Kaléidoscope. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités. Guide-corrigé : st science et technologie : 2e cycle du secondaire, 2e année [2-2 ST] 9782765036852, 2765036853

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Kaléidoscope. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités. Guide-corrigé : st science et technologie : 2e cycle du secondaire, 2e année [2-2 ST]
 9782765036852, 2765036853

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ST

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

2e cycle du secondaire • 2e année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Ahmed Bensaada Annie Bolduc Valérie Claude Mourad Meziane Catherine Rhéaume Karine Tardif

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Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Le tableau périodique des éléments

ST

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

2e cycle du secondaire • 2e année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Ahmed Bensaada Annie Bolduc Valérie Claude Mourad Meziane Catherine Rhéaume Karine Tardif

Kaléidoscope Science et technologie 2e cycle du secondaire – 2e année Cahier d’apprentissage – Savoirs et activités

Ahmed Bensaada, Annie Bolduc, Valérie Claude, Mourad Meziane, Catherine Rhéaume, Karine Tardif © 2012 Chenelière Éducation inc. Édition : Annie Fortier, François Moreault Coordination : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Suzanne Lavigne, Cécile Poulou-Gallet, Ginette Gratton Révision linguistique : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Ginette Gratton, Yvan Dupuis Correction d’épreuves : Sabine Cerboni Illustrations : Michel Rouleau, Late Night Studio Conception graphique et infographie : Protocole Conception de la couverture : Protocole 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 Chenelière Éducation 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 978-2-7650-3684-5

Dépôt légal : 2e trimestre 2012 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 1 2 3 4 5 ITIB 16 15 14 13 12 Nous reconnaissons l’aide financière du gouvernement du Canada par l’entremise du Fonds du livre du Canada (FLC) pour nos activités d’édition. Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.

Remerciements Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Julie Boucher, C. S. des Navigateurs, Anne Chouinard, Académie Saint-Louis, Raynald Dancause, C. S. de la Capitale, Charles Métivier, C. S. des Appalaches, Michel Paré, C. S. Chemin-du-Roy, Lorraine Parent, C. S. de la Seigneurie des Mille-Îles, Martin Roy, C. S. Chemin-du-Roy, Mélanie Smith, C. S. de la Vallée-desTisserands, Mélanie Trudel, C. S. des Hautes-Rivières, Liz Wirtanen, C. S. de la Rivière-du-Nord. Pour leur travail de révision scientifique réalisé avec expertise, l’Éditeur tient à remercier : Jocelyne Blouin (La Terre et l’espace, chapitre 3), Daniel Borcard, Université de Montréal (Univers vivant, chapitre 1), Michel Caillier, Université Laval (La Terre et l’espace, chapitres 1, 2, 4 à 6), Laurent Drissen, Université Laval (La Terre et l’espace, chapitre 7), Denis Fyfe, consultant (Univers technologique), Marie-Ève Lacombe-Harvey, Université de Sherbrooke (Univers matériel, chapitres 2 et 3), Raynald Pepin, Collège Ahuntsic (Univers matériel, chapitres 4 et 5).

Table des matières

L’univers matériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2.3 La concentration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.3.1 La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.3.2 La concentration en parties par million (ppm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

2.3.3 La dilution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

2.4 Le pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.4.1 L’échelle pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

Chapitre 1 L’organisation de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.1 Les modèles atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.1 Les premiers modèles atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Consolidation du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

1.1.2 Le modèle atomique de Rutherford (1911) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Chapitre 3 Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.1 La loi de la conservation de la masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.2 Le balancement des équations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

3.3 Des exemples de transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

3.3.1 La neutralisation acidobasique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

3.3.2 La combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

3.3.3 La photosynthèse et la respiration cellulaire . . . . . . . . . . . . .

65

1.1.3 Le modèle atomique de Rutherford-Bohr (1913) . . . . . . . . . . . . . . . . . 10A 1.2 Le tableau périodique des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1.2.1 L’organisation générale du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.2.2 Les familles du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.2.3 Les périodes du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.2.4 La notation de Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

Chapitre 2 Les propriétés physiques des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

L'activité humaine au cœur des changements climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

2.1 Les composés ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Consolidation du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

2.1.1 Les ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

2.2 Les électrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

2.2.1 La conductibilité électrique . . . . . . . . .

35

Chapitre 4 Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

2.2.2 La dissociation électrolytique . . . . .

35

4.1 L’énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

Vérifier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.1.1 La loi de la conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

2.2.3 Les acides, les bases et les sels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2 L’énergie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

40

4.2.1 La distinction entre la chaleur et la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.3 Le rendement énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

Consolidation du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

OUTIL

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Table des matières

III

Chapitre 5 L’électricité et l’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

5.1 Les phénomènes électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

5.1.1 La charge électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

5.1.2 L’électricité statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

5.2 Les circuits électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

5.2.1 Les types de circuits électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

Mesurer le courant et la différence de potentiel . . . . . . . . . . . . . . .

98

OUTIL

Chapitre 2

5.2.2 La loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 La relation entre la puissance et l'énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3 Les phénomènes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . 134

2.1 Les bassins versants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 2.2 La salinité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’eau potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 2.3 La circulation océanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.3.1 Les courants de surface . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.3.2 Les courants de profondeur. . . . . . . . 140 2.3.3 La circulation thermohaline . . . . . . . . 140 2.4 Les glaciers et les banquises . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Consolidation du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Chapitre 3

L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

3.1 Les masses d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.3.1 Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques . . . . . . 114

3.2 La circulation atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

5.3.2 Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.3.1 La formation d'un cyclone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Consolidation du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.3 Les cyclones et les anticyclones . . . . . . . . . . . . 149

3.3.2 La formation d'un anticyclone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.4 L’effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Consolidation du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

La Terre et l’espace . . . . . . . . . . . . . . . 125

Chapitre 4 Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

126

4.1 Les ressources énergétiques de la lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

1.1 Les minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.1.1 Les énergies fossiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

1.2 Les horizons du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.1.2 L'énergie nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Chapitre 1

La lithosphère

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

1.3 Le pergélisol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

La déforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.1.3 La géothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.2.1 L'énergie hydroélectrique . . . . . . . . . . . . . 167 4.2.2 L'énergie marémotrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.3 Les ressources énergétiques de l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Consolidation du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

IV

Table des matières

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Chapitre 5 Les cycles biogéochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

L’univers vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.1 Le cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.1 La portion biochimique . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.2 La portion géochimique . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.2 Le cycle de l’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Chapitre 1

L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

5.2.1 Le cycle de l'azote en milieu terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

1.1 La biosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

5.2.2 Le cycle de l'azote en milieu aquatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

1.1.2 Les communautés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Consolidation du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

1.2 Les interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Chapitre 6 Les régions climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 6.1 Les biomes terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

1.1.1 Les populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 1.1.3 Les écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 1.2.1 La dynamique des populations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 1.2.2 La dynamique des communautés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

6.2 Les biomes aquatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

1.2.3 La dynamique des écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.2.1 Les biomes marins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

1.2.4 Les facteurs écologiques . . . . . . . . . . . . . 219

6.2.2 Les biomes d'eau douce . . . . . . . . . . . . . . 194

1.3 Les transformations de la matière et de l’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

6.3 Les facteurs influençant la distribution des biomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Consolidation du chapitre 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Chapitre 7

L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

7.1 Le flux d’énergie émis par le Soleil . . . . . . . 200

1.3.1 La productivité primaire . . . . . . . . . . . . . . . 224 1.3.2 Le flux de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 1.3.3 Le recyclage chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 1.3.4 Le flux de l'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

7.2 Le système Terre-Lune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Consolidation du chapitre 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

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Table des matières

V

L’univers technologique . . . 231

Chapitre 3 L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 3.1 La fonction d’alimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

3.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

1.1 Les contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

3.2.2 La fonction d’isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

1.2 Les propriétés mécaniques des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

3.2.3 La fonction de protection . . . . . . . . . . . . 281

Chapitre 1

1.3 Les types de matériaux et leurs propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

3.3 La fonction de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 3.3.1 Les types d’interrupteur . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

3.4 La fonction de transformation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

Chapitre 2 L’ingénierie mécanique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

3.4.1 La transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

2.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3.4.2 La transformation de l’énergie électrique en énergie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

2.2 La fonction de guidage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 2.3 Les systèmes de transmission du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 2.4 Les systèmes de transformation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Consolidation du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

VI

3.2.1 La fonction de conduction . . . . . . . . . . 280

Table des matières

3.4.3 La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Consolidation du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

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L’organisation du cahier

Le début d’une partie

Le cahier est divisé en quatre parties : l’univers matériel, la Terre et l’espace, l’univers vivant et l’univers technologique.

Le début d’un chapitre Un sommaire présente les chapitres d’une partie.

Un chapitre est divisé en plusieurs sections.

Un texte d’introduction annonce le contenu d’un chapitre.

Le contenu d’un chapitre Chaque section porte sur des concepts à l’étude. Les définitions des concepts sont mises en évidence.

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La rubrique Outil présente des techniques utiles en science et technologie.

Les activités sont constituées d’un grand nombre d’exercices et de problèmes qui portent sur les notions abordées dans la section qui les précède. L’organisation du cahier

VII

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.

La rubrique Flash science ou Flash techno apporte de l’information complémentaire.

VIII

L’organisation du cahier

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.

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L’univers matériel Sommaire CHAPITRE

CHAPITRE

CHAPITRE

CHAPITRE

CHAPITRE

1 2 3 4 5

L’organisation de la matière 

         

Les propriétés physiques des solutions          

2



29

Les transformations chimiques        

    

55

Les transformations de l’énergie       

    

73

L’électricité et l’électromagnétisme

    

89

1

C HAPITRE

1

L’organisation de la matière

Derrière toute matière se cache une organisation complexe qui a été explorée par plusieurs générations de philosophes et de savants. La découverte de la structure de la matière est l’une des plus passionnantes de l’histoire des sciences. Elle démontre que la perspicacité de l’être humain lui permet de décrire, de façon détaillée, ce qui est invisible et infiniment petit. Ce chapitre vous fera découvrir les modèles atomiques qui ont permis de comprendre la structure de l’atome. Il vous permettra aussi d’utiliser le tableau périodique des éléments, de comprendre son organisation, de vous familiariser avec les familles d’éléments et de connaître leurs propriétés.

2

Date :

Les modèles atomiques

L’univers matériel

1.1

Groupe :

1.1

Nom :

De tout temps, les scientiques 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.

1.1.1

Les premiers modèles atomiques

Les premiers modèles atomiques montrent que, d’une vision purement philosophique de la structure de la matière, on est passé à une approche scientique basée sur les résultats d’expériences. Les modèles ainsi obtenus ont évolué et évoluent encore aujourd’hui au gré des progrès technologiques et scientiques.

Les modèles de l’Antiquité grecque Bien avant notre ère, des philosophes grecs se sont questionnés sur la nature de la matière. Deux modèles se sont alors opposés, illustrant des représentations différentes de la matière. Le premier modèle, celui de Démocrite (460-370 av. J.-C.), montre que la matière est constituée de particules indivisibles et inniment petites (voir la gure 1). Ces particules ont été nommées « atomes », mot provenant du grec atomos qui veut dire « indivisible ». Selon Démocrite, la matière est discontinue, car, lorsque les particules sont assemblées, il y a un vide entre elles.

Selon le modèle de Démocrite, la matière est discontinue et constituée de particules indivisibles pleines qui ont différentes formes. FIGURE 1

Cette vision de la matière n’était pas partagée par le philosophe Aristote (384-322 av. J.-C.) qui n’acceptait pas les notions d’indivisibilité et de vide dans la matière. Il pensait plutôt que la matière était continue, donc divisible à l’inni. On sait aujourd’hui que la vision d’Aristote était erronée ; malgré tout, son modèle atomique fut utilisé pendant plus de 2 000 ans par des générations de philosophes et de scientiques.

Le modèle de Dalton (1808) En 1808, le savant anglais John Dalton (1766-1844) tire de l’oubli le modèle atomique de Démocrite et l’améliore. Dans la conception de Dalton, les atomes sont considérés comme des sphères pleines, uniformes et indivisibles (voir la gure 2). C’est l’étude de la solubilité des gaz dans l’eau qui donne l’occasion à Dalton de proposer le premier modèle atomique fondé sur des observations et des expériences scientiques. Sa théorie est basée sur les points suivants : 1. La matière est constituée de particules indivisibles que l’on appelle « atomes ». 2. Les atomes d’un même élément sont identiques. 3. Les atomes d’éléments distincts sont différents.

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Une représentation du modèle atomique de Dalton, surnommé le « père de la théorie atomique ». FIGURE 2

4. Lors des réactions chimiques, les atomes se réassemblent pour former de nouvelles substances. Chapitre 1

L’organisation de la matière

3

Groupe :

1.1

Nom :

Date :

L’univers matériel

Le modèle de Thomson (1897)

Pâte

Raisin sec

Bien que le modèle de Dalton ait été utilisé dans les travaux de nombreux scientiques du 19e siècle, il n’explique pas pour autant les phénomènes électriques de la matière. C’est Joseph John Thomson (1856-1940), un scientique anglais, qui considéra ces phénomènes et modia le modèle de Dalton. Thomson t de nombreuses expériences avec un nouvel appareil comprenant un tube à décharge électrique : le tube cathodique. Ses recherches lui permirent de découvrir une particule de l’atome qu’il nomma « électron ». Cette découverte fut très importante. Elle montrait que l’atome n’est plus indivisible, contrairement à ce que préconisait Dalton. Joseph John Thomson reçut, pour cette découverte, le prix Nobel de physique en 1906.

a ) Un plum-pudding. Sphère pleine (charge positive) Électron (charge négative)

L’électron est une particule subatomique (c’est-à-dire qu’elle est située à l’intérieur de l’atome) de charge négative, beaucoup plus petite que l’atome. Pour tenir compte de l’existence de cette particule, Thomson a proposé un nouveau modèle qui explique les propriétés électriques de la matière : 1. L’atome est considéré comme une sphère pleine, de charge positive. 2. Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère.

b ) Le modèle atomique de Thomson.

Le modèle atomique de Joseph John Thomson fut comparé à un dessert britannique. FIGURE 3

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. Le modèle de Thomson est appelé « plum-pudding » parce qu’on le compare au gâteau anglais du même nom, constitué d’une pâte contenant des raisins secs (voir la gure 3).

1.1.2 Le modèle atomique de Rutherford (1911) Au début du 20e siècle, un nouveau phénomène physique intrigua les scientiques : la radioactivité. Parmi eux, il y avait le Néo-Zélandais Ernest Rutherford (1871-1937) qui s’intéressait à l’interaction entre le rayonnement radioactif et la matière. Rutherford travaillait en Angleterre dans le laboratoire de Joseph John Thomson. En 1903, il t une expérience et réussit à identier les constituants du rayonnement radioactif en utilisant un champ électrique. Sachant que les charges électriques se repoussent si elles sont de même signe et s’attirent lorsqu’elles sont de signes contraires, Rutherford découvrit, par cette expérience, que le rayonnement radioactif était composé de trois constituants : • de très petites particules de charge positive, les particules α (alpha) ; • des particules de charge négative, les particules β (bêta) ; • un rayonnement électriquement neutre, les rayons γ (gamma). 4

L’univers matériel

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En 1909, Rutherford réalisa une expérience historique : il bombarda une mince feuille d’or uniquement de particules α (chargées positivement). Les résultats furent surprenants. Trois types de comportement furent alors observés (voir la gure 4 a) :

Date :

1.1

Groupe :

Flash science

L’univers matériel

Nom :

1. La majorité des particules α traversa la feuille d’or sans aucune déviation. 2. Un petit nombre de particules α (environ 1/10 5 ) ne traversa pas la feuille d’or, mais rebondit plutôt sur elle. 3. Un certain nombre de particules α fut dévié après avoir traversé la feuille d’or. 3 2

1

2

3

1 Noyau

3 Faisceau de particules α (alpha)

1 3

Feuille d’or

a ) Les observations de Rutherford. FIGURE 4

Le laboratoire Cavendish

Atome b ) L’interprétation de Rutherford.

L’expérience de la feuille d’or de Rutherford.

Ces résultats démontrèrent que le modèle de Thomson, selon lequel l’atome est une sphère pleine, était inexact. Voici comment Rutherford interpréta ses observations (voir la gure 4 b) : 1. L’observation 1 montre que l’atome est essentiellement constitué de vide, puisque les particules α traversent la feuille d’or sans rencontrer aucun obstacle. 2. L’observation 2 indique que la matière est concentrée dans un petit espace (dont le diamètre est 105 fois plus petit que celui de l’atome). C’est ce que Rutherford a appelé, en 1911, le « noyau » de l’atome.

Surnommé « la pépinière des prix Nobel », le laboratoire Cavendish a joué un rôle majeur dans la recherche sur la structure atomique. Ce laboratoire appartient à l’Université de Cambridge (Angleterre) ; il a été inauguré en 1874 en hommage à Henry Cavendish, un célèbre physicien anglais. Joseph John Thomson et Ernest Rutherford, qui ont découvert respectivement l’électron et le proton, y ont travaillé. Ils ont reçu chacun un prix Nobel pour leur apport considérable à la connaissance de l’atome (Thomson en 1906 et Rutherford en 1908).

3. L’observation 3, quant à elle, montre que le noyau possède une charge identique à celle des particules α, puisque celles-ci ont été déviées. On peut alors en déduire que le noyau possède une charge positive.

Noyau

Électron

Ainsi, les caractéristiques essentielles du modèle atomique de Rutherford, illustré à la gure 5, sont les suivantes : • L’atome est essentiellement constitué de vide. • L’atome possède un noyau très petit comparativement à sa propre taille. Ce noyau est chargé positivement, et c’est là que se concentre la quasi-totalité de la matière. • Les électrons se déplacent autour du noyau dans un espace formant une sphère beaucoup plus grande que la taille du noyau. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1

Une représentation du modèle atomique de Rutherford. FIGURE 5

L’organisation de la matière

5

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.1

Le modèle atomique de Rutherford, surnommé « modèle plané­ taire » à cause de sa similitude avec le mouvement des objets célestes (les électrons) qui gravitent autour du Soleil (le noyau), eut beau­ coup de succès à l’époque. En 1919, d’autres expériences permirent à Rutherford de montrer que le noyau est composé de particules positives, qu’il nommera les « protons ». Et comme l’atome est électriquement neutre, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons qui gravitent autour du noyau.

Communauté scientifique Ernest Rutherford (1871-1937)

Ernest Rutherford, quatrième enfant d’une fratrie de 12, est d’origine néo-zélandaise. 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

1.1.1 et 1.1.2

Durant l’Antiquité grecque, deux philosophes ont proposé des modèles pour représenter la structure de la matière. a ) De qui s’agit-il ?

b ) Comparez, en quelques mots, leurs modèles atomiques.

6

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

Peut-on dire que les modèles de Démocrite et d’Aristote sont des modèles scientifiques ? Expliquez votre réponse.

3

Quelle propriété physique de la matière Dalton a-t-il étudiée pour pouvoir énoncer son modèle ?

4

Sur quel modèle de l’Antiquité grecque Dalton s’est-il appuyé pour proposer son modèle ?

5

Quelles sont les caractéristiques du modèle de Dalton ?

6

Pourquoi le modèle de Dalton a-t-il été modifié ?

7

Le schéma suivant représente une réaction chimique.

L’univers matériel

2

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 ?

c ) quel point de sa théorie ce schéma illustre-t-il ?

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

1.1

Nom :

7

L’univers matériel

1.1

Nom :

Groupe :

Date :

8

Le modèle de Thomson a été proposé à la suite de la découverte d’une particule subatomique. Nommez cette particule et donnez la nature de sa charge électrique.

9

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 ) Thomson a découvert l’électron en réalisant des expériences à l’aide d’un appareil appelé « écran cathodique ». b ) L’atome est considéré comme une sphère vide, de charge positive. c ) Thomson a découvert l’électron en réalisant des expériences à l’aide d’un appareil appelé « tube cathodique ».



d ) Les électrons, de charge négative, sont répartis de façon irrégulière dans cette sphère. e ) L’atome est considéré comme une sphère pleine, de charge positive.



f ) Les électrons, de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère.



g ) L’atome est une sphère pleine dans laquelle les électrons sont insérés.



h ) Durant ses expériences, Thomson a découvert des particules positivement chargées. 10

Quel surnom donne-t-on au modèle de Thomson ? Pourquoi lui donne-t-on ce surnom ?

11

Selon le modèle de Thomson, l’atome est-il électriquement neutre ? Expliquez votre réponse.

12

La découverte de l’électron par Thomson représente un tournant historique dans la recherche sur l’atome. Pourquoi ?

8

L’univers matériel

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Date :

L’expérience que réalisa Rutherford en 1903 lui fournit une première piste quant à l’élaboration de son modèle atomique.

1.1

13

Groupe :

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.

L’univers matériel

Nom :

b ) Comment Rutherford arriva-t-il à identifier les trois constituants du rayonnement radioactif ?

c ) Cette expérience lui fit voir un comportement de la matière qui ne pouvait pas être expliqué avec le modèle de Thomson. Lequel ?

14

Le modèle de Thomson a été modifié, car il ne tenait pas compte d’un phénomène peu connu à son époque. Lequel ?

15

Expliquez comment il est possible de modifier le modèle de Thomson de façon à obtenir celui de Rutherford.

16

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

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

9

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.1

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 leurs trajectoires donnent une indication sur la charge électrique du noyau. Quelle est cette charge ? Expliquez votre réponse.

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.

17

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 ?

10

L’univers matériel

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Nom :

Date :

En 1919, Rutherford fit une nouvelle découverte.

1.2

18

Groupe :

L’univers matériel

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 ?

1.2

Le tableau périodique des éléments

La découverte des différents éléments qui existent dans la nature est l’œuvre de nombreux scientiques qui, durant des siècles, ont sondé la matière. À mesure que les techniques permettant d’identier 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 xes lorsqu’on classait les éléments selon l’ordre croissant de leur masse atomique. Dans le tableau périodique actuel (voir la gure 6, 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 modications engendrées par ce changement sont mineures, et la notion de périodicité demeure une des caractéristiques fondamentales du tableau des éléments.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

11

1.2

FIGURE 6

Le tableau périodique des éléments.

L’univers matériel 12

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

1.2

Nom :

L’univers matériel

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 gure 6, à la page précédente. 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 gure 7). Ces éléments ont des propriétés communes. Ils sont brillants, malléables (ils peuvent être déformés sans se casser) et de bons conducteurs électriques et thermiques. Plusieurs de ces métaux réagissent avec les acides. De plus, ils sont tous solides à température ambiante, sauf le mercure (Hg). Beaucoup moins nombreux, les non-métaux sont localisés à droite de l’escalier du tableau périodique (ce sont les cases orange de la gure 7), 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 gure 7). Les métalloïdes

Les non-métaux

Les métaux

FIGURE

7

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 14 à 16, vous verrez à quoi elles correspondent.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

13

Groupe :

1.2

Nom :

1.2.2

Date :

Les familles du tableau périodique

L’univers matériel

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 : de I A ou B à VIII A ou B (voir la gure 6, à la page 12). Le chiffre romain 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 gure 8). Une famille 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. Lithium (Li)

Les alcalins

Les gaz inertes

Les alcalino-terreux

Les halogènes

Sodium (Na)

FIGURE 8

Quatre des 18 familles du tableau périodique.

La famille 1 (I A) : les alcalins

Potassium (K)

La configuration électronique des alcalins montre que ceux-ci ne possèdent qu’un seul électron de valence. FIGURE 9

14

L’univers matériel

Situés dans la première colonne du tableau périodique (voir la gure 8), 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 gure 9 illustre la conguration 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.

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.2

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.

La famille 2 (II A) : les alcalino-terreux Situés dans la deuxième colonne du tableau périodique (voir la gure 8, à la page précédente), 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 gure 10 montre la conguration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalino-terreux.

Béryllium (Be) FIGURE 10

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.

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 gure 8, à la page précédente). Ils possèdent sept électrons de valence, comme l’indique le chiffre romain (VII) placé en haut de la colonne. La gure 11 présente la conguration électronique de deux éléments appartenant à la famille des halogènes.

Fluor (F)

Éléments colorés, les halogènes peuvent être gazeux à température ambiante, comme le uor (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.

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Chapitre 1

Chlore (Cl)

Les halogènes possèdent sept électrons de valence. FIGURE 11

L’organisation de la matière

15

Nom :

Groupe :

Date :

1.2

La famille 18 (VIII A) : les gaz inertes

L’univers matériel

La dernière colonne du tableau périodique est celle des gaz inertes (voir la gure 8, à la page 14). La dernière couche de ces éléments, appelée « couche périphérique », 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 gure 12 montre la conguration électronique de trois éléments appartenant à la famille des gaz inertes.

Hélium (He)

Les gaz inertes, aussi appelés « gaz nobles » ou « gaz rares », sont tous à l’état gazeux à température ambiante. Ils sont qualiés 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.

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 gure 6, à la page 12). Néon (Ne)

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 ».

Argon (Ar)

Une période correspond à une rangée dans le tableau périodique, et ses éléments comptent le même nombre de couches électroniques.

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 complète, soit huit électrons.

Chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée à la conguration électronique des éléments. L’hélium (He), par exemple, est situé dans la première période et possède une couche électronique, alors que l’argon (Ar) se trouve dans la troisième période et possède trois couches électroniques (voir la gure 12). Il en est de même pour les autres périodes du tableau périodique (voir les gures 9, 10 et 11, aux pages 14 et 15).

FIGURE 12

16

L’univers matériel

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Groupe :

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 ?

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

La charge ionique

Zn zinc 65,38

4

La masse atomique (u)

Le tableau périodique des éléments comporte trois régions principales. a ) Quelles sont ces régions ?

b ) Quelle région contient le plus grand nombre d’éléments ?

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

17

L’univers matériel

Activités

Date :

1.2

Nom :

Date :

1.2

Groupe :

c ) Quelle région contient le moins grand nombre d’éléments ?

L’univers matériel

Nom :

d ) Nommez deux éléments qui font partie de la région qui n'a pas été nommée dans les réponses aux questions b et c.

5

Le tableau périodique des éléments contient une ligne en forme d’escalier. a ) À quoi sert cet escalier ?

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

18

L’univers matériel

Régions du tableau périodique Métaux

Non-métaux

Métalloïdes

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Date :

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 ) Plusieurs 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 ?

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

19

1.2

7

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

9

Groupe :

Date :

Dans la représentation du tableau périodique ci-dessous : a ) identifiez les familles marquées d’une flèche ;

L’univers matériel

1.2

Nom :

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 suivants 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.

20

L’univers matériel

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Date :

1.2

Groupe :

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 de l’élément

Symbole de l’élément

Configuration électronique

Nombre Numéro d’électrons de famille

Nombre d’électrons de valence

Numéro de période

Nombre de couches électroniques

Be

17

IA

3

8

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Chapitre 1

3

L’organisation de la matière

21

L’univers matériel

Nom :

13

Groupe :

Date :

Qui suis-je? Entourez la bonne réponse. a ) Je suis un élément solide à température ambiante, brillant ainsi que bon conducteur électrique et thermique.

L’univers matériel

1.2

Nom :

1) Un métal 2) Un métalloïde 3) Un non-métal b ) Je suis un élément solide à température ambiante, brillant et mauvais conducteur d’électricité. 1) Un métal 2) Un métalloïde 3) Un non-métal c ) Je suis la seule famille du tableau périodique dont l’un des éléments ne possède qu’une seule couche électronique. 1) Les alcalins 2) Les alcalino-terreux 3) Les halogènes 4) Les gaz inertes d ) Je suis la seule famille du tableau périodique dont les éléments peuvent être solides, liquides ou gazeux à température ambiante. 1) Les alcalins 2) Les alcalino-terreux 3) Les halogènes 4) Les gaz inertes 14

Complétez le tableau suivant en cochant la case appropriée pour chaque famille du tableau périodique. Famille du tableau périodique

Nombre d’électrons de valence 1

2

7

2 ou 8

Gaz inertes Alcalino-terreux Halogènes

Alcalins 15

Combien d’éléments du tableau périodique comptent : a ) une couche électronique ? b ) deux couches électroniques ? c ) trois couches électroniques ?

22

L’univers matériel

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Groupe :

1.2.4

Date :

1.2

Nom :

La notation de Lewis

L’univers matériel

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 conguration électronique d’un atome ; on peut illustrer uniquement les électrons de valence. C’est cette idée qu’a eue le scientique américain Gilbert Newton Lewis (1875-1946) en proposant, en 1916, une notation qui porte son nom : la notation de Lewis. La notation de Lewis 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.

F Fluor

Na

Al

Cl

Sodium

Aluminium

Chlore

Ca

Br

Calcium

Brome

La notation de Lewis de quelques éléments du tableau périodique. FIGURE 13

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 ; 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 gure 13).

Activités 1

1.2.4

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.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

23

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.2

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.

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.

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.

24

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

1.2

c ) Que remarquez-vous quant à l’organisation des électrons de valence dans ce tableau ? Expliquez votre réponse.

4

Pour quelle raison Gilbert Newton Lewis a-t-il proposé la notation qui porte maintenant son nom ?

5

Existe-t-il des métalloïdes qui possèdent moins de quatre points dans leur représentation de Lewis ?

6

Selon la notation de Lewis, les points sont disposés sur les côtés d’un carré imaginaire autour du symbole de l’élément. Pourquoi doit-on mettre un maximum de deux points par côté ?

7

Complétez le tableau suivant en traçant la notation de Lewis des éléments donnés. Configuration électronique

Notation de Lewis

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Configuration électronique

Chapitre 1

Notation de Lewis

L’organisation de la matière

25

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Découverte du neutron

Modèle de Démocrite

Modèle d’Aristote

Modèle de Dalton

Modèle de Thomson

Modèle de Rutherford

Naissance de J.-C.

Années

1200

1600

1800

2000

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé correspondant de la colonne de droite. a ) Hydrogène (H)

1) Je possède 36 électrons.

b ) Azote (N)

2) Je possède le même nombre d’électrons de valence que le lithium (Li), mais deux couches électroniques de plus que lui.

c ) Calcium (Ca)

3) Je possède cinq électrons de plus que le phosphore (P).

d ) Hélium (He)

e ) Potassium (K)

f ) Krypton (Kr)

26

1

Placez les événements suivants en ordre chronologique sur la ligne du temps.

-500

3

Date :

L’univers matériel

4) Je suis le gaz inerte qui possède le plus petit nombre de couches électroniques. 5) Je possède deux couches électroniques et cinq électrons de valence. 6) Je suis situé dans la première colonne du tableau périodique, mais je n’appartiens pas à la famille des autres éléments de cette colonne.

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Nom :

Date :

Remplissez la grille de mots ci-dessous à l’aide des énoncés qui suivent. II

L’univers matériel

3

Groupe :

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

VERTICALEMENT

1

Métal appartenant à la douzième famille.

I

2

Famille d’éléments possédant sept électrons de valence.

Se dit d’une couche électronique qui contient un nombre maximum d’électrons.

II

Élément qui a sept électrons de valence et qui est situé dans la troisième période du tableau périodique.

3

Alcalino-terreux qui a une couche électronique de plus que le calcium.

4

Groupe d’éléments ayant le même nombre d’électrons de valence.

III

Gaz inerte qui a deux couches électroniques.

IV

5

Élément de la famille des alcalins situé dans la sixième période du tableau périodique.

Alcalin qui possède une couche électronique de plus que l’hydrogène.

V

6

Non-métal situé à gauche de l’escalier du tableau périodique.

Famille d’éléments qui réagissent violemment avec l’eau pour former des bases.

VI

7

Élément situé dans la deuxième colonne et la troisième période du tableau périodique.

Tout élément situé à gauche de l’escalier du tableau périodique.

VII

Métal qui a quatre couches électroniques.

8

Son symbole est Sn.

VIII

9

Autre nom des gaz inertes.

Son nom fut donné à l’une des façons de représenter l’atome d’un élément.

10

Gaz inerte n’ayant pas le même nombre d’élec trons de valence que le reste de sa famille.

IX

Se dit des gaz qui sont caractérisés par une très grande stabilité chimique.

X

Élément situé entre le césium et le lanthane.

XI

Bien qu’il ait quatre couches, sa représentation de Lewis ne comporte que deux points.

XII

Rangées du tableau périodique numérotées de 1 à 7.

XIII

Savant russe qui a élaboré le premier tableau dans lequel les éléments étaient classés selon leurs propriétés physicochimiques.

11

Alcalino-terreux qui a le plus petit rayon atomique de sa famille.

12

Il a été découvert par J. J. Thomson.

13

Élément non métallique possédant 53 protons.

14

Les éléments d’une même famille possèdent le même nombre d’électrons de…

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

27

L’univers matériel

Nom :

4

Groupe :

Date :

Remplissez le tableau qui suit. Les caractéristiques du silicium (Si)

5

Numéro atomique

Nombre de masse

Métal, non-métal ou métalloïde

Numéro de colonne dans le tableau périodique

État à la température ambiante

Numéro de période dans le tableau périodique

Nombre de protons

Nombre de couches électroniques

Nombre d’électrons

Configuration électronique

Nombre d’électrons de valence

Représentation selon la notation de Lewis

Indiquez à l’aide d’un crochet si chacune des notations suivantes est vraie ou fausse. Notation de Lewis

28

L’univers matériel

Vraie

Fausse

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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. L’air, l’eau potable et l’acier sont, par exemple, des mélanges homogènes qu’on appelle aussi « solutions ». Les solutions sont constituées d’une ou de plusieurs substances dissoutes (les solutés) dans une autre substance (le solvant). L’eau est considérée comme le solvant universel, puisqu’elle peut dissoudre un très grand nombre de substances ; les solutions qui en résultent sont des solutions aqueuses. Dans ce chapitre, vous découvrirez comment la nature et la quantité de sub­ stances dissoutes dans l’eau donnent aux solutions aqueuses certaines de leurs propriétés physiques. Vous verrez pourquoi des solutions conduisent le courant électrique et d’autres non, pourquoi des solutions sont acides et d’autres basiques et pourquoi ces solutions ont des pH différents. Vous étudierez aussi les méthodes de calcul qui permettent de déterminer avec précision la concentration d’une solution.

29

Groupe :

2.1

Nom :

L’univers matériel

2.1

Date :

Les composés ioniques

Dans l’environnement, la plupart des substances existent sous forme de composés et non sous forme d’atomes individuels. Cela est dû au fait que les atomes ont tendance à se lier à d’autres atomes pour former une molécule ou un composé. Selon la nature de la liaison entre les différents atomes du composé, celui-ci est dit « covalent » ou « ionique ». Lorsqu’il y a transfert d’électrons d’un atome à un autre, il y a formation d’une liaison ionique ; le produit ainsi formé se nomme « composé ionique ». C’est le cas, par exemple, du chlorure de sodium (NaCl), également appelé « sel de table », qui est constitué d’un ion sodium (Na+) et d’un ion chlore (Cl-). Les ions sont la base de la formation des composés ioniques. Ils peuvent être constitués d’un seul atome ou d’un groupe d’atomes. Vous allez étudier la formation des ions constitués d’un seul atome.

