couche de cendre qui recouvre les végétaux présents. De quel type de perturbation s’agit-il ?
9
Votre enseignante a installé un vivarium dans la classe. Elle y a mis de la terre, de l’eau, une grenouille, des criquets (nourriture de la grenouille) et de la nourriture pour poissons (nourriture des criquets). a) Tracez le réseau trophique de la situation décrite ci-dessus.
b) Au retour de la semaine de congé, vous remarquez que la grenouille et la nourriture pour poissons ont disparu. Le vivarium n’a pourtant pas été ouvert. Que s’est-il passé ? Expliquez votre réponse.
c) Quel est le niveau trophique de la grenouille dans la situation que vous avez représentée en a ?
10
Nommez et expliquez le phénomène naturel auquel participent les vers de terre et les bactéries dans les transformations de la matière d’un écosystème.
11
La productivité primaire est-elle plus grande dans un désert ou dans une forêt ? Expliquez votre réponse.
ÉV-28
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Nom :
Groupe :
Outils d’évaluation UT Chapitre 10
Date :
Univers technologique Chapitre 10 1
Les matériaux
Dites à quel type de contrainte chaque objet écrit en gras est soumis. a) Un tournevis qu’on est en train d’utiliser. b) La chaîne à laquelle est suspendue un luminaire. c) La poutre sur laquelle une gymnaste s’exerce.
2
Plusieurs bouteilles d’huile d’olive sont faites de verre. a) À quel type de matériaux le verre appartient-il ? b) Nommez au moins deux avantages que le verre présente pour la fabrication de bouteilles d’huile d’olive. Expliquez votre réponse.
c) Quels désavantages le verre présente-t-il pour la fabrication de bouteilles d’huile d’olive ? Entourez toutes les bonnes réponses.
3
1) Il est fragile.
3) Il est dur.
2) Il est lourd.
4) Il est recyclable.
Vous devez fabriquer du mobilier de jardin en plastique. a) Opterez-vous pour un thermoplastique ou un thermodurcissable ? Expliquez votre réponse.
b) Quelles sont les causes prévisibles de la dégradation du plastique de votre mobilier, si vous ne faites rien pour le protéger ?
4
Pourquoi les planchers de bois sont-ils généralement vernis ou huilés ?
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ÉV-29
Nom :
Groupe :
Chapitre 11 1
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UT UM Chapitre Chapitre11 6
Date :
L’ingénierie mécanique
Observez la gure ci-contre. Il est possible de séparer le bouchon de cette bouteille de produit nettoyant en le dévissant. a) Quelles sont les quatre caractéristiques de la liaison entre la bouteille et le bouchon, quand elle est établie ? 1) Directe
Indirecte
2) Démontable
Indémontable
3) Rigide
Élastique
4) Complète
Partielle
b) Quel type de guidage régit le mouvement du bouchon lorsqu’on le sépare de la bouteille ou lorsqu’on l’y replace ? 1) Un guidage en rotation
2) Un guidage en translation
3) Un guidage hélicoïdal
c) Quelle particularité du bouchon et de l’embouchure de la bouteille explique la réponse que vous avez donnée en b ?
d) Quel est l’avantage de ce type de guidage dans cette situation ?
2
L’illustration ci-dessous représente un tendeur de câble pour navire. Sur cette illustration, indiquez à l’aide de èches le sens de rotation des deux roues du bas.
ÉV-30
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Nom :
3
Groupe :
Outils d’évaluation UT Chapitre 11
Date :
Le schéma ci-contre illustre une partie du mécanisme d’une éolienne artisanale. a) Quel est l’organe de guidage des pales de l’hélice ? • Rotor b) De quel type de guidage s’agit-il ?
Pales de l’hélice
• Axe de l’alternateur
c) Identiez le type de système de transmission du mouvement que l’on peut voir sur le schéma.
• Alternateur
d) Parmi les trois énoncés suivants, entourez celui qui est vrai. 1) Le rotor tourne plus rapidement que l’axe de l’alternateur. 2) L’axe de l’alternateur tourne plus rapidement que le rotor. 3) Il est impossible de dire si c’est le rotor ou l’axe de l’alternateur qui tourne le plus rapidement. e) Parmi les trois énoncés suivants, lequel est vrai ? 1) Il doit idéalement y avoir une force de frottement importante entre la roue qui est au bout du rotor et celle qui est au bout de l’axe de l’alternateur. 2) Il faut lubrier adéquatement la roue qui est au bout du rotor et celle qui est au bout de l’axe de l’alternateur, de façon qu’il y ait le moins de frottement possible entre les deux. 3) Le fait qu’il y ait ou non un frottement entre la roue du rotor et celle de l’axe de l’alternateur est sans importance. f) On veut remplacer le système de transmission du mouvement de l’éolienne illustrée sur le schéma par un système d’engrenage. Les énoncés suivants présentent des raisons possibles pour ce choix et les consignes qu’il faudra possiblement prendre en compte au moment de choisir les roues dentées de l’engrenage. Ci-dessous, entourez le chiffre romain correspondant aux énoncés qui sont vrais. 1) Un système d’engrenage limitera les risques de glissement. 2) Un système d’engrenage demandera moins d’entretien (lubrication, etc.) que le système actuel. 3) Au moment de choisir les roues de l’engrenage, il sera important que les dents de la roue du rotor soient plus grosses que celles de la roue de l’axe de l’alternateur. 4) Au moment de choisir les roues de l’engrenage, il sera important que les dents des deux roues aient la même taille. I)
1 et 3
III)
2 et 3
II)
1 et 4
IV)
2 et 4
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ÉV-31
Nom :
4
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UT UM Chapitre Chapitre11 6
Date :
L’illustration ci-contre représente un compas.
Écrous • Molette • de réglage
• Vis
• Molette de serrage de la mine a) Identiez le système de transformation du mouvement que l’on trouve dans ce compas. b) Dans le système de transformation du mouvement que vous avez identié dans la réponse à la question a, quel est l’organe menant et quels sont les organes menés ? Organe menant :
Organes menés :
c) Comment l’organe menant que vous avez identié dans la réponse à la question b est-il mis en mouvement ? d) Qu’est-ce que le mouvement des organes menés que vous avez identiés dans la réponse à la question b entraîne ?
5
Une poulie de 30 cm en entraîne une autre, qui mesure 50 cm, au moyen d’une courroie. La plus petite des poulies tourne à la vitesse de 15 tours/min. À quelle vitesse la plus grande des poulies tourne-t-elle ?
ÉV-32
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Nom :
Groupe :
Chapitre 12 1
L’ingénierie électrique
Associez chacune des fonctions pouvant être remplie par une composante d’un circuit électrique de la colonne de gauche, à son rôle, dans la colonne de droite. Fonction
2
Outils d’évaluation UT Chapitre 12
Date :
Rôle
Fonction d’alimentation
•
•
Couper le passage du courant lorsque le circuit ne fonctionne pas normalement.
Fonction de commande
•
•
Empêcher le passage du courant.
Fonction de conduction
•
•
Fournir l’énergie nécessaire au passage du courant électrique dans ce circuit.
Fonction d’isolation
•
•
Permettre le passage du courant.
• Fonction de protection
•
Ouvrir ou fermer le circuit de façon à bloquer ou à laisser passer le courant.
Émilien possède une tondeuse électrique qu’il utilise régulièrement pour tondre son gazon. Un jour, il offre à son voisin de tondre le sien. Le terrain du voisin étant plus grand que celui d’Émilien, ce dernier utilise une rallonge plus grande que sa rallonge habituelle. De plus, Émilien remarque que le diamètre de cette rallonge est plus petit que celui de sa rallonge habituelle. En passant la tondeuse, Émilien constate également que celle-ci fonctionne moins bien que d’habitude. Son moteur semble moins puissant. Pourquoi, selon vous, la tondeuse d’Émilien fonctionne-t-elle moins bien que d’habitude ? Donnez une réponse détaillée en expliquant chacun de vos arguments.
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Kaléidoscope • Outils d’évaluation
ÉV-33
Nom :
3
Groupe :
Activités Outilssupplémentaires d’évaluation UT UM Chapitre Chapitre12 6
Date :
Le schéma ci-dessous illustre un circuit simple. Observez-le attentivement, puis répondez aux questions qui suivent. Vers le réseau de distribution d’Hydro-Québec
1
2
4
3
a) Comment se nomme la composante 1 ? b) Comment se nomme la composante 3 ? Donnez une réponse la plus précise possible. c) D’où provient l’énergie qui alimente le circuit ? d) Ce circuit est-il parcouru par un courant continu ou par un courant alternatif ? e) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de conduction ? f) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de protection ? g) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de commande ? h) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de transformation de l’énergie ? i) La composante que vous avez désignée dans la réponse à la question h a pour fonction de transformer l’énergie électrique en quelle forme d’énergie ?
ÉV-34
Kaléidoscope • Outils d’évaluation
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Analyse d’objet technique (AOT) La 2e édition du guide Kaléidoscope, Science et technologie offre deux analyses d’un objet technique : la girouette et le hisse-mangeoire. Ces analyses permettent aux élèves d’appliquer la démarche technologique d’analyse tout en réinvestissant bon nombre des concepts de l’univers technologique abordés dans le cahier. Les documents reproductibles qui suivent contiennent tous les éléments nécessaires pour y parvenir. Une animation 3D de l’un des objets analysés, la girouette, est offerte dans le matériel complémentaire du cahier numérique sur la plateforme numérique. Cette animation permet de mieux visualiser l’objet en mouvement. Les élèves seront ainsi mieux préparés à une telle situation lors de l’épreuve unique. Les deux analyses d’un objet technique peuvent également servir à l’évaluation des apprentissages. Cette façon d’évaluer permet de vérier le développement de la compétence disciplinaire 2 (Mettre à prot ses connaissances scientiques et technologiques).
Sommaire
La girouette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AOT-3 Le hisse-mangeoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AOT-8
Le guide se poursuit à la page suivante.