2.1.1

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. Ainsi, le sodium (Na), ayant un seul électron de valence sur sa couche périphérique, cherchera à perdre cet électron pour acquérir la conguration électronique du gaz inerte (nommé aussi « gaz rare » ou « gaz noble ») situé le plus près de lui dans le tableau périodique. La conguration 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 conguration 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 gures 2 et 3, à la page suivante).

a ) L’atome d’hélium (He).

b ) L’atome de néon (Ne).

FIGURE 1 La configuration électronique de deux gaz inertes : l’hélium (He) et le néon (Ne).

30

L’univers matériel

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 gure 1). Tous les atomes, qui ont de un à sept électrons de valence, cherchent à acquérir huit électrons sur leur dernière couche, ou deux si l’atome est proche de l’hélium (He), en cédant ou en gagnant des électrons. C’est ce qu’on appelle la « règle de l’octet ». Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Date :

Comment les atomes qui ne possèdent pas huit électrons sur leur couche périphérique nissentils 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 gure 1, à la page précédente), 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 gure 2). 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 gure 3). Les composés ioniques, constitués uniquement de deux éléments, sont généralement formés d’un élément métallique et d’un élément non métallique. Lors de la dissolution de ces composés ioniques dans l’eau, les atomes métalliques ont tendance à perdre des électrons. 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. Ils forment alors des ions négatifs de charge égale au nombre d’électrons acquis (voir le tableau 1). TABLEAU 1

2.1

Groupe :

Perte

a ) L’atome neutre b ) La perte c ) L’ion sodium de sodium (Na). d’un électron. (Na +) ou cation.

Le processus d’ionisation de l’atome de sodium (Na). FIGURE 2

Gain

a ) L’atome neutre de chlore (CI).

b ) Le gain c ) Un ion chlore d’un électron. (CI - ) ou anion.

Le processus d’ionisation de l’atome de chlore (Cl). Il est à noter que, lors de la formation d’un ion, le nombre de protons de l’atome n’est jamais modifié. FIGURE 3

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

Tendance à gagner des électrons Ion formé

0

+4

+3

+2

+1

Li +

Be2+

B3 +

C4+/C4 -

N3-

O2-

F-

Na+

Mg2+

Al3+

Si4+/Si4-

P3 -

S2-

Cl -

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Chapitre 2

0 Aucun

Les propriétés physiques des solutions

31

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

On remarque, dans le tableau 1 présenté à la page précédente, que les éléments de la famille IV A peuvent perdre ou gagner quatre électrons pour former soit le cation X4 +, soit l’anion X4 -.

2.1 L’univers matériel

Date :

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

2.1

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Lors de la formation d’un ion, le nombre de protons que possède l’atome change.

b ) Un atome qui perd des électrons sera chargé négativement. Il s’appellera un « cation ».

c ) Les métaux ont tendance à former des cations, alors que les non-métaux forment plutôt des anions.

d ) La charge portée par un ion est toujours égale au nombre d’électrons de valence de l’atome.

. 2

3

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

L’univers matériel

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Nom :

5

Date :

a ) HI

d ) K2S

g ) MnS

b ) MgF2

e ) BN

h ) Cu2O

c ) Al2O3

f ) CuO

i ) CoCl3

2.1

Quels ions sont formés lorsqu’on dissout les composés ioniques suivants dans l’eau ?

L’univers matériel

4

Groupe :

Pour chacune des configurations électroniques 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. a)

d)

g)

b)

e)

h)

c)

f)

i)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

33

6

L’univers matériel

2.1

Nom :

Groupe :

Date :

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+

7

Si l’on considère les vingt premiers éléments du tableau périodique, dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Vrai Faux a ) La perte d’un ou de plusieurs électrons de valence permet à un métal d’acquérir la configuration électronique du gaz inerte qui se trouve dans la même période que lui. b ) L’ion sodium (Na+) et l’ion fluorure (F -) possèdent la même configuration que le néon (Ne), un gaz inerte. c ) Le gain d’un ou de plusieurs électrons permet à un non-métal d’acquérir la configuration électronique du gaz inerte qui le précède dans le tableau périodique. d ) L’atome de silicium (Si) peut acquérir la configuration électronique de deux gaz inertes, le néon (Ne) et l’argon (Ar). e ) Les non-métaux qui possèdent sept électrons de valence vont, en gagnant un électron, posséder la même configuration électronique que l’argon (Ar), un gaz inerte. f ) Seul l’ion hydrogène (H+) peut posséder la configuration électronique de l’hélium (He), un gaz inerte. g ) L’ion calcium (Ca2+) et l’ion sulfure (S2-) ont la même configuration électronique sur leur couche périphérique. h ) L’ion aluminium (Al3+) et l’ion phosphure (P3-) ont la même configuration électronique que l’argon (Ar), un gaz inerte.

34

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

2.2

Nom :

L’univers matériel

2.2 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.

2.2.1

La conductibilité électrique

Dans l’expérience présentée à la gure 4, 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. La conductibilité électrique 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 un « électrolyte », et la solution ainsi formée est une solution électrolytique.

Une expérience de conductibilité électrique. FIGURE 4

Un électrolyte 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 un composé ionique formé 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 un composé moléculaire constitué uniquement d’atomes non métalliques ; c’est le cas du sucre (C12H22O11).

2.2.2

La dissociation électrolytique

Molécule d’eau : H2O (l)

Selon la nature du soluté, la dissolution peut être moléculaire ou ionique. La dissolution moléculaire se produit lors de la dissolution d’un non-électrolyte. Lorsque le soluté 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 gure 5). Il est à noter que les indices entre parenthèses, à la gure 5, indiquent l’état physique des substances : liquide (l), aqueux (aq), solide (s) ou gazeux (g). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2

Les molécules de sucre (C12H22O11), lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau, deviennent des molécules aqueuses entourées de molé­ cules d’eau. FIGURE 5

Les propriétés physiques des solutions

35

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

2.2

La dissolution ionique se produit lorsqu’un électrolyte est dissous dans l’eau. Les molécules de soluté se détachent alors 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 gure 6).

NaCl(s) La dissociation électrolytique du sel de table (NaCl) en ions positifs (Na +) et négatifs (Cl - ) dans l’eau. FIGURE 6

Na +(aq)

Cl -(aq)

On peut représenter une dissociation moléculaire ou électrolytique 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 (C12H22 O11) dans l’eau peut être représentée par l’équation suivante : C12H22O11(s) → C12H22O11(aq)

Puisque la dissociation du sucre est moléculaire, il n’y a pas de formation d’ions. 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 gure 6, 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)

36

L’univers matériel

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OUTIL

Date :

Vérifier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse

La conductibilité électrique est une propriété caractéristique de certains solides et de certains liquides, qui peut être décelée par un détecteur muni de deux électrodes reliées à un témoin lumineux (voir la figure 7). Pour tester la conductibilité électrique d’une solution, il faut procéder de la manière suivante : 1. Avant chaque test, rincer les électrodes avec de l’eau distillée, puis les essuyer.

2. S’assurer que la concentration des solutions à tester est suffisamment grande pour que l’appareil détecte la présence des ions dans les solutions. 3. Placer les deux électrodes du détecteur de conductibilité en contact avec la solution à expérimenter. 4. Si le témoin lumineux s’allume, cela signifie que la substance est conductrice d’électricité.

Témoin lumineux

Témoin lumineux

a ) L’eau salée conduit l’électricité. FIGURE 7

b ) L’eau sucrée ne conduit pas l’électricité.

La vérification de la conductibilité électrique de solutions aqueuses.

Activités 1

2.2

Groupe :

2.2.1 et 2.2.2

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 non-électrolytes sont des substances dont la formule chimique est composée uniquement d’atomes non métalliques.

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

37

L’univers matériel

Nom :

2

L’univers matériel

2.2

Nom :

Groupe :

Date :

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 des solutions (A ou B ou les deux) : a ) est une solution conductrice de courant ? b ) est une solution non électrolytique ? c ) est une solution électriquement neutre ? d ) signale la présence d’ions en solution ? 3

Classez les substances suivantes selon qu’elles sont des électrolytes ou des non-électrolytes. HF

CO2

NaI

FeCl3

Al(OH)3

HNO3

LiBr

C2H6

MgSO4

CS2

PCl3

Br2

SiCl4

KHCO3

P2O3

Électrolytes : Non-électrolytes : 4

Dites si les énoncés et les équations ci-dessous sont une dissociation électrolytique ou une dissociation moléculaire. Cochez la case appropriée. Dissociation électrolytique

Dissociation moléculaire

a ) La dissolution du soluté dans l’eau ne fait que séparer les molécules les unes des autres. b ) CO2(g) → CO2(aq) c ) Je suis un phénomène physique et non chimique, et je peux être représenté par une équation. d ) C6H12O6(s) → C6H12O6(aq) e ) MgCl2(s) → Mg2+(aq) + 2 Cl -(aq)

38

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

Dissociation électrolytique

Dissociation moléculaire

g ) H2SO4(l)

L’univers matériel

f ) On me nomme aussi dissolution ionique ou dissociation ionique. → 2 H+(aq) + SO42-(aq)

h ) Lors de la dissolution, il y a formation d’ions positifs et d’ions négatifs. i ) La dissolution du soluté dans l’eau produit une solution non-électrolytique. j ) NaOH (s)

5



Na+(aq) + OH -(aq)

On dissout du dibromure de magnésium (MgBr2), un électrolyte, dans de l’eau.

δ-

a ) Quels sont les ions formés en solution ?

b ) À partir de la représentation de la molécule d’eau cicontre, dites vers quels atomes seront attirés les ions formés en solution ? Expliquez votre réponse.

6

0

H

H

δ+

δ+

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)

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b ) Ca3(PO4)2(s) → 3 Ca2+(l) + 2 PO43-(aq)

Chapitre 2

2.2

Nom :

Les propriétés physiques des solutions

39

Nom :

c ) Ca(NO3)2(s) → Ca2+(aq) + NO3-(aq)

2.2 L’univers matériel

Groupe :

7

Date :

d ) H2S(g) → 2 H+(g) + S2-(g)

Écrivez l’équation de dissociation électrolytique ou moléculaire, selon le cas, de chacune des substances suivantes. a ) Na2CO3(s)

f ) N2O5(g)

b ) C2H5OH(l)

g ) NH4NO3(s)

c ) Al(OH)3(s)

h ) HNO3(l)

d ) PCl5(g)

i ) LiH (s)

e ) HI(g)

j ) C2H6(g)

2.2.3

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 2). TABLEAU 2

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, qu’ils soient forts ou faibles, se dissocient dans l’eau en libérant des ions H +, comme le montrent les équations suivantes : Acide chlorhydrique (fort)

HCl(g) → H+(aq) + Cl-(aq)

Acide acétique (faible)

CH3COOH (l) → H+(aq) + CH3COO -(aq)

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. 40

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

2.2

Nom :

Les bases

Hydroxyde de sodium (fort)

NaOH(s) → Na+(aq) + OH -(aq)

Hydroxyde d’ammonium (faible)

NH4OH(l) → NH4+(aq) + OH -(aq)

L’univers matériel

Les bases, qu’elles soient fortes ou faibles, se dissocient dans l’eau en libérant des ions OH- , comme le montrent les équations suivantes :

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 ci-dessous : Chlorure de sodium

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

Sulfate de calcium

CaSO4(s) → Ca2+(aq) + SO42-(aq)

Un sel 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.].

Activités 1

2.2.3

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 ) C3H7COOH(l) → C3H7COO -(aq) + H+(aq)

h ) Fe(HCO3)2(s) → Fe2+(aq) + 2 HCO3-(aq)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

41

2

Groupe :

Date :

Les énoncés suivants décrivent-ils un acide, une base ou un sel ? Cochez la case appropriée. Acide

L’univers matériel

2.2

Nom :

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. 3

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

Elle conduit le courant électrique et n’a aucun effet sur le papier de tournesol.

Solution 2

Elle conduit le courant électrique et bleuit le papier de tournesol.

Solution 3

Elle ne conduit pas le courant électrique et n’a pas d'effet sur le papier de tournesol.

Solution 4

Elle réagit avec un ruban de magnésium et neutralise les bases.

Lequel des énoncés suivants est vrai ? Entourez la bonne réponse. 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. 4

42

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.

L’univers matériel

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6

Date :

Écrivez les équations de dissociation électrolytique des substances suivantes. a ) H2CO3(s)

c ) Na3PO4(s)

b ) B(OH)3(s)

d ) (NH4)2SO4(s)

2.3

5

Groupe :

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

PbSO4

HClO4

Na2O

C2H5COOH

Acides : Bases : Sels : Autres :

2.3

La concentration

Les transformations physiques telles que l’évaporation, la dissolution et la dilution font varier la concentration des substances dissoutes. La concentration 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).

2.3.1 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)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

43

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Voici un exemple de calcul de la concentration en grammes par litre (g/L).

2.3 L’univers matériel

Date :

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 V = 125 mL

1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : V = 125 mL = 0,125 L

C =?

2. Calculer la concentration de la solution en g/L :

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 prépare une boisson alcoolisée de 5,0 L en ajoutant 600 mL d’éthanol (C2H5OH) au mélange. 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

1. Si cela est nécessaire, transformer les unités de mesure : Vsolution = 5,0 L = 5 000 mL

Vsoluté = 600 mL C en % V/ V = ?

2. Calculer la concentration de la solution alcoolisée en % V/ V :

2.3.2 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.

44

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

2.3

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 un exemple de calcul de la concentration en parties par million (ppm). 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 acceptée.

2.3.3

La dilution

Il y a plusieurs façons de préparer une solution. Une de ces façons consiste à ajouter un certain volume de solvant à une solution concentrée : c’est la dilution. La dilution est la diminution de la concentration d’une solution par ajout de solvant.

Lorsqu’on fait une dilution, la quantité de soluté reste la même, mais le volume de la solution augmente, alors que sa concentration diminue. On représente cette situation par l’équation suivante : C1V1 = C2V2 , où

C1 : concentration de la solution initiale V1 : volume de la solution initiale C2 : concentration de la solution finale V2 : volume de la solution finale

Lorsqu’on utilise cette équation, il faut que les concentrations (C1 et C2) soient exprimées dans la même unité de mesure, tout comme les volumes (V1 et V2).

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

45

Nom :

Groupe :

Voici un exemple de calcul du volume de solvant nécessaire pour préparer une solution diluée.

2.3 L’univers matériel

Date :

Exemple D Quel volume d’une solution saline dont la concentration est de 20 g/L faut-il prélever pour préparer 100 mL d’une solution à une concentration de 4 g/L ? Données :

Calcul :

C1 = 20 g/L

C1V1 = C2V2 , alors

V2 = 100 mL C2 = 4 g/L V1 = ?

V1 = 20 mL

Activités 1

2.3

Voici des données concernant quatre solutions. Remplissez le tableau qui suit. Solution A : on dissout 3,0 g de soluté dans 1,5 L de solution. Solution B : on dissout 15 mg de soluté dans 10 mL de solution. Solution C : on dissout 20 mg de soluté dans 12,5 mL de solution. Solution D : on dissout 1 800 mg de soluté dans 1,5 L de solution. Solution

Masse (m) de soluté

Volume (V ) de la solution

Concentration (C) de la solution (g/L)

A B C D

2

46

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 ?

L’univers matériel

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Date :

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 ?

4

Complétez le tableau ci-dessous dans lequel des données sont fournies sur les concentrations de trois solutions. Concentration

Concentration

(g/L)

(% m/V )

Solution A

5

0,15

Solution B

2,2

Solution C

0,049

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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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

47

2.3

3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

6

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 ?

7

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 contenus dans ce lac si son volume d’eau est de 380 millions de mètres cubes (m3).

L’univers matériel

2.3

Nom :

48

L’univers matériel

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Date :

8

Vous achetez une bouteille de vinaigre de 500 mL qui contient 600 g d’acide acétique (CH3COOH). Vous voulez préparer 3,0 L de vinaigre dilué. Quelle sera la concentration, en grammes par litre (g/L), de ce vinaigre dilué ?

9

Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) utilisé pour désinfecter une plaie doit avoir une concentration de 5 % m/V. Vous disposez de 100 mL d’une solution de peroxyde d’hydrogène à 40 % m/V. Quel volume d’eau devez-vous ajouter pour obtenir une solution à 5 % m/V ?

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

49

2.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

2.4

Nom :

Date :

L’univers matériel

2.4 Le pH Vous avez vu, dans la section 2.2, 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.

2.4.1

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 gure 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. Le pH de quelques substances courantes. FIGURE 8

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 gure 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

50

L’univers matériel

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Groupe :

1

2.4

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.

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

acide que le sang.

fois moins

4) Le lait de magnésie est 10 000 fois plus basique que 3

basique

que l’eau pure. .

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.

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

51

L’univers matériel

Activités

Date :

2.4

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre

Date :

2

Remplissez le tableau ci-dessous en écrivant le composé ionique qui se forme selon les ions qui sont donnés.

1

Ion sulfure

Ion phosphure

Ion chlorure

Ion potassium Ion aluminium Ion magnésium

À l’aide d’un indicateur de conductibilité électrique, vous testez deux solutions de même concentration : l’une de sulfure de dipotassium (K 2S) et l’autre de trichlorure de phosphore (PCl3).

2

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 ?

c ) Sachant que le sulfure de dipotassium (K 2S) est une substance solide et que le trichlorure de phosphore (PCl3) est un gaz, écrivez leur équation de dissociation dans l’eau. Puis, notez le type de dissociation de chacune des substances. K2S : PCl3 : Remplissez le tableau suivant en tenant compte des composés donnés.

3

Composé

Électrolyte ou non-électrolyte

Nature du composé

Équation de dissociation électrolytique

C3H8(g) Be(OH)2(s) FeCl3(s) H2S(g) CH3OH(l)

52

L’univers matériel

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4

Groupe :

Date :

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.

c ) Quelle est la concentration de la solution en parties par million (ppm) ?

5

On ajoute 80 mL d’eau à 20 mL de solution d’acide dont la concentration est de 0,5 g/L. De combien de fois la solution d’acide a-t-elle été diluée ?

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

53

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

6

L’analyse de 20 mL de sang d’une personne dévoile la présence de 4,0 mg de mercure (Hg). Déterminez la concentration en mercure du sang de cette personne en ppm (on considère que 1 L de sang pèse 1 kg).

7

Voici des informations concernant certaines solutions. • La solution A est 1 000 fois moins acide que la solution E.

• La solution D est 10 fois moins basique que la solution C.

• La solution B a un pH de 3 unités au-dessous du pH de la solution D.

• La solution E est neutre.

• La solution C est 100 fois plus acide que la solution E.

• 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.

54

L’univers matériel

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CHAPITRE

3

Les transformations chimiques

La matière qui nous entoure subit continuellement des transformations. Lorsque les atomes et les molécules de différentes substances interagissent pour former de nouvelles substances, il s’agit de transformations chimiques aussi appelées « réactions chimiques ». Contrairement aux transformations physiques qui changent uniquement l’aspect d’une substance, les transformations chimiques modifient la composition chimique des substances, ce qui leur confère de nouvelles propriétés. Dans ce chapitre, vous découvrirez d’abord ce qu’est la loi de la conservation de la masse. Vous verrez ensuite comment représenter une réaction chimique par une équation balancée. Enfin, vous étudierez différentes tranformations chimiques dont la neutralisation acidobasique, la combustion, la photosynthèse et la respiration cellulaire.

55

L’univers matériel

3.1

Nom :

Groupe :

Communauté scientifique L’apport de la balance dans le développement de la chimie L’invention de la balance remonte à l’Antiquité. Longtemps toutefois, les balances manquèrent de précision. Afin de conduire ses recherches, Lavoisier choisit de s’outiller des deux modèles de balance les plus précis de son époque. Il introduisit l’usage de balances de précision lors de ses expériences afin de quantifier les phénomènes observés. Leur utilisation systématique avant et après expérience lui permit de mettre au point la loi de la conservation de la masse.

3.1

Date :

La loi de la conservation de la masse

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)

(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 a permis d’établir la loi de la conservation de la masse. La loi de la conservation 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 gure ci-dessous 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

Molécules des produits



4 CO2(g) + 2 H2O(g)

10



4 8

160 g

=

176 g

2 C2H2(g) + 5 O2(g) carbone (C) oxygène (O) hydrogène (H)

Nombre d'atomes Masse Masse totale

4 4 52 g

+ 212 g

=

4 2 +

36 g

212 g

Au cours de la combustion de l’acétylène (C2H2), le nombre d’atomes de chaque élément et la masse restent les mêmes. FIGURE 1

56

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

3.1

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 1

3.1

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)

2

Masse totale des produits (g)

Nombre total des atomes des réactifs

Nombre total des atomes des produits

Nombre total d’atomes d’hydrogène (H) Dans les réactifs

Dans les produits

Parmi les cas suivants, encerclez celui ou ceux qui ne respectent pas la loi de la conservation de la masse. a)

c) 146 g

112 g

254 g

4g

b)

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d) 13 g

Chapitre 3

44 g

38 g

Les transformations chimiques

9g

57

L’univers matériel

Nom :

3

L’univers matériel

3.1

Nom :

Groupe :

Date :

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 quantité totale de gaz dégagée dans l’atmosphère ? Laissez des traces de votre démarche.

4

Une élève fait réagir, dans une tasse à mesurer, 300 g de vinaigre (C2H4O2) avec 420 g de bicarbonate de soude (NaHCO3). L’équation de cette réaction s’écrit comme suit :

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.

58

L’univers matériel

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Date :

Le balancement des équations chimiques

L’univers matériel

3.2

Groupe :

3.2

Nom :

On peut représenter une réaction chimique par une équation sans tenir compte de la loi de la conservation de la masse. L’équation utilisée se nomme « équation squelette ». Dans l’équation squelette de la combustion de l’octane (C8H18) présentée dans le tableau 1 ci‑dessous, 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 balancement des équations chimiques 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 balan‑ cée. Les coefcients indiquent le nombre de molécules présentes avant et après la réaction chimique. L’équation balancée de la combustion de l’octane 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. TABLEAU 1

Le bilan atomique et moléculaire dans la combustion de l’octane Équation squelette

Nombre d’atomes C

Équation balancée

Nombre de molécules

H

O

Nombre d’atomes C

H

O

Nombre de molécules

Avant la réaction

8

18

2

2

16

36

50

27

Après la réaction

1

2

3

2

16

36

50

34

Pour balancer une équation chimique, il faut suivre un certain nombre de règles, comme le montre l’exemple de la combustion de l’octane de la page suivante.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

59

Date :

3.2

Groupe :

Exemple

L’univers matériel

Nom :

2. Commencer par la molécule la plus complexe (C8H18) et garder les molécules simples (O2) pour la fin ;

1. Écrire l’équation squelette : 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.

Activités 1

3.2

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé jugé faux. a ) Dans une équation chimique balancée, la masse totale, le nombre d’atomes de chaque élément et le nombre de molécules sont conservés.

b ) Pour balancer une équation chimique, il est permis de changer les indices des formules chimiques des réactifs et des produits.

60

L’univers matériel

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Date :

c ) 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.

d ) 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)

3

La réaction du vinaigre (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.

4

Cochez les équations qui ne sont pas balancées.

5

a)

d)

b)

e)

c)

f)

Indiquez les coefficients qui permettent de balancer l’équation suivante. Encerclez 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

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c ) 2, 4, 1, 1, 3

Chapitre 3

d ) 4, 5, 2, 2, 3

Les transformations chimiques

61

3.2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

6

L’univers matériel

3.2

Nom :

Groupe :

Date :

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 ) : 7

8

Balancez les équations suivantes. a)

f)

b)

g)

c)

h)

d)

i)

e)

j)

Les équations suivantes ne sont pas balancées. Effectuez les corrections nécessaires. a)

b)

c)

62

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

3.3

Nom :

3.3 Des exemples

L’univers matériel

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, l’oxydation 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 acidobasiques 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. An d’empêcher la corrosion du réseau d’aqueduc, les villes neutralisent l’acidité de l’eau potable en y ajoutant de la soude (NaOH). Enn, 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 :

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 gure 2).

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H FIGURE 2

Na

O

Cl

La neutralisation complète de HCl par NaOH

(pH = 7).

Chapitre 3

Les transformations chimiques

63

Nom :

Groupe :

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 gure 3).

3.3 L’univers matériel

Date :

3.3.2 H

Na

O

Cl

La neutralisation incomplète de HCl par NaOH : surplus de H + par rapport à OH - (pH < 7, donc acide). FIGURE 3

La combustion

La combustion est un exemple de transformation chimique qui dégage de l’énergie. La combustion 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 gure 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). Les trois éléments du « triangle du feu » doivent être présents pour qu’il y ait combustion. FIGURE 4

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 suivant la quantité d’énergie libérée au cours de la réaction et la vitesse de la réaction (voir le tableau 2).

TABLEAU 2

Les trois types de combustion

Type de combustion Combustion vive

Combustion spontanée

Combustion lente

64

L’univers matériel

Caractéristiques

Exemples



S’accompagne de flammes ;



Feu de bois ;



Se produit rapidement ;





Se produit à haute température ;

Explosion de moteurs à essence ;



Libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.



Bougie allumée ;



Feu d’artifice.



Se produit sans apport direct d’énergie ;





La température d’ignition est inférieure à la température ambiante ;

Feu de forêt dans une période de fortes chaleurs ;





Une fois la combustion amorcée, elle se comporte comme la combustion vive.

Camion-citerne transportant des gaz inflammables, qui prend feu à la suite d’un choc sur la citerne.



Ne produit pas de flammes ;



Respiration cellulaire ;



S’étend sur une longue période de temps ;



Corrosion des métaux.



Se produit à température ambiante ;



Ne dégage que peu de chaleur et aucune lumière. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

Date :

3.3

Nom :

L’univers matériel

3.3.3 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 a lieu dans les cellules végétales 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 d’eau (H 2O) (voir la gure 5). Énergie rayonnante

Le dioxyde de carbone (CO2) est présent dans l’air

L’eau (H2O) provient des racines du végétal

FIGURE 5

Production de dioxygène (O2)

Production de glucose (C6H12O6)

Une représentation simplifiée de la photosynthèse.

La photosynthèse est la transformation chimique au cours de laquelle des organismes vivants transforment l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique.

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 de combustion lente qui se produit dans les cellules de tous les organismes vivants. La respiration cellulaire est la transformation chimique par laquelle l’énergie contenue dans les sucres (glucose) est libérée pour effectuer le travail dans les cellules vivantes.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

65

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

3.3

Au cours de la respiration cellulaire (voir la gure 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) est présent dans l’air

Production de dioxyde de carbone (CO2)

Le glucose (C6H12O6) est présent dans l’alimentation

Production d’énergie FIGURE 6

Production d’eau (H2O)

Une représentation simplifiée de la respiration cellulaire.

L’équation suivante montre les réactifs et les produits impliqués dans la respiration cellulaire :

Activités 1

3.3

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.

66

L’univers matériel

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Date :

c ) La neutralisation acidobasique est une transformation chimique dans laquelle un acide réagit avec un sel.

d ) Les trois types de combustion dégagent une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.

e ) La respiration cellulaire et la photosynthèse sont des transformations chimiques inverses puisque les réactifs de la respiration cellulaire sont les produits de la photosynthèse et viceversa.

2

Parmi les équations suivantes, encerclez celles qui représentent des réactions de neutralisation acidobasique. a) b) c) d)

3

Complétez les réactions de neutralisation acidobasique suivantes et, pour chacune d’elles, nommez la substance qui a été ajoutée. a ) 2 HClO4(aq) + b) 2

→ Ca(ClO4)2(aq) + 2 H2O(l) + Zn(OH)2(aq) → Znl2(aq) + 2 H2O(l)

c ) 3 HCl(aq) + Fe(OH)3(aq) → 4

+ 3 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.

b ) Que sera le pH de la solution finale si la quantité de NaOH excède la quantité d’acide ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

67

3.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

Lisez le texte ci-dessous, puis répondez aux questions qui suivent.

5

Problématique environnementale

L’univers matériel

3.3

Nom :

L’activité humaine au cœur des changements climatiques

Les changements climatiques sont dus à une augmentation constante de la température moyenne des océans et de l’atmosphère. Le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) affirme que la température à la surface du globe pourrait augmenter encore de 1,1 à 6,4 °C au cours du 21e siècle. Les scientifiques attribuent le réchauffement actuel à l’augmentation des gaz à effet de serre (GES). Par ailleurs, le GIEC estime à 50 milliards de tonnes la quantité de GES émis chaque année dans l’atmosphère principalement par les industries de l’énergie et de la forêt, ainsi que par l’agriculture et les transports.

exploitations pétrolières et gazières, de l’élevage des ruminants, des décharges d’ordures ménagères et de la culture du riz, laquelle est pratiquée dans des zones émettant en général du méthane. D’autres gaz contribuent, dans de moindres proportions, à augmenter l’effet de serre naturel. C’est le cas des halocarbures, de l’ozone (O 3) troposphérique, de l’oxyde de diazote (N2O) et de la vapeur d’eau (H2O).

Les gaz provenant de l’activité humaine amplifient l’effet de serre naturel. Le dioxyde de carbone (CO2) est à lui seul responsable de 65 % de l’effet de serre. Ce gaz vient principalement de la déforestation et de l’utilisation de combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel par des industries telles que les cimenteries. Le méthane (CH4) est également incriminé, car il contribue pour 20 % à l’effet de serre. Il provient entre autres de la combustion du bois, des

Une usine qui rejette des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

a ) Quels sont les gaz responsables de l’augmentation de l’effet de serre dans l’atmosphère ?

b ) À quelle transformation chimique sont dus surtout les changements climatiques ? Donnez un exemple qui montre qu’elle est en partie la cause de ces derniers.

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.

68

L’univers matériel

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Date :

b ) La coupe forestière linéaire fait partie des moyens utilisés pour empêcher une extension rapide des feux de forêt ou des feux 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.

7

Indiquez le type de combustion dont il est question dans chacun des énoncés suivants. Cochez la case appropriée. Combustion Vive

Spontanée

Lente

a ) Explosion de la dynamite. b ) Combustion qui se fait à température ambiante. c ) Cette combustion s’accompagne du dégagement d’une grande quantité de chaleur et de lumière. d ) La formation de rouille sur la coque d’un bateau. e ) Son point d’ignition est inférieur à la température ambiante. f ) S’étale sur une longue période. g ) Le brûleur d’une cuisinière au gaz. 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.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

69

3.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

Expliquez pourquoi la photosynthèse est à la base de presque toutes les chaînes alimentaires.

9

Consolidation du chapitre 1

3

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 ) Lors du balancement des équations chimiques, les coefficients ajoutés devant la formule chimique des réactifs et des produits représentent le nombre de molécules de chaque substance impliquée dans la réaction. d ) Le pH d’une solution résultant d’une réaction de neutralisation acidobasique est toujours égal à 7, quelle que soit la quantité d’ions H+ et d’ions OH- impliquée. e ) Les réactions de combustion sont des réactions qui absorbent de l’énergie.

2

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

70

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

H3PO4 +

3

Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 +

L’univers matériel

masse est respectée dans l’équation chimique suivante. Balancez d’abord l’équation.

H2O

Masse des réactifs :

Masse des produits :

Masse totale :

Masse totale :

Les plantes 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 ) À quel type de transformation chimique a-t-on affaire ?

c ) On place une plante dans un sac de plastique fermé hermétiquement après l’avoir arrosée. La plante et le sac pèsent au total 428,4 grammes. Deux jours plus tard, on constate que le sac de plastique a gonflé. La masse totale a-t-elle changé ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

71

L’univers matériel

Nom :

4

Groupe :

Date :

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 ?

5

Indiquez à quel type de transformation chimique de la liste ci-dessous correspond chacune des équations chimiques suivantes. Neutralisation acidobasique

Photosynthèse

Combustion

Respiration cellulaire

Autre

a ) H2 + Cl2 → 2 HCl b ) 4 Na + O2 → 2 Na2O c ) 6 CO2 + 6 H2O + Énergie → C6H12O6 + 6 O2 d ) 2 HClO4 + Mg(OH)2 → Mg(CIO4)2 + 2 H2O e ) 2 CO + O2 → 2 CO2 f ) CH3COOH + NH4OH → CH3COONH4 + H2O g ) HCl + CH3OH → CH4 + HClO h ) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Énergie 72

L’univers matériel

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CHAPITRE

4

Les transformations de l’énergie

Le terme « énergie » est employé couramment, mais bien peu de gens peuvent dire ce que l’énergie solaire, l’énergie nucléaire et l’énergie fournie par les « boissons énergisantes » ont en commun. D’une façon générale, on définit l’énergie comme la capacité de générer un mouvement et de transformer la matière. On dit que l’énergie est une quantité conservée : cela signifie que l’énergie peut changer de forme (être transformée), mais qu’elle ne peut être ni créée ni détruite. Le principe de la conservation de l’énergie est fondamental en science. Plusieurs des technologies modernes sont basées sur des transformations d’énergie, par exemple la transformation de l’énergie chimique du pétrole en énergie ciné tique dans une voiture, la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie électrique dans une éolienne, la transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse dans un écran de télévision. Dans ce chapitre, vous vous concentrerez d’abord sur l’étude de l’énergie mécanique, c’est-à-dire de l’énergie associée au mouvement des corps, puis vous étudierez l’énergie thermique et vous vous familiariserez avec la notion de rendement énergétique.

73

Groupe :

L’univers matériel

4.1

Nom :

4.1

Date :

L’énergie mécanique

Il existe de nombreuses formes sous lesquelles l’énergie peut se présenter. Dans cette section-ci, vous étudierez l’énergie mécanique.

Flash science Les calories Dans le système international d’unités (SI), l’unité de mesure de l’énergie est le joule (J). Toutefois, dans le domaine de la nutrition, l’énergie est géné ralement évaluée en calories. D’après le Comité des nomenclatures de l’Union internationale des sciences de la nutrition, une calorie nutritionnelle correspond à 4,182 J. En fait, l’apport calorique des aliments mesure l’énergie chimique contenue dans les aliments, qui pourrait être métabolisée par le corps lors de la digestion.

L’énergie mécanique (Em ) est l’énergie qui est associée au mouvement et à la position d’un corps.

L’énergie mécanique correspond à la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle gravitationnelle. L’énergie cinétique (Ek ) est l’énergie que possède un corps en mouvement en raison de sa vitesse.