Nom :
Groupe :
Date :
Analyse d’objet technique
UT
•
AOT
•
1/5
La girouette Vous devez préalablement avoir vu l’animation 3D. Utilisez aussi les dessins des pages AOT-6 et AOT-7 pour répondre aux questions suivantes. 1
Expliquez, à l’aide de la terminologie propre à la science et à la technologie, le fonctionnement électrique de la girouette en décrivant la fonction et l’action des composants énumérés ci-dessous. a) La pile
b) L’aimant et les interrupteurs magnétiques
c) Les voyants lumineux
2
Donnez les quatre caractéristiques de chacune des liaisons suivantes en entourant le terme approprié dans chacun des couples de mots. Identiez ensuite le ou les organes de liaison présents, s’il y a lieu. a) La liaison entre le mât xe et le manchon du boîtier du mécanisme d’orientation. 1) directe
indirecte
3) démontable
indémontable
2) rigide
élastique
4) complète
partielle
Organe(s) de liaison : b) La liaison entre le couvercle du boîtier cylindrique et ce boîtier. 1) directe
indirecte
3) démontable
indémontable
2) rigide
élastique
4) complète
partielle
Organe(s) de liaison : c) La liaison entre l’embase et le boîtier cylindrique. 1) directe
indirecte
3) démontable
indémontable
2) rigide
élastique
4) complète
partielle
Organe(s) de liaison :
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Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
AOT-3
Nom :
3
Groupe :
Analyse d’objet technique
Date :
UT
•
AOT
•
2/5
Parmi les énoncés ci-dessous, lesquels sont vrais ? Entourez toutes les bonnes réponses. a) La liaison entre le mât mobile et le mât xe est une liaison partielle. b) La liaison entre le mât mobile et le mât xe est une liaison élastique. c) La forme du mât xe, à l’endroit où le mât mobile s’insère, assure le guidage en rotation du mât mobile. d) La forme du mât xe, à l’endroit où le mât mobile s’insère, assure le guidage hélicoïdal du mât mobile.
4
Pour effectuer le mouvement approprié, la vis sans n a besoin d’un guidage. Nommez la ou les pièces qui effectuent le guidage et dites de quel type de guidage il s’agit. a) Nommez la ou les pièces qui effectuent le guidage.
b) Quel type de guidage la ou les pièces identiées en a procurent-elles à la vis sans n ? 1) Guidage en rotation 2) Guidage en translation 3) Guidage hélicoïdal 5
a) La girouette contient un système de transmission du mouvement. Décrivez la fonction et l’action de la vis sans n (avec sa molette de réglage) et de la roue dentée.
b) En tenant compte de la fonction que remplit le système à vis sans n et à roue dentée dans la girouette, dites pourquoi les concepteurs de la girouette ont privilégié ce type de système de transmission du mouvement par rapport aux autres types de systèmes de transmission du mouvement existants.
6
À quel type de contraintes la girouette est-elle soumise ?
AOT-4 Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
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Nom :
7
Groupe :
Date :
Analyse d’objet technique
UT
•
AOT
•
3/5
Le ressort assure une liaison élastique entre l’axe et le boîtier, de façon que la liaison puisse résister aux soubresauts causés par le vent. Pour que le ressort soit performant, quelle propriété mécanique doit avoir le matériau utilisé pour sa fabrication ? Cochez la bonne réponse, puis justiez votre choix. Ductilité
Fragilité
Résilience
Dureté
Malléabilité
Rigidité
Élasticité
8
Quelle propriété le matériau dont est fait l’anneau collecteur doit-il avoir pour que ce dernier puisse remplir sa fonction ? Justiez votre réponse.
9
Le capuchon d’étanchéité et la bague d’étanchéité du boîtier cylindrique abritant les interrupteurs assurent l’étanchéité du boîtier. Pourquoi l’étanchéité de ce boîtier est-elle particulièrement importante ? Donnez deux raisons.
10
L’utilisateur de la girouette remarque que la pile s’épuise rapidement. En tenant compte du fait que la girouette fonctionne en permanence même si l’utilisateur ne consulte le tableau de bord que quelques fois par jour, suggérez une amélioration qui pourrait être apportée au circuit électrique de la girouette. Expliquez votre réponse.
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Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
AOT-5
Analyse d’objet technique
UT GIROUETTE :
•
AOT
•
4/5
vue éclatée et nomenclature Repère
Nombre
Désignation
1
1
Girouette
2
1
Axe
3
1
Capuchon d’étanchéité
4
1
Couvercle vissé
5
1
Anneau collecteur
6
1
Ressort
7
1
Connecteur
8
1
Bras
9
1
Aimant
10
8
Interrupteur magnétique
11
1
Fil simple
12
1
Câble à 8 fils
13
1
Bille d’acier
14
1
Boîtier cylindrique
15
1
Bague d’étanchéité
16
1
Embase
17
2
Rivet
18
1
Mât mobile
19
1
Couvercle du boîtier du mécanisme d’orientation
20
1
Vis sans fin
21
1
Roue dentée
22
1
Molette de réglage
23
19 20
1
Base du boîtier du mécanisme d’orientation (avec manchon)
24
1
Vis de serrage
22
25
1
Mât fixe
26
1
Boîtier du tableau de bord
27
8
Voyant lumineux (DEL)
28
1
Support à pile
29
1
Pile
30
2
Borne du support à pile
31
1
Tableau de bord
1
2 3 4 5 7
6 8 9 10
11 12
13
14 15
16 18
21
17
23
24
25 26
28 29 30 AOT-6 Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
27
31
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Analyse d’objet technique
UT GIROUETTE :
•
AOT
•
5/5
vue assemblée
Aimant Bille d’acier
Manchon
Interrupteur magnétique
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Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
AOT-7
Nom :
Groupe :
Analyse d’objet technique
Date :
UT
•
AOT
•
1/6
Le hisse-mangeoire Cet objet technique permet de hisser une mangeoire à oiseaux jusqu’au rebord du toit d’une maison. L’utilisateur tourne une manivelle pour faire monter la mangeoire en enroulant une corde attachée à la mangeoire autour d’une bobine. Pour remplir la mangeoire de graines, il peut la faire descendre en tournant la manivelle en sens inverse, ce qui fait dérouler la corde. Quand le système électrique du hisse-mangeoire est activé, un voyant lumineux s’allume lorsque la mangeoire arrive près du rebord du toit (c’est-à-dire quand une certaine quantité de corde est enroulée autour de la bobine). Cela signale à l’utilisateur qu’il peut cesser de tourner la manivelle (voir l’illustration de la page AOT-11). Répondez aux questions suivantes après avoir consulté les schémas présentés aux pages AOT-12 et AOT-13. 1
Décrivez l’interaction des composants nommés ci-dessous. Des exemples de réponses vous sont donnés. a) Manivelle, vis sans n et roue dentée
Quand on fait tourner la manivelle, celle-ci entraîne la vis sans fin, grâce à l’axe qui les relie. (La vis sans fin fait un tour chaque fois que la manivelle fait un tour.) Chaque fois que la vis sans fin fait un tour, la roue dentée avance de 1 dent, ce qui correspond à 1/12e de tour puisque la roue dentée a 12 dents. b) Roue dentée et bobine
c) Corde, molette, levier et ressort à lame de l’interrupteur de n de course
Quand la corde s’enroule autour de la bobine, la corde appuie sur la molette. Celle-ci s’abaisse, entraînant le levier de l’interrupteur avec elle. Le levier comprime alors le ressort à lame de l’interrupteur. Quand la corde est déroulée, le ressort à lame se détend et fait remonter le levier et la molette. d) Interrupteur de n de course et voyant lumineux (DEL rouge)
2
Référez-vous au schéma de la page AOT-13 pour répondre aux questions suivantes. a) Identiez un composant qui est uni au bras de la manivelle par une liaison directe. 1) L’axe de la poignée
3) L’axe de la vis sans n
2) La poignée de la manivelle
4) La bague de retenue
5) Le boîtier
b) Parmi les paires de pièces suivantes, identiez deux paires qui forment une liaison indirecte, rigide, démontable et complète (totale). 1) La roue dentée et la vis sans n 2) Le voyant lumineux (DEL rouge) et le couvercle 3) Le couvercle et le boîtier
AOT-8 Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
4) La bobine et l’axe de la roue dentée et de la bobine 5) L’axe de la vis sans n et le boîtier
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Nom :
3
4
Groupe :
Analyse d’objet technique
Date :
UT
•
AOT
•
2/6
Quelle est la fonction de la pièce pointée sur la gure ci-contre ? a) Liaison de la corde et du boîtier
d) Guidage du boîtier
b) Liaison de la corde et de la bobine
e) Guidage de la corde
c) Liaison du boîtier et de la bobine
f) Guidage de la bobine
Passe-corde
Répondez aux questions suivantes, d’après le schéma ci-dessous.