Plus un corps est massif ou plus sa vitesse est importante, plus son énergie cinétique sera grande. Intuitivement, on conçoit très bien cela : il y aura plus d’énergie en jeu dans une collision entre deux camions roulant à haute vitesse que dans une collision entre deux vélos roulant très lentement. L’énergie potentielle est une énergie qui est, en quelque sorte, emmagasinée pour un usage futur. On l’appelle « énergie potentielle » parce que cette énergie a le potentiel de devenir disponible, par opposition à l’énergie cinétique, par exemple, qui est déjà disponible pour être transférée à un autre corps. Même s’il sera ici surtout question de l’énergie potentielle gravitationnelle, il existe d’autres formes d’énergie potentielle : ainsi, les corps qui sont attachés à des ressorts peuvent emmagasiner de l’énergie potentielle élastique et les charges électriques peuvent emmagasiner de l’énergie potentielle électrique. Quand on soulève une caisse dans le champ gravitationnel terrestre, cette caisse emmagasine de l’énergie sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle. Si la force qui soulève la caisse cesse d’être appliquée, la caisse va transformer son énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique. La caisse va donc accélérer en tombant vers le sol. L’énergie potentielle gravitationnelle (Epg ) est une énergie associée à la force gravitationnelle.

Quand on exerce une force sur un corps pour le soulever et ainsi lutter contre la force gravitationnelle terrestre, l’énergie qu’on transfère à ce corps est emmagasinée sous forme d’énergie potentielle gravitationnelle. Plus un corps est massif ou plus il est à une hauteur importante au-dessus du sol, plus son énergie potentielle gravitationnelle sera grande.

4.1.1

La loi de la conservation de l’énergie

De façon générale, la loi de la conservation de l’énergie stipule que l’énergie peut changer de forme (être transformée) et passer d’un corps à un autre (être transférée), mais qu’elle ne peut être ni créée ni détruite. Ainsi, l’énergie totale est une quantité constante. 74

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

4.1

La quantité totale d’énergie que possède un corps isolé est une quantité conservée, c’est-à-dire qui ne peut changer dans le temps. Par « isolé », on entend que ce corps n’échange pas d’énergie avec l’extérieur. Il peut sembler tautologique de dire que l’énergie d’un corps est une quantité « conservée » quand ce corps n’échange pas d’énergie avec son environnement. Toutefois, cela est loin d’être évident. A priori, il n’y a pas de raisons pour que l’énergie reste toujours la même. En ce sens, la loi de la conservation de l’énergie constitue l’un des aspects les plus fascinants de la nature. Dans plusieurs situations, des quantités comme l’énergie nucléaire, l’énergie chimique, l’énergie électrique, l’énergie thermique et bien d’autres formes d’énergie ne varieront pas. Si les seules formes d’énergie qui peuvent varier sont l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg) et l’énergie cinétique (Ek), la somme de ces deux quantités, qui correspond à l’énergie mécanique (Em ), demeure constante. Cela se traduit mathématiquement par l’équation suivante : Em = Ek + Epg = constante

La situation d’un enfant assis sur une balançoire suspendue (voir la gure 1) peut être considérée comme une situation où l’énergie mécanique est conservée, à condition que le frottement et la résistance de l’air soient négligeables et que l’enfant n’utilise pas ses muscles pour se propulser. Quand l’enfant est au point le plus bas de sa trajectoire (au centre de la gure), son énergie potentielle (Epg) est minimale. Par contre, son énergie cinétique (Ek ) est maximale, puisque l’enfant a une vitesse relativement importante à cet endroit. Au fur et à mesure que la balançoire s’élève, l’enfant gagne de l’énergie potentielle, mais il ralentit également, ce qui correspond à une diminution de l’énergie cinétique. L’enfant ralentit jusqu’à s’arrêter au sommet de sa trajectoire, là où son énergie cinétique est nulle et où son énergie potentielle est maximale. L’énergie potentielle commence alors à se transformer en énergie cinétique au fur et à mesure que l’enfant redescend en accélérant.

Énergie

Epg Ek FIGURE 1

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Em

Position

Un enfant assis sur une balançoire suspendue.

Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

75

L’univers matériel

4.1

Nom :

Groupe :

Activités

Date :

4.1

1

Énoncez la loi de la conservation de l’énergie.

2

Un petit train s’apprête à parcourir des montagnes russes. Immobile au départ, le train commence à monter lentement, à vitesse constante, et gravit la pente jusqu’au sommet. Puis, il descend une pente très abrupte et subit une grande accélération. Il remonte ensuite une petite pente, ce qui le ralentit un peu. Il s’engage alors dans un tunnel… Placez les énoncés suivants en ordre chrono­ logique, en commençant au moment où le train démarre et en terminant juste avant qu’il n’entre dans le tunnel. a) L’énergie cinétique du train augmente rapidement, alors que son énergie potentielle décroît. b ) L’énergie cinétique du train est constante, alors que son énergie potentielle augmente. c ) L’énergie cinétique du train est d’abord nulle, puis augmente légèrement. d ) L’énergie potentielle du train augmente légèrement, tandis que son énergie cinétique diminue un peu. e ) L’énergie potentielle du train est maximale.

3

76

Associez chacune des transformations d’énergie de la colonne de gauche à une situation où on peut l’observer, dans la colonne de droite. Transformation d’énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique

Une voiture hybride avance sans consommer d’essence.

Transformation d’énergie potentielle élastique en énergie cinétique

Un avion en papier est projeté vers le plafond.

Transformation d’énergie cinétique en énergie potentielle gravitationnelle

Un skieur dévale une pente.

Transformation d’énergie électrique en énergie cinétique

Une bande élastique est tendue pour lancer un projectile.

L’univers matériel

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Date :

4

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 ?

5

L’illustration ci-dessous ainsi que les illustrations des pages 78 et 79 présentent des transformations et des transferts d’énergie. À l’aide des listes de mots qui vous sont données, complétez les trois textes qui décrivent ces transformations et ces transferts. (Dans certains cas, un même mot peut être employé plus d’une fois.) a ) Une dame ramasse un ustensile qu’elle avait laissé tomber.

Cinétique

Mécanique

Potentielle gravitationnelle

Emmagasinée

Perdue

Transférée

Texte à compléter En ramassant l’ustensile, la dame lui transfère de l’énergie

.

Dans la mesure où la dame ramasse l’ustensile à une vitesse relativement constante, l’énergie de l’ustensile ne varie pas. En conséquence, l’énergie qui est à l’ustensile est principalement par l’ustensile sous forme d’énergie par l’ustensile est

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. L’énergie qui est gagnée par la dame.

Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

77

4.1

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

4.1

b ) Une centrale hydroélectrique produit de l’électricité qui, plus tard, sera utilisée par un téléviseur. 6

4

2

5

3 1

Cinétique

Potentielle gravitationnelle

Transforme

Électrique

Sonore

Transformée

Lumineuse

Transférée

Texte à compléter 1

Le barrage maintient l’eau à un niveau élevé, ce qui fait que l’eau emmagasine de l’énergie .

2

Lorsque l’eau pénètre dans la centrale et descend vers les turbines, une partie de son énergie

est

en énergie

. 3

L’énergie

de l’eau est

à la

turbine de la génératrice. 4

La génératrice

alors son énergie en énergie

5

.

Après avoir parcouru le réseau de distribution d’électricité, l’énergie est

aux appareils électriques

qui sont branchés sur le circuit électrique de la maison. Un téléviseur qui reçoit une partie de cette énergie peut alors la transformer en énergie produisant une image et en énergie 6

78

en en produisant du son.

Tout au long du parcours, une partie de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur.

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

2

3

Chimique

Sonore

Cinétique

Transférée

Potentielle gravitationnelle

Transformée

L’univers matériel

1

4.1

c ) Un joueur de base-ball frappe une balle, et un autre l’attrape.

Thermique

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 cinétique 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’on entend un son au moment de la frappe) et une partie 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 cinétique en se propulsant. Une partie de cette énergie est transformée en énergie au fur et à mesure que le joueur s’élève dans les airs. 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, en énergie potentielle élastique (absorbée par son gant et par son bras) et en énergie sonore. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

79

6

Groupe :

Date :

Le dessin ci-dessous illustre la trajectoire d’une plongeuse.

L’univers matériel

4.1

Nom :

On considère que la résistance de l’air et le déplacement de la plongeuse sont négligeables. a ) Dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. 1) Au début du saut, alors que la plongeuse monte pour atteindre le sommet de sa trajectoire, son énergie cinétique diminue. 2) Dans la deuxième partie du saut, lorsque la plongeuse descend, son énergie potentielle gravitationnelle diminue. 3) Dans la deuxième partie du saut, lorsque la plongeuse descend, son énergie cinétique diminue. b ) Sur le dessin ci-dessus : 1) écrivez le chiffre 1 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle est maximale et où l’énergie cinétique est minimale (nulle, si on néglige le déplacement horizontal de la plongeuse et si on considère que celle-ci n’a pas de vitesse horizontalement) ; 2) écrivez le chiffre 2 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle est minimale (nulle) et où l’énergie cinétique est maximale ; 3) écrivez le chiffre 3 à l’endroit où l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie cinétique sont égales.

80

L’univers matériel

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Date :

c ) Dans la situation représentée, l’énergie mécanique est-elle conservée ? Expliquez votre réponse.

d ) Quel est le lien entre la valeur maximale de l’énergie potentielle gravitationnelle de la plongeuse, la valeur maximale de son énergie cinétique et la valeur de son énergie mécanique ? Expliquez votre réponse.

e ) Au moment où l’énergie potentielle gravitationnelle de la plongeuse représente le quart de sa valeur maximale, quelle fraction de sa valeur maximale l’énergie cinétique de la plongeuse représente-t-elle ?

f ) Si la plongeuse s’élançait à partir d’un tremplin plus élevé que le tremplin illustré à la page précédente, sa vitesse en entrant dans l’eau serait-elle supérieure, égale ou inférieure à celle de la situation illustrée ? Expliquez votre réponse.

g ) Si la résistance de l’air n’avait pas été négligeable et qu’elle avait vraiment affecté le mouvement de la plongeuse, la vitesse de celle-ci, lors de son entrée dans l’eau, aurait-elle été plus grande ou plus petite que la vitesse en l’absence de résistance de l’air. Expliquez votre réponse.

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Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

81

4.1

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

4.2

Nom :

Date :

L’univers matériel

4.2 L’énergie thermique Outre les énergies cinétique et potentielle, il existe d’autres formes d’énergie, telle l’énergie thermique. L’énergie thermique (ET ) 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.

Plus les particules d’un objet sont agitées les unes par rapport aux autres, plus cet objet possède d’énergie thermique. La notion d’énergie thermique est étroitement associée aux concepts de chaleur et de température.

4.2.1 La distinction entre la chaleur et la température Quand l’énergie thermique d’un objet augmente, sa température augmente. La température (T ) d’un objet est une mesure du degré d’agitation de ses atomes ou de ses molécules. La température se mesure le plus souvent en degrés Celsius (˚C).

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 ». La chaleur (Q) est un transfert d’énergie thermique (ET ) entre deux objets mis en contact lorsqu’il y a une différence de température entre eux. La chaleur se mesure en joules (J).

Quand il y a un transfert d’énergie thermique entre deux corps à des températures différentes, la variation (ΔET ) de l’énergie thermique de chacun des corps est égale à la chaleur (Q) qui est impliquée : Q = ∆ET

Activités 1

4.2

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.

82

L’univers matériel

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Date :

b ) Quand la variation de température d’un objet est négative, cela signifie que ce corps a absorbé de la chaleur.

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).

f ) Quand un objet transfère 400 J d’énergie thermique à un autre, la chaleur impliquée est de plus de 400 J.

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. 3) Si on attend suffisamment longtemps, la chaleur que le café aura transférée à la cuillère sera égale à la chaleur que le café aura transférée à l’air ambiant.

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Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

83

4.2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

4.3

Nom :

L’univers matériel

4.3

Date :

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’une transformation ou d’un transfert d’énergie correspond au pourcentage de l’énergie initiale 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 5,8 %. Cela signifie que 94,2 % de l’énergie électrique consommée par l’ampoule est transformée en énergie thermique.

Dans le cas d’un chauffe-eau, le rendement énergétique 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 le rendement énergétique d’un chauffe-eau, il faut limiter le plus possible les pertes de chaleur en isolant le réservoir, par exemple.

84

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

4.3

Nom :

L’univers matériel

Flash science Le mouvement perpétuel Il est impossible de concevoir une machine qui pourrait fonctionner éternellement à partir d’un apport initial d’énergie. C’est pour cela qu’il fallait autrefois remonter les horloges à pendule périodiquement et que les piles des montres actuelles finissent toujours par s’user. Les machines ont besoin d’être continuellement alimentées en énergie pour fonctionner. L’énergie qui leur est fournie est toujours dissipée dans l’environnement de façon graduelle, le plus souvent sous forme de chaleur à cause du frottement. LOWRES

Activités

Dans le pendule de Newton, le mouvement se poursuit après qu’on eut fourni de l’énergie au système en soulevant l’une des billes. Mais il finit toujours par s’arrêter.

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 cinétique. Quel est le rendement énergétique du système de propulsion de cette voiture ?

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Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

85

Groupe :

Date :

3

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 ?

4

Un ingénieur doit améliorer le rendement des systèmes de remontées mécaniques, alimentés à l’électricité et destinés aux stations de ski.

L’univers matériel

4.3

Nom :

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. 5

86

Expliquez pourquoi le rendement énergétique d’un système ne peut pas être supérieur à 100 %.

L’univers matériel

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

L’univers matériel

Nom :

4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Expliquez chaque fois votre réponse. a ) L’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet dépend de la vitesse de cet objet.

b ) L’énergie mécanique correspond à la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle.

c ) La température est une forme d’énergie.

2

Utilisez le principe de la conservation de l’énergie pour expliquer ce qui se passe dans la situation suivante. (Négligez les effets de la résistance de l’air dans votre explication.) Un garçon lance une balle de tennis le plus haut possible. Au fur et à mesure que la balle monte dans les airs, elle ralentit jusqu’à ce qu’elle arrête de monter, puis commence à des­ cendre en accélérant.

3

Complétez le tableau suivant en ajoutant les grandeurs, les unités de mesure et les symboles qui manquent. Grandeur

Unité de mesure

Symbole de l’unité

°C La chaleur L’énergie thermique

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Chapitre 4

Les transformations de l’énergie

87

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

4

Une perceuse a un rendement énergétique de 15 %. Si elle consomme 1 000 J d’énergie électrique, quelle quantité d’énergie cinétique sera produite ?

5

Dans la mesure où la loi de la conservation de l’énergie stipule que l’énergie ne peut pas être détruite, que signifie l’expression « gaspiller de l’énergie » ?

6

Votre ami et vous vous amusez à laisser tomber votre gomme à effacer sur la table. Quand la gomme entre en contact avec la surface de la table, elle s’arrête brusquement. Son énergie cinétique diminue presque instantanément. Votre ami prétend que cette situation ne respecte pas la loi de la conservation de l’énergie, puisqu’une partie de l’énergie disparaît. Que lui répondez-vous ?

88

L’univers matériel

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CHAPITRE

5

L’électricité et l’électromagnétisme

Les phénomènes électriques et magnétiques sont moins abstraits qu’on le pense. Ce sont les phénomènes électriques qui causent les éclairs impressionnants que l’on voit lors d’un orage et qui sont à la source de toutes les réactions chimiques. Ils régissent également les phénomènes biologiques : ils gouvernent les mécanismes cellulaires et permettent la transmission des influx nerveux. En outre, c’est l’énergie électrique qui alimente un grand nombre d’appareils qui nous entourent : téléphones cellulaires, ordinateurs, téléviseurs, etc. C’est le magnétisme qui explique le comportement des aimants et l’existence des aurores boréales. Il est également essentiel au fonctionnement de nombreux systèmes technologiques : moteurs électriques, génératrices, appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM), etc. Dans ce chapitre, vous vous familiariserez d’abord avec l’électricité statique. Puis, vous étudierez les circuits électriques. Finalement, vous verrez le lien entre l’électricité et le magnétisme, soit l’électromagnétisme.

89

Groupe :

5.1

Nom :

L’univers matériel

5.1

Date :

Les phénomènes électriques

Quand on s’intéresse aux phénomènes électriques, il faut être familier avec la notion de charge électrique. En effet, c’est la grandeur de la charge électrique des corps qui gouverne leurs interactions électriques. Neutron Proton

5.1.1

La charge électrique

La matière peut avoir différentes propriétés. Vous connaissez déjà l’une d’elles, soit la masse. La charge électrique est une autre des propriétés de la matière. La charge électrique (q) est la grandeur physique responsable des phénomènes électriques. Elle se mesure en coulombs (C).

La charge électrique est connue pour ses effets et non pour ce qu’elle est. Elle est une propriété de la matière. Il ne peut pas y avoir de charge électrique s’il n’y a pas de matière. 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 portent une charge positive (voir la gure 1). Électron

La représentation d’un atome. FIGURE 1

Les protons et les électrons portent des charges qui ont exactement la même grandeur (1,602 × 10 -19 C), mais qui sont de signes opposés. Les neutrons sont des particules subatomiques, tout comme les électrons et les protons, mais ils ne portent pas de charge. Ils sont donc neutres et ne changent en rien la charge totale d’un atome. Un corps neutre n’est pas un corps qui ne contient aucune charge. C’est plutôt un corps qui contient autant de charges positives que de charges négatives (autant d’électrons que de protons). En temps normal, il y a le même nombre de protons que d’électrons dans un atome. Dans ces conditions, la charge totale de l’atome est nulle : cet atome est neutre. Cependant, un atome peut être ionisé (c’est-à-dire qu’il peut acquérir une charge électrique résultante non nulle) en gagnant ou en perdant un ou des électrons. 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. Inversement, 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.

90

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

a ) Deux charges positives se repoussent. FIGURE 2

5.1.2

b ) Deux charges négatives se repoussent.

L’univers matériel

5.1

Expérimentalement, il est possible d’observer que 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 gure 2).

c ) Deux charges de signes opposés s’attirent.

Les forces qui agissent entre des corps chargés.

L’électricité statique

La force électrique est la force responsable du comportement des objets chargés, comme ceux qui sont illustrés à la gure 2. C’est cette force qui fait coller les vêtements secs les uns aux autres quand on les sort de la sécheuse ou qui fait coller les cheveux à un ballon de baudruche sur lequel on les aura frottés au préalable (voir la gure 3). Généralement, quand on frotte deux corps l’un contre l’autre, le corps dont les atomes ou les molécules retiennent moins bien les électrons perd certains de ses électrons, qui sont transférés à l’autre matériau. Après ce transfert de charges, les corps acquièrent des charges opposées et s’attirent : c’est l’électricité statique. L’électricité statique correspond aux phénomènes observables à la suite d’un transfert de charges.

L’électricité statique peut également entraîner une répulsion entre des corps. Par exemple, quand une personne frotte un ballon de baudruche sur ses cheveux, les cheveux, qui ont tous perdu des électrons au prot du ballon, portent maintenant une charge positive. Ils auront donc tendance à se repousser (voir la gure 3).

Communauté

3 Un enfant a les cheveux dressés sur la tête après qu’on y eut frotté un ballon de baudruche. Les cheveux de l’enfant se repoussent les uns les autres, mais ils sont attirés par le ballon. FIGURE

scientifique Benjamin Franklin (1706-1790)

Politicien américain, Benjamin Franklin a marqué l’histoire de son pays. Il est l’un des cinq rédacteurs de la Déclaration d’indépendance des États-Unis (1776). En tant que physicien, Franklin est célèbre pour son étude des phénomènes électriques, en particulier de la foudre. Ses recherches l’ont mené à l’invention du paratonnerre.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

91

L’univers matériel

5.1

Nom :

Groupe :

Activités

Date :

5.1

1

Un atome d’hélium (He), doublement ionisé, compte deux protons et deux neutrons, mais aucun électron. Quelle est, en coulombs, la charge de cet ion ?

2

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 que l’on a frottée contre un morceau de laine. Le signe de la charge que porte la tige de caoutchouc après avoir été frottée contre la laine est connu, puisque l’on sait que le caoutchouc retient plus fortement les électrons que la laine. Quand on frotte de la laine et du caoutchouc, le caoutchouc acquiert donc un surplus d’électrons. On fait alors les observations suivantes : • Quand on approche la tige chargée de la balle A, la balle A est attirée vers la tige. • Quand on approche la tige chargée de la balle B, la balle B est attirée vers la tige. • Quand on approche la tige chargée de la balle C, la balle C est repoussée par la tige. Dans les trois cas, on ne laisse pas la tige toucher aux balles.

a ) Répondez aux questions en indiquant, dans la case prévue à cette fin, si la charge est positive (+) ou négative (-). 1) Quel est le signe de la charge portée par la tige de caoutchouc après qu’on l’eut frottée contre la laine ? 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 ?

c ) Que se passera-t-il si on approche la balle A de la balle C ?

92

L’univers matériel

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Nom :

Date :

5.1

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.

L’univers matériel

3

Groupe :

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.

4

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 ) Les électrons portent une charge négative, alors que les protons portent une charge positive.

c ) Un corps neutre est un corps qui ne contient aucune charge.

d ) 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.

e ) Dans certaines circonstances, l’électricité statique entraîne l’attraction de deux matériaux, alors que, dans d’autres circonstances, elle entraîne la répulsion de deux matériaux.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

93

Groupe :

Date :

5

Un coulomb correspond à une charge très importante. Combien d’électrons faut-il retirer à un corps pour que celui-ci accumule une charge de 1,0 C ?

6

On dispose de trois petites balles de styromousse identifiées A, B et C. On donne une charge positive aux balles A et C, et une charge négative à la balle B. Dans chacun des deux cas illustrés ci-dessous, représentez par des flèches le sens des forces qui agiront sur chacune des balles. Identifiez chaque flèche que vous dessinez.

L’univers matériel

5.1

Nom :

a)

b)

94

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

5.2

Nom :

L’univers matériel

Les circuits électriques

5.2

Certains matériaux, comme les métaux, ont la particularité de permettre aux électrons de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des « conducteurs électriques ». À l’opposé, les matériaux dans lesquels les électrons ont de la difculté à se déplacer sont appelés des « isolants ». Quand on relie plusieurs éléments conducteurs les uns aux autres et qu’on branche une source d’énergie électrique à ces éléments, la source met les électrons en mouvement, de sorte que ceux-ci peuvent circuler 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.

La gure 4 illustre un circuit électrique. Outre une source d’alimentation en énergie électrique (comme une pile), les circuits contiennent généralement des composantes qui transforment cette énergie électrique en une autre forme d’énergie. Par exemple, une ampoule électrique transforme l’énergie électrique en énergie thermique et en énergie lumineuse. Un résisteur transforme l’énergie électrique en énergie thermique. La source d’énergie et les composantes qui transforment l’énergie (ou toute autre composante) sont reliées par des ls conducteurs dans lesquels on peut considérer que les pertes d’énergie électrique sont négligeables.

a ) L’illustration de la pile, de l’ampoule, du résisteur et des fils d’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 gure 5).

Pile

Conducteur

Ampèremètre

b ) Le schéma de la pile, de l’ampoule, du résisteur et des fils d’un circuit électrique. 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. FIGURE 4

Voltmètre

Ampoule

Résisteur

Les symboles normalisés utilisés pour représenter différentes composantes des circuits électriques. FIGURE 5

Un circuit électrique doit former une boucle fermée pour que les électrons puissent y circuler. Si le circuit présente la moindre ouverture, les électrons ne pourront pas circuler. Par exemple, quand le lament 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 ».

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

95

L’univers matériel

5.2

Nom :

Groupe :

Communauté scientifique Le sens du courant Au 19e siècle, les scienti­ fiques ignoraient que, dans les métaux, le cou­ rant était créé par la cir­ culation de par ticules qui portent des charges néga tives (les électrons). Ils jugèrent donc qu’il était plus naturel de définir le sens du courant selon le déplacement des parti­ cules chargées positive­ ment. C’est pour cette raison que, dans un cir­ cuit, le sens du courant conventionnel est défini comme un courant qui va de la borne positive de la pile vers la borne négative. Nous savons aujourd’hui que les électrons circulent à sens inverse dans un circuit par rapport au cou­ rant conventionnel : ils vont de la borne négative de la source d’alimenta­ tion vers sa borne positive.

Date :

Le courant électrique (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.

Dans le système international d’unités (SI), le courant se mesure en ampères (A). Un ampère correspond à un coulomb par seconde (1 A = 1 C/s). Pour que les particules chargées puissent circuler dans un circuit, il faut qu’on leur fournisse de l’énergie électrique. Dans plusieurs circuits, les piles remplissent la fonction d’alimentation en énergie. Les piles électriques possèdent deux bornes (deux endroits où l’on peut effectuer un branchement) : l’une est chargée positivement et l’autre, négativement. Quand un circuit contient une pile, celle-ci 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 pile, qui les repousse, vers la borne positive, qui les attire. Cependant, le courant électrique conventionnel (I ) est déni comme un courant qui circule de la borne positive de la pile vers sa borne négative (voir la gure 6).

Sens conventionnel du courant

Sens du déplacement des électrons

Dans un circuit, le courant conventionnel circule de la borne positive de la pile vers sa borne négative, même si les électrons circulent, en réalité, en sens inverse. FIGURE 6

Les piles et les autres sources d’alimentation électrique créent, dans un circuit, ce qu’on appelle une « différence de potentiel ». La différence de potentiel est aussi appelée la « tension électrique ». La différence de potentiel (représentée par la lettre U) 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.

Dans le système international d’unités (SI), la différence de potentiel se mesure en volts (V). Un volt correspond à un joule par coulomb (1 V = 1 J/C).

96

L’univers matériel

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Date :

Les types de circuits électriques

5.2

5.2.1

Groupe :

Quand on étudie les circuits électriques, on distingue les circuits en série des circuits en parallèle. Un circuit en série est un circuit dans lequel il n’y a qu’un seul chemin pour le passage du courant. On dit donc qu’un circuit en série ne comporte qu’une seule boucle (voir la gure 7). Dans un circuit en série, le courant est le même dans chacune des composantes du circuit. En effet, le courant correspond à la quantité de charge qui passe en un point d’un circuit par unité de temps. Dans un circuit en série, toutes les particules chargées doivent emprunter le même chemin. Cela signie, par exemple, que si deux coulombs de charge passent par l’un des éléments d’un circuit en série chaque seconde, la même quantité de charge doit traverser chacun des autres éléments de ce circuit durant un intervalle de temps égal. Si le courant est de 2 A dans une des ampoules du circuit de la gure 7, il doit être de 2 A également dans la seconde ampoule. Un circuit en parallèle, quant à lui, est un circuit dans lequel les particules chargées passent soit par une composante du circuit, soit par une autre. Un circuit en parallèle comporte plus d’une boucle (voir la gure 8).

a ) L’illustration d’un circuit en parallèle formé d’une pile et de deux ampoules. FIGURE 8

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. Deux ampoules sont branchées en série avec une pile. FIGURE 7

b ) Le schéma d’un circuit en parallèle formé d’une pile et de deux ampoules.

Deux ampoules sont branchées en parallèle avec une pile.

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 toujours égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile. Par exemple, si la différence de potentiel aux bornes de la pile de la gure 8 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.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

97

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

5.2

Nom :

Groupe :

Date :

Flash science Le courant alternatif Dans les circuits qui sont alimentés par des piles, le courant circule toujours dans le même sens. Un tel courant est continu (CC). Dans les circuits qui sont alimentés directement par l’électricité fournie par le réseau de distribution domestique, le courant circule alternativement dans un sens, puis dans l’autre. Un tel courant est alternatif (CA).

Un adaptateur CA/CC.

Certains appareils, tels les ordinateurs portables, fonctionnent à l’aide d’une pile ou de l’électricité domestique. Leurs circuits internes sont des circuits CC. Quand on les branche à une prise murale, on doit utiliser un adaptateur CA/CC pour transformer le courant alternatif fourni par la prise en un courant continu.

OUTIL

Mesurer le courant et la différence de potentiel

Pour mesurer le courant électrique qui traverse une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé « ampèremètre » (voir la figure 9, à gauche, et la figure 11 de la page suivante, à gauche).

Comment utiliser un ampèremètre 1. Si l’ampèremètre possède plus d’une échelle, choisir l’échelle qui permet de prendre les mesures les plus élevées. 2. Ouvrir le circuit en débranchant le fil qui se trouve immédiatement avant ou après la composante dans laquelle on veut mesurer le courant (voir les figures 10 a et 10 b de la page suivante). 3. Insérer l’ampèremètre dans le circuit (voir la figure 10 c de la page suivante). Un ampèremètre doit toujours être branché en série avec la composante dans laquelle on veut mesurer le courant*. 4. Lire la mesure du courant affichée sur l’ampèremètre. 5. Si l’ampèremètre 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.

98

L’univers matériel

Un ampèremètre numérique (à gauche) et un voltmètre numérique (à droite). FIGURE 9

*

Si vous utilisez un ampèremètre analogique, vous devez absolument faire en sorte que le courant entre dans l’ampèremètre par sa borne positive et en sorte par sa borne négative. Si vous utilisez un ampèremètre numérique, celuici affichera une valeur négative si 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.

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Groupe :

Date :

a ) On souhaite mesurer le courant qui traverse le résisteur.

FIGURE 10

b ) On ouvre le circuit qui se trouve immédiatement après (ou avant) le résisteur en débranchant le fil.

L’univers matériel

5.2

Nom :

c ) On branche l’ampèremètre en série avec le résisteur.

La mesure du courant à l’aide d’un ampèremètre.

Pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé « voltmètre » (voir la figure 9 de la page précédente, à droite, et la figure 11, à droite).

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 12)*. 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.

a ) On souhaite mesurer la différence de potentiel aux bornes du résisteur. FIGURE 12

Un ampèremètre analogique (à gauche) et un voltmètre analogique ou à aiguilles (à droite). FIGURE 11

*

Si vous utilisez un voltmètre analogique, vous devez absolument faire en sorte que le courant entre dans le voltmètre par sa borne positive et en sorte par sa borne négative. Si vous utilisez un voltmètre numérique, celui-ci affichera une valeur négative si 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.

b ) On branche le voltmètre en parallèle avec le résisteur.

La mesure de la différence de potentiel à l’aide d’un voltmètre.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

99

L’univers matériel

5.2

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

5.2 et 5.2.1

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, puisque les particules chargées suivent toutes le même chemin.

d ) Un circuit en parallèle ne comporte qu’une seule boucle.

2

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé qui lui convient dans la colonne de droite. a ) Un courant

1) Je corresponds à un coulomb par seconde (C/s).

b ) Un circuit en série c ) Un résisteur

2) Je transforme une partie de l’énergie électrique qui me traverse en énergie thermique.

d ) Un fil électrique e ) Une différence de potentiel

3) Je laisse passer le courant et je relie les différentes composantes d’un circuit électrique.

f ) Un ampère 4) Le courant qui traverse mes différentes composantes est le même. 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. 100

L’univers matériel

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Dans l’un des circuits illustrés ci-dessous, laquelle des ampoules ne s’allumera pas ? Encerclez cette ampoule et expliquez votre réponse. a)

4

Date :

b)

L’univers matériel

3

Groupe :

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 ? Entourez la bonne réponse. 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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Chapitre 5

5.2

Nom :

L’électricité et l’électromagnétisme

101

7

Groupe :

Date :

Les deux illustrations suivantes représentent respectivement un circuit en série et un circuit en parallèle. a)

L’univers matériel

5.2

Nom :

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.

102

1)

4)

2)

5)

3)

6)

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Schématisez chacun des circuits illustrés ci-dessous dans les rectangles prévus à cette fin.

5.2

8

Groupe :

L’univers matériel

a)

b)

c)

d)

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

103

Groupe :

Date :

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 un ou plusieurs 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.

L’univers matériel

5.2

Nom :

104

a)

Explication :

b)

Explication :

c)

Explication :

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Dessinez le schéma d’un circuit comprenant :

5.2

11

Groupe :

L’univers matériel

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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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

105

Groupe :

Date :

À l’aide de la liste de mots donnée ci-dessous, complétez le texte qui suit.

13

L’univers matériel

5.2

Nom :

Alternatif

Composantes électriques

Parallèle

Continu

Fils conducteurs

Série

Dans un circuit électrique, il doit y avoir une

Source d’alimentation

pour mettre les

électrons en mouvement. Ce peut être une source de courant

,

par exemple une pile ou une batterie, ou une source de courant

,

une prise électrique domestique, par exemple. Dans un circuit en

, tous les éléments du circuit sont branchés

directement aux bornes de la source, au moyen de un circuit en

. Dans

, les électrons qui sortent de la source doivent

traverser successivement plusieurs

5.2.2

avant de revenir à la source.

La loi d’Ohm

Plusieurs composantes des circuits électriques laissent passer le courant. Ces composantes, bien que conductrices, offrent une certaine opposition au passage du courant et font perdre aux particules chargées une partie de leur énergie. Les ampoules et les résisteurs sont des exemples de ce type de composantes. Les résisteurs (voir la gure 13) sont des composantes des circuits électriques, qui ont une propriété particulière. Si on mesure le courant qui traverse 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). Par exemple, quand la différence de potentiel (U) double, le courant (I ) double également.

FIGURE

13

Des modèles de résisteurs.

La loi d’Ohm est une relation mathématique qui décrit la relation entre la grandeur de la différence de potentiel (U) aux bornes d’un résisteur et le courant (I) qui traverse ce résisteur.

Cette relation s’exprime par l’équation suivante : U = RI, où

U : différence de potentiel aux bornes d’un résisteur, exprimée en volts (V) R : résistance du résisteur, exprimée en ohms (Ω) l : courant qui traverse le résisteur, exprimé en ampères (A)

La résistance (R ) est la propriété physique qui décrit à quel point une composante d’un circuit électrique s’oppose au passage du courant. 106

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.2

Dans le cas d’un résisteur, on utilisera la loi d’Ohm sous la forme suivante pour établir la valeur de la résistance :

L’exemple suivant montre comment utiliser la loi d’Ohm. Exemple

R = 250 Ω

Un résisteur dont la résistance est de 250 Ω est branché directement aux bornes d’une pile de 9 V. Quel est le courant qui traverse le résisteur ?

U=9V

Données :

Calcul :

R = 250 Ω

À partir de l’équation de la loi d’Ohm (U = RI ), isoler la valeur de I :

U = 9 V (Puisque le résisteur est branché directement aux bornes de la pile, la différence de potentiel est la même aux bornes du résisteur qu’aux bornes de la pile.) I=? Le courant qui traverse le résisteur est de 0,036 A.

Activités 1

5.2.2

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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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

107

L’univers matériel

5.2

Nom :

Groupe :

Date :

2

Le physicien allemand Georg Simon Ohm (1789-1854) a donné son nom à deux « notions ». Lesquelles ?

3

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 ?

4

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 ?

5

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 ?

108

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

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 ?

7

Deux résisteurs sont branchés en série. 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 ?

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.

L’univers matériel

6

5.2

Nom :

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 diminuer en fonction du temps, à partir du moment où on allume l’ampoule ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

109

Date :

5.2

Groupe :

5.2.3 La relation entre la puissance et l’énergie électrique

L’univers matériel

Nom :

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 puissance électrique (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. Mathématiquement, la puissance est donnée par l’équation suivante : , où

P : puissance consommée ou fournie, exprimée en watts (W) E : énergie consommée ou fournie durant l’intervalle de temps (Δt), exprimée en joules (J) Δt : intervalle de temps écoulé, exprimé en secondes (s)

Pour évaluer la puissance électrique, il existe également une autre équation. Cette équation est : P = UI, où

P : puissance électrique consommée ou fournie par une composante d’un circuit, exprimée en watts (W) U : différence de potentiel aux bornes de cette composante, exprimée en volts (V) I : courant établi dans cette composante, exprimé en ampères (A)

L’exemple suivant 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. 110

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

5.2

Nom :

Données :

Calcul : À partir de l’équation de E :

P = 1 500 W

Δt = 3 min = 180 s

L’univers matériel

b ) Si la bouilloire met 3 minutes pour faire bouillir 700 mL d’eau, quelle énergie électrique consomme-t-elle durant cet intervalle de temps ? , isoler la valeur

E=?

La bouilloire consomme 270 000 J, soit 270 kJ (1 kJ = 1 000 J) d’énergie électrique pour faire bouillir l’eau.

Activités 1

5.2.3

Un grille-pain consomme 114 kJ d’énergie électrique en 2 minutes. a ) Quelle est sa puissance électrique ?

b ) Si le grille-pain est alimenté par une différence de potentiel de 120 V, quel est le courant qui le traverse ?

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

111

2

Groupe :

Date :

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 ?

L’univers matériel

5.2

Nom :

b ) Quelle est l’énergie électrique que consomme cet ordinateur s’il fonctionne à plein régime pendant 16 heures ?

3

112

Un four 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 ?

L’univers matériel

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Date :

Les sociétés qui gèrent les réseaux de distribution électrique, comme Hydro-Québec, calculent l’énergie que chaque client consomme en kilowattheures (k Wh) et non en joules (J). Un kilowattheure correspond à la quantité d’énergie consommée par un appareil utilisant une puissance de 1 k W (soit 1 000 W) pendant 1 heure : 1 k Wh = 1 k W ⋅ 1 h (puisque E = PΔt) a ) À combien de joules un kilowattheure équivaut-il ?

b ) Si un réfrigérateur consomme 1,2 kWh par jour, combien de joules consomme-t-il en une journée ?

c ) Combien de kilowattheures une ampoule de 60 W consomme-t-elle en une année si elle est allumée en moyenne 5 heures par jour ?

d ) Pourquoi, selon vous, Hydro-Québec 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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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

113

5.2

4

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

5.3

Nom :

L’univers matériel

5.3

Date :

Les phénomènes électromagnétiques

Quand on approche deux aimants l’un de l’autre, on sent immédiatement qu’il y a une force qui 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

Peu importe leur forme, les aimants possèdent toujours deux pôles appelés « pôle Nord » et « pôle Sud ». FIGURE 14

Les aimants peuvent avoir différentes formes. Toutefois, ils possèdent tous deux pôles, c’est-à-dire qu’ils possèdent 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 ». Souvent, pour les identier, on peint les deux pôles d’un aimant de couleurs différentes et on marque le pôle Nord d’un « N » et le pôle Sud d’un « S » (voir la gure 14). Une force d’attraction magnétique est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui s’attirent sous l’effet du magnétisme. Une force de répulsion magnétique est une force qui agit à distance entre deux matériaux qui se repoussent sous l’effet du magnétisme.

La gure 15 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

Répulsion

Attraction

Répulsion

15 Quand on approche deux pôles identiques l’un de l’autre, ils se repoussent. Quand on approche deux pôles différents, ils s’attirent. FIGURE

En plus de s’attirer ou de se repousser, les aimants ont la particularité de pouvoir exercer à distance une force d’attraction sur certains objets métalliques qui sont fabriqués avec des matériaux ayant la propriété d’être ferromagnétiques. Parmi les matériaux ferromagnétiques, on compte, entre autres, le fer, le cobalt, le nickel, les alliages contenant l’un de ces métaux et certains autres alliages.

114

L’univers matériel

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Les objets faits d’un matériau ferromagnétique sont attirés par les aimants (autant par leur pôle Nord que par leur pôle Sud). Cette attraction s’explique par le fait que ces objets deviennent euxmêmes 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 gure 16). 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 qui passe par ce point 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.

Date :

5.3

Groupe :

S

L’univers matériel

Nom :

N

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. FIGURE 16

Tous les aimants créent un champ magnétique autour d’eux. 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 (voir la gure 17).

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.

Des flèches indiquent la direction du champ magnétique

a ) La limaille de fer permet de visualiser la direction et la densité des lignes de champ magnétique. FIGURE 17

b ) On peut visualiser le champ magnétique créé par un aimant droit à l’aide de lignes de champ.

Le champ magnétique créé par un aimant droit.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

115

Groupe :

L’univers matériel

5.3

Nom :

18 Les boussoles s’alignent le long des lignes de champ. L’axe qui va du pôle Sud d’une boussole vers son pôle Nord donne l’orientation de la ligne de champ magnétique qui passe par ce point. FIGURE

Activités

Date :

La boussole est un instrument qui permet de se représenter la conguration des lignes de champ magnétique dans une situation donnée. Son utilisation présente un avantage par rapport à la limaille de fer : avec la boussole, on peut connaître non seulement la direction des lignes de champ magnétique, mais aussi le sens de ces lignes. En effet, l’aiguille d’une boussole est un petit aimant permanent. Cette aiguille, qui est placée sur un pivot, est donc libre de tourner sur elle-même. Quand on place la boussole dans un champ magnétique, son aiguille pivote de façon à s’aligner dans le sens de la ligne du champ qui passe par le point où elle se trouve, depuis le sud vers le nord (voir la gure 18).

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.)

116

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

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.

L’univers matériel

3

5.3

Nom :

a)

b)

c)

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

117

5

L’univers matériel

5.3

Nom :

Groupe :

Date :

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 ?

118

L’univers matériel

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Date :

5.3

Groupe :

5.3.2 Le champ magnétique d’un l parcouru par un courant Les phénomènes électriques et magnétiques sont intimement liés. Quand un courant électrique circule dans un l, un champ magnétique est créé autour de ce l. Les lignes de champ créées prennent la forme de cercles autour du l (voir la gure 19).

I (sens du courant conventionnel)

Comme l’illustre la gure 19, les lignes de champ deviennent de plus en plus espacées au fur et à mesure qu’on s’éloigne du l. Cela signie que, plus on s’éloigne du l, plus l’intensité du champ magnétique diminue. Pour déterminer expérimentalement le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un l rectiligne, on peut utiliser une boussole, comme on le fait pour connaître le champ magnétique créé par un aimant (voir la gure 20).

I

Les lignes de champ créées par un courant qui parcourt un fil rectiligne prennent la forme de cercles concentriques. FIGURE 19

I

I

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. FIGURE 20

Pour connaître le sens des lignes de champ magnétique créées par un courant électrique qui circule dans un l rectiligne, on peut aussi utiliser ce qu’on appelle la « règle de la main droite » : pour ce faire, on aligne le pouce de la main droite dans le sens du courant, les autres doigts de la main s’enroulent alors dans le sens des lignes de champ magnétique (voir la gure 21).

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. FIGURE 21

L’intensité du champ magnétique produit par un l dans lequel circule un courant électrique dépend de certains facteurs. Premièrement, plus le courant électrique qui passe dans le l est fort, plus le champ magnétique est intense. Deuxièmement, comme on l’a vu à la page précédente, l’intensité du champ magnétique diminue quand on s’éloigne du l.

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

119

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

5.3

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

5.3.2

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

I

2

Dans chacun des cas représentés ici, dites dans quel sens circule le courant dans le fil. a)

b)

3

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 ?

4

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. a)

120

L’univers matériel

b)

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Date :

5

Sur l’illustration ci-dessous, on voit un garçon, un écureuil et un oiseau qui se trouvent à différentes distances des fils électriques parcourus par des courants. Classez le garçon, l’écureuil et l’oiseau selon l’ordre croissant de l’intensité du champ magnétique auquel ils sont exposés.

6

Comment l’aiguille d’une boussole se comporte-t-elle quand on déplace cette boussole autour d’un fil rectiligne parcouru par un courant ?

7

Vous faites une promenade en plein air avec un ami. À un certain moment, tandis que vous marchez sous une ligne à haute tension, vous commencez à discuter de la survie en forêt. Votre ami sort alors une boussole de son sac. Vous savez tous deux où est le Nord, mais à votre grande surprise, l’aiguille de la boussole ne pointe pas dans la direction attendue. Comment expliquezvous ce phénomène ?

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

121

5.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

5

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Un objet chargé positivement a accumulé un surplus d’électrons.

b ) Deux corps qui portent chacun une charge résultante de même signe s’attirent.

c ) La présence d’un courant crée un champ magnétique.

2

L’illustration ci-contre montre un circuit électrique composé d’une pile de 1,5 V, d’un voltmètre et de deux résisteurs possédant chacun une résistance de 250 Ω. a ) Faites un schéma du circuit illustré ci-contre.

b ) Le voltmètre affiche 0,75 V. Quel est le courant dans le circuit ?

122

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

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 ?

f ) Vous remplacez l’un des deux résisteurs du circuit par un résisteur de 500 Ω. 1) Ce changement aura-t-il pour effet de faire augmenter ou de faire diminuer le courant qui circulera dans le circuit ? Expliquez votre réponse.

2) Ce 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 ?

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Chapitre 5

L’électricité et l’électromagnétisme

123

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

3

Groupe :

Date :

Supposons que de la limaille de fer soit placée à proximité d’un aimant, donc sans contact direct avec l’aimant. Ces morceaux de fer pourraient, par exemple, avoir été parsemés sur une plaque de plexiglas sous laquelle se trouve l’aimant. Expliquez comment se comportera cette limaille de fer placée ainsi à proximité d’un aimant. Dans votre explication, vous devrez utiliser chaque mot ou groupe de mots donné ci-dessous au moins une fois. Aimant temporaire Ferromagnétique

4

Lignes de champ magnétique

Pôle Nord Pôle Sud

Votre mère, en vous voyant gesticuler alors que vous étudiez, vous demande ce que vous faites. — J’applique la règle de la main droite, lui répondez-vous. — Qu’est-ce que c’est, la règle de la main droite ? vous demande-t-elle. Que répondez-vous à votre mère pour lui expliquer ce qu’est la règle de la main droite et ce à quoi elle sert ?

124

L’univers matériel

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La Terre et l’espace Sommaire CHAPITRE

1

La lithosphère

        

126

CHAPITRE

2

L’hydrosphère

        

134

CHAPITRE

3

L’atmosphère 

        

146

CHAPITRE

4

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables          161

CHAPITRE

5

Les cycles biogéochimiques 

     

CHAPITRE

6

Les régions climatiques 

CHAPITRE

7

L’espace

177



189

            

199

125

C HAPITRE

1

La lithosphère La lithosphère est constituée de la partie superficielle du manteau supérieur et de la croûte terrestres. En plus d’offrir de nombreuses ressources minérales et énergétiques à l’humain, elle fournit un habitat et de la nourriture à bon nombre d’organismes. Par ailleurs, ses mouvements (plaques tectoniques) sont à la base de phénomènes complexes tels que le volcanisme et les tremblements de terre. En quelque sorte, on peut dire que la lithosphère renferme l’histoire de la formation des continents… Dans ce chapitre, vous ferez un survol des différentes composantes du sol. Vous découvrirez également les impacts que l’activité humaine peut avoir sur ces composantes. Ainsi, vous comprendrez mieux certains enjeux environnementaux actuels comme la déforestation.

126

Date :

Les minéraux

Les roches sont constituées de minéraux, qui ont tous leurs caractéristiques propres (voir la gure 1). Les minéraux, particulièrement les métaux, ont de nombreuses utilités. C’est la raison pour laquelle on les exploite abondamment.

La Terre et l’espace

1.1

Groupe :

1.1

Nom :

Minéral : radium Minéral : polonium

Un minéral est un élément naturel ou un composé chimique qui entre dans la composition des roches et des sols. Un minerai est une roche extraite de la lithosphère. Cette roche contient une quantité importante d’un minéral, ce qui en justifie l’exploitation.

L’exploitation des minéraux implique un grand nombre de transformations, depuis leur extraction jusqu’au produit ni. Souvent, ce processus a des conséquences néfastes pour l’environnement. Par exemple, le broyage, le traitement à des températures très élevées et le lavage des minerais au moyen de produits chimiques entraînent la production de déchets, souvent toxiques, qui se retrouvent dans l’environnement.

Minerai : pechblende

Un minerai de pechblende (ou uranite) extrait du sol afin d'en retirer les minéraux, soit le polonium et le radium. FIGURE 1

Communauté scientifique Marie Curie (1867-1934) Pierre Curie (1859-1906) À la fin du 19e siècle, Pierre et Marie Curie ont étudié la radioactivité de l’uranium. Pour obtenir cet élément, ils ont dû broyer et raffiner une grande quantité d’un minerai appelé « pechblende », qui contient de l’oxyde d’uranium. C’est en tentant d’isoler l’uranium nécessaire à ses recherches que le couple découvre deux nouveaux éléments également contenus dans la pechblende : le polonium et le radium. Le radium est si rare qu’il faut extraire 1000 tonnes de pechblende pour en obtenir moins d’un gramme !

1.2

Les horizons du sol

Des phénomènes naturels provoquent l’érosion et l’altération de la roche mère, partie solide de la croûte terrestre à l’origine de la formation des sols. Des fragments de roches se mêlent ainsi aux végétaux et aux animaux en décomposition et s’accumulent en couches superposées. Les horizons du sol sont les différentes couches du sol qui se différencient par leur épaisseur et leur constitution.

Chacun des horizons du sol a une fonction importante pour les écosystèmes qu’il supporte (voir la gure 2 à la page suivante). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1

La lithosphère

127

Groupe :

1.3

Nom :

Horizons

Date :

Constitution et fonctions

La Terre et l’espace

• Couche superficielle, surtout constituée d’humus, riche en éléments nutritifs. • Les débris végétaux et animaux s’y décomposent sous l’action des décomposeurs, de l’humidité et de la température du sol. • L’horizon O filtre l’eau de pluie qui entraîne une quantité de nutriments vers l’horizon suivant.

O

A

B

C

R

• Terre arable. Fait d’un mélange d’humus et de minéraux. Sa couleur est généralement plus foncée que celle des horizons inférieurs. • Fertile grâce à la présence des éléments nutritifs essentiels aux végétaux et à l’aération assurée par les vers, les insectes et les petits rongeurs qui y creusent leurs galeries. • Horizon particulièrement important pour les végétaux puisqu’il sert de support à leur croissance. • Facilement altérable puisqu’il est sujet à l’érosion due au ruissellement, au vent et au gel. A une bonne capacité tampon en raison des fines particules qu’il contient. • Contient le plus souvent très peu d’humus. Constitué principalement de minéraux, sa couleur est généralement brune ou orangée. • Les racines d’arbres sont en contact avec les minéraux qu’il contient et y puisent les nutriments nécessaires à leur croissance. • Permet l’écoulement de l’eau vers les horizons inférieurs. Accumule des substances de surface qui le rendent plus compact et solide que les horizons supérieurs. • Roche mère fragmentée. Ne contient aucune matière organique. • Supporte les horizons supérieurs. • Roche mère non altérée. • Supporte tous les horizons.

FIGURE 2

Les horizons du sol, leur constitution et leurs fonctions.

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, elle aussi, une température égale ou inférieure à 0 ºC durant une longue période de temps. Dans ces régions où l’été est très court, le sol ne dégèle pas en profondeur. Le pergélisol est la partie du sol considérée gelée en permanence pendant au moins deux années consécutives.

Le réchauffement climatique actuel menace le pergélisol, ce qui entraîne de nombreuses conséquences. Par exemple, le dégel du sol peut provoquer des inondations et rendre les sols plus meubles, donc propices aux glissements de terrain, entraînant ainsi l’instabilité des bâtiments et des routes. Il peut également provoquer le relâchement de certains gaz produits par les microorganismes qui contribuent à augmenter l’effet de serre. De plus, le dégel du sol menace la survie de certains organismes, car il modie et rend moins disponible leur nourriture et détruit leurs habitats naturels. Le pergélisol occupe une large proportion du territoire du Grand Nord canadien. 128

La Terre et l’espace

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Activités 1

1.1 à 1.3

Pour chaque exemple, indiquez par un crochet s’il est question d’un minéral ou d’un minerai. Exemple

2

Date :

1.1 à 1.3

Groupe :

Minéral

Minerai

Exemple

Une pépite d’or

Un marais salant (mine de sel)

Le broyage

De la chrysotile (amiante)

Minéral

Minerai

Nommez l’horizon qui se compare le mieux à chacune des illustrations suivantes. Justifiez vos réponses. Illustration

Horizon

Justification

De la terre enrichie de minéraux

Du compost

Un sol couvert de feuilles mortes

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Chapitre 1

La lithosphère

129

La Terre et l’espace

Nom :

La Terre et l’espace

1.1 à 1.3

Nom :

Groupe :

Date :

3

Consultez la figure 2 à la page 128. Parmi les horizons du sol, lequel est le plus récent ? Justifiez votre réponse.

4

Le Nunavut est le plus vaste territoire nordique canadien. Pour connaître la composition de son sol, un chercheur en extrait un échantillon. Il fait appel à vous afin de l’aider à analyser cet échantillon. Il vous demande de nommer la partie du sol où l’échantillon a été pré levé, d’expliquer pourquoi cette partie du sol se nomme ainsi et de décrire les conséquences possibles du réchauffement climatique dans la région du Nunavut.

Territoire : Nunavut Température annuelle moyenne : Hiver (environ 9 mois) : entre -50 et -20 oC Été (environ 3 mois) : de -10 à 18 oC Espèces végétales : Principalement du lichen et de la mousse, du thé du Labrador et du pavot safrané Espèces animales : Principalement des oiseaux migrateurs Couche de neige : 25 cm Partie du sol où l’échantillon a été prélevé : Explication :

Conséquences possibles du réchauffement climatique :

130

La Terre et l’espace

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Date :

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

1.1 à 1.3

5

Groupe :

Problématique environnementale La déforestation

Il est difficile de subvenir aux besoins de la population mondiale grandissante. De plus en plus de terres agricoles sont nécessaires, entre autres pour les plantations de céréales destinées à l’alimentation. La solution réside bien souvent dans la coupe massive d’arbres. Or, le bois étant coupé à un rythme supérieur à celui du reboise ment, on assiste à la déforestation de vastes territoires. La disparition des forêts entraîne des conséquences marquées pour plusieurs organismes : habitats détruits ou grandement modifiés, survie menacée et extinction progressive de certaines espèces. Les coupes à blanc sont le premier pas vers la déser tification des territoires. Leurs conséquences sont : des sols mis à nu plus propices au ruissellement des eaux ; plus de catastrophes naturelles tels les éboulements et les glissements de terrain, en raison de l’absence de racines qui jouent un rôle de soutien pour les sols ; un appauvrissement en éléments nutritifs. Quelles sont les solutions pour contrer la déforestation à l’échelle mondiale ? L’agroécologie, où le développement de l’agriculture va de pair avec la protection et la régénération de l’environnement, semble un moyen à préconiser . Ses techniques incluent : le contrôle biologique (lutte contre les maladies et les indésirables par des prédateurs naturels), l’agroforesterie (arbres et cultures sur un même site), le stockage naturel

de l’eau, l’utilisation de fumier biologique et le mélange culture-bétail. Ces moyens doivent être appliqués avec vigilance. Le reboisement et l’agroforesterie doivent compor ter une variété d’espèces. De cette façon, l’arrivée d’une maladie ou d’un parasite ciblant une espèce particulière ne devrait pas empêcher les autres végétaux de pousser et de résister malgré ces intrus. De plus, les minéraux et ressources puisés du sol varient selon l’espèce des végétaux, ce qui prévient l’épuisement du sol. Cette diversité végétale entraîne également une diversité des espèces animales présentes, créant de cette façon un milieu plus équilibré et résilient à l’apparition d’un parasite ou d’un virus s’attaquant à une des espèces.

Une forêt déboisée.

a ) Expliquez pourquoi les coupes à blanc peuvent être considérées comme un premier pas vers la désertification des territoires.

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Chapitre 1

La lithosphère

131

La Terre et l’espace

Nom :

Nom :

Date :

b ) Des feux ravagent chaque année des milliers d’hectares de forêt au Québec. À l’été 2011, 299 incendies de forêt ont détruit une superficie de 2500 hectares. L’épinette noire est une espèce souvent utilisée pour le reboisement. Nommez deux inconvénients associés au reboisement à l’aide d’une seule espèce sur un territoire.

1.1 à 1.3 La Terre et l’espace

Groupe :

Monsieur Séguin souhaite suivre les principes de l’agroécologie pour améliorer ses cultures et agir de façon responsable envers l’environnement. Il se rend au village pour acheter des semences d’orge pour compléter l’alimentation de ses chèvres. Ainsi, il suit le principe du jumelage culture-bétail.

6

Monsieur Séguin pratique-t-il vraiment l’agroécologie en agissant de la sorte ? Justifiez votre réponse.

Dans certains pays en voie de développement, on élimine des zones forestières afin d’utiliser les terres pour l’agriculture. Décrivez deux conséquences possibles d’une telle action.

7

Consolidation du chapitre

1

1

Nommez deux éléments communs aux horizons O et A du sol.

2

Nommez une fonction commune aux deux premiers horizons du sol (O et A).

132

La Terre et l’espace

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Nom :

Date :

Lisez le texte qui suit. Puis, répondez à la question.

La Terre et l’espace

3

Groupe :

L’épuisement des combustibles fossiles 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.

Des énergies renouvelables.

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 ? Justifiez votre réponse.

4

Le tableau ci-dessous permet de résumer les effets de la déforestaton sur les sols. Complétez-le à l’aide de vos connaissances et de la figure 2 (page 128). a ) Dans la première colonne, cochez les horizons du sol qui ne sont pas touchés par la déforestation. Expliquez votre choix dans la deuxième colonne. b ) Dans la troisième colonne, cochez les horizons du sol qui sont touchés par la déforestation. c ) Dans la dernière colonne, indiquez quel rôle l’horizon touché par la déforestation ne peut plus assurer. Horizons du sol non touchés par la déforestation

Explication

Horizons du sol touchés par la déforestation

Rôle qui n’est plus assuré par l’horizon touché

O (couche superficielle)

O (couche superficielle)

A (terre arable)

A (terre arable)

B

B

C (roche mère fragmentée)

C (roche mère fragmentée)

R (roche mère non altérée)

R (roche mère non altérée)

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Chapitre 1

La lithosphère

133

C HAPITRE

2

L’hydrosphère Sur la « planète bleue », l’eau est présente en quantité abondante. Cette eau s’y trouve sous diverses formes : sous formes gazeuse, liquide et solide dans l’atmosphère, sous forme liquide dans les océans, les cours d’eau et les nappes souterraines et sous forme solide dans les glaciers, les banquises et la neige. L’hydrosphère est l’ensemble de l’eau qui se trouve sur notre planète, peu importe la forme qu’elle prend. Élément essentiel à la vie, l’eau est aujourd’hui au cœur des préoccupations de l’humanité. En effet, le réchauffement climatique représente un risque important pour l’avenir des réserves d’eau potable sur Terre. Dans ce chapitre, vous explorerez différents aspects qui touchent l’hydrosphère. Vous étudierez la composition de l’eau et les principes qui expliquent sa circulation à l’échelle des océans.

134

Date :

Les bassins versants

La Terre et l’espace

2.1

Groupe :

2.1

Nom :

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. Un bassin versant est une partie du territoire qui draine les précipitations vers une rivière ou un réseau de cours d’eau.

C’est sous l’effet de la gravité que l’eau s’écoule, du haut vers le bas et selon la dénivellation du terrain. Ce ruissellement dénit des lignes imaginaires qui relient les points les plus hauts des reliefs (voir la gure 1). Ces lignes qui délimitent les bassins versants se nomment « lignes de crête » ou « lignes de partage des eaux ».

Ligne de crête 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. FIGURE 1

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 euve Saint-Laurent, puisque la rivière Saguenay se jette dans le euve. Certaines activités humaines ont des effets importants sur les bassins versants. Entre autres, la déforestation excessive entraîne un écoulement plus grand des eaux de surface. L’augmentation du ruissellement fait à son tour augmenter l’érosion, ce qui peut entraîner l’envasement de cours d’eau, des glissements de terrain et des inondations. Par ailleurs, certaines industries, comme celle des mines, produisent des résidus toxiques qui peuvent atteindre les eaux souterraines par lessivage. Lorsque cela se produit, les substances contenues dans l’eau atteignent les rivières et les contaminent. Tous ces phénomènes nuisent à l’équilibre écologique et ont des effets néfastes sur les populations qui habitent aux abords des bassins versants. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2

L’hydrosphère

135

Groupe :

La Terre et l’espace

2.2

Nom :

Date :

2.2 La salinité Composition ionique des sels Sodium (Na +) 30,6 % Chlorures (Cl - ) 55 % Magnésium (Mg2+) 3,7 % Sulfates (SO42- ) 7,7 % Calcium (Ca2+) 1,2 % Potassium (K+) 1,1 % Autres ions 0,7 %

Eau 96,5 %

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. FIGURE 2

La composition de l’eau

de mer.

Activités 1

Après une baignade à la mer, la peau d’une personne est recouverte d’une mince couche blanche au goût salé. Par contre, ce phénomène ne se produit pas après une baignade dans un lac. La salinité est un des facteurs qui différencient l’eau de mer de l’eau douce (voir la gure 2). La salinité 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 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 (un peu moins de 1 g /mL). Un même corps ottera 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 euves ou dans les estuaires, 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. 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.

2.1 et 2.2

Pour chacune des illustrations ci-dessous, répondez aux questions. a ) Délimitez les bassins versants en traçant les lignes de partage des eaux. b ) Indiquez, à l’aide de flèches, la direction vers laquelle l’eau s’écoule dans chaque bassin versant.

136

La Terre et l’espace

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Nom :

Groupe :

Date :

2.1 et 2.2

Faites les activités 2 et 3 à l’aide de la carte suivante.

La Terre et l’espace

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 ) En quoi la pollution d’un cours d’eau près de Gatineau peut-elle toucher la population de Trois-Rivières ? Formulez votre réponse en insistant sur les impacts environnementaux de la pollution.

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. Expliquez le phénomène qui s’est produit à l’embouchure de la rivière Saguenay pour que l’eau ait cette couleur.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

137

4

La Terre et l’espace

2.1 et 2.2

Nom :

5

Groupe :

Date :

Un alpiniste fait l’ascension de l’Everest. Indiquez, à l’aide d’un crochet, l’élément qui est inutile dans son sac à dos. Donnez deux arguments pour justifier votre réponse. Sous-vêtements chauds

Crampons

Survêtements isolants

Cordage, attaches

Manteau, bottes, gants, tuques

Tente, nourriture sèche

Sac de couchage isotherme

Crème solaire

Réserves d’eau potable embouteillée

Lunettes de soleil

Terminez le rapport de laboratoire suivant.

Masse de l’œuf : 34,5 g Volume de l’œuf : 25 cm3 Masse volumique de l’eau douce ( ) : 1 g /cm3

Eau douce

Eau salée

1. Quelle est la masse volumique de l’œuf ? Laissez des traces de votre démarche.

2. Pourquoi l’eau salée a-t-elle une masse volumique supérieure à celle de l’eau douce ? Justifiez votre réponse.

3. Qu’observerait-on si on colorait l’eau douce, puis qu’on la versait doucement dans l’eau salée ?

4. Quelle doit être la valeur minimale de la masse volumique de l’eau salée pour que l’œuf flotte ?

138

La Terre et l’espace

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Date :

Lisez ce texte. Répondez ensuite aux questions.

2.1 et 2.2

6

Groupe :

Problématique 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.

les États membres de l’ONU se sont engagés, en l’an 2000, à réduire de moitié, d’ici 2015, le pourcentage de la population mondiale qui n’a pas accès à un approvisionnement durable en eau potable. Pour atteindre cet objectif, les pays signataires misent sur la conservation des terres humides, puisque 30,8 % de l’approvisionnement total en eau douce dans le monde provient des eaux souterraines. Or, depuis le siècle dernier, 50 % des zones humides mondiales ont disparu… Une autre piste de solution envisagée par d’autres acteurs sociaux, à un niveau plus local, est l’installation de compteurs d’eau semblables aux compteurs d’électricité. Par exemple, des études démontrent que l’utilisation de compteurs d’eau au Canada permettrait de réduire de 15 à 30 % la consommation globale d’eau dans les secteurs résidentiel, commercial, industriel et institutionnel.

Deuxièmement, tous les peuples n’ont pas un accès égal à l’eau potable. Pour contrer cette inégalité,

a ) Étant donné la croissance de la population mondiale, en quoi l’agriculture exerce-t-elle une pression importante sur les réserves d’eau potable ?

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Chapitre 2

L’hydrosphère

139

La Terre et l’espace

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l’espace

2.3

b ) Faites deux recommandations qui permettraient à un plus grand pourcentage de la population mondiale d’avoir accès à l’eau potable.

La circulation océanique

2.3

L’eau des océans est en mouvement continu. Le mouvement d’une masse d’eau dans une direction donnée est appelé « courant marin ». La circulation océanique 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.

2.3.1

Les courants de surface

Les vents qui soufent 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).

2.3.2

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 euves et de la fonte des glaces des régions polaires. D’autre part, lorsque la température de l’eau refroidit, 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.

2.3.3

La circulation thermohaline

Courants chauds de surface Courants froids et salés de profondeur

OCÉAN ATLANTIQUE OCÉAN PACIFIQUE

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 gure 3).

OCÉAN INDIEN

FIGURE 3

140

La circulation thermohaline.

La Terre et l’espace

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Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l'espace

2.4

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, et donc de réguler le climat à la surface de la Terre.

Flash science Le Gulf Stream Le Gulf Stream est l’un des courants océaniques les plus importants de la planète. Il est une portion de la boucle thermohaline. 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 a pour effet de réchauffer l’atmosphère audessus de l’Atlantique Nord. Sur l’image satellite ci-contre, les températures les plus chaudes à la surface de l’eau vont du jaune à l’orangé et les plus froides, du bleu au violet. Les températures intermédiaires sont en vert.

m

rea f St

Gul

Une image satellite du Gulf Stream.

2.4 Les glaciers et les banquises Une partie de l’hydrosphère se trouve 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 provenant de l’accumulation et de l’entassement de neige à la surface d’un continent. Une banquise est une masse entièrement constituée de glace qui flotte à la surface des océans polaires.

Le réchauffement climatique menace les glaciers, dont la supercie diminue de plus en plus : elles se détachent en morceaux qui fondent dans l’eau des océans et qui, de cette façon, en augmentent le niveau. L’impact de la fonte des glaciers peut s’avérer critique pour de nombreuses espèces, y compris l’espèce humaine. Ainsi, des villes construites sous le niveau de la mer, comme La Nouvelle-Orléans, aux États-Unis, pourraient être inondées ou même disparaître. La fonte d’immenses quantités de glace libère une quantité d’eau douce qui pourrait perturber sérieusement la circulation thermohaline et avoir des répercussions considérables dans la régulation du climat de nombreuses régions, modiant entre autres le milieu de vie de milliers d’espèces.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

141

Groupe :

Activités

Date :

2.3 et 2.4

1

Indiquez quel type de courant, de surface ou de profondeur, a le plus de chance d’influer sur chacune des situations suivantes.

2

a ) Le Gulf Stream est-il un courant de surface ou un courant de profondeur ? Justifiez votre réponse.

La Terre et l’espace

2.3 et 2.4

Nom :

b ) Selon vous, le Gulf Stream a-t-il tendance à réchauffer le climat nord-américain ou à le refroidir ? Justifiez votre réponse.

3

En regardant la photo de la carte postale que Sabrina lui a envoyée, Jim constate que de drôles de bus des neiges sont garés sur la glace, en montagne… Selon vous, ces bus sont-ils sur une banquise ou sur un glacier ? Justifiez votre réponse.

! a t r e b lle Al

Be

142

La Terre et l’espace

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

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Date :

Durant la semaine des sciences, on vous demande de démontrer comment la température influe sur la circulation thermohaline. Pour accompagner votre démonstration, vous faites l’affiche suivante.

La Terre et l’espace

4

Groupe :

3

2

4

1

a ) Décrivez ce qui se passe à chaque étape du mouvement de convection que vous avez illustré. Étape du mouvement de convection

Description

1

2

3

4

b ) Quel élément manque-t-il à votre montage afin que la circulation thermohaline soit représentée de façon encore plus réaliste ?

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2.3 et 2.4

Nom :

Chapitre 2

L’hydrosphère

143

La Terre et l’espace

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

2

La ville de Baie-Saint-Paul est située dans une portion du fleuve Saint-Laurent où l’eau est saumâtre, comme le montre cette carte. La distribution de l’eau douce, saumâtre et salée dans la portion fluviale, l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent Portion fluviale

Estuaire et golfe

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 ) Est-ce que le fleuve peut être la source d’alimentation en eau de la ville de Baie-Saint-Paul ? 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.

c ) Peut-on dire qu’il y a une circulation océanique à Baie-Saint-Paul ? Justifiez votre réponse.

144

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

2

La circulation océanique comprend deux types de courants : les courants de surface et les courants de profondeur. À l’aide de vos connaissances sur le sujet, nommez deux éléments qui différencient ces types de courants.

3

Le réchauffement climatique accélère la fonte des glaciers et des banquises. Si cette tendance se maintient, l’hydrosphère risque d’en être grandement touchée. Expliquez les conséquences de la fonte accélérée des glaciers et des banquises sur les éléments suivants. Élément

Conséquences de la fonte des glaces

Bassins versants

Réserves d’eau potable

Circulation océanique

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Chapitre 2

L’hydrosphère

145

La Terre et l’espace

Nom :

C HAPITRE

3

L’atmosphère L’atmosphère terrestre est une enveloppe de gaz retenue par la force gravitationnelle. Cette enveloppe est formée de plusieurs couches. Bien qu’elle atteigne des centaines de kilomètres d’altitude, environ 99 % de sa masse totale se situe entre 0 et 50 km au-dessus du sol. L’air est composé principalement d’azote, à 78 %, et d’oxygène, à 21 %. C’est dans la troposphère, c’est-à-dire la couche inférieure de l’atmosphère située près de la surface terrestre, que les différents phénomènes météorologiques se produisent. En effet, l’air, soumis à l’énergie rayonnante du Soleil, subit des brassages constants, dont les effets peuvent être grandioses autant que destructeurs. Dans ce chapitre, vous explorerez l’atmosphère. Vous étudierez les principaux facteurs qui expliquent les mouvements de sa couche inférieure. Vous approfondirez aussi vos connaissances de l’effet de serre et de la pollution de l’air, deux phénomènes qui ont un impact important sur l’atmosphère.