3
2
1 4
a) Quel est le composant responsable du guidage de l’axe de la vis sans n ? Identiez-le à l’aide de son numéro sur le schéma ci-dessus. b) De quel type de guidage s’agit-il ? Guidage en translation 5
Guidage en rotation
Guidage hélicoïdal
Le matériau dont est fait le ressort à lame de l’interrupteur de n de course a été choisi avec soin pour que celui-ci puisse remplir son rôle (voir l’illustration de la page AOT-13). a) Lors de l’utilisation du hisse-mangeoire, quel type de contrainte subit le ressort à lame de l’interrupteur de n de course ? 1) Cisaillement
3) Flexion
2) Compression
4) Torsion
5) Traction
b) Quelle est la principale propriété que doit posséder le matériau dont est fait le ressort à lame, pour qu’il puisse remplir son rôle ? 1) Ductilité
3) Élasticité
2) Dureté
4) Fragilité
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5) Malléabilité
Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
AOT-9
Nom :
6
Groupe :
Analyse d’objet technique
Date :
UT
•
AOT
•
3/6
L’illustration ci-contre montre le mécanisme à l’intérieur du boîtier. a) Associez par un trait chacun des composants du mécanisme de la colonne de gauche à son rôle, dans la colonne de droite. Roue dentée
•
•
Organe moteur (organe menant)
Vis sans n
•
•
Organe mené
b) Ce mécanisme est-il un système de transmission ou de transformation du mouvement ? Transmission du mouvement
Transformation du mouvement
c) Entre la roue dentée et la vis sans n, quel organe a la vitesse de rotation la plus élevée (lequel a besoin de moins de temps pour faire un tour) ? La vis sans n tourne plus rapidement que la roue dentée. La roue dentée tourne plus rapidement que la vis sans n. La roue dentée et la vis sans n tournent à la même vitesse. 7
Le hisse-mangeoire contient un circuit électrique. a) Faites le schéma de ce circuit électrique en utilisant les symboles présentés dans le tableau ci-dessous. Fil
Interrupteur à bascule
Interrupteur de fin de course
Voyant lumineux (DEL rouge)
Pile
b) Quelle est la fonction assurée par chacun des composants suivants ? Une même fonction peut être assurée par plus d’un composant. Composant
Foncon
Fil
Interrupteur à bascule
Interrupteur de fin de course
Pile
Voyant lumineux (DEL rouge)
Alimentation Commande Conduction Isolation Protection Transformation de l’énergie
AOT-10 Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
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Analyse d’objet technique
UT HISSE-MANGEOIRE :
Après avoir rempli la mangeoire de graines, l’utilisateur tourne la manivelle pour faire monter la mangeoire près du rebord du toit de la maison. Même si l’interrupteur à bascule est en position « marche », le voyant lumineux reste éteint tant que la mangeoire n’a pas atteint sa position finale près du toit. On doit mettre l'interrupteur à bascule en position « arrêt » pour éteindre le voyant lumineux afin d’économiser la pile jusqu’au prochain remplissage.
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•
AOT
•
4/6
contexte d’utilisation
Lorsque la mangeoire est vide, l’utilisateur tourne la manivelle en sens inverse pour faire descendre la mangeoire et la remplir. Quand l’interrupteur à bascule est en position « marche » et que la mangeoire est élevée, près du rebord du toit, le voyant lumineux s’allume pour indiquer qu’il ne faut plus tourner la manivelle pour tenter de remonter davantage la mangeoire. Dès que la mangeoire commence à descendre, le voyant lumineux s’éteint.
Kaléidoscope • Analyse d’objet technique AOT-11
Analyse d’objet technique
UT HISSE-MANGEOIRE :
•
AOT
•
5/6
vue éclatée du boîtier et de ses composants, et nomenclature
Repère
Nombre
Désignation
1
1
Bobine
2
1
Corde
3
1
Boîtier
4
1
Passe-corde
5
3
Espaceur
6
1
Vis sans fin
7
1
Bague de retenue
8
1
Bras de la manivelle
9
1
Poignée
10
1
Axe de la poignée (vis à épaulement)
11
1
Axe de la vis sans fin
12
5
Vis de pression à 6 pans creux
13
3
Vis à pointe
14
1
Interrupteur de fin de course
15
1
Roue dentée (12 dents)
16
1
Axe de la roue dentée et de la bobine
5
3
4
6
2
7
8
1
11 12 13 14
16
9 10
15
AOT-12 Kaléidoscope • Analyse d’objet technique
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Analyse d’objet technique
UT
•
AOT
•
6/6
HISSE-MANGEOIRE :
vue assemblée du boîtier et de ses composants, vue éclatée du couvercle et ses composants, et nomenclature
Repère
Nombre
Désignation
1
1
Interrupteur à bascule
2
1
Voyant lumineux (DEL rouge)
3
3
Vis d’assemblage à tête fraisée
4
1
Couvercle
5
1
Porte-pile
6
1
Pile bouton
7
4
Fil conducteur
8 Interrupteur de fin de course 8A
1
Molette
8B
1
Levier
8C
1
Ressort à lame
8D
2
Contact
4 3
8 5
6 7
2 8B 8A
1
8C
8D
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Circuit ouvert
Circuit fermé
Kaléidoscope • Analyse d’objet technique AOT-13
Le guide se poursuit à la page suivante.
Offre numérique La deuxième édition de la collection Kaléidoscope, Science et technologie renforce son offre numérique an d’offrir aux élèves et aux enseignants des outils dynamiques pour faciliter les apprentissages et le développement des compétences. Ces ressources, dont plusieurs sont accessibles aux élèves, ont aussi pour but de faciliter la planication des tâches et la révision de la matière.
Sommaire L’offre numérique de Chenelière Éducation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-3 1. La version numérique de la collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-4 2. Les activités interactives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-5 3. Les composantes numériques pour les élèves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-6
L’offre numérique de la collection Kaléidoscope, ST, 2e édition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-6 Vue d’ensemble des activités interactives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ON-7
Le guide se poursuit à la page suivante.
L’offre numérique de Chenelière Éducation La collection Kaléidoscope, ST, 2e édition est offerte en version numérique sur la plateforme Chenelière Éducation.
de
La présentation qui suit constitue un aperçu des fonctionnalités de cette plateforme et des particularités de la collection Kaléidoscope. La vidéo du tour guidé général de la plateforme de Chenelière Éducation, qu’on peut visionner à l’adresse www.cheneliere.ca sous l’onglet En savoir plus sur /Secondaire/Tour d’horizon, décrit les principaux atouts de la plateforme et des collections qu’on y trouve. On peut aussi consulter les tutoriels qui décrivent le fonctionnement des outils de base de la plateforme à l’adresse www.cheneliere.ca sous l’onglet En savoir plus sur /Secondaire/Tutoriels.
LA BIBLIOTHÈQUE Le site Internet de Chenelière Éducation permet aux enseignants d’accéder à une bibliothèque personnelle qui contient les livres numériques dont ils ont fait l’acquisition. Les enseignants peuvent accéder à leur bibliothèque en se rendant à l’adresse www.cheneliere.ca/ Ma bibliothèque.
LA PLATEFORME
de Chenelière Éducation
Conviviale, la plateforme est un environnement parfaitement adapté à la consultation d’un livre numérique en classe. Elle offre plusieurs avantages. Elle permet, entre autres, d’enrichir un titre de matériel personnel, de consulter différents contenus interactifs (activités interactives, hyperliens, etc.) ainsi que les documents reproductibles offerts par l’Éditeur.
LE MENU PRINCIPAL Dans la plateforme , les enseignants peuvent consulter la version numérique de toutes les composantes imprimées et numériques d’une collection. Les boutons suivants gurent dans le menu principal, en haut à droite de l’écran. 1. Livre numérique 2. Matériel complémentaire 3. Activités interactives 4. Suivi des travaux 5. Annotations 6. Mon cours 7. Diaporama
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ON-3
Le bouton « Livre numérique » donne accès à sa table des matières.
Le bouton « Matériel complémentaire » donne accès au matériel complémentaire, aux documents reproductibles et aux différents contenus interactifs offerts par l’Éditeur ainsi qu’aux chiers personnels que l’enseignant y aura déposés. On peut y faire une recherche par chapitre ou par type de matériel (documents reproductibles, hyperliens, etc.). Le bouton « Activités interactives » permet de consulter la liste des activités interactives liées à un titre, de créer des groupes, d’assigner des activités en mode apprentissage ou évaluation aux élèves et d’accéder à leurs résultats. Le bouton « Suivi des travaux » permet aux enseignants et aux élèves des classes qui utilisent un cahier numérique de suivre leurs échanges de travaux. Le bouton « Annotations » rassemble les annotations personnelles ainsi que les annotations publiques dans un seul répertoire. De plus, des ltres permettent de rafner la recherche d’annotations. L’outil « Mon cours » permet de regrouper au même endroit toutes les ressources nécessaires à l’enseignement d’un cours. Il est ainsi possible d’organiser le contenu d’un cours dans l’ordre qui convient à chacun et de le partager avec les élèves ou des collègues. L’outil « Diaporama » offre l’occasion de créer des présentations animées. On peut y intégrer des captures d’écran, du texte, des images, des hyperliens, des renvois de pages, des chiers audio et vidéo, et plus encore !
1. La version numérique de la collection La version numérique de la collection Kaléidoscope, ST, 2e édition offre aux enseignants la possibilité de projeter les pages du cahier à l’aide d’un tableau numérique interactif (TNI) ou d’un projecteur. Dans cette version numérique, les enseignants peuvent, à leur gré, faire apparaître les réponses une à une, afcher toutes les réponses à la fois ou consulter les notes pédagogiques de chacune des pages en un seul clic. Dans les pages, on trouve également des accès directs aux contenus numériques et interactifs. Ainsi, au l des pages, sont épinglés les pictogrammes cliquables suivants.
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ON-4
Kaléidoscope • Offre numérique
Hyperlien
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Comme pour les cahiers, la version numérique du matériel complémentaire qui réunit tous les éléments du guide-corrigé de la collection Kaléidoscope, ST, 2e édition permet aux enseignants de projeter les documents reproductibles à l’aide d’un TNI ou d’un projecteur. Les enseignants peuvent également y afcher toutes les réponses en un seul clic. Dans cette version numérique, on trouve tous les documents reproductibles en format PDF, an de faciliter leur impression, mais aussi en format Word modiable, ce qui permet aux enseignants d’adapter ces documents selon leurs besoins.