146

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. Par exemple, dans les Territoires du Nord-Ouest, qui se trouvent au nord de l’Amérique du Nord, l’air est plutôt sec et froid, tandis qu’en Louisiane, qui se trouve au sud, l’air est plutôt chaud et humide. Les volumes d’air qui sont soumis à des conditions particulières d’une région à une autre se nomment des « masses d’air ». Une masse d’air 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. Ainsi, lorsque deux masses d’air se rencontrent, la masse d’air plus froid s’inltre sous la masse d’air plus chaud car, pour un volume donné, l’air froid est plus lourd que l’air chaud. La surface où se rencontrent deux masses d’air 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 1). TABLEAU 1

Date :

Communauté scientifique L’indice humidex Durant les chaudes journées d’été, l’air chargé d’humidité (vapeur d’eau) empêche le corps humain de produire la transpiration adéquate pour se refroidir. Cela donne l’impression que la température extérieure est plus élevée que la température réelle. C’est pourquoi, au Canada, durant les bulletins de prévisions météorologiques, on parle de « chaleur ressentie » ou encore de « l’indice humidex ». L’indice humidex a été créé en 1965 par deux météorologistes canadiens, J. M. Masterton et F. A. Richardson. Cet indice met en relation le taux d’humidité de l’air et la température réelle afin d’obtenir une estimation de la chaleur ressentie par le corps (toutefois, il ne prend pas en compte le vent). Comme l’indice humidex n’est pas une mesure, mais le résultat d’un calcul, il n’est pas représenté par une unité de mesure. À partir d’un indice humidex de 40, on considère que l’effet combiné de l’humidité et de la température élevées cause beaucoup d’inconfort.

Les différences entre un front froid et un front chaud

Front et symbole utilisé en météorologie

Front froid

Front chaud

Une masse d’air froid rencontre une masse d’air chaud. L’air chaud monte rapidement tout en se refroidissant.

Une masse d’air chaud rencontre une masse d’air froid. L’air chaud monte doucement au-dessus de l’air froid en se refroidissant graduellement.

Facteur de formation

fortes précipitations

Condition météorologique attendue

Nuages épais formés par la condensation de la vapeur d’eau (eau sous forme gazeuse) qui refroidit, ce qui donne lieu à de fortes précipitations accompagnées de grands vents.

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Nuages légers formés de minces couches, laissant place à un temps incertain : nuageux avec averses.

Chapitre 3

L’atmosphère

147

La Terre et l’espace

3.1

Groupe :

3.1

Nom :

Groupe :

La Terre et l’espace

3.2

Nom :

3.2 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. B A Source de chaleur

C D Air chaud Air froid

FIGURE 1

Une boucle de

convection.

Date :

La circulation atmosphérique

L’air est un uide 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. Ainsi, lorsqu’une quantité donnée d’air absorbe l’énergie rayonnante du Soleil, l’air se réchauffe et l’agitation de ses particules augmente. L’air se dilate alors pour occuper un volume plus grand. De cette façon, la masse volumique de l’air chaud diminue, ce qui le fait monter. L’inverse se produit lorsque l’air se refroidit, ce qui entraîne une boucle de convection (voir la gure 1). 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 (voir la gure 2). La gure 2 est une représentation simpliée du principe général de la circulation atmosphérique. En réalité, la circulation atmosphérique entre l’équateur et les pôles est plus complexe, car deux autres facteurs entrent en jeu : les dimensions et la rotation de la Terre. En raison des dimensions de la Terre, l’air froid qui converge 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 gure 3 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.

Une représentation simplifiée de la circulation atmosphérique à l’échelle planétaire. La circulation atmosphérique répartit la chaleur issue de l’énergie solaire. FIGURE 2

148

La Terre et l’espace

La rotation de la Terre fait dévier les vents dans une direction bien précise selon la région où ils soufent. 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 dominants (voir à nouveau la gure 3).

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Groupe :

Date :

3.3

Nom :

Pôle Nord

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

La Terre et l’espace

Vents d’est polaires

Cellule polaire

Vents d’ouest dominants

30° S

60° S

Cellule polaire Vents d’est polaires Pôle Sud

La circulation atmosphérique et les vents dominants. Dans la partie de l’hémisphère Nord où se trouve le Québec, les vents dominants soufflent d’ouest en est. C’est pourquoi la majorité des systèmes météorologiques qui touchent le Québec passent d’abord par l’Ontario. FIGURE 3

Flash science

Direction initiale

L’effet de Coriolis L’effet de Coriolis a été découvert par le savant français Gaspard-Gustave Coriolis (1792-1843). Celui-ci a expliqué que la rotation de la Terre fait dévier tout corps en mouvement, par exemple de l’air, sur sa surface. Ainsi, la trajectoire des vents est déviée vers la droite (dans le sens horaire) dans l’hémisphère Nord, et vers la gauche (dans le sens antihoraire) dans l’hémisphère Sud (voir l’illustration ci-contre). L’effet de Coriolis influe aussi sur les courants marins.

v3.3

Déviation vers la droite

La déviation des vents due à l’effet de Coriolis.

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). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 3

L’atmosphère

149

Groupe :

3.3

Nom :

3.3.1

Date :

La formation d’un cyclone

La Terre et l’espace

La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de l’atmosphère sur la surface de la Terre. Cette pression dépend entre autres du nombre de particules présentes dans un espace donné. Plus le nombre de ces particules est grand, plus la pression est forte et vice-versa. Lorsqu’une masse d’air circule au-dessus d’un sol ou d’un océan relativement chauds, l’air se réchauffe. De cette façon, la masse volumique de l’air diminue, ce qui lui permet de s’élever dans l’atmosphère. Des particules d’air froid viennent alors prendre cet espace laissé libre par les particules chaudes, ce qui amorce un mouvement de convection. Comme le montre la gure 4, 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).

Montée de l’air chaud

Zone de basse pression (cyclone)

Descente de l’air froid

Zone de haute pression (anticyclone)

Vent

4 Les systèmes de basse pression (cyclones) et de haute pression (anticyclones) dans l’hémisphère Nord. Ces systèmes sont à l’origine du vent. FIGURE

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. L’air tourne dans le sens contraire des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord et dans le sens inverse dans l’hémisphère Sud.

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.

3.3.2

La formation d’un anticyclone

À l’opposé du cyclone, l’anticyclone implique le refroidissement d’une masse d’air. L’air devenant plus dense (masse volumique plus élevée) crée un mouvement descendant vers le sol et amorce ainsi un mouvement de convection. 150

La Terre et l’espace

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Nom :

Groupe :

Date :

3.1 à 3.3

Il est important de noter, comme le suggère la gure 4, que 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.

La Terre et l’espace

Un anticyclone (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. L’air tourne dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord et dans le sens inverse dans l’hémisphère Sud.

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

3.1 à 3.3

1

Qu’est-ce qui constitue l’humidité de l’air ?

2

Durant les journées chaudes et humides d’été, pourquoi l’air nous semble-t-il plus chaud que ce qu’indique le thermomètre ?

3

On annonce la présence d’un cyclone (dépression) sur l’est du Québec dans les prochains jours. a ) Expliquez le mouvement des masses d’air durant cette période.

b ) Le temps sera-t-il dégagé ou y aura-t-il des précipitations dans l’est du Québec ?

c ) Quel phénomène accompagne habituellement un cyclone, soit avant, soit après son passage ?

4

Consultez la carte de la page 130 du chapitre 1, au besoin, pour répondre à la question suivante. Est-il possible qu’un ouragan entraînant de fortes précipitations et des vents violents soit observé au Nunavut ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 3

L’atmosphère

151

5

La Terre et l’espace

3.1 à 3.3

Nom :

Groupe :

Date :

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 (H2O(g))

a ) Ces deux masses d’air ont-elles une humidité semblable ou différente ? Justifiez votre réponse.

b) Dans quelle masse d’air la pression atmosphérique est-elle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.

6

Observez la carte météo suivante. Puis, répondez aux questions.

Situation météo Mardi

a ) Que représente la ligne bleue au centre de la carte ?

b ) Combien de masses d’air observe-t-on sur cette carte ? Justifiez votre réponse.

152

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

3.1 à 3.3

c ) Inscrivez les termes « chaud » et « frais » aux bons endroits sur la carte. 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 pour illustrer vos propos. Explication :

Schéma :

7

Dans plusieurs maisons, on trouve des ventilateurs installés au plafond de certaines pièces (voir l’image ci-contre). a ) Dans quel type de pièce est-il approprié d’installer un ventilateur ? Cochez la ou les bonnes réponses. Une pièce relativement étroite avec un plafond bas Une pièce à aire ouverte avec un plafond haut Une pièce du sous-sol Une pièce où il n’y a pas de fenêtres b ) Comme les ventilateurs ne peuvent pas refroidir l’air ambiant, pour quelle raison choisit-on tout de même de les utiliser ? Expliquez votre réponse à l’aide de la notion de convection.

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Chapitre 3

L’atmosphère

153

La Terre et l’espace

Nom :

8

Groupe :

Date :

À l’aide des cartes suivantes, complétez la capsule météo ci-dessous. Prévisions Samedi

La Terre et l’espace

3.1 à 3.3

Nom :

Probabilités de précipitations : 10 %

Prévisions Dimanche

a Probabilités de précipitations : 50 %

Voici les prévisions pour la fin de semaine : Il y aura du soleil, samedi, à Toronto, à Ottawa et à Montréal. Par contre, le passage d’un front

, dimanche, devrait changer

la situation pour l’ensemble de ces régions. En effet, on prévoit un temps et relativement pour Montréal d’environ

, avec un maximum . Lundi, la pluie cessera à

Toronto et à Ottawa, alors qu’à Montréal, le début de la semaine devrait être .

154

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

Comment les averses peuvent-elles se former dans cette situation ? Dans un premier temps, expliquez ce qui se produit. Puis, faites un schéma pour illustrer vos propos.

La Terre et l’espace

Explication :

Schéma :

9

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 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.

d ) Pourquoi la chaleur ressentie est-elle plus élevée que la température réelle durant les journées où l’indice humidex est élevé ?

10

C’est le 15 janvier et vous n’en pouvez plus de l’intense froid polaire qui sévit depuis quelques jours partout au Québec. a ) Donnez une caractéristique de la masse d’air présente sur le Québec à ce moment.

b ) Qu’est-ce qui pourrait chasser cette masse d’air ?

c ) Quelles pourraient être les prévisions météorologiques à l’arrivée de cette nouvelle masse d’air ?

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3.1 à 3.3

Nom :

Chapitre 3

L’atmosphère

155

Groupe :

3.4

Nom :

La Terre et l’espace

3.4

Date :

L’effet de serre

L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet de retenir dans l’atmosphère une partie de la chaleur produite par le rayonnement du Soleil. Sans effet de serre naturel, la température moyenne à la surface de la Terre serait d’environ -18 °C. L’effet de serre est un processus naturel par lequel une partie de la chaleur émise par le Soleil est conservée dans l’atmosphère.

Seulement une partie de l’énergie rayonnante émise par le Soleil est absorbée par la surface de la Terre pendant le jour. Ce rayonnement réchauffe le sol qui émet alors, durant la nuit, des rayons infrarouges (chaleur) vers l’atmosphère. Certains gaz présents dans l’atmosphère, les gaz à effet de serre (GES), emprisonnent temporairement une partie de cette chaleur pour réchauffer le sol et l’air (voir la gure 5). Espace

1 La Terre reçoit de l’énergie solaire. 2 Une partie du rayonnement solaire est absorbée par l’atmosphère et atteint la surface terrestre. 3 Une partie du rayonnement solaire est réfléchie par l’atmosphère vers l’espace.

3

1

5

4 L’énergie du rayonnement solaire réchauffe le sol. Celui-ci émet des rayons infrarouges (chaleur) vers l’atmosphère.

Atmosphère

2 Surface de la Terre

4

6

5 Une plus petite partie des rayons infrarouges traverse l’atmosphère et atteint l’espace. 6 Le reste des rayons infrarouges est emprisonné dans l’atmosphère par les gaz à effet de serre.

5 L’effet de serre. Une partie du rayonnement solaire est réfléchie vers l’espace par l’atmosphère, une autre est absorbée par le sol. Le sol émet ensuite de la chaleur vers l’atmosphère, dont une partie y reste emprisonnée grâce aux GES. FIGURE

Les principaux gaz responsables de l’effet de serre (GES) sont présents naturellement dans l’atmosphère : la vapeur d’eau (H 2O), 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’atmosphère 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. Ce phénomène a pour conséquences, entre autres, la fonte des glaciers et des banquises, la hausse du niveau des mers, la perturbation de nombreux écosystèmes et des périodes de sécheresse importantes.

156

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

3.4

Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez à la question. Expéditeur : Pierre Objet : Enfin arrivés ! Destinataire : Dominique

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 feux de forêt faisaient ravage 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

Parmi les éléments mentionnés dans le courriel de Pierre, relevez ceux qui contribuent à augmenter l’effet de serre. Justifiez votre réponse.

2

Quelle est la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre renforcé ?

3

Pour l’Expo-Sciences, vous devez préparer un montage qui permettra d’expliquer l’effet de serre. Le tableau suivant présente le matériel mis à votre disposition. Matériel

Une bouteille d’eau vide

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Une lampe chauffante

Un bécher

Chapitre 3

L’atmosphère

157

La Terre et l’espace

Activités

Date :

3.4

Nom :

Groupe :

3.4

Nom :

Date :

La Terre et l’espace

Matériel (suite)

Deux erlenmeyers munis d’un bouchon troué

Deux supports universels munis d’une pince

Un flacon laveur rempli d’eau distillée

Deux thermomètres

Deux pinces universelles

Une plaque chauffante

a ) Choisissez parmi ce matériel, puis faites le schéma d’un montage qui vous permettrait de reproduire, à petite échelle, l’effet de serre. Attention, vous n’êtes pas obligé d’utiliser tout le matériel à votre disposition.

b ) Expliquez votre démonstration.

158

La Terre et l’espace

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Groupe :

Consolidation du chapitre

Date :

La Terre et l’espace

Nom :

3

1

Nommez trois éléments qui distinguent le passage d’un front chaud de celui d’un front froid.

2

Pour illustrer la circulation atmosphérique, une ensei­ gnante de science prend un contenant fermé hermé­ tiquement 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 pourrait­elle faire en sorte que la fumée circule rapidement à l’intérieur du contenant ?

3

Nommez trois éléments communs à la dépression et à l’anticyclone.

4

Parmi les phénomènes suivants, entourez celui ou ceux qui sont responsables de l’effet de serre renforcé. a ) Émanation de méthane provenant des sites d’enfouissement (dépotoirs) b ) Évaporation de l’eau (vapeur d’eau) par les végétaux c ) Augmentation du nombre de voitures fonctionnant à l’essence

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Chapitre 3

L’atmosphère

159

La Terre et l’espace

Nom :

5

Groupe :

Date :

Nommez le concept qui relie chacun des ensembles de mots suivants. a ) Pression, humidité, température : b ) Précipitations, changement du temps, masse d’air : c ) Haute pression, basse pression, circulation : d ) Rayonnement solaire, gaz, réflexion vers l’espace : e ) Masses d’air, mouvement, pôles :

6

Pour chacun des énoncés suivants, nommez le concept dont il est question. a ) Indice : tous les concepts se terminent par le même son. Énoncé

Concept

1) C’est une force exercée sur une surface. 2) C’est un phénomène par lequel un fluide prend de l’expansion. 3) C’est une boucle créée par un mouvement d’air chaud et d’air froid. 4) Elle peut être sous forme liquide (pluie) ou solide (neige). b ) Indice : tous les concepts s’écrivent en deux mots. Énoncé

Concept

1) Elle est caractérisée par une température, un taux d’humidité et une pression qui lui sont propres. 2) Il met en relation la température extérieure et le taux d’humidité. 3) Elle correspond à l’ensemble des mouvements de masses d’air autour de la Terre. 4) Synonyme de densité, ce concept correspond au rapport de la masse et du volume. c ) Indice : tous les concepts se terminent par la même lettre, mais pas nécessairement par le même son. Énoncé

Concept

1) Elle correspond à l’eau contenue dans l’air. 2) C’est le réchauffement d’une masse d’air à partir d’un centre de basse pression. 3) Il est situé au nord ou au sud de la Terre. 4) Elle correspond au nombre de particules dans un espace donné. 160

La Terre et l’espace

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CHAPITRE

4

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables

Afin de répondre à la demande énergétique sans cesse croissante liée à l’activité humaine, un grand nombre de ressources sont exploitées à l’échelle planétaire. Une des conséquences de la demande énergétique croissante est la disparition de certaines ressources non renouvelables, comme le pétrole. Ce phénomène incite les humains à améliorer les procédés qui permettent l’utilisation d’énergies renouvelables. Des technologies de plus en plus performantes sont créées, laissant espérer une meilleure utilisation des ressources de la planète. Au cours des chapitres précédents, vous avez étudié les caractéristiques de la lithosphère, de l’hydrosphère et de l’atmosphère. Le présent chapitre traite des différentes ressources énergétiques, renouvelables et non renouvelables, qu’il est possible de tirer de chacune de ces sphères. Vous verrez comment les ressources énergétiques sont exploitées à travers le monde et vous découvrirez différents procédés qui permettent de produire de l’électricité, ainsi que leurs effets sur l’environnement.

161

Groupe :

4.1

Nom :

Les ressources énergétiques de la lithosphère

4.1

La Terre et l’espace

Date :

La lithosphère comprend de nombreuses ressources énergétiques qui peuvent être regroupées en trois catégories : les énergies fossiles, 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.

4.1.1

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.

Gaz de combustion Cheminée Chaudière

Génératrice Turbine à vapeur

Réserve d’eau froide

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 gure 1 décrit le principe de fonctionnement des centrales qui utilisent les combustibles fossiles pour produire de l’électricité. Le combustible fossile est d’abord brûlé dans une chambre à combustion, où il dégage une importante quantité de Arrivée d’air Brûleurs Pompe Circuit de refroidissement chaleur. Les gaz de combustion sont évacués par Arrivée du combustible une cheminée, tandis que la chaleur est utilisée FIGURE 1 Le fonctionnement d’une centrale thermique. pour chauffer l’eau contenue dans une chaudière. La chaleur obtenue en brûlant un combustible fossile Une fois chauffée, cette eau devient de la vapeur, (pétrole, gaz ou charbon) permet de produire la vapeur puis est conduite à une pression élevée, au moyen d’eau qui actionne la turbine et, ainsi, la génératrice. de gros tuyaux, jusqu’à une turbine dont elle fait tourner les pales. La turbine est reliée à une génératrice qu’elle entraîne en rotation et qui produit de l’électricité. La vapeur ensuite refroidie retourne dans la chaudière sous forme liquide et l’eau ainsi obtenue peut être chauffée à nouveau. Cette façon de produire de l’électricité a des conséquences importantes sur l’environnement. D’abord, la combustion des combustibles fossiles entraîne l’émission de gaz à effet de serre, d’oxyde d’azote et de soufre responsables des précipitations acides. Ensuite, l’exploitation et le transport des énergies fossiles sont des sources importantes de contamination et de pollution de l’environnement.

162

La Terre et l’espace

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4.1.2

Groupe :

Date :

4.1

Nom :

L’énergie nucléaire

Ce mode de production d’électricité est prisé pour son efcacité et son haut rendement énergétique. Par contre, même s’il ne produit pas de gaz à effet de serre, il demeure une source d’inquiétudes. En effet, l’énergie nucléaire génère des déchets qui continuent à émettre des radiations. Ces déchets radioactifs constituent un danger pour l’environnement pendant des milliers d’années. De plus, des accidents nucléaires peuvent survenir, émettant des radiations durant de longues périodes et sur de vastes territoires. Ces radiations provoquent chez les organismes des brûlures et des modications génétiques, entre autres. Les déchets radioactifs sont également une source de contamination de l’air et du sol à long terme.

4.1.3

La Terre et l’espace

L’énergie nucléaire est obtenue principalement par la ssion de l’uranium. L’uranium étant un minéral, il est une ressource non renouvelable. La ssion nucléaire est un processus par lequel on brise le noyau des atomes an de produire une très grande quantité de chaleur dans le réacteur nucléaire. Cette chaleur est utilisée an d’enclencher le processus mécanique de production de l’électricité (voir la gure 2). À partir de cette étape du processus, chacune des étapes suivantes correspond sensiblement à celles qu’on observe dans les centrales thermiques (voir la gure 1). Vapeur d’eau Chaudière

Turbine à vapeur

Pompe Réacteur

Génératrice

Réserve d’eau froide

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire. Le réacteur produit de la chaleur obtenue à partir de la fission nucléaire de l’uranium. C’est ainsi que la vapeur qui actionne la turbine est produite. FIGURE 2

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 gure 3). 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. Ce type d’énergie est considéré comme « propre » puisqu’il n’émet pas de gaz à effet de serre, qu’il utilise une ressource renouvelable et qu’il permet, en plus, de réduire la consommation d’autres ressources énergétiques pour le chauffage des habitations où il est utilisé.

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Chauffage

Électricité

80o 180o

Le principe de fonctionnement d’une centrale géothermique. La chaleur interne de la Terre est récupérée. La température de la croûte terrestre augmente avec la profondeur. FIGURE 3

Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

163

Groupe :

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 renouve­ lables (voir le graphique ci-contre). À l’aide de vos connaissances, nommez deux conséquences de cette augmentation prévue de la consommation mondiale de combustibles fossiles.

La consommation énergétique mondiale de 1970 à 2025 Consommation mondiale d’énergie (1018 joules [J])

Activités

Date :

Années

Pétrole Gaz naturel Charbon

Énergies renouvelables Énergie nucléaire

Source : Agence internationale de l’énergie, 2004.

2

En 2009, l’Agence internationale de l’énergie atomique prévoyait qu’entre 2006 et 2030, la demande mondiale d’électricité augmenterait de 80 %, ce qui nécessiterait la construction de nombreux réacteurs nucléaires. Le graphique ci­contre illustre le nombre de réacteurs nucléaires en chantier dans le monde en 2009. a ) Selon vous, quel avantage y a­t­il à ce que des pays émer­ gents tels que la Chine et l’Inde se tournent vers la production d’électricité provenant de l’éner­ gie nucléaire ? Justifiez votre réponse.

164

La Terre et l’espace

Le nombre de réacteurs nucléaires en chantier dans le monde en 2009 Argentine Finlande France République islamique d’Iran Pakistan États­Unis Bulgarie Japon Ukraine République de Corée Inde Fédération de Russie République populaire de Chine 0

Pays

La Terre et l’espace

4.1

Nom :

2

4

6

8

10

12

14

Nombre de réacteurs en chantier

Source : Agence internationale de l’énergie atomique, 2009.

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Groupe :

Date :

3

4.1

b ) Selon vous, quel désavantage y a-t-il à utiliser ce mode de production d’électricité ?

En 2009, 436 réacteurs nucléaires étaient en exploitation dans le monde (voir le graphique cidessous). Plus de 75 % de ces réacteurs dataient de 20 ans et 25 % dataient d’au moins 30 ans. De plus, aux États-Unis, 80 % des réacteurs existants ont fait l’objet d’une prolongation d’utilisation ou d’une remise en état de fonctionner.

Pays

Les réacteurs nucléaires en exploitation par pays en 2009 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2

Arménie Lituanie Pays-Bas Slovénie Argentine Brésil Bulgarie Mexique Pakistan Roumanie Afrique du Sud Finlande Hongrie Slovaquie Suisse République tchèque Belgique Espagne Suède Chine Ukraine Allemagne Inde Canada Royaume-Uni Corée du Sud Russie Japon France États-Unis

Total = 436* 4 4 4 5 6 7 8 10 11

15 17 17 18 19 20 31

53

59 104

0

20

40

60

80

100

120

Nombre de réacteurs en chantier

*Taiwan (Chine) possède six réacteurs et ils sont inclus dans le total. Source : Agence internationale de l’énergie atomique, 2009.

Nommez deux risques associés à une telle situation.

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Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

165

La Terre et l’espace

Nom :

4

La Terre et l’espace

4.1

Nom :

Groupe :

Date :

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

5

La carte suivante représente les plaques tectoniques de la Terre ainsi que des zones de volcans actifs.

a ) Aux Philippines, 28 % de l’électricité est produite par la géothermie. Comment pouvez-vous expliquer ce pourcentage relativement élevé ?

b ) Nommez deux autres régions du monde où la géothermie pourrait être exploitée à l’heure actuelle. Justifiez votre choix.

166

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

4.2

Nom :

La Terre et l’espace

4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère 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 ressources énergétiques de l’hydrosphère 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.

4.2.1

L’énergie hydroélectrique

Ce mode de production d’électricité exploite l’énergie cinétique de l’eau. On trouve deux types de centrales hydroélectriques : les centrales à réservoir et les centrales au l de l’eau. Dans les centrales à réservoir, d’immenses barrages permettent d’accumuler l’eau et de former des réservoirs an de créer une chute d’eau assez puissante pour produire une grande force mécanique. Dans les centrales au l 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 gure 4). L’eau est amenée dans une conduite forcée, ce qui permet au courant d’atteindre une grande vitesse. Au bout de cette conduite se trouve une turbine qui est actionnée par le mouvement de l’eau. Le mouvement de Génératrice la turbine entraîne celui de Bâche en spirale Ligne à haute tension la génératrice à laquelle elle Barrage est reliée. Puis, grâce aux Réservoir d’eau systèmes d’aimants qu’elle Déversoir renferme et à son mouvement Conduite forcée rotatif rapide, la génératrice produit de l’électricité.

Stator

Rotor Turbine Canal d’évacuation de l’eau

Aujourd’hui, près de 95 % de l’électricité produite au Québec est de source hydroL’eau est évacuée vers le cours d’eau électrique. Or, malgré l’utilisation d’une res source FIGURE 4 Une vue en coupe d’un barrage hydroélectrique. renouvelable, l’énergie hydroélectrique a des conséquences pour l’environnement. D’une part, l’hydroélectricité produit des gaz à effet de serre (GES). Cependant, elle en produit beaucoup moins que le gaz naturel et encore moins que le 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. D’autre part, Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

167

La Terre et l’espace

4.2

Nom :

Groupe :

Communauté scientifique La ligne à haute tension Le transport de l’énergie électrique dans les dif fé­ rentes régions du Québec a longtemps représenté un défi de taille. En effet, les zones urbaines peuvent parfois se trouver à des centaines de kilomètres de la centrale où l’électricité est produite. Dans les années 1960, un jeune ingénieur d’Hydro­Québec, Jean­ Jacques Archambault, proposa une solution audacieuse à ce problème, qui allait devenir une percée majeure dans le transport de l’électricité : mettre en service une ligne à haute tension de 735 000 volts ! Ainsi, en 1965, la première ligne de 735 kV jamais construite relia le complexe Manic­Outardes aux régions urbaines de Québec et de Montréal. Cette réalisation permit le développement, entre autres, des ressources hydroélectriques de la Baie­James, dans le nord du Québec. Cette solution a été reconnue internationalement comme l’une des innovations les plus impor tantes du 20e siècle.

Balise

Tour rotative Génératrice

Câble Pale

Date :

l’hydroélectricité nécessite, dans certains cas, l’inondation de vastes territoires, ce qui bouleverse de nombreux écosystèmes et entraîne la production de mercure en raison de l’activité de certaines bactéries à la suite de l’inondation. Le mercure se retrouve alors en suspension dans l’eau et s’accumule dans la chaîne alimentaire par l’entremise des poissons.

4.2.2

L’énergie marémotrice

L’énergie marémotrice met à prot l’énergie cinétique 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 inuencés par les conditions météorologiques. L’hydrolienne, une technologie qui fait appel au même principe que l’éolienne, semble être une avenue intéressante puisque l’eau peut générer une puissance encore plus grande que celle produite par le vent (voir la gure 5). Ainsi, les pales de l’hydrolienne sont d’abord actionnées par les courants marins. Puis, cette énergie cinétique est transformée en énergie électrique grâce à la génératrice à laquelle les pales sont reliées. Cependant, pour produire de l’électricité de façon importante, les hydroliennes doivent être installées dans des cours d’eau ayant un débit important ou dans les océans, au large des côtes. Le mode de production d’électricité à l’aide de l’énergie marémotrice offre plusieurs avantages. En effet, il n’entraîne l’émission d’aucun gaz à effet de serre et il tire prot d’une ressource renouvelable. Par contre, son coût d’exploitation est élevé et son rendement est faible. Ces deux inconvénients freinent considérablement son exploitation à grande échelle à l’heure actuelle. De plus, des effets négatifs sur l’environnement, comme l’envasement et la modication des écosystèmes des littoraux, viennent s’ajouter aux inconvénients de l’utilisation de ce type d’énergie.

FIGURE 5 Le schéma d’une hydrolienne. Ce système technologique exploite l’énergie des courants marins.

168

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

4.2

Lisez le texte qui suit. Puis, répondez à la question.

L’inondation de vastes territoires Pour former les bassins nécessaires aux centrales à réservoir, il faut inonder des territoires. Cela entraîne la destruction de la flore en place et sa décomposition par divers organismes. Ainsi, au cours des années qui suivent la mise en fonction d’une centrale hydroélectrique à réservoir, les organismes décomposeurs émettent dans l’atmosphère, tout comme la matière qu’ils décomposent, du dioxyde de carbone. Quelle est la conséquence principale d’une telle inondation sur l’environnement ?

2

Vous participez à un débat portant sur la construction d’un complexe hydroélectrique dans le nord du Québec, le Projet Grande-Baleine, qui a été abandonné depuis quelques années. Pour vous préparer au débat, consultez la fiche informative suivante. Le Projet Grande-Baleine • Le complexe regroupe trois cours d’eau : – La Grande rivière de la Baleine, la Petite rivière de la Baleine et la rivière Coast. – Il inclut également le bassin versant de la Grande rivière de la Baleine. • Projet : – Construction de trois centrales hydroélectriques sur la Grande rivière de la Baleine – Situé à 40 km des villages de Kuujjuarapik et de Whapmagoostui • Dénivellation de la Grande rivière de la Baleine : 400 m sur une distance de 370 km • Capacité totale du projet : 3212 mégawatts et une production annuelle prévue de 16,2 × 109 kWh, dont une partie serait vendue aux États-Unis Légende Centrale hydroélectrique Centrale nucléaire Centrale thermique Centrale hydroélectrique en construction ou projetée Poste de transformation de l’électricité Ligne électrique à 450 kV ou 735 kV Projet Grande-Baleine Territoire de la Jamésie Territoire de la Côte-Nord

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• Modifications à apporter au territoire : – Dérivation des eaux de la Petite rivière de la Baleine et de la rivière Coast – Création de quatre grands réservoirs d’une superficie totale de 59 000 km2 – Rehaussement du niveau du lac Bienville – Ouverture de nouvelles routes pour accéder au chantier – Inondation de 1667 km2 de territoire

Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

169

La Terre et l’espace

Activités

Date :

4.2

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l'espace

4.2

À l’aide de vos connaissances et des informations regroupées sur la fiche informative de la page précédente, nommez deux avantages et deux inconvénients relatifs au Projet Grande-Baleine. Avantages

3

Inconvénients

Durant les 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-contre.

PLAN

Rédigez le texte explicatif qui accompagnera votre démonstration. Tube de plastique dans lequel l’eau est versée Tube de plastique permettant d’évacuer l’eau dans un seau de récupération

Turbine Aimants permanents

Fil électrique Ampoule

Électro-aimant (bobine de fil électrique avec un noyau en acier)

4

170

Vous habitez au bord de la rivière qui traverse votre ville. En revenant de votre cours de science, vous vous demandez s’il serait possible de produire de l’électricité en utilisant l’eau de cette rivière. Nommez deux moyens concrets qui pourraient être envisagés. Justifiez votre réponse.

La Terre et l’espace

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Date :

Les ressources énergétiques de l’atmosphère

La Terre et l’espace

4.3

Groupe :

4.3

Nom :

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 gure 6). Les scientiques et les ingénieurs exploitent également les caractéristiques de l’atmosphère pour concevoir différents modes de production d’énergie thermique et électrique. Les caractéristiques de l’atmosphère sont sa température, sa pression et son taux d’humidité. Les ressources énergétiques de l’atmosphère correspondent à l’ensemble des caractéristiques de l’air qui sont mises à profit, grâce à divers procédés technologiques, afin d’en tirer de l’énergie ther­ mique ou électrique.

Des panneaux à cellules photovoltaïques. Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui génère un courant électrique lorsqu’il est exposé à la lumière. FIGURE 6

Un système technologique couramment associé à l’atmosphère est l’éolienne. Son ancêtre, le moulin à vent, permettait de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique capable d’actionner une meule pour moudre le grain ou d’entraîner la rotation d’une roue pour puiser de l’eau. 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 gure 7). Plusieurs avantages sont associés à la production d’électricité à partir d’éoliennes. Par exemple, le vent est une énergie renouvelable et les éoliennes n’émettent aucun gaz à effet de serre ni aucun autre polluant. Toutefois, ce mode de production comporte des désavantages. En effet, la puissance d’électricité produite dépend entièrement de facteurs météorologiques telle la force des vents. Lorsque les éoliennes ne peuvent pas sufre à la demande, il est nécessaire qu’elles soient secondées par un autre mode de production d’électricité telle l’hydroélectricité. De plus, ces immenses structures sont parfois considérées comme des polluants visuels étant donné l’espace qu’elles occupent dans le paysage. Enn, pour disposer d’un véritable potentiel éolien, les éoliennes doivent être situées dans des régions venteuses où la topographie leur permet de capter les vents, soit en hauteur, dans une plaine libre d’obstacles ou encore en bordure de mer.

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Chapitre 4

Pale Génératrice d’électricité

Nacelle Système d’orientation

Mât

Les différentes parties d’une éolienne. FIGURE 7

Les ressources énergétiques…

171

La Terre et l’espace

4.3

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

4.3

Décrivez le fonctionnement d’une éolienne. Pour ce faire, complétez les encadrés ci-dessous. Les principales composantes d’une éolienne et leur fonction

Nom :

Nom :

Fonction :

Fonction :

Nom :

Nom :

Fonction :

Fonction :

Répondez aux questions 2 et 3 à l’aide du tableau ci-dessous et de la carte de la page suivante. 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 St-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

1078,4

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.

172

La Terre et l’espace

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a ) Quelles sont les trois régions du Québec qui présentent le meilleur potentiel quant à la production annuelle d’électricité provenant d’éoliennes ?

Date :

Les régions administratives du Québec

4.3

2

Groupe :

La Terre et l’espace

Nom :

b ) Nommez deux raisons qui peuvent expliquer le potentiel éolien de ces trois régions.