2. Les activités interactives Dans la version numérique de la collection Kaléidoscope, ST, 2e édition, on trouve de nombreuses activités interactives liées aux contenus du cahier. Chaque chapitre renferme une ou plusieurs activités interactives portant sur les concepts à l’étude. Une activité interactive de consolidation est également offerte pour la partie Univers matériel. Ces activités sont accessibles au l des pages du cahier numérique ainsi que dans la table des matières des activités interactives. Elles sont réalisables en classe à l’aide du TNI ou encore individuellement en mode apprentissage ou évaluation. Les élèves peuvent ainsi les faire de façon autonome en classe, au laboratoire informatique ou à la maison, à l’aide d’un ordinateur ou d’une tablette. Chacune des activités compte une quinzaine de questions. Le format de chaque question a été choisi avec attention pour servir au mieux la notion traitée (vrai ou faux, choix multiples, réponse libre, associations, menus déroulants, etc.). En mode apprentissage, les élèves disposent la plupart du temps d’un indice pour les aider à répondre à la question, puis du corrigé et d’une rétroaction après avoir soumis leur réponse. En mode évaluation, ils n’ont ni indice ni corrigé. Toutefois, dans les deux modes, les points accumulés s’afchent au fur et à mesure que les élèves répondent aux questions. Pages du cahier traitant du sujet de l’activité
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Sommaire des résultats
Kaléidoscope • Offre numérique
ON-5
Des outils de gestion de groupe conviviaux sont également offerts aux enseignants dans le module des activités interactives. Ces outils permettent entre autres de créer des groupes d’élèves, de leur assigner des activités en mode apprentissage ou évaluation et de consulter leurs résultats. Pour plus de détails au sujet des activités interactives, visionnez les tutoriels qui les décrivent à l’adresse www.cheneliere.ca sous l’onglet En savoir plus sur /Secondaire/Tutoriels ou le Guide de l’utilisateur qu’on trouve à www.cheneliere.ca sous l’onglet En savoir plus sur /Secondaire/Guide de l’utilisateur.
3. Les composantes numériques pour les élèves Les élèves des enseignants qui ont un accès à la plateforme de Chenelière Éducation peuvent réaliser les activités interactives que les enseignants leur assignent sur tout type d’ordinateur ou de tablette. Ils ont également accès à des hyperliens. Ils protent aussi de tous les contenus numériques que leur enseignant met à leur disposition à l’aide de la plateforme (vidéos, documents personnels, etc.). Au choix de l’enseignant, les élèves peuvent également travailler avec le cahier numérique sur tout ordinateur ou sur tablette iPad avec l’application Chenelière Éducation pour iPad. Des outils d’écriture performants, qui permettent l’entrée des réponses dans le cahier numérique, sont offerts dans les deux cas.
L’OFFRE NUMÉRIQUE DE LA COLLECTION KALÉIDOSCOPE, ST, 2E ÉDITION La collection Kaléidoscope, ST, 2e édition est présentée sur la plateforme les éléments suivants sont disponibles.
, offerte en ligne. Ainsi,
Pour les élèves • Le cahier numérique accessible sur tout ordinateur et avec l’application Chenelière Éducation pour iPad ; • L’accès à près d’une vingtaine d’activités et d’exercices interactifs avec rétroaction, à faire en classe, au laboratoire ou à la maison. Ces activités sont associées aux chapitres du cahier. Une activité de consolidation est offerte pour l’univers matériel, permettant ainsi une véritable révision des chapitres 1 à 5 ; • L’accès à des hyperliens, à des animations et à des renvois de page ; • Des documents complémentaires et tout autre contenu numérique que l’enseignant mettra à leur disposition. Pour les enseignants • Les nombreuses fonctionnalités de la plateforme ; • Toutes les composantes imprimées offertes en version numérique ainsi que le contenu numérique offert aux élèves ; • • • • •
Des outils de gestion des résultats aux activités interactives ; Tous les documents reproductibles en format PDF et Word modifiable ; Les réponses qui apparaissent une à une ; L’accès à des renvois de page ; Plus d’une cinquantaine d’hyperliens (complément d’information, animations scientiques, vidéos explicatives, etc.) ; • Des animations 3D, notamment pour l’analyse d’objet technique.
ON-6
Kaléidoscope • Offre numérique
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VUE D’ENSEMBLE DES ACTIVITÉS INTERACTIVES 1. Durée des activités interactives La réalisation d’une activité interactive requiert de 20 à 45 minutes. Une activité interactive peut donc être complétée à l’intérieur d’une période de cours. 2. Lien avec les notions du cahier d’apprentissage et répartition des activités interactives Les activités interactives proposent des questions sur les notions présentées dans le cahier d’apprentissage. Certaines questions sont davantage axées sur la maîtrise de la théorie, tandis que d’autres permettent aux élèves de mettre des concepts en application. Le niveau de difficulté progresse d’une question à l’autre dans chaque activité interactive. Chaque chapitre du cahier d’apprentissage fait l’objet d’au moins une activité interactive. Ces activités permettent de réviser les sections ciblées. Nous suggérons de les faire réaliser par les élèves après qu’ils auront vu les sections ciblées pour qu’ils puissent faire un retour sur leurs apprentissages. De plus, une activité interactive de consolidation est offerte. Cette activité de consolidation permet de réviser les chapitres 1 à 5 de l’univers matériel. Nous suggérons de la faire réaliser par les élèves à la fin de l’univers matériel pour qu’ils puissent faire un retour sur leurs apprentissages. Il est toutefois possible de choisir le moment où on souhaite que les élèves réalisent cette activité. 3. Accessibilité des activités interactives Toutes les activités interactives sont accessibles sur la plateforme interactives » ou encore au fil des pages du cahier numérique.
sous le bouton « Activités
4. Planication Consulter le tableau Vue d’ensemble des activités interactives (AI), ci-dessous et à la page suivante, pour intégrer les activités interactives à la planification.