3

Dans le recensement de 2011, les trois plus grandes villes du Québec en termes d’habitants étaient les suivantes : Montréal (1 649 519 habitants), Québec (516 622 habitants) et Laval (401 553 habitants). a ) Selon les données présentées dans le tableau du bas de la page 172, pourrait-on envisager d’installer des éoliennes près de chacune de ces villes afin de fournir une partie de l’électricité à ses habitants ? Justifiez votre réponse.

b ) Hormis les régions que vous avez nommées dans la réponse à la question 2a, nommez une autre région du Québec où il pourrait être judicieux de produire de l’électricité à l’aide d’éoliennes. Justifiez votre réponse.

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Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

173

4

La Terre et l’espace

4.3

Nom :

Groupe :

Date :

La carte suivante indique la puissance moyenne annuelle des vents (mesurée à 50 m de hauteur) selon les régions du Canada. La puissance des vents est exprimée en watts par mètre carré (W/m2).

Légende (W/m2)

1000 800 600 400 200 0

a ) Quelles sont les deux régions du Canada où le potentiel d’énergie éolienne est le plus grand ?

b ) Quelles sont les régions du Canada où le potentiel d’énergie éolienne est le plus faible ?

5

La thermopompe à air (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. Nommez un avantage et un inconvénient de ce système de chauffage sur le plan environnemental. Avantage :

Inconvénient : Un modèle de thermopompe à air.

174

La Terre et l’espace

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

4

Qu’ont en commun les modes de production d’électricité suivants (outre le fait de produire de l’électricité) ? a ) Les énergies fossiles et l’hydroélectricité

b ) L’énergie hydroélectrique, la géothermie, l’énergie marémotrice et l’énergie éolienne

c ) L’énergie éolienne et l’énergie marémotrice

d ) L’énergie hydroélectrique et l’énergie marémotrice

2

Dans le cadre d’un travail portant sur les modes de production d’électricité dans le monde, vous avez choisi d’étudier le cas des Pays-Bas. Voici les informations dont vous disposez. Capitale : Amsterdam Superficie : 41 526 km2 Point culminant : 322 mètres (Vaalserberg) Point le plus bas : -7 mètres Côtes : 451 kilomètres

Les Pays-Bas sont situés au nord-ouest de l’Europe. Les côtes, longues de 451 km, sont exposées aux vents qui soufflent dans cette région à partir de l’océan Atlantique, de la mer du Nord et de la mer des Wadden. Près du quart de la superficie totale du pays (41 526 km2) est situé sous le niveau de la mer. Le relief des Pays-Bas est généralement plat, avec un point culminant à 322 mètres seulement. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4

Les ressources énergétiques…

175

La Terre et l’espace

Nom :

Nom :

Groupe :

La Terre et l’espace

a ) En considérant la situation géographique des Pays-Bas, quel mode de production d’électricité basé sur une énergie renouvelable correspond, selon vous, à la portion bleue du diagramme circulaire ci-contre ? Justifiez votre réponse.

Date :

La production d’électricité provenant de sources d’énergies renouvelables aux Pays-Bas, en 2005 Solaire 0,5 %

Hydraulique 1,2 %

? 27,5 %

Biomasse (biogaz, agrocarburants) 70,8 %

b ) Les Pays-Bas disposent de très importantes réserves de gaz naturel et exploitent actuellement l’un des plus importants gisements de gaz au monde. Ainsi, en 2005, les énergies fossiles étaient la source la plus importante de production d’électricité dans ce pays, comme le montre le diagramme circulaire ci-contre.

Les sources de production d’électricité aux Pays-Bas en 2005 Éolien 2,1 %

Biomasse 5,3 % Déchets non renouvelables 1,5 % Nucléaire 4,0 %

En considérant la situation géographique des Pays-Bas : 1) Nommez un mode de production d’électricité qui pourrait être exploité, autre que ceux déjà en place. Justifiez votre réponse.

Fossile 87,0 %

2) Indiquez un facteur qui pourrait limiter la mise en place de ce mode de production.

176

La Terre et l’espace

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CHAPITRE

5

Les cycles biogéochimiques

Un grand nombre d’éléments chimiques sont à la base de la vie sur Terre. Par exemple, l’oxygène et l’hydrogène forment la molécule d’eau. Le carbone et l’azote sont essentiels aux organismes vivants. Ces éléments chimiques circulent en boucle infinie dans l'environnement, passant d’une forme à une autre. Les différents processus de transformation de ces éléments se nomment les « cycles biogéochimiques ». Le cycle de l’eau est un exemple qui illustre le phénomène des cycles dans la nature. En effet, l’eau s’évapore dans l’air, se condense, puis retombe sous forme de précipitations qui, une fois au sol, s’évaporent à nouveau, et ainsi de suite… Ce chapitre présente d'autres cycles naturels, soit les cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote. Vous les étudierez dans différents contextes, ce qui vous permettra de constater leur importance dans nos vies.

177

Groupe :

5.1

Nom :

Le cycle du carbone

5.1

La Terre et l’espace

Date :

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 du cycle du carbone. Gaz carbonique (CO2)

Atmosphère

1

1

3

2

Phytoplancton

Hydrosphère

3

4

2

Animaux

Zooplancton

Nappe de pétrole

FIGURE 1

Végétaux terrestres

5

Faune aquatique Sédiments

6

Lithosphère 5

Le cycle du carbone.

5.1.1

La portion biochimique

La portion biochimique du cycle du carbone est liée aux interactions entre le carbone et les organismes, et comporte plusieurs processus. Ces processus sont représentés par les èches bleues sur la gure 1 et sont décrits dans l’encadré ci-dessous.

La portion biochimique du cycle du carbone 1 L’absorption du carbone atmosphérique Le carbone est présent dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone, ou gaz carbonique (CO2). Au cours de la photosynthèse, les végétaux terrestres (les plantes) et aquatiques (les algues et le phytoplancton) absorbent une partie du gaz carbonique de l’atmosphère. Le gaz carbonique est alors transformé et utilisé par les végétaux terrestres et aquatiques afin d’assurer leur croissance et leur reproduction (voir les flèches numérotées 1 sur la figure 1). 2 L’absorption du carbone par les consommateurs Le carbone présent dans la matière organique est absorbé par les consommateurs au cours de leur alimentation : • les herbivores l’absorbent en mangeant des végétaux ; • les carnivores l’absorbent en mangeant des organismes qui contiennent déjà du carbone (voir les flèches numérotées 2 sur la figure 1).

178

La Terre et l’espace

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Date :

5.1

Groupe :

La portion biochimique du cycle du carbone (suite) On appelle parfois « carbone organique » le carbone présent dans l’environnement sous forme de matériaux organiques comme des végétaux ou des animaux, entre autres. 3 L’émission du carbone dans l’atmosphère Au cours de la respiration, les organismes rejettent dans l’atmo­ sphère, sous forme de gaz carbonique (CO 2), une partie du carbone qu’ils ont absorbé. Ils rejettent aussi une quantité importante de méthane (CH4) à travers leurs déchets. Une partie du gaz carbonique qui est rejeté dans l’atmosphère est à nouveau absorbée par les végétaux au cours de la photosynthèse (voir les flèches numérotées 3 sur la figure 1). Ainsi, cette portion du cycle du carbone recommence.

5.1.2

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 èches rouge orangé sur la gure 1 et sont décrits ci-dessous. La portion géochimique du cycle du carbone 4 La formation de dépôts calcaires Une partie du carbone qui se trouve dans l’eau va se retrouver sous forme de carbonate de calcium, ou calcaire (CaCO3). Le calcaire entre dans la composition des coquilles et des squelettes de nombreux organismes marins. C’est le cas, entre autres, des coraux et des mollusques. Lorsque ces organismes meurent, leurs restes se déposent au fond des océans et s’y accumulent pour former d’épais sédiments. Ceux­ci se transformeront, après plusieurs millions d’années, en roches contenant des carbonates, qu’on appelle « roches carbonatées » (voir la flèche numérotée 4 sur la figure 1). 5 La formation de roches combustibles Le carbone contenu dans les organismes morts qui se déposent au fond des océans est enfoui dans les sédiments. Sous l’effet de la pression, qui s’exerce pendant des centaines de millions d’années, une partie du carbone va se transformer en roches et, parfois, en combustibles fossiles comme le pétrole. Une partie des roches formées au fond des océans sera ramenée à la surface par le mouvement des plaques tectoniques (voir les flèches numérotées 5 sur la figure 1). 6 Les émissions atmosphériques provenant de combustibles Une partie des roches carbonatées formées au fond des océans restera enfouie dans les couches profondes des fonds océaniques. Une partie du carbone que contiennent ces roches sera recyclée, par la tectonique des plaques (dans le magma de subduction), et retournée dans l’atmosphère au cours d’éruptions volcaniques. Par ailleurs, la combustion d’origine industrielle et les feux de forêt contribuent aussi à retourner dans l’atmosphère une partie du carbone sous forme de CO2 et de CH4, ce qui accroît l’effet de serre (voir la flèche numérotée 6 sur la figure 1). Ainsi, cette portion du cycle du carbone recommence.

Communauté scientifique Andrew J. Weaver (1961-)

Professeur à l’Université de Victoria en Colombie­Britannique , Andrew J. Weaver est à la tête de la chaire de recherche du Canada portant sur les modélisations et les analyses du climat de la planète. Sa plus récente réalisation, le Earth System Climate Model (ESCM), est un simulateur virtuel de la Terre et de son climat. Weaver travaille d’ailleurs à rendre ce simulateur plus performant, afin de vérifier les théories relatives au réchauffement climatique et aux impacts qu’ont les divers projets de reboisement. Il est également à la tête du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, mis sur pied par les Nations Unies, dont le travail a été récompensé par le presti­ gieux prix Nobel de la paix, en 2007.

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

179

La Terre et l’espace

Nom :

La Terre et l’espace

5.1

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

5.1

Complétez le tableau suivant à l'aide de la figure 1 (page 178). a ) Dans la deuxième colonne, indiquez à quelle portion du cycle du carbone appartient chacune des situations représentées. b ) Dans la troisième colonne, décrivez comment le carbone est impliqué dans chacune de ces situations. Situation

Portion du cycle du carbone

Description

Un enfant qui souffle pour faire des bulles

Des coquillages au bord de la mer

Un orignal qui se nourrit

Une centrale thermique au charbon qui produit de l’électricité

180

La Terre et l’espace

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Date :

Complétez le tableau suivant à l'aide de la figure 1 (page 178). a ) Dans la deuxième colonne, nommez le processus du cycle du carbone auquel chacune des situations représentées peut être associée. b ) Dans la troisième colonne, justifiez votre réponse. Situation

Processus du cycle du carbone

Justification

Une foreuse qui puise du pétrole

Un bernard-l’ermite au bord de la mer

Un serpent qui ingère une proie

Des dauphins qui nagent

Une mobylette en marche

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

181

5.1

2

Groupe :

La Terre et l’espace

Nom :

3

Groupe :

Date :

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions. En décembre 1997 à Kyoto, au Japon, les délégués de 160 pays se sont réunis pour discuter des mesures à prendre afin de contrer le réchauffement climatique. Au terme des négociations, ils se sont entendus pour réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) attribuables à l’activité humaine. Ainsi, les délégués souhaitaient qu’entre 2008 et 2012, les émissions de certains gaz soient réduites de 5,2 % par rapport aux émissions de 1990.

La Terre et l’espace

5.1

Nom :

a ) Dans vos mots, expliquez le lien entre le protocole de Kyoto et le cycle du carbone.

b ) En quoi les objectifs du protocole de Kyoto peuvent-ils contribuer à maintenir l’équilibre de l’écosystème planétaire ?

4

182

Selon le graphique suivant, la production d'électricité au début des années 2000 a-t-elle contribué à réduire le déséquilibre du cycle du carbone ? Justifiez votre réponse.

La Terre et l’espace

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Groupe :

Le cycle de l’azote

La Terre et l’espace

5.2

Date :

5.2

Nom :

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. Le cycle de l'azote comprend tous les échanges d'azote entre la lithosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère.

Étant donné la diversité des organismes qui participent au cycle de l’azote, il est plus simple de présenter ce dernier premièrement en milieu terrestre, deuxièmement en milieu aquatique.

5.2.1

Le cycle de l’azote en milieu terrestre

La gure 2 présente les processus de transformation de l’azote en milieu terrestre. Ces processus sont décrits dans l’encadré ci-dessous. Azote atmosphérique (N2)

Bactéries dénitrifiantes Végétaux

Assimilation

3

4 1 Bactéries fixatrices d’azote dans les racines des plantes légumineuses

Nitrates (NO3 - ) Lessivage

Décomposeurs (champignons, bactéries)

1

Hydrosphère

Bactéries nitrifiantes 2

1

Ammoniac (NH 3) Ammonium (NH4+)

Bactéries fixatrices d’azote FIGURE 2

3 Nitrites (NO2- )

Bactéries nitrifiantes

Le cycle de l’azote en milieu terrestre.

Le cycle de l’azote en milieu terrestre 1 La fixation de l’azote Il s’agit du processus qui convertit le diazote (N2) présent dans l’atmosphère sous forme d’azote disponible pour les organismes. Ainsi, au moyen du dioxygène (O2), certaines bactéries du sol fixent l’azote atmosphérique (N2) pour produire de l’ammoniac (NH3) et de l’ammonium (NH4+). Une partie importante de cette transformation de l’azote est réalisée par certaines bactéries qui vivent en symbiose dans les racines des plantes légumineuses. La décomposition d’organismes et d’excréments par des décomposeurs (champignons, bactéries) produit aussi une quantité de NH3. De plus, les décharges électriques des orages produisent des ions nitrates (NO3- ) à partir de l’azote atmosphérique (voir les flèches numérotées 1 sur la figure 2). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

183

Groupe :

Date :

Le cycle de l’azote en milieu terrestre (suite) 2 La nitrification La nitrification est la transformation de l’ammoniac (NH3) et de l’ammonium (NH4+) en nitrites (NO2- ). La nitrification est réalisée par différentes bactéries nitrifiantes grâce à la présence de dioxygène (O2) dans le sol (voir la flèche numérotée 2 sur la figure 2). 3 La nitratation D’autres bactéries, grâce à la présence de dioxygène dans le sol, transforment les nitrites (NO2- ) en nitrates (NO3- ). Les végétaux assimilent ces nitrates pour produire leur ADN et les protéines utiles à leur croissance. Ainsi, les consommateurs qui s’alimentent de ces végétaux ont accès à l’azote nécessaire à leurs besoins (voir les flèches numérotées 3 sur la figure 2). Par ailleurs, les engrais utilisés dans l’industrie agricole contribuent à augmenter la quantité de nitrates dans le sol. Une partie des nitrates non transformés et qui demeurent dans le sol finira par être transportée dans l’hydrosphère par le lessivage des sols causé par les précipitations. 4 La dénitrification Une partie des nitrates (NO3- ) qui ne sont pas assimilés par les végétaux retourne dans l’atmosphère par l’action de bactéries qui les transforment en diazote gazeux (N2) (voir la flèche numérotée 4 sur la figure 2 ). Ainsi, cette portion du cycle de l’azote recommence.

5.2.2

Le cycle de l’azote en milieu aquatique

La gure 3 présente les processus de transformation de l’azote en milieu aquatique. Ces processus sont décrits dans l’encadré ci-dessous. Azote atmosphérique (N2 ) Nourriture 1

4 Bactéries dénitrifiantes Assimilation

La Terre et l’espace

5.2

Nom :

Cyanobactéries

Nitrates (NO3 - )

Bactéries nitrifiantes

Bactéries nitrifiantes

Déchets

2

Ammonium (NH4+) Ammoniac (NH3)

3 Végétaux aquatiques Nitrites (NO - ) 2 Assimilation Plantes en décomposition et déchets organiques FIGURE 3

Le cycle de l’azote en milieu aquatique.

Le cycle de l’azote en milieu aquatique 1 La fixation de l’azote La fixation de l’azote en milieu aquatique se fait principalement par les cyanobactéries. Celles-ci captent le diazote atmosphérique (N2), et produisent de l’ammoniac (NH3) et de l’ammonium (NH4+) (voir la flèche numérotée 1 sur la figure 3). L’ammoniac (NH3) est toxique pour les poissons et l’ammonium (NH4+) est assimilable par les végétaux. Les plantes en décomposition et les déchets organiques produisent également une quantité d’ammoniac (NH3). 2 La nitrification La formation des nitrites (NO2- ) se fait, elle aussi, par des bactéries à partir du NH3 et du NH4+. Les nitrites (NO2- ) ainsi produits sont, eux aussi, toxiques pour les poissons (voir la flèche numérotée 2 sur la figure 3). 3 La nitratation Les nitrates (NO3 - ) sont synthétisés à partir des nitrites (NO2- ) par l’action de bactéries consommatrices d’oxygène. Les nitrates sont assimilés par les végétaux pour produire l’ADN et des protéines (voir la flèche numérotée 3 sur la figure 3). 4 La dénitrification Des bactéries dénitrifiantes transforment les nitrates non assimilés par les végétaux en diazote atmosphérique (N2) (voir la flèche numérotée 4 sur la figure 3). Ainsi, cette portion du cycle de l’azote recommence.

184

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

5.2

La Terre et l’espace

Activités

Date :

5.2

Nom :

Quel processus du cycle de l’azote est touché dans chacune des situations suivantes ? Situation

Processus -

a ) L’épandage massif d’engrais contenant des nitrates (NO3 ) b ) La mort de tous les végétaux sur un terrain auparavant fertile c ) L’absence de dioxygène gazeux (O2(g) ) dans l’eau d’un aquarium d ) La disparition des champignons, des moisissures et des décomposeurs dans le sol

2

Les phénomènes suivants sont observés dans le champ de monsieur Séguin. Pour chacun d’eux, décrivez son impact relativement au cycle de l’azote. Phénomène observé

Impact relativement au cycle de l’azote

Présence importante de champignons dans le champ

Plantation massive du champ avec des plants de haricots (légumineuses)

Présence dans le champ d’une couche de fumier tout au long de la saison

Mort de plusieurs poissons dans le cours d’eau traversant le champ

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

185

3

La Terre et l’espace

5.2

Nom :

Groupe :

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. a ) Qu’est-ce que le compostage ?

Date :

Guide d’utili satio du composteu n r 1. Placer le co mposteur dans un endroit om bragé. 2. Y déposer tous les déchet s domestiques organiques : épluchures de fruits et de légumes, co quilles d’œuf, restes de viande ou de poisson , thé, café, mouchoirs en papier, etc. 3. Brasser le compost de temps à autre.

b ) Selon vous, quelle est l’utilité du compost au regard de ce que vous avez appris sur le cycle de l’azote ?

c ) Pourquoi est-il important de bien suivre le conseil no 3 du guide d’utilisation du composteur ?

4

Pour son anniversaire, Simon a reçu un aquarium avec des poissons exotiques. À l’aide de vos connaissances sur le cycle de l’azote, répondez aux questions de Simon. a ) « Pourquoi faut-il que je mette d’abord les végétaux dans l’aquarium, et non les poissons ? »

b ) « Quels sont les éléments importants dont je dois tenir compte pour que mes poissons vivent longtemps ? »

186

La Terre et l’espace

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

5

Pour chacun des cycles vus dans ce chapitre, décrivez trois phénomènes qui démontrent qu’il s’agit bel et bien de cycles biogéochimiques. a ) Le cycle du carbone

b ) Le cycle de l’azote

2

Nommez trois éléments communs aux cycles de l’azote et du carbone.

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

187

La Terre et l’espace

Nom :

La Terre et l’espace

Nom :

3

Groupe :

Pour chacun des phénomènes ou des activités représentés dans ce tableau, nommez le ou les cycles en cause ainsi que le processus. Activité

188

Date :

La Terre et l’espace

Cycle(s) biogéochimique(s)

Processus

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C HAPITRE

6

Les régions climatiques

La biosphère se caractérise par une grande diversité, tant sur le plan des organismes que des milieux de vie et des climats. En fait, chaque région climatique a des conditions de température, de précipitations et de sol particulières. Celles-ci dépendent des phénomènes qui se produisent dans l’atmosphère, dans l’hydrosphère et dans la lithosphère. Ce sont ces conditions qui déterminent la répartition des organismes dans la biosphère. On appelle « biome » une vaste région de la Terre dont la flore, la faune et le climat lui sont propres. On divise les biomes en deux catégories, selon qu’ils se trouvent sur la terre ferme ou dans l’eau. Ainsi, il y a les biomes terrestres et les biomes aquatiques. Le présent chapitre présente quelques-uns des biomes terrestres et aquatiques, ainsi que les différents facteurs qui influent sur leur distribution sur Terre.

189

Groupe :

6.1

Nom :

Les biomes terrestres

La Terre et l’espace

6.1

Date :

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 quels végétaux peuvent y croître et, conséquemment, quels animaux peuvent y vivre. Un biome terrestre est une grande région continentale caractérisée par son climat, sa flore et sa faune. Toundra Taïga Forêt tempérée Prairie tempérée FIGURE 1

La distribution des différents biomes terrestres.

TABLEAU 1

La toundra

La taïga

La forêt tempérée

La prairie tempérée

Le désert

Plusieurs biomes terrestres sont présents sur Terre (voir la gure 1). Le tableau 1 présente les principales caractéristiques des biomes terrestres d’Amérique du Nord.

Les principales caractéristiques des biomes terrestres d’Amérique du Nord

Biome

190

Savane tropicale Désert Forêt tropicale

Climat •

Températures arctiques, peu de précipitations



Hivers longs, froids et enneigés



Étés courts et assez chauds



Hivers assez doux et humides, étés assez chauds



Précipitations abondantes



Flore •

Faune

Herbes, mousses, lichens et arbustes rabougris poussant sur le pergélisol



Faune adaptée au froid : lemmings, renards arctiques



Animaux migrateurs



Conifères, mousses et lichens poussant sur un sol acide et pauvre en nutriments (forêt boréale)



Faune diversifiée : écureuils, orignaux, renards, lynx, loups, ours, etc.



Plantes herbacées, fougères, arbustes et arbres (forêt de feuillus) poussant sur un sol riche en matière organique décomposée



Faune diversifiée : ours noirs, écureuils, ratons laveurs, lièvres, merles, etc.

Hivers longs et froids, étés assez chauds marqués par des périodes de sécheresse



Vaste étendue d’herbages





Plusieurs plantes à fleurs poussant dans des sols riches et fertiles

Grands herbivores : bisons, antilopes, cerfs, etc.



Très peu d’arbres et d’arbustes étant donné le manque de précipitations



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 : scorpions, insectes, serpents, lézards, coyotes, etc.

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

6.1

La Terre et l’espace

Activités

Date :

6.1

Nom :

Observez les photos suivantes. a ) Sous chacune d’elles, inscrivez le numéro correspondant au biome approprié. 1. Désert

2. Forêt tempérée

3. Prairie tempérée

4. Taïga

b ) Pour chacune des photos, nommez deux caractéristiques qui vous ont permis d’identifier le biome. Biome

Caractéristiques visibles sur la photo

1. Désert 2. Forêt tempérée 3. Prairie tempérée 4. Taïga 2

L’effet de serre, qui est en partie responsable des changements climatiques, semble avoir des impacts particulièrement marqués dans les régions nordiques. En effet, dans ces régions, la calotte glacière fond un peu plus chaque année, ce qui entraîne diverses conséquences sur l’écosystème. Décrivez une conséquence possible, dans les régions nordiques, de la fonte de la calotte glacière sur chacun des éléments suivants. Dans chaque cas, justifiez votre réponse. a ) Les précipitations

b ) La flore

c ) La faune

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Chapitre 6

Les régions climatiques

191

Groupe :

3

À l’aide de vos connaissances sur les biomes terrestres, expliquez 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 au sud.

4

Lisez la fiche informative suivante. Répondez ensuite à la question.

La Terre et l’espace

6.1

Nom :

Date :

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.

192

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

6.2

Nom :

Les biomes aquatiques occupent une importante supercie de la Terre, celle-ci étant recouverte à plus de 70 % d’eau. 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 biome aquatique est une étendue d’eau douce ou d’eau salée caractérisée par sa flore et sa faune.

6.2.1

Les biomes marins

Les biomes marins se trouvent dans les océans et les mers. Voici une description de quelques-uns des biomes présents dans ces vastes étendues d’eau.

La zone néritique C’est la zone des eaux de surface éclairée par la lumière (moins de 200 mètres de profondeur) et située près des côtes. L’énergie du Soleil y permet la croissance du phytoplancton, nourriture essentielle à plusieurs organismes tels les crustacés, les poissons, les méduses, les mollusques, les oiseaux et certains mammifères. Dans cette zone, on trouve une forte activité humaine, principalement la pêche.

La zone abyssale À partir de 2000 mètres de profondeur, les températures avoisinent les 4 °C et l’obscurité est totale. C’est pourquoi les organismes habitant cette partie des eaux océaniques sont moins nombreux et moins diversiés. Les organismes adaptés aux conditions de vie sur les fonds marins constituent le benthos (ou zone benthique). Cette zone des fonds marins abrite des algues et des herbes marines ainsi que des crustacés, des mollusques et certains poissons appelés les « poissons de fond ».

La Terre et l’espace

6.2 Les biomes aquatiques

Flash science La pollution sous-marine En plus de l’acidification des océans et de l’enfouissement des déchets, les épaves comptent parmi les principales sources de contamination des biomes marins. Environ 75 % des épaves qu’on trouve dans la mer s’y sont englouties pendant la Seconde Guerre Mondiale. En 2004, on a dénombré quelque 8569 épaves potentiellement polluantes dans le monde, dont 1583 bateaux-citernes. Ces épaves risquent de libérer peu à peu leur contenu (pétrole, produits toxiques, métaux lourds), car leurs structures métalliques se désagrègent graduellement.

Les récifs de corail Les océans et les mers renferment un biome bien particulier : les récifs de corail. Généralement situés dans les eaux chaudes, ceux-ci sont parmi les plus anciens biomes de la planète. Les récifs coralliens renferment une importante diversité d’organismes végétaux et animaux. Les coraux font partie des invertébrés. Ils possèdent donc une bouche centrale et des tentacules, et vivent en symbiose avec une algue microscopique. Le squelette externe de ces coraux, formé de calcaire (CaCO3), repose sur le fond marin et crée un habitat recherché par diverses espèces qui y trouvent leur nourriture et leur protection.

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Chapitre 6

Les régions climatiques

193

Groupe :

La Terre et l’espace

6.2

Nom :

6.2.2

Date :

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 2 présente les principales caractéristiques des biomes d’eau douce et certains des organismes typiques qu’on y trouve. TABLEAU 2

Les principales caractéristiques des biomes d’eau douce

Biome Le lac

Le cours d’eau

La terre humide

L’estuaire et le delta

194

Caractéristiques générales •

Étendue d’eau relativement calme bordée par des végétaux (arbres et arbustes)



Soumis aux brassages saisonniers des eaux de surface et de profondeur responsables de distribuer les nutriments et l’oxygène aux organismes



Flore

Faune



Phytoplancton, algues, plantes aquatiques diverses (nénuphars, quenouilles, joncs, etc.)



Décomposeurs, plancton, poissons (truite, achigan, perchaude, brochet, etc.), amphibiens (grenouille, crapaud, salamandre, etc.), reptiles (couleuvre, tortue), oiseaux (canard, martin-pêcheur, etc.)

Ruisseau, rivière ou fleuve, habituellement bordé d’herbages, de plantes et d’arbres



Croissance de grands végétaux limitée par le courant



Décomposeurs, plancton, poissons (achigan, truite, saumon)

Voie d’écoulement des eaux de surface ayant un débit plus ou moins rapide en fonction du volume d’eau drainé et du relief



Mousses, herbages et algues réussissent habituellement à s’implanter dans ces milieux





Là où l’eau est plus calme, faune semblable à celle des lacs : amphibiens, reptiles et oiseaux



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 un sol saturé d’eau : mousses, sphaignes, herbages, algues et quelques plantes (quenouilles, thuyas, etc.)

De nombreuses espèces animales y sont attirées tels la tortue, la salamandre, le rat musqué, le canard, le grand héron, etc.



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

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

2

6.2

Indiquez si chacun des biomes représentés ci-dessous est un biome marin ou un biome d’eau douce.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Pour chaque biome représenté à la question 1 : a ) donnez son nom ; b ) nommez deux caractéristiques qui vous ont permis de l’identifier. Nom du biome

Caractéristiques

a) b) c) d) e)

f)

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Chapitre 6

Les régions climatiques

195

La Terre et l’espace

Activités

Date :

6.2

Nom :

3

La Terre et l’espace

6.3

Nom :

Groupe :

Date :

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.

6.3 Les facteurs inuençant la distribution des biomes De nombreux facteurs inuent 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 inuence 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. Le tableau 3 présente des exemples de facteurs qui ont une inuence sur la distribution des biomes sur la Terre. TABLEAU 3

Des exemples de facteurs qui influent sur la distribution des biomes

Facteurs qui influent sur la distribution des biomes terrestres

Facteurs qui influent sur la distribution des biomes aquatiques

Latitude

Salinité de l’eau

Altitude

Profondeur de l’eau

Précipitations

Force et sens du courant

Vents

Quantité de dioxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) nécessaires à la respiration ou à la photosynthèse

Type de sol Nourriture

Insolation (ensoleillement, lumière) Température

196

La Terre et l’espace

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Groupe :

6.3

Le tableau suivant présente le ou les biomes où vivent certaines espèces animales et végétales. À l’aide du tableau 3 (voir la page 196), qui présente les facteurs influant sur la distribution des biomes, complétez-le. LOWRES

a ) Dans la deuxième colonne, nommez un des facteurs qui, selon vous, influent sur la présence de chaque espèce dans le ou les biomes nommés. b ) Dans la troisième colonne, expliquez votre réponse.

Espèce et biome(s)

Facteur qui influe sur la présence de cette espèce dans ce ou ces biomes

Explication

L’ours polaire vit dans la toundra.

Le thé du Labrador pousse dans certaines tourbières acides, dans la taïga et dans la toundra.

Le phytoplanc ton 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 tempérée.

Les séquoias croissent le long de la côte du Pacifique des ÉtatsUnis, là où l’atmosphère est chargée d’humidité pendant de longues périodes de l’année.

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Chapitre 6

Les régions climatiques

197

La Terre et l’espace

Activités

Date :

6.3

Nom :

La Terre et l’espace

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

6

À l’aide des mots et des images qui suivent, complétez le tableau. 1

Divers herbages et plusieurs plantes

A

2

Algues et phytoplancton

B

3

Feuillus, arbustes et fougères

C

a ) Inscrivez d’abord, dans la deuxième rangée du tableau, le nom du biome représenté par chaque photo de la rangée « Biome ». b ) Inscrivez ensuite, dans la troisième rangée, le numéro associé à la flore la plus caractéristique de ce biome. c ) Dans la dernière rangée, inscrivez la lettre associée aux espèces de la faune qu’on trouve, entre autres, dans ce biome.

Biome

Nom Flore Faune

2

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

198

La Terre et l’espace

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CHAPITRE

7

L’espace

L’être humain a très tôt orienté son regard vers le ciel et tenté d’expliquer ce qu’il y observait, comme la course du Soleil, les phases de la Lune et les étoiles filantes. De plus, bien avant l’invention d’instruments d’observation perfectionnés et les progrès scientifiques du siècle dernier, il avait la conviction que certains de ces phénomènes avaient des effets sur la Terre. De nos jours, les sciences de la Terre et de la vie ont mis en évidence l’impact sur notre planète de certains faits astronomiques. Les scientifiques se sont intéressés notamment aux échanges d’énergie dans la biosphère. Ainsi, ils ont découvert que le rayonnement solaire est à la base de la plupart des énergies disponibles sur la Terre, que ce soit l’énergie chimique emmagasinée dans la biomasse, les énergies fossiles ou encore les énergies éolienne et hydraulique. Dans ce chapitre, vous explorerez deux phénomènes astronomiques particuliers, soit le rayonnement solaire qui parvient jusqu’au sol de la Terre et les interactions gravitationnelles entre la Terre, la Lune et le Soleil, interactions qui expliquent entre autres les marées. 199

Groupe :

7.1

Nom :

La Terre et l’espace

7.1

Date :

Le ux d’énergie émis par le Soleil

Le Soleil est composé essentiellement d’atomes d’hydrogène (H) et d’hélium (He). La fusion des noyaux d’hydrogène, qui se transforment ainsi en atomes d’hélium, dégage une énorme quantité d’énergie. Cette énergie s’échappe de la surface du Soleil et est émise en grande partie sous forme d’ondes électromagnétiques qui se propagent dans l’espace. Le flux d’énergie émis par le Soleil correspond à l’ensemble du rayonnement électromagnétique qui s’échappe de sa surface pour se propager dans l’espace.

Une quantité importante de l’énergie rayonnante du Soleil est absorbée ou rééchie par l’atmosphère terrestre. Seule une partie de la lumière visible, des rayons infrarouges, des ondes radio et une inme quantité de rayons ultraviolets parviennent jusqu’à la surface de la Terre. Une partie du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre est absorbée par certaines surfaces (généralement de couleur foncée comme les roches, l’asphalte et la brique) pour être dégagée ultérieurement sous forme de chaleur. L’autre partie de ce rayonnement est rééchie par d’autres surfaces (généralement de couleur claire comme le sable, l’eau et la neige) et reste dans l’atmosphère. On appelle « insolation » la quantité de rayonnement solaire qui parvient à toucher la surface de la Terre. L’insolation varie en fonction de l’heure de la journée, de la latitude (voir la gure 1) et des saisons (voir la gure 2). L’insolation selon la latitude. 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. FIGURE 1

Tr du o pi q Ca ue n ce r

Certaines caractéristiques de l’atmosphère, de l’hydrosphère et de la lithosphère, ainsi que certains phénomènes qui s’y produisent, peuvent aussi inuer sur l’insolation. En voici deux exemples. D’abord, la couche d’ozone de la haute atmosphère (stratosphère) protège la Terre d’une partie des rayons ultraviolets provenant du Soleil. Ensuite, les particules issues de la pollution atmosphérique et des éruptions volcaniques diminuent la quantité de rayonnement solaire qui peut atteindre le sol.

ue pi q e r Tro C an c du

L’insolation selon les saisons. Comme l’axe de rotation de la Terre est incliné, la zone qui reçoit le maximum d’insolation (là où les rayons du Soleil sont perpendiculaires à la surface du globe) se déplace d’un tropique à l’autre durant l’année. FIGURE 2

Tro Ca pi qu pr i e d co r ne u

a ) Le solstice de décembre.

200

La Terre et l’espace

du ue e pi qic or n o r T pr Ca

b ) Le solstice de juin.

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Groupe :

1

7.1

Complétez le tableau suivant. a ) Pour chacun des phénomènes illustrés, indiquez dans la deuxième colonne quel facteur influe sur la quantité de rayonnement solaire reçue. b ) À l’aide d’un crochet, indiquez si ce phénomène contribue à augmenter ou à diminuer la quantité de rayonnement solaire reçue à la surface de la Terre.

Phénomène

Facteur qui influe sur la quantité de rayonnement solaire reçue

Effet sur la quantité de rayonnement solaire reçue à la surface de la Terre Elle augmente

Elle diminue

La destruction de la couche d’ozone de la haute atmosphère causée par certains polluants La fumée des cheminées d’une usine

La hauteur du Soleil par rapport à l’horizon au Québec, en décembre

2

Votre ami revient de la plage. En vous montrant son « coup de soleil », il vous dit : « C’est fou comme le soleil est fort au bord de la mer ! » Nommez un facteur qui a favorisé la quantité de rayonnement solaire reçue par votre ami.

7.2

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 l’équilibre entre leur mouvement et la force gravitationnelle. 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 (voir la gure 3). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Un bateau accosté à marée haute. FIGURE 3

Chapitre 7

L’espace

201

La Terre et l’espace

Activités

Date :

7.2

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l’espace

7.2

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 de la force d’attraction entre la Lune et la Terre. Ainsi, la Lune, par l’attraction qu’elle exerce, provoque un renement des eaux océaniques qui lui font face : c’est ce qu’on appelle la « marée haute » (voir la gure 4). Au même moment, les eaux situées sur la face opposée de la Terre subissent elles aussi un renement.

a ) À la pleine Lune, il se produit une marée de vive-eau.

La gure 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 renements 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

b ) À la nouvelle Lune, il se produit une marée de viveeau.

Attraction de la Lune Lune

Pôle Nord Marée basse

a ) Le niveau des masses d’eaux océaniques si aucune force d’attraction extérieure n’est exercée sur la Terre. c ) Au premier quartier et au dernier quartier de la Lune, il se produit deux marées de morte-eau. 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. FIGURE 5

Marée haute

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.

Le cycle lunaire inue sur les marées. À la nouvelle Lune et à la pleine Lune, la Terre, la Lune et le Soleil se trouvent dans le même axe. Les forces d’attraction du Soleil et de la Lune s’en trouvent alors additionnées et provoquent des marées de plus grande amplitude, qu’on appelle les « marées de vive-eau » (voir la gure 5). Il est à noter que, en raison de la grande distance qui sépare le Soleil de la Terre, l’effet de marée qu’il exerce sur celle-ci est deux fois plus petit que l’effet de marée exercé par la Lune.

Flash techno L’usine marémotrice de la Rance L’usine marémotrice de la Rance, située sur les côtes de Bretagne, en France, produit de l’électricité à partir du mouvement de l’eau créé par les marées. Cette centrale hydroélec trique, pionnière dans les énergies renouvelables, a été construite entre 1961 et 1966.

202

La Terre et l’espace

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Groupe :

1

7.2

Observez l’illustration suivante, qui montre la position de la Terre par rapport à la Lune et au Soleil à un moment donné. Puis, répondez aux questions. Soleil Lune A

Terre

a ) 1) Quel type de marée est produit à ce moment précis au point A ? Marée de morte-eau

Marée basse

Marée haute 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. 1) Dessinez le niveau des mers. 2) Indiquez toutes les marées produites sur la Terre à ce moment précis. 3) Complétez la légende. 4) Donnez un titre à ce schéma. Titre :

Légende

2

Durant votre séjour en Gaspésie, vous souhaitez faire une excursion en mer. Au port, vous rencontrez le capitaine d’un bateau qui vous dit : « Nous pouvons partir demain matin à 7 h 00, mais pas avant, sinon, nous n’irons nulle part ! » a ) Comment expliquez-vous la réponse du capitaine ?

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Chapitre 7

L’espace

203

La Terre et l’espace

Activités

Date :

7.2

Nom :

Nom :

Date :

b ) La marée est à son plus bas vers 16 h 00 le jour où vous parlez au capitaine. Au moment où vous quitterez le port avec lui, le lendemain matin à 7 h 00, l’eau sera-t-elle en train de monter ou de descendre ? Justifiez votre réponse.

7.2 La Terre et l’espace

Groupe :

3

En vacances au bord de l’océan Atlantique, en Nouvelle-Écosse, vous décidez d’observer les marées. Vous faites votre observation 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 ?

b ) Justifiez votre réponse à l’aide d’un schéma.

c ) Justifiez votre réponse à l’aide d’une explication.

204

La Terre et l’espace

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Nom :

Date :

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.

La Terre et l’espace

4

Groupe :

Expliquez un des avantages liés à ce genre de construction.

Consolidation du chapitre 1

7

Complétez le tableau suivant. a ) Dans la deuxième colonne, indiquez à l’aide d’un crochet si le rayonnement solaire est absorbé ou réfléchi par la surface représentée. 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

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Chapitre 7

L’espace

205

La Terre et l’espace

Nom :

2

3

Groupe :

Date :

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

Voici le calendrier lunaire du mois de février 2033. Lundi

Mardi

Mercredi

Jeudi

Vendredi

Samedi

Dimanche

PL

a ) Combien de marées, hautes et basses, y aura-t-il le 14 février ?

Légende : PL = Pleine Lune

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 ?

206

La Terre et l’espace

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L’univers vivant Sommaire CHAPITRE

1

L’écologie

           

208

207

CHAPITRE

1

L’écologie L’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère sont des milieux différents qui permettent le développement de la vie sur Terre sous toutes ses formes. Ces milieux servent d’habitat à des espèces de toutes sortes. L’ensemble de ces organismes fait partie du domaine d’étude de l’écologie. L’écologie se penche également sur les interactions entre les êtres vivants, sur les interactions entre les êtres vivants et leur environnement, et sur les conséquences de ces interactions. Dans ce chapitre, vous serez en mesure de comprendre comment certains organismes sont à la base de la chaîne alimentaire. Par exemple, les plantes utilisent les minéraux présents dans le sol, l’eau et l’énergie du Soleil pour croître. Vous verrez aussi que, durant leur vie, ces plantes pourront se reproduire, servir de nourriture aux animaux, d’abris aux insectes et possiblement souffrir d’une sécheresse ou d’une inondation. Comme tous les autres êtres vivants, elles seront soumises aux conséquences des interactions avec leur milieu.

208

Date :

La biosphère

L’univers vivant

1.1

Groupe :

1.1

Nom :

Certaines espèces nous semblent inutiles, mais chaque être vivant a sa place parmi les organismes qui peuplent la Terre. C’est l’ensemble de ces êtres vivants qui constitue ce qu’on appelle la « biosphère ».

1.1.1

Les populations

Une population est formée de l’ensemble des individus d’une même espèce présents sur un territoire donné à un certain moment.

Une population peut être caractérisée de différentes façons. Sa taille en est une. Elle correspond au nombre d’individus qui la composent. Les diverses méthodes de calcul de la taille dépendent du type de population.

La méthode par comptage direct (recensement) Si les individus d’une population sont peu nombreux, comme certains mammifères, on peut simplement les compter pour en déterminer le nombre. Par exemple, une photographie aérienne permettrait de compter le nombre de loups présents sur un territoire.

Quatre nids d'une même espèce d'oiseaux ont été répertoriés dans ce boisé. La taille de la population de ces oiseaux dans le boisé est estimée à 24 (4 nids répertoriés × 6 individus par nid). FIGURE 1

La méthode par comptage indirect S’il s’agit d’une population de plus petits animaux, on peut estimer la taille de cette population en recensant le nombre d’habitats (leurs nids ou leurs terriers, par exemple) et en le multipliant par le nombre moyen d’individus par habitat (voir la gure 1).

La méthode par échantillonnage Lorsqu’un territoire est grand ou qu’il compte un très grand nombre d’individus, on peut estimer la taille de sa population selon la méthode d’échantillonnage (voir la gure 2). Cette méthode consiste à diviser le territoire en parcelles, puis à utiliser l’équation suivante :

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Sur un terrain de 16 m2, on dénombre en moyenne 6 fleurs dans 2 parcelles de 1 m2. Il y a donc sur ce terrain environ 6 × 16/1 = 96 fleurs. FIGURE 2

Chapitre 1

L’écologie

209

Groupe :

1.1

Nom :

Date :

La méthode de capture-recapture

L’univers vivant

Pour des espèces qui se déplacent beaucoup, on capture un certain nombre d’individus que l’on marque pour ensuite les relâcher dans leur milieu. Puis, on procède à une deuxième capture dans le même milieu. On estime la taille de la population en utilisant le nombre d’individus déjà marqués (voir la gure 3). Le calcul se fait à l’aide de l’équation suivante :

Par exemple, estimons la taille de la population de poissons de la gure 3.

15

15

35

La taille de la population de poissons dans ce lac est estimée à 80.

a ) Une première capture.

16

35

3 13

15 20

b ) Une deuxième capture.

Dans un lac, 15 poissons sont capturés, marqués et remis à l’eau. Plus tard, dans le même lac, on recapture 16 poissons, dont 3 sont marqués. Il y a donc environ 80 poissons dans ce lac. FIGURE 3

210

L’univers vivant

Une population peut aussi être caractérisée par sa densité et sa distribution. La densité d’une population est le nombre d’individus par unité d’aire (individus/km2) ou de volume d’eau (individus/L).

La taille et la densité augmentent en fonction de la natalité et de l’immigration ; elles diminuent selon la mortalité et l’émigration. 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 la distribution en agrégats à cause du compor­ tement social des animaux et des ressources souvent concentrées. Les trois principaux modes de distribution d’une population sur un territoire TABLEAU 1

La distribution en agrégats (en groupes)

La distribution aléatoire (au hasard)

La distribution uniforme (répartition régulière)

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Groupe :

1.1.2

Date :

1.1

Nom :

Les communautés

L’univers vivant

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.

Une des caractéristiques d’une communauté est sa biodiversité. Individu

La biodiversité (ou la diversité spécifique) correspond à la diversité des espèces qui composent une communauté.

Une sapinière présente une faible biodi versité. On y trouve peu d’espèces d’arbres ; la richesse spécifique est donc faible. De plus, le sapin étant l’espèce présente en plus grand nombre, l’abon dance relative n’est pas équilibrée. FIGURE 4

1.1.3

La biodiversité se mesure à l’aide de plusieurs critères. Un de ces critères est la richesse spécique, qui correspond au nombre total d’espèces que compte la communauté. Un autre critère est l’abondance relative, qui désigne le pourcentage que représentent les individus d’une même espèce par rapport au nombre total d’individus de la communauté. Pour présenter une grande biodiversité, les populations d’une communauté doivent être nombreuses et réparties en proportions égales (voir la gure 4).

Population

Communauté

Les écosystèmes

L’écologie consiste aussi en l’étude des écosystèmes. Un écosystème 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 gure 5). Écosystème Les niveaux écologiques. FIGURE 5

Activités 1

1.1

Quelle est la différence entre la taille et la densité d’une population ?

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Chapitre 1

L’écologie

211

2

Groupe :

Date :

Observez bien les photos ci-dessous. Répondez aux questions qui suivent. 1)

3)

2)

4)

L’univers vivant

1.1

Nom :

a ) Quelle(s) photo(s) représente(nt) : 1) une seule population ? 2) une communauté ? 3) un écosystème ? b ) Selon quelle méthode pourrait-on déterminer : 1) la taille de la population de poissons de la photo 1? Expliquez votre réponse. 2) la taille de la population de coraux roses de la photo 4 (si cette photo représente toute la surface marine étudiée) ? Expliquez votre réponse. c ) Quel est le mode de distribution : 1) de la population d’anémones orange de la photo 3 ? 2) de la population de coraux de la photo 2, qui montre seulement une petite partie de la surface occupée par ces coraux ? d ) Laquelle de ces quatre photos présente la biodiversité la moins riche ? Expliquez votre réponse. e ) Pourquoi la photo 1 peut-elle être à la fois une communauté et un écosystème ?

212

L’univers vivant

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Date :

3

Les coraux sont des organismes ultra-sensibles aux changements et ils peuvent même en mourir. Selon vous, quel serait l’impact d’un tourisme marin intensif sur la biodiversité d’une communauté de coraux ?

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 ) Une communauté peut occuper plusieurs territoires.

5

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’énoncé correspondant de la colonne de droite.

a ) Écosystème b ) Population

1) Ensemble des éléments vivants d’une communauté et des éléments non vivants de ce milieu. 2) Plusieurs populations qui vivent ensemble.

c ) Biosphère d ) Communauté

3) Groupe d’organismes vivants de la même espèce. 4) Ensemble de tous les êtres vivants de la planète.

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Chapitre 1

L’écologie

213

1.1

Groupe :

L’univers vivant

Nom :

6

Groupe :

Date :

Trois voisins possèdent chacun un terrain de grandeur différente. Sur chaque terrain, une espèce de fleurs a poussé. a ) Complétez ce tableau en tenant compte des données fournies.

L’univers vivant

1.1

Nom :

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.

d ) Quelle serait la meilleure façon d’évaluer la taille de la population de fleurs du terrain 1? Expliquez votre réponse.

e ) Quelle serait la meilleure façon d’évaluer la taille de la population de fleurs du terrain 3 ?

7

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 ?

214

L’univers vivant

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Date :

Dessinez ci-dessous deux communautés dont la biodiversité est différente. Expliquez ensuite ce qui différencie cette biodiversité.

L’univers vivant

8

Groupe :

1.2

Nom :

1.2

Les interactions

Dans un écosystème, les interactions entre les individus qui y vivent ainsi qu’entre les individus et leur milieu créent diverses dynamiques.

1.2.1

La dynamique des populations

Au l du temps, on observe dans tous les milieux de nombreuses variations parmi les populations qui y vivent. Un certain nombre de facteurs peuvent inuer sur cette dynamique des populations. Adulte

Les cycles biologiques Chaque individu naît et grandit. Certains êtres vivants se reproduisent et tous meurent un jour. Pupe

Les différents stades de vie constituent ce que l’on nomme le cycle (ou nymphe) biologique.

Le cycle biologique varie grandement d’une espèce à l’autre. Certaines espèces comme le maringouin ont un cycle très court (voir la gure 6). Cela implique des naissances rapprochées et nombreuses (et par conséquent une augmentation rapide de la population), mais aussi une courte durée de vie et de nombreuses mortalités.

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Oeufs

Larve

Le cycle biologique du maringouin. FIGURE 6

Chapitre 1

L’écologie

215

Groupe :

L’univers vivant

1.2

Nom :

Date :

La croissance d’une population Le nombre d’individus d’une population varie au cours du temps. Le bilan des variations détermine le type de croissance de la population, ainsi que le montre le tableau 2. 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)

La capacité limite du milieu Le nombre d’individus 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.

1.2.2 Des chenilles qui se nourrissent de feuilles constituent un exemple d’interaction : le parasitisme. FIGURE 7

TABLEAU 3

La dynamique des communautés

Les populations formant une communauté sont en constante interaction entre elles (voir la gure 7). L’ensemble des interactions entre des populations d’espèces différentes se nomme la dynamique des communautés.

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

Commensalisme

Symbiose

Un individu tue et dévore un individu d’une autre espèce. Exemple : Le lynx (prédateur) se nourrit de lièvres (proies).

Un individu profite d’un autre sans lui nuire ni lui être utile. Exemple : Les mouettes (commensaux) mangent les restes de nourriture laissés par les humains.

Les deux individus ont besoin l’un de l’autre.

Parasitisme Un individu se nourrit, se développe aux dépens d’un autre et l’agresse, habi­ tuellement sans le tuer. Exemple : Une tique (parasite) se fixe sur un chien (hôte) entre autres pour se nourrir de son sang.

Exemple : Certaines bactéries (symbiotes) aident à la digestion chez les mammifères (hôtes). Mutualisme

Compétition

Les deux individus retirent des bénéfices de leur coopération.

Des espèces se disputent une ou plusieurs ressources du milieu. Exemple : Dans le désert, les différentes plantes (compétiteurs) rivalisent pour disposer d’eau.

Exemple : Les abeilles butinent le nectar et le pollen des fleurs pour se nourrir et assurent en même temps la pollinisation.

216

L’univers vivant

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Activités

Date :

1.2

Groupe :

1.2.1 et 1.2.2

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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Chapitre 1

L’écologie

217

L’univers vivant

Nom :

5

L’univers vivant

1.2

Nom :

Groupe :

Date :

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 ) Le réseau des racines du cèpe (un champignon) est toujours lié aux racines de certains arbres qui le fournissent en glucides. Le champignon, quant à lui, facilite l’absorption des minéraux dont les arbres ont besoin. 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 : a ) avantageuses pour les deux espèces concernées ?

b ) avantageuses pour l’une, mais nuisibles pour l’autre ?

c ) avantageuses pour l’une et neutres pour l’autre ?

218

L’univers vivant

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Groupe :

1.2.3

Date :

1.2

Nom :

La dynamique des écosystèmes

L’univers vivant

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 gure 8). Les relations trophiques 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 »

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 relations trophiques représentées par une chaîne alimentaire. FIGURE 8

• Les producteurs : ce sont les végétaux. On les qualie 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 gure 8). • 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.

1.2.4

Les facteurs écologiques

Les facteurs écologiques regroupent les relations et les inuences que peuvent avoir entre eux les différents composants d’un écosystème. D’une part, il y a les facteurs biotiques ; on parle alors de relations entre organismes vivants dont les relations trophiques sont un exemple. D’autre part, il y a les facteurs abiotiques constitués par les composants non vivants qui ont une inuence sur le vivant, par exemple le climat, les nutriments du sol et la salinité de l’eau.

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Chapitre 1

L’écologie

219

Groupe :

1.2

Nom :

Date :

Les perturbations

L’univers vivant

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.

Un lac pollué par des cyanobactéries (algues bleues). FIGURE 9

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 gure 9). 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.

La succession écologique Un écosystème réagit aux dommages qui lui sont causés. Une succession écologique est un processus au cours duquel les plantes et les animaux s’installent ou se réinstallent graduellement dans un écosystème pour le bâtir ou le rebâtir à la suite d’une perturbation. Le but est d’établir ou de rétablir un équilibre.

Un feu de forêt constitue un exemple de perturbation qui peut donner lieu à une succession secondaire. FIGURE 10

220

L’univers vivant

Une succession primaire a lieu lorsque des espèces végétales s’établissent sur un terrain vierge, par exemple après la formation d’une île volcanique. On parle de succession secondaire après une perturbation inuant peu sur le sol (voir la gure 10).

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Activités 1

Date :

1.2

Groupe :

1.2.3 et 1.2.4

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 ) Si on introduisait un prédateur du raton laveur, quels seraient les effets sur le réseau trophique ?

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Chapitre 1

L’écologie

221

L’univers vivant

Nom :

2

Groupe :

Date :

Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème suivant. signifie « est mangé par »

L’univers vivant

1.2

Nom :

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 trèfle 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 ?

c ) Lequel des niveaux trophiques a un effet direct sur la composition du sol ? Expliquez votre réponse.

222

L’univers vivant

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Date :

d ) Si les marmottes disparaissaient de cet écosystème, quelles seraient les conséquences sur la croissance de la population des vers de terre ?

e ) À quel type de perturbation aurait-on affaire si la disparition des marmottes était due : 1) à un pesticide ?

2) à un virus ?

f ) À la suite des perturbations décrites à la question précédente, y aura-t-il une succession primaire ou une succession secondaire ? Expliquez votre réponse.

3

Tracez, dans l’encadré ci-dessous, le réseau trophique de la situation suivante en représentant, à l’aide de flèches, les relations trophiques appropriées. N’oubliez pas d’ajouter la légende. Identifiez ensuite les types d’interactions correspondant à chacune des relations trophiques qui existent entre les organismes de votre réseau. Au début de l’été, un cerisier porte des fruits mûrs dont se délecte un étourneau perché sur une branche d’arbre. L’oiseau est sur ses gardes, car un chat le guette. Une autre branche du cerisier héberge un nid de chenilles. Quelques chenilles en sont sorties et se nourrissent de feuilles tendres. De temps à autre, l’étourneau se régale d’une chenille. Une abeille butine les fleurs d’un plant de lavande qui a poussé au pied de l’arbre.

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Chapitre 1

L’écologie

223

1.2

Groupe :

L’univers vivant

Nom :

Groupe :

1.3

Nom :

L’univers vivant

1.3

Date :

Les transformations de la matière et de l’énergie

La célèbre loi de la conservation de la matière de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » s’applique aussi en écologie.

1.3.1

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 qui bénécie d’une bonne insolation (quantité de rayons solaires reçus) est favorable à la productivité primaire.

1.3.2

Le ux 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 gure 11).

1.3.3

Le recyclage chimique 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.

Nourriture

Nutriments

Le flux de la matière ( recyclage chimique ( ) fait partie. FIGURE 11

224

L’univers vivant

) constitue un cycle dont le

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 11). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

Le ux de l’énergie Consommateur tertiaire

Le flux de l’énergie est un transfert d’une partie de l’énergie entre les différents composants vivants d’un écosystème.

Dans un écosystème, l’énergie n’est pas recyclée, contrairement à la matière. Et elle n’est pas entièrement transmise d’un niveau trophique à un autre. Elle se perd, sous forme de chaleur, entre 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 gure 12).

Activités 1

Consommateurs secon daires

Consom mateur s pr imair es Produc teurs

FIGURE 12

L’univers vivant

Les végétaux convertissent l’énergie lumineuse du Soleil en énergie chimique emmagasinée dans les liaisons entre les atomes.

Perte d’énergie sous forme de chaleur

1.3.4

Date :

1.3

Nom :

Le flux de l’énergie dans une chaîne alimentaire.

1.3

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

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Chapitre 1

L’écologie

225

L’univers vivant

1.3

Nom :

Groupe :

Date :

2

Nommez deux facteurs qui ont un effet positif sur la croissance des végétaux.

3

La croissance des végétaux influe-t-elle sur la productivité primaire ? Justifiez votre réponse.

4

Observez les deux photos suivantes. Dans lequel de ces écosystèmes la productivité primaire estelle la plus élevée ? Justifiez votre réponse.

2

1

5

Quelle est la différence entre le flux de la matière et le flux de l’énergie dans un écosystème ?

6

Quel serait l’effet de la disparition des décomposeurs d’un écosystème sur : a ) la productivité primaire ?

b ) le flux de la matière ?

c ) le flux de l’énergie ?

226

L’univers vivant

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

1

Placez chacun des niveaux d’organisation suivants par ordre croissant du nombre d’individus. A. Biosphère

2

Date :

B. Individu

C. Communauté

D. Population

E. Écosystème

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. Elle effectue une première pêche en eau profonde et capture 126 truites grises ; elle les marque et les remet à l’eau. Deux jours après, elle prend au même endroit 98 truites grises, dont 32 marquées. À l’automne, les truites grises pondent leurs oeufs sur le gravier non loin de la rive. Ces oeufs demeurent sous la glace et éclosent à la fin de l’hiver. Les truites commencent à se reproduire entre 7 et 10 ans.

a ) Calculez le nombre approximatif de truites grises dans l’ensemble du lac.

b ) Quelle est la densité de la population des truites grises (en individus par km3 d’eau) dans l’ensemble du lac ?

c ) Expliquez pourquoi il n’est pas tout à fait juste de calculer la densité de la population de truites grises en se basant sur le volume total du lac.

d ) 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 1

L’écologie

227

L’univers vivant

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

e ) Quel serait l’effet d’une surpêche de jeunes truites grises sur le cycle biologique de l’espèce dans ce lac ?

3

L’illustration ci-dessous représente une meute de loups qui se déplace sur un vaste territoire où vivent aussi deux autres meutes. Quel est le mode de distribution des loups sur ce territoire ?

4

Répondez aux questions ci-dessous après avoir examiné la situation suivante. 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.

b ) Comment se nomme l’ensemble des populations qui constituent ce réseau ?

c ) À quel type de facteur écologique les relations établies entre les espèces qui forment ce réseau correspondent-elles ?

d ) Si la population de sauterelles se multiplie à l’excès, comment la capacité limite de ce champ influera-t-elle sur cette population ?

228

L’univers vivant

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Nom :

Groupe :

Date :

e ) Complétez le tableau en indiquant le type d’interaction manquante. Donnez ensuite un exemple pour chacun des deux types d’interactions. Type d’interaction

Exemples

Prédation

f ) 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 :

I I ) quant aux types d’interactions :

5

Répondez aux questions suivantes afin de démontrer la relation entre les réseaux trophiques, le flux de la matière et le flux de l’énergie. a ) Complétez le réseau suivant : 1) en indiquant dans chaque partie de la pyramide le niveau trophique approprié ; 2) en coloriant de deux couleurs différentes les flèches du schéma et de la légende pour les associer à l’un ou à l’autre des flux que vous aurez identifiés dans la légende.

Décomposeurs

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Chapitre 1

L’écologie

229

L’univers vivant

Nom :

Groupe :

Date :

b ) A-t-on la même quantité d’énergie en haut qu’en bas de la pyramide ? Expliquez votre réponse.

c ) À quel niveau trophique peut-on associer la productivité primaire ? 6

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 ?

7

Remplissez la grille de mots ci-dessous à l’aide des énoncés qui suivent. I

VI

1 IV II

V

III 2 VII

3 4 5 6

7

Horizontalement 1

Phénomène naturel, dit « chimique », qui fait partie du flux de la matière.

2 3

230

I

Niveau écologique dont font partie les composants non vivants.

Qualifiée de « primaire », elle constitue la quantité de matière organique produite par les végétaux.

II

Elle peut être primaire ou secondaire, selon l’état du sol à la suite d’une perturbation.

Elle est caractérisée entre autres par sa biodiversité.

III

Contrairement à la matière, cet élément n’est pas recyclé.

IV

Niveau écologique caractérisé entre autres par sa taille.

Étude des interactions entre les êtres vivants et des interactions entre les êtres vivants et leur environnement.

4

Verticalement

5

Transfert d’énergie entre les niveaux trophiques d’une chaîne alimentaire.

V

Ensemble des différents stades biologiques d’un être vivant.

6

La prédation et le parasitisme en sont des exemples.

VI

Type de croissance d’une population dite « stable ».

7

Une activité humaine telle que la monoculture en est un exemple.

VII

Calcul du nombre d’individus par unité d’aire ou de volume d’eau.

L’univers vivant

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L’univers technologique Sommaire CHAPITRE

1

Les matériaux

CHAPITRE

2

L’ingénierie mécanique

CHAPITRE

3

L’ingénierie électrique

        

232

 

248

  

275

231 1

C HAPITRE

1

Les matériaux Les premiers objets fabriqués par l’être humain étaient faits à partir de matériaux naturels bruts comme le bois ou la pierre. Puis certains peuples ont appris à créer des céramiques et à travailler les métaux, dont ils ont fait des alliages. Au 20e siècle, on a élaboré les premiers plastiques. Aujourd’hui, les différents matériaux qui composent les objets techniques qui nous entourent sont innombrables. La science des matériaux 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. En effet, les matériaux n’ont pas tous les mêmes propriétés mécaniques et ils ne supportent donc pas tous les diverses contraintes de la même façon. En fin de compte, choisir un matériau adéquatement permet de rendre un objet beaucoup plus durable et beaucoup plus résistant. Dans ce chapitre, vous étudierez les bases de la science des matériaux et vous vous familiariserez entre autres avec les principales catégories de matériaux et leurs propriétés respectives.

232

Groupe :

Les contraintes

L’univers technologique

1.1

Date :

1.1

Nom :

L’étude des matériaux débute par un survol des principaux types de contrainte. En effet, on doit connaître les contraintes que subira une pièce pour choisir le matériau à utiliser pour la fabrication de cette pièce. Une contrainte est l’effet qu’une force extérieure exerce sur un matériau et qui tend à le déformer.

Les cinq principaux types de contrainte sont présentés dans le tableau 1. TABLEAU 1

Les principaux types de contrainte

Type de contrainte La traction Contrainte mécanique qui tend à étirer une pièce

La compression Contrainte mécanique qui tend à comprimer (ou à écraser) une pièce

La torsion Contrainte mécanique qui tend à tordre une pièce

Le cisaillement Contrainte mécanique qui tend à cisailler une pièce

La flexion Contrainte mécanique qui tend à courber une pièce

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Exemple Le câble subit une contrainte de traction puisqu’il est soumis à deux forces de tension de sens opposés qui tendent à l’étirer.

Les déchets subissent une contrainte de compression puisqu’ils sont soumis à deux forces de compression de sens opposés qui tendent à les comprimer. La serviette subit une contrainte de torsion puisqu’elle est soumise à deux forces qui produisent des mouvements de rotation de sens opposés.

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. Le plongeoir subit une contrainte de flexion puisqu’il est soumis à des forces de sens opposés qui tendent à le courber.

Chapitre 1

Les matériaux

233

L’univers technologique

1.1

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

1.1

À l’aide des mots de la liste ci-dessous, indiquez quelle contrainte subit chacun des objets en gras dans le tableau. Cisaillement

Compression

Flexion

Torsion

Situation

Traction Contrainte

Une mécanicienne pousse sur le manche d’une clé à molette pour serrer un écrou. Un athlète est debout sur un pèse-personne. Une personne ouvre un pot de cornichons en faisant tourner le couvercle. Un cuisinier coupe des feuilles de laitue pour faire une salade. Une dame s’assoit sur une chaise à quatre pattes. La tige d’un boulon est serrée au moyen d’une clé à molette. Un homme fort tire un wagon de train au moyen d’une corde. Les parois d’un sous-marin doivent résister à l’immense pression de l’eau.

2

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.

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.

234

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Date :

3

Pour évaluer la grandeur d’une contrainte, on se fie au rapport entre la grandeur de la force et la surface sur laquelle cette force s’exerce. En vous basant sur cette règle, dites pourquoi on utilise des poutres relativement épaisses plutôt que des poutres plus minces pour soutenir le tablier d’un pont. (On suppose que les poutres sont faites d’un même matériau.)

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 1

Les matériaux

235

1.1

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

1.2

Nom :

L’univers technologique

1.2

Date :

Les propriétés mécaniques des matériaux

Les matériaux ne réagissent pas tous de la même façon aux contraintes qu’ils subissent. Leur réaction dépend de leurs propriétés mécaniques. Les propriétés mécaniques des matériaux indiquent comment un matériau se comporte par rapport à une ou plusieurs contraintes.

Le tableau 2 décrit six des principales propriétés mécaniques des matériaux, mais il en existe plusieurs autres. TABLEAU 2

Propriété mécanique La dureté Capacité d’un matériau à résister à la pénétration L’élasticité Capacité d’un matériau à reprendre sa forme lorsque la contrainte qui l’a déformé cesse La ductilité Capacité d’un matériau à se déformer de manière irréversible sans se rompre lorsqu’il est soumis à de fortes contraintes 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 La fragilité Disposition d’un matériau à se rompre avant de se déformer de manière considérable lorsqu’il est soumis à une contrainte La résilience Capacité d’un matériau à résister aux chocs et à reprendre sa forme après une déformation

Les principales propriétés mécaniques des matériaux Exemple La lame d’une scie doit être plus dure que les matériaux qu’elle coupe pour pouvoir les pénétrer.

Les ressorts d’un matelas doivent être élastiques et reprendre leur forme lorsque l’on cesse de les comprimer. Puisque l’on peut en faire des fils, le laiton est ductile.

Puisque l’on peut en fabriquer des feuilles, l’or est malléable.

Le verre est fragile puisqu’il se casse sans déformation préalable.

Le plastique renforcé de fibres de carbone est résilient puisqu’il résiste bien aux chocs.

La résilience est en quelque sorte l’inverse de la fragilité.

236

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

1.2

Les matériaux ont également d’autres propriétés que leurs pro­ priétés mécaniques. Ainsi, on peut par exemple caractériser les matériaux en fonction de leur conductibilité thermique (leur capacité à transmettre la chaleur), de leur conductibilité électrique (leur capa­ cité à permettre le passage du courant), de leur masse volumique ou de leur résistance à la corrosion.

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 découpage au jet d'eau permet de façonner plusieurs matériaux, comme les plastiques, l'aluminium, l'acier et les caoutchoucs.

Activités 1

1.2

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

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 ) À cause de la construction. d ) 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.

e ) L’ du nylon et de certains aciers spéciaux fait en sorte qu’on les emploie souvent pour fabriquer de petits ressorts. f ) Le fait que la céramique se casse plus facilement que l’acier est dû à sa plus grande .

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Chapitre 1

Les matériaux

237

2

L’univers technologique

1.2

Nom :

Groupe :

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

Date :

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.

a ) Un matériau peut-il être ductile et fragile à la fois ? Expliquez votre réponse.

b ) Un matériau peut-il être fragile et résilient à la fois ? Expliquez votre réponse.

4

L'image ci-contre montre une jante de roue d’automobile. Quelle propriété doit-on principalement rechercher pour cette pièce : la dureté, l’élasticité, la résilience ou la fragilité ? Expliquez votre réponse.

5

Quand un matériau est soumis de façon très répétitive à une contrainte relativement faible, il peut devenir moins résistant et finir par se rompre facilement. Ce phénomène s’appelle la « fatigue mécanique ». Quelle propriété la fatigue mécanique augmente-t-elle ?

238

L’univers technologique

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Date :

1.3

Groupe :

Les types de matériaux et leurs propriétés

1.3

Tous les matériaux se dégradent à une vitesse plus ou moins grande. La dégradation 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 la gure 1). Le tableau 3 présente les principaux types de matériaux et leurs propriétés respectives, les causes de leur dégradation et les moyens que l’on peut prendre pour les protéger. TABLEAU 3

Une pièce de bois protégée à l’aide d’une solution de cuivre présente une couleur verdâtre. FIGURE 1

Les principaux types de matériaux et leurs propriétés

Types de matériaux

Propriétés

Les métaux

Ils sont brillants.

Matériaux extraits d’un minerai

Ils sont de bons conducteurs d’électricité et de chaleur.

Dégradation et protection La principale cause de dégradation des métaux et des alliages est l’oxydation, qui cause la corrosion (qu'on appelle « rouille » dans le cas des alliages ferreux). Pour protéger les métaux de la corrosion, on peut :

Les alliages Mélanges homogènes d’un matériau métallique avec une autre substance, métallique ou non

Ils ont généralement pour but d’améliorer les propriétés de leurs constituants. Par exemple, l’acier et la fonte (des alliages de fer et de carbone) sont plus durs que le fer.

• les recouvrir d’un revêtement dit « passif » (peinture, vernis, graisse, 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 adjoindre à un autre métal qui leur offre une protection électrochimique. Le zinc, le magnésium et l’aluminium peuvent offrir une protection chimique à l’acier et au fer. Comme ces métaux s’oxydent plus facilement que l’acier ou le fer, l’oxygène réagit d’abord avec eux plutôt que de dégrader l’acier ou le fer. On peut aussi se contenter de fixer sur le métal à protéger une petite pièce de métal qui « se sacrifie » en s’oxydant, pièce que l’on appelle une « électrode sacrificielle ».