VUE D’ENSEMBLE DES ACTIVITÉS INTERACTIVES (AI) Univers et chapitres
Activités interactives (AI) et leur emplacement dans le cahier
UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1
AI 01 ST : Les modèles atomiques, p. 8 AI 02 ST : Le tableau périodique, p. 28
CHAPITRE 2
AI 03 ST : Les ions et les électrolytes, p. 45 AI 04 ST : La concentration et le pH, p. 55
CHAPITRE 3
Les transformations chimiques
AI 05 ST : La loi de la conservation de la masse et le balancement des équations chimiques, p. 69 AI 06 ST : Des exemples de transformations chimiques, p. 76
CHAPITRE 4
AI 07 ST : La loi de la conservation de l'énergie, l’énergie thermique et le rendement énergétique, p. 92
CHAPITRE 5
AI 08 ST : Les phénomènes électriques, p. 99 AI 09 ST : Les circuits électriques, p. 118 AI 10 ST : Les phénomènes électromagnétiques, p. 127
L’organisation de la matière Les propriétés physiques des solutions
Les transformations de l’énergie L’électricité et l’électromagnétisme
AI 11 ST : Consolidation de l’univers matériel, p. 128
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Kaléidoscope • Offre numérique
ON-7
Univers et chapitres
Activités interactives (AI) et leur emplacement dans le cahier
TERRE ET ESPACE CHAPITRE 6
AI 12 ST : L’espace, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère, p. 133
L’espace et l’atmosphère
CHAPITRE 7
La lithosphère et l’hydrosphère
CHAPITRE 8
AI 13 ST : La biosphère, p. 208
La biosphère
UNIVERS VIVANT CHAPITRE 9
AI 14 ST : L’écologie, p. 231
L’écologie
UNIVERS TECHNOLOGIQUE CHAPITRE 10
AI 15 ST : Les matériaux, p. 249
CHAPITRE 11
AI 16 ST : L’ingénierie mécanique, p. 277
CHAPITRE 12
AI 17 ST : L’ingénierie électrique, p. 299
Les matériaux
L’ingénierie mécanique L’ingénierie électrique
ON-8
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QUOI DE NEUF dans la 2e édition ?
ST
SCIENCE ET TECHNOLOGIE
Une collection complète conçue selon vos besoins
• Un rappel en ouverture de chapitre • Une mise à jour des données scientiques • Des contenus notionnels synthétisés en tableaux ou sous forme de schémas • Des renvois à des activités interactives • De nombreuses questions à choix multiples • Le respect des plus récentes précisions du MEES concernant l’épreuve ministérielle
Le cahier d’apprentissage
Le corrigé
Près de 500 photos, schémas, tableaux et graphiques Plus de 50 % de pages d’activités de type et de niveau de difculté variés Des activités de consolidation des apprentissages Des outils liés aux techniques utiles en science et en technologie
Le corrigé du cahier en couleurs
Le guide-corrigé Le corrigé du cahier Une proposition de planication Une banque de laboratoires et d’ateliers NOUVEAU Une banque d’activités supplémentaires Des évaluations de n de chapitres NOUVEAU Deux analyses d’objet technique NOUVEAU
De courtes analyses d’objet technique
Des contenus numériques incomparables sur la plateforme Pour les élèves
Pour les enseignants
Le cahier accessible sur tout ordinateur et sur tablette iPad Un très grand nombre d’activités et d’exercices interactifs avec rétroaction conçus selon la structure du cahier et pour chacun des programmes Des hyperliens vers des sites Internet d’intérêt (animations, vidéos, information complémentaire, etc.) Des documents complémentaires et tout autre contenu numérique que l’enseignant mettra à leur disposition Avec la plateforme i+ Interactif de Chenelière Éducation, offerte en ligne, présentez, créez, personnalisez et partagez des contenus pédagogiques et plus encore !
Les composantes de Composantes imprimées
ST
Les nombreuses fonctionnalités de la plateforme i+ Interactif Toutes les composantes imprimées en version numérique ainsi que le contenu numérique offert aux élèves Des outils de gestion des résultats aux activités interactives Des animations 3D, notamment pour l’analyse d’objet technique Tous les documents reproductibles en format PDF et Word modiable Les réponses qui apparaissent une à une et de nombreux hyperliens
, 2e édition, pour la 4e secondaire Composantes numériques
• Cahier d’apprentissage
• Plateforme
• Corrigé • Guide-corrigé
• Cahier d’apprentissage numérique • Guide-corrigé numérique
ISBN 978-2-7650-5399-6