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Chapitre 1

Les matériaux

239

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

1.3

Nom :

Groupe :

TABLEAU 3

Date :

Les principaux types de matériaux et leurs propriétés (suite)

Types de matériaux Les bois Matériaux organiques provenant de la coupe et de la transformation des arbres

Propriétés

Dégradation et protection

Ils sont durs, élastiques et résilients.

Les causes de la dégradation d’un bois sont :

Ils ne sont pas fragiles.

• une infestation par des insectes, des champignons ou des microorganismes ;

Ce sont de bons isolants thermiques et électriques.

• un taux d’humidité élevé qui fait gonfler le bois jusqu’à ce qu’il devienne poreux ou se fissure.

Ils sont légers. Ils sont esthétiques.

Pour protéger le bois, on peut : • le peindre, le vernir ou le teindre ; • le traiter à l’aide d’un enduit protecteur (souvent une solution basique contenant du cuivre) ; • le chauffer à haute température. Les bois modifiés Matériaux faits de bois (en morceaux, en feuilles ou sous forme de résidus de coupe) mélangés à d’autres substances, comme de la colle, des plastiques ou des agents de conservation

Ils 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).

Les bois modifiés sont plus sensibles à l’humidité que les bois massifs ; ils se gonflent et se déforment de façon permanente sous l’effet de l’humidité.

Ils permettent de réaliser des planches de très grande taille. Ils sont résistants.

Les céramiques Matériaux solides produits à partir de substances minérales inorganiques comme le sable et l’argile Exemples : porcelaine, verre, ciment, plâtres

Elles peuvent être façonnées ou moulées pour prendre des formes très diverses.

Les céramiques sont peu sujettes à la dégradation. Cependant, elles peuvent se dégrader :

Elles sont dures et fragiles.

• sous l’action de certains acides ou de bases fortes ;

Elles présentent une faible conductibilité électrique et thermique. Elles sont résistantes à la chaleur.

• lorsqu’elles subissent une variation brusque de température (choc thermique).

Elles sont résistantes à la corrosion. Elles sont très durables.

240

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Groupe :

Les principaux types de matériaux et leurs propriétés (suite)

Types de matériaux Les matières plastiques Matériaux organiques de synthèse, formés de macromolécules appelées « polymères » La famille des matières plastiques comprend entre autres les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Propriétés

Dégradation et protection

Elles peuvent être façonnées ou moulées par la chaleur ou sous pression (injectionsoufflage) et peuvent être usinées avec une très grande précision.

Les causes de la dégradation de certaines matières plastiques sont :

Elles sont légères. Elles sont peu coûteuses. Elles sont durables. Ce sont de bons isolants thermiques et électriques.

• Les thermodurcissables Matières plastiques qui restent dures et qui gardent leur forme même lorsqu’elles sont chauffées Exemples : mélamine, certains polyesters

• Les thermoplastiques Matières plastiques qui, si on les chauffe, ramollissent de façon qu’on puisse les mouler ou les remodeler Exemples : polychlorures de vinyle (PVC), polystyrène, nylon

1.3

TABLEAU 3

Date :

Les thermodurcissables sont plus durs et plus résilients que les thermoplastiques. Ils ne sont pas recyclables au Québec. (Pour les recycler, on doit les fragmenter et les associer à d’autres matériaux.)

• une exposition à un rayonnement ultraviolet (UV), comme celui émis par le Soleil ; • la pénétration par des liquides ; • l’oxydation. Pour protéger les plastiques, on peut : • leur ajouter, pendant la fabrication, des pigments qui absorbent les rayons UV ; • les recouvrir d’un revêtement imperméable ; • leur ajouter, pendant la fabrication, des antioxydants.

Les thermoplastiques forment la majorité des plastiques utilisés dans l’industrie. Certains sont recyclables là où les installations nécessaires existent.

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Chapitre 1

Les matériaux

241

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

1.3

Nom :

Groupe :

TABLEAU 3

Date :

Les principaux types de matériaux et leurs propriétés (suite)

Types de matériaux

Propriétés

Les matériaux composites Combinaisons hétérogènes de matériaux de différentes catégories possédant des propriétés améliorées Les matériaux composites sont constitués d’une matrice (le « squelette » du matériau) dans laquelle sont insérées des fibres de renfort. Exemples : béton armé, agglomérés de bois, plastique renforcé de fibres de carbone

Dégradation et protection

Leurs caractéristiques varient énormément d’un à l’autre. Par exemple, en associant une matrice de plastique peu rigide mais résiliente à des fibres de verre (céramique) peu résilientes mais rigides, on obtient un matériau composite rigide et résilient.

La dégradation des matériaux composites survient lorsque : • la matrice ou les fibres de renfort sont déformées ; • l’adhérence entre la matrice et les fibres de renfort diminue. L’utilisation de matériaux de qualité qui adhèrent fortement ensemble ralentit la dégradation des matériaux composites.

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 la bakélite 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. Baekeland fut aussi l’inventeur d’un papier photographique qui peut être développé à la lumière artificielle.

Activités

1.3

1

Quelle est la différence entre les thermoplastiques et les thermodurcissables ?

2

Pourquoi peut-on considérer que les bois modifiés sont un type de matériau composite ?

242

L’univers technologique

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4

Date :

À quel type appartiennent les matériaux suivants ?

1.3

3

Groupe :

a ) Le contreplaqué

e ) Le polyéthylène

b ) L’or

f ) La terre cuite

c ) La fonte

g ) Le merisier

d ) Le plastique renforcé de fibres de verre

h ) L’acrylonitrile butadiène styrène (ABS)

Lisez le texte suivant. Puis, répondez à la question.

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, quant à lui, est un matériau composite fait d’une structure d’acier recouverte de béton (voir la photo ci-contre). Le moulage du béton armé.

Quel est l'avantage du béton armé par rapport au béton ordinaire ? Expliquez votre réponse.

5

Les caractéristiques des bois varient. On distingue les « bois durs », qui proviennent généralement des feuillus, et les « bois mous », qui proviennent habituellement des conifères.

À votre avis, pourquoi fabrique-t-on ordinairement les planchers à l’aide de bois de chêne, de bois d’érable ou de bois de merisier, mais pas avec du bois d’épinette ou de sapin ?

6

Nommez le type de matériau que vous utiliseriez pour fabriquer chacun des éléments suivants. Expliquez votre choix. a ) Le revêtement intérieur d’un four industriel

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Chapitre 1

Les matériaux

243

L’univers technologique

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

1.3

b ) L’isolant électrique d’un condensateur

c ) L’emballage d’un pot de yogourt de 100 g

d ) Le panneau arrière d’une commode en bois

7

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions.

L’âge du bronze

Cette hache de bronze était fixée sur un manche en bois.

Il y a environ 5000 ans, une page de l’histoire de l’humanité a été tournée. On considère que c’est à cette époque que l’homme est passé de l’âge de la pierre à l’âge du bronze. C’est à ce moment que les hommes de la préhistoire ont découvert comment fabriquer du bronze à partir de cuivre et d’un peu d’étain. En effet, en soumettant ce mélange de métaux à la chaleur, on obtient du bronze, qui est un matériau plus dur et plus résis­ tant que le cuivre. À l'époque préhistorique, le bronze servait à fabriquer divers outils et usten­ siles (haches, couteaux) ainsi que des armes.

a ) À quelle catégorie de matériau le bronze appartient­il ? Justifiez votre réponse.

b ) Pour un bûcheron, quel avantage une hache de bronze présente­t­elle par rapport à une hache de cuivre ?

244

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

Pourquoi applique-t-on parfois un traitement antirouille à l’huile sur les automobiles ?

9

À la fin de l’été, un père demande à son fils de peindre la clôture qu’il vient d’installer dans la cour. Le fils suggère plutôt de remettre cette tâche au printemps prochain. Cela mécontente le père, qui affirme que la peinture doit être appliquée avant l’hiver, sans quoi la clôture se dégradera.

1.3

8

a ) Le père a-t-il raison ? Expliquez votre réponse.

b ) Le fils réplique au père que la clôture est faite de bois traité et que, en conséquence, elle n’a pas besoin de protection. Qu’est-ce qu’un bois traité ?

c ) Le fils a-t-il raison de prétendre que l’on n’a pas besoin de peindre ni de teindre une clôture de bois traité ?

10

Sur les coques d’acier des navires, on fixe souvent des blocs de zinc ou de magnésium, comme sur l’illustration suivante. À quoi ces blocs servent-ils ?

Blocs

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Chapitre 1

Les matériaux

245

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

1

Quel type de contrainte s’exerce principalement sur les objets suivants ? a ) La semelle de béton des fondations d’un bâtiment

b ) La tige de métal verticale qui soutient l’enseigne suspendue d’un commerce

c ) L’arbre qui soutient les pales d’un ventilateur

Mur Semelle

2

Le tableau suivant comprend de l’information au sujet de divers matériaux. Prenez connaissance de ces renseignements et répondez aux questions de la page suivante. Matériau

246

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

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

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 précédent.) 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 ) 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 ?

3

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 voit 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 1

Les matériaux

247

L’univers technologique

Nom :

CHAPITRE

2

L’ingénierie mécanique Avec l'évolution des technologies, les objets techniques qui nous entourent sont de plus en plus complexes. L’ingénierie mécanique, aussi appelée « génie mécanique », est la branche de l’ingénierie qui s’intéresse à la conception, à la fabrication, au fonctionnement et au perfectionnement des objets techniques. Dans leur travail, les ingénieurs mécaniciens s’intéressent particulièrement aux mouvements des différentes pièces qui composent les objets techniques qu’ils conçoivent ou analysent. Pour comprendre leur travail, vous vous familiariserez, dans ce chapitre, avec les notions de liaison et de guidage, ainsi qu’avec les systèmes de transmission et de transformation du mouvement.

248

Date :

Les caractéristiques des liaisons mécaniques

L’univers technologique

2.1

Groupe :

2.1

Nom :

Quand un objet technique compte plusieurs pièces, celles-ci doivent être liées entre elles. La fonction de liaison est la fonction assurée par un organe (ou un groupe d’organes) qui lie ensemble les autres pièces d’un objet technique. Cette fonction peut aussi être remplie par la forme complémentaire des pièces liées.

Chaque liaison comporte quatre des huit caractéristiques présentées au tableau 1. TABLEAU 1

Les caractéristiques des liaisons Caractéristiques

Exemples

La liaison entre le culot de l’ampoule et le réceptacle de son socle est directe.

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

La liaison entre la plaque métallique et le panneau de bois est indirecte : les organes de liaison sont les vis.

Une liaison est indirecte lorsque les pièces ont besoin d’un ou de plusieurs organes de liaison pour tenir ensemble.

La liaison entre deux pièces d’un cassetête est démontable.

Démontable Une liaison est démontable lorsqu’on peut séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison. ou

La liaison entre une chaussure et sa semelle est indémontable.

Indémontable Une liaison est indémontable lorsqu’on ne peut pas séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison.

Les liaisons entre les différentes parties de cette bibliothèque sont rigides.

Rigide Une liaison est rigide lorsque la surface des pièces liées est rigide ou lorsque l’organe de liaison est rigide. ou

La liaison entre les deux branches d’une pince à linge est élastique.

Élastique Une liaison est élastique lorsque la surface des pièces liées est déformable ou lorsque l’organe de liaison est déformable.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

249

L’univers technologique

2.1

Nom :

Groupe :

TABLEAU 1

Date :

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 les unes des autres, le mouvement d’une pièce entraînant celui des autres. ou

La liaison entre les deux branches d’un fer à défriser est partielle.

Partielle Une liaison est partielle lorsqu’au moins l’une des pièces liées peut bouger indépendamment des autres.

Flash techno La colle L’utilisation de la colle ne date pas d’hier. En effet, l’archéologie révèle que l’homme de Néandertal fabriquait déjà de la colle il y a 200 000 ans (voir la photo ci-contre). En Mésopotamie, des colles fabriquées à partir de substances d’origine animale ont commencé à être utilisées il y a 6000 ans. Aujourd’hui, on utilise encore des colles naturelles, comme celles à base de résine ou d’amidon, mais on utilise aussi des colles synthétiques à base de polymères.

Activités 1

2.1

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

250

L’univers technologique

Corps

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

2

2.1

c ) La liaison entre la base métallique de la poignée de la poêle à frire illustrée cicontre et cette poêle.

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.

3

La figure ci-contre illustre une bouteille de shampooing. Il existe deux liaisons entre le dessus du couvercle et sa base. La première est assurée par les charnières et fait en sorte que la partie mobile du couvercle reste liée à sa base même lorsqu’il est ouvert. La seconde est créée par la petite protubérance qui se trouve à l’intérieur de la partie mobile du couvercle et qui vient s’insérer dans l'ouverture par lequel le shampooing s’écoule de la bouteille. Cette deuxième liaison assure l’étanchéité de la bouteille quand le couvercle est fermé.

Dessus du couvercle Ouverture

Protubérance Charnière

Base du couvercle

a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison assurée par les charnières.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

251

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

2.1

b ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre le couvercle et sa base au niveau de l'ouverture située dans la base et de la protubérance située dans le couvercle.

4

Vous fabriquez un nichoir pour oiseaux semblable à celui représenté sur la photo ci-contre. Vous souhaitez effectuer un travail de qualité. Vous voulez que votre cabane soit durable. À cet effet, vous souhaitez avoir accès à l’intérieur de la cabane, par le toit, pour nettoyer l’intérieur de la cabane chaque automne. Le toit consiste en une seule pièce rectangulaire. La forme de la cabane est telle que le toit sera légèrement en pente. Quelles sont les quatre caractéristiques que vous choisirez pour la liaison entre le toit et les murs ? Quel organe de liaison choisirez-vous ? Justifiez bien vos choix.

5

252

Pourquoi est-il intéressant 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 le « ressort » et fait partie d'un ensemble de pièces appelé la « suspension ».)

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

2.2

Nom :

L’univers technologique

2.2 La fonction de guidage À l’intérieur d’un objet technique, généralement, 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) de guidage qui dirige le mouvement d’une ou de plusieurs pièces mobiles.

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. Le guidage et la liaison sont intimement liés puisque, pour guider une pièce, il faut établir des liaisons. Ainsi, il arrive parfois que les organes de liaison aient également une fonction de guidage. Il arrive également que le guidage soit assuré par les formes complémentaires des pièces liées et qu’il n’y ait donc pas d’organe de guidage en tant que tel. Selon le type de mouvement de la pièce mobile, 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 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 translation Permet de contrôler le mouvement en ligne droite de l’organe guidé

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 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.)

Charnières

Les filets qui se trouvent à l’intérieur du corps du robinet assurent le guidage hélicoïdal de la tige à laquelle sont liés la poignée et la soupape.

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.)

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

253

2.2

Nom :

Groupe :

Date :

Communauté

L’univers technologique

scientifique L’Office de la propriété intellectuelle du Canada Un brevet accorde à un inventeur les droits exclusifs de l’exploitation de son invention pendant une période de 20 ans. Ainsi, personne ne peut copier une invention brevetée pour la vendre. Au Canada, les brevets sont attribués par l’Office de la propriété intellectuelle du Canada (OPIC). Au fil des ans, l’OPIC a accordé des brevets pour plusieurs inventions fort utiles dont certaines ont fait la fortune de leur inventeur. Elle a aussi octroyé des brevets pour des inventions qui n’ont jamais été commercialisées. Par exemple, en 1890, un brevet a été accordé à l’inventrice d’un « relève-jupe » mécanique qui empêchait que le bas des jupes se salisse lorsque les femmes marchaient dans la boue. En 1971, un brevet a également été consenti aux inventeurs d’un cœur artificiel qui fonctionnait à la vapeur !

Activités 1

2.2

Observez ces trois objets. Puis, répondez aux questions.

a ) Lequel ou lesquels de ces trois objets possèdent au moins un organe de guidage ?

b ) Pour le ou les objets que vous avez nommés dans la réponse à la question a, identifiez l’organe ou un des organes de guidage.

c ) Pour le ou les organes de guidage que vous avez identifiés dans la réponse à la question b, dites quel est le type de guidage (guidage en translation, guidage en rotation ou guidage hélicoïdal).

254

L’univers technologique

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Date :

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

3

1

2

4

2.2

2

Groupe :

Simple et efficace Lorsqu’on veut abaisser le siège d’un vélo stationnaire comme celui de la figure cicontre, on tourne d’abord la molette (1) qui se trouve dans le cylindre fileté (2) du support de la selle (3). Le support devient alors mobile, et on peut l’abaisser à notre guise.

En fait, lorsqu’on déplace la molette, on retire une tige qui tenait le tube vertical (4) du support 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 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 de guidage qui jouent un rôle lorsqu’on abaisse la selle ?

b ) Quelle forme de guidage chacun de ces organes assure-t-il ?

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 ? Réfléchissez bien.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

255

L’univers technologique

Nom :

3

Groupe :

Date :

Observez la figure ci-dessous, qui montre une bouteille de produit nettoyant.

L’univers technologique

2.2

Nom :

Piston

Gachette

a ) Quel type de guidage régit le mouvement de la gâchette ? b ) Quel type de guidage régit le mouvement du piston ? c ) Qu'est-ce qui assure le guidage du piston ? d ) Il est possible de séparer le bouchon de la bouteille en le dévissant. 1) Quel type de guidage régit le mouvement du bouchon lorsqu'on le sépare de la bouteille ou lorsqu'on l'y replace ? 2) Quelle particularité du bouchon et de l'embouchure de la bouteille explique la réponse que vous avez donnée à la question d1 ? 4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Dans chaque cas, justifiez votre réponse. a ) Pour qu'il puisse y avoir un guidage, il doit nécessairement y avoir un organe de guidage.

b ) Un même dispositif de guidage peut régir à la fois un mouvement de translation et un mouvement de rotation indépendants l’un de l’autre.

c ) Dans une paire de ciseaux, le rivet remplit à la fois la fonction de liaison et la fonction de guidage.

256

L’univers technologique

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Date :

Associez chacun des organes de guidage de la colonne de gauche au type de guidage qu’il assure. a ) L’axe d’une poulie

1) Guidage en translation

L’univers technologique

5

Groupe :

b ) Le cylindre d’un piston 2) Guidage en rotation c ) L’axe des pales d’un ventilateur d ) Une vis fixe sur laquelle on installe un écrou pour former un boulon

6

3) Guidage hélicoïdal

La photo ci-dessous montre un patin à roues alignées.

Frein de talon

Bloc-essieu

Essieu Roue

a ) Quelle pièce du patin, parmi celles qui sont identifiées sur l’image, joue le rôle d’organe de guidage ?

b ) Quelle pièce est guidée par l’organe de guidage que vous avez nommé dans la réponse à la question a ?

c ) Quel type de guidage est effectué par l’organe que vous avez nommé dans la réponse à la question en a ?

d ) Quelle particularité de l’organe de guidage lui permet d’offrir ce type de guidage ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

2.2

Nom :

257

Groupe :

2.3

Nom :

L’univers technologique

2.3

Date :

Les systèmes de transmission du mouvement

Dans un objet technique, une pièce en mouvement en entraîne souvent une autre. Un système de transmission du mouvement 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.

Dans un système de transmission du mouvement, on trouve un organe moteur et un organe mené, qui sont parfois liés au moyen d’un organe intermédiaire (voir la gure 1).

Pignon (organe mené)

Chaîne (organe intermédiaire) Plateau (organe moteur)

FIGURE 1

Un système de transmission du mouvement.

L’organe moteur est celui qui met le système en mouvement, car c’est lui qui reçoit la force nécessaire pour actionner le système. L’organe mené, aussi appelé « organe récepteur », est celui qui reçoit le mouvement. Lorsqu’un organe intermédiaire est présent, celui-ci conduit le mouvement de l’organe moteur à l’organe mené.

Dans un système de transmission du mouvement, une roue qui compte un grand nombre de dents tourne sur elle-même plus lentement qu’une roue qui en compte moins. Si la roue la plus grande est la roue motrice, le système est un multiplicateur de vitesse. Si la roue la plus grande est la roue menée, le système est un réducteur de vitesse. FIGURE 2

258

L’univers technologique

Un grand nombre de systèmes de transmission du mouvement sont réversibles. Un système réversible est un système dans lequel l’organe moteur peut devenir l’organe mené, et vice-versa. Par exemple, le système de transmission du mouvement d’une bicyclette est réversible. En effet, quand on fait tourner la roue arrière d’une bicyclette en exerçant une force directement sur la roue, les pédales se mettent en mouvement. Dans un système de transmission du mouvement, des roues de tailles différentes tournent à des vitesses différentes. De façon générale, lorsque l’organe moteur est plus grand que l’organe mené, par exemple lorsque le diamètre de la roue motrice est plus grand que celui de la roue menée ou lorsque la roue motrice compte plus de dents que la roue menée, la vitesse de rotation de l’organe mené est alors plus grande que celle de l’organe moteur, et inversement (voir la gure 2). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

Date :

TABLEAU 3

2.3

Le tableau 3 présente les principaux types de système de transmission du mouvement. Les principaux types de système de transmission du mouvement Système Roues de friction

Caractéristiques • Système réversible • Glissement quasi inévitable : il faut choisir les matériaux dont sont faites les bandes de roulement des roues de façon à ce qu’elles soient relativement adhérentes.

Engrenage (roues dentées)

• Système réversible • Mouvement précis : la présence de dents permet d’éviter le glissement.

Courroie et poulies

• Système réversible • Possibilité de diminuer le risque de glissement en munissant les poulies de gorges ou en utilisant une courroie crantée

Chaîne et roues dentées

• Système réversible • Lubrification souvent nécessaire pour limiter le frottement et l’usure de la chaîne et des dents

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Changement de vitesse* La vitesse de rotation d'une roue est inversement proportionnelle à son rayon. Par exemple, une roue qui est deux fois plus grosse qu'une autre roue complétera deux fois moins de tours que cette dernière durant un intervalle de temps donné.

La vitesse de rotation d'une roue est inversement proportionnelle au nombre de dents qu'elle compte. Par exemple, une roue qui compte deux fois plus de dents qu'une autre roue complétera deux fois moins de tours que cette dernière durant un intervalle de temps donné.

Les variations de vitesse sont identiques à celles qui se produisent dans un système à roues de friction : la vitesse de rotation d'une roue est inversement proportionnelle à la taille de cette roue.

Les variations de vitesse dans un système à chaîne et à roues dentées sont identiques à celles qui se produisent dans un engrenage : la vitesse angulaire d’une roue est inversement proportionnelle au nombre de dents que compte cette roue.

Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

259

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

2.3

Nom :

Groupe :

TABLEAU 3

Date :

Les principaux types de système de transmission du mouvement (suite) Système

Caractéristiques

Roue dentée et vis sans fin Ce système tire son nom du fait que la vis permet d’entraîner indéfiniment la rotation de la roue.

• Système non réversible : la vis sans fin est toujours l’organe moteur et la roue dentée est toujours l’organe mené.

Changement de vitesse* Chaque fois que la vis effectue un tour complet, la roue dentée ne se déplace que de la distance équivalente à la largeur d'une dent. La diminution de la vitesse est donc généralement importante.

• Permet d’appliquer une grande force avec un minimum d’effort.

* Dans ce tableau, l’expression « vitesse de rotation » renvoie à la vitesse de rotation d’une roue exprimée en unité d’angle par unité de temps (en tours par minute, par exemple).

Activités 1

2.3

La photographie ci-contre représente un système de transmission du mouvement qui se trouve dans le moteur d’une automobile. De quel type de système de transmission du mouvement s’agit-il ?

2

Pourquoi utilise-t-on des engrenages dans les mécanismes d’horlogerie, plutôt que des roues de friction ?

3

Sur chacune des illustrations ci-dessous, identifiez le sens de rotation des roues ou des poulies lorsqu’il n’est pas déjà indiqué. a)

260

L’univers technologique

b)

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Date :

c ) Sur le système de l'illustration b, comparez le sens de rotation des roues qui se trouvent à l’intérieur de la courroie avec celui des roues qui sont à l’extérieur de la courroie. Que remarquezvous ?

4

L’illustration ci-dessous représente le mécanisme d’un batteur électrique.

Moteur

Fouets

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 moteur dans ce système.

d ) Y a-t-il un organe intermédiaire dans ce système ?

e ) Ce système est-il réversible ?

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 ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

261

2.3

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Nom :

Date :

h ) Les fouets tournent-ils plus vite ou moins vite que le moteur ? Justifiez votre réponse.

2.3 L’univers technologique

Groupe :

5

Lisez l'encadré suivant, puis répondez aux questions. Dans un système de transmission du mouvement, les vitesses de l’organe moteur et de l’organe mené sont liées. Dans le cas de roues d’engrenage, plus la roue motrice compte de dents comparativement à la roue menée, plus la roue menée tourne vite. L’équation qui relie la vitesse de la roue motrice et celle de la roue menée est la suivante :

Dans le cas de roues de friction ou d’un système de courroie et de poulies, plus la roue motrice est grande comparativement à la roue menée, plus la roue menée tourne vite. L’équation qui relie la vitesse de la roue motrice et celle de la roue menée est la suivante :

a ) Une roue d’engrenage qui compte 10 dents fait tourner une deuxième roue, qui en compte 40. Si la roue motrice tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue menée tourne-t-elle ? Laissez des traces de votre démarche et justifiez votre réponse.

262

L’univers technologique

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Date :

b ) Une roue dentée qui compte 24 dents est reliée à une deuxième roue, qui en compte 16, au moyen d’une chaîne mesurant 0,90 m. Si la première roue, qui est la roue motrice, tourne à une vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la deuxième roue, qui est la roue menée, tourne-t-elle ? Laissez des traces de votre démarche et justifiez votre réponse.

c ) Une roue motrice de 20 cm de diamètre est liée à une roue menée, de 10 cm de diamètre, au moyen d’une courroie. Si la roue motrice tourne à la vitesse de 12 tours par minute, à quelle vitesse la roue menée tourne-t-elle ? Laissez des traces de votre démarche et justifiez votre réponse.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

263

2.3

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

6

L’univers technologique

2.3

Nom :

Groupe :

Date :

Sur un vélo, la roue dentée qui est liée aux pédales se nomme « plateau », alors que celle qui est attachée à la roue arrière se nomme « pignon » (voir la figure 1, page 258). Un même vélo peut être doté de plus d’un plateau et de plus d’un pignon. Le cycliste peut alors choisir quelles roues dentées il souhaite utiliser selon les circonstances, en faisant passer la chaîne d’une roue dentée à une autre. a ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes (le pédalier fait donc un tour par seconde) 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 ? Justifiez votre réponse.

b ) Supposons qu’un cycliste donne un coup de pédale toutes les secondes (le pédalier fait donc un tour par seconde) 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 ? Justifiez votre réponse.

c ) Pourquoi, dans les bicyclettes, utilise-t-on un système à chaîne et à roues dentées plutôt qu’un système à courroie et à poulies ?

7

264

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 groupes de dents compatibles.

L’univers technologique

a)

1)

b)

2)

c)

3)

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Groupe :

Date :

2.4

Nom :

L’univers technologique

2.4 Les systèmes de transformation du mouvement Un système de transformation du mouvement est un ensemble d’organes dont la fonction est de convertir un mouvement de translation en un mouvement de rotation, ou inversement.

Comme les systèmes de transmission du mouvement, les systèmes de transformation du mouvement sont composés d’un organe moteur et d’un organe mené. Le tableau 4 présente les principaux types de système de transformation du mouvement. TABLEAU 4

Les principaux types de système de transformation du mouvement Système

Système à pignon et à crémaillère Un pignon est une roue dentée.

Exemple

Caractéristiques • Transformations possibles : rotation vers translation ou translation vers rotation

Pignon

Une crémaillère est un organe denté rectiligne, comme une roue d’engrenage que l’on aurait déroulée.

• Système réversible

Crémaillère

• Transformation possible : rotation vers translation

Système à vis et à écrou Certains systèmes à vis et à écrou ne servent qu’à établir un guidage hélicoïdal. Cependant, il est également possible d’utiliser un système à vis et à écrou pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. La première option pour utiliser un système à vis et à écrou comme système de transformation du mouvement est de faire en sorte que la vis soit l’organe moteur. Si l’on empêche l’écrou de tourner, la rotation de la vis est alors transformée en une translation de l’écrou. La deuxième option est d’utiliser l’écrou comme organe moteur. Si l’on empêche la vis de tourner, la rotation de l’écrou est alors transformée en une translation de la vis.

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• Système non réversible Écrou

Vis

Ci-dessus, l’écrou est guidé en translation par des glissières dans le bâti, de sorte qu’il ne peut pas tourner.

Écrou

Vis

Ci-dessus, la vis est guidée en translation par des glissières dans le bâti, de sorte qu’elle ne peut pas tourner.

Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

265

L’univers technologique

2.4

Nom :

Groupe :

TABLEAU 4

Date :

Les principaux types de système de transformation du mouvement (suite) Système

Exemple

Système à bielle et à manivelle Dans un système à bielle et à manivelle, la bielle est une tige rigide qui transforme le mouvement de rotation d’une pièce appelée manivelle en un mouvement de translation alternatif. Ce mouvement de translation peut être imprimé à un piston ou à un coulisseau, par exemple.

Caractéristiques

Manivelle Bielle

• Système réversible

Piston

Bielle

Manivelle

Roue

• Transformation possible : rotation vers translation

Système à came et à tige guidée Une came est une pièce qui transforme un mouvement de rotation en un mouvement de translation alternatif. Un ressort permet de maintenir le contact entre la came et la tige guidée.

• Transformations possibles : rotation vers translation ou translation vers rotation

• Système non réversible Ressort

Tige

Came

Activités 1

2.4

La figure ci-dessous illustre une roue d'une locomotive antique.

Piston a ) Quel est le nom du système de transformation du mouvement qui est utilisé sur cette locomotive pour transformer le mouvement de translation alternative du piston en un mouvement de rotation de la roue ?

b ) Sur la figure, pointez et identifiez les deux principales pièces du système de transformation que vous avez nommé dans la réponse à la question a. 266

L’univers technologique

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Date :

2

Quelle est la différence entre un système de transmission du mouvement et un système de transformation du mouvement ?

3

La figure ci-dessous illustre le mécanisme d’un tube d’antisudorifique. a ) Quel type de système de transformation du mouvement retrouve-t-on dans le mécanisme du tube d’antisudorifique illustré ?

b ) Quel est l’organe moteur dans le système illustré ?

c ) Quel est l’organe mené dans le système illustré ?

d ) Le système de transformation du mouvement du tube est-il réversible ?

e ) Une personne tourne la molette pour faire monter l’antisudorifique dans le tube. Que se passera-t-il si elle tourne ensuite la molette en sens inverse ? Justifiez votre réponse.

f ) Nommez deux avantages de l’utilisation d’un système à vis et à écrou dans la conception d’un tube d’antisudorifique.

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Chapitre 2

Molette

L’ingénierie mécanique

267

2.4

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

4

Groupe :

Date :

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 ?

L’univers technologique

2.4

Nom :

b ) Sur la figure, entourez, pointez et identifiez par leur nom les différentes parties de ce système de transformation du mouvement. Attention ! 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, soit pour lui imprimer un mouvement de translation vers le bas, soit en la faisant tourner alors que la vis est enfoncée dans un bouchon pour lui imprimer un mouvement hélicoïdal.

Poignée

Leviers Vis Corps

1) Qu’arrivera-t-il aux leviers (bras) et aux pignons 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 moteur 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) Qu’arrivera-t-il à la vis du tire-bouchon ?

2) En quoi y a-t-il transformation du mouvement dans la situation décrite à la question d ?

268

L’univers technologique

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Date :

3) Selon la situation décrite à la question d, quel est l’organe moteur et quel est l’organe mené dans le système de transformation du mouvement ?

e ) Le système de transformation du mouvement du tire-bouchon illustré est-il réversible ? Justifiez votre réponse.

5

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 ) 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.

b ) Lorsqu’on actionne le cric, la vitesse de soulèvement de la voiture est-elle plus grande ou plus petite que la vitesse à laquelle la manivelle est tournée ?

c ) Quel(s) avantage(s) y a-t-il à utiliser un cric pour soulever une voiture ? Expliquez bien votre réponse, en faisant référence à des concepts scientifiques.

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

269

2.4

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

2

La figure ci-contre illustre un applicateur de ruban correcteur. a ) Quel type de système de transmission du mouvement retrouve-t-on dans le mécanisme de cet applicateur ?

Organe moteur Organe mené

b ) Ce système fournit-il une réduction ou une augmentation de la vitesse ? Justifiez votre réponse.

c ) Estimez la grandeur de la réduction ou de l’augmentation de vitesse que fournit ce système. Justifiez votre réponse.

2

La figure ci-dessous illustre une vue d’ensemble d’une perceuse sensitive, ainsi qu’une vue éclatée d’une partie de sa base.

Anneau en C Arbre Vis sans fin Bague Couvercle

Table

Vis d’assemblage Vis de blocage

Colonne

Manivelle Poignée de manivelle

a ) Sur le schéma, inscrivez les noms des pièces qui sont pointées, mais qui ne sont pas identifiées. b ) À quoi ces pièces servent-elles ?

270

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

c ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre la poignée de la manivelle et la manivelle.

3

La figure ci-dessous illustre le fonctionnement d’un moteur à quatre temps. Admission

Compression Ressorts

(Note : Dans un moteur, la manivelle est appelée le « vilebrequin ».)

Combustion

Échappement

Soupape d'échappement Cylindre

a ) Il y a deux types de système de transformation du mouvement dans le moteur illustré. Quels sont-ils ?

b ) Sur la figure ci-dessus, identifiez les pièces qui ne sont pas nommées. c ) Quelle est l’utilité des ressorts dans ce moteur ?

d ) À quel type de guidage le piston est-il soumis ?

e ) Quel est l’organe qui guide le mouvement du piston ?

f ) Pourquoi, dans un moteur, le piston doit-il être lubrifié ?

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

271

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

Nom :

4

Groupe :

Date :

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. Manivelle à croisillons Axe

Goupille de blocage

Analysez cet objet technique en répondant aux questions suivantes. a ) À quel besoin l'enclos que vous aviez construit répondait-il ?

b ) 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

Il transforme le mouvement de rotation de la manivelle à croisillons en un mouvement de translation de la porte. Axe de la manivelle à croisillons et du pignon Goupille de blocage

272

L’univers technologique

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

c ) Complétez le tableau ci-dessous. 1) Dans la deuxième colonne, identifiez les types des deux liaisons présentées. 2) Dans la dernière colonne, expliquez vos choix. Liaison

Types de liaison

Explication

Directe Indirecte

Démontable Liaison entre les blocs qui forment la crémaillère et la porte

Indémontable

Rigide Élastique

Complète Partielle

Directe Indirecte

Démontable Indémontable Liaison entre la manivelle et le pignon

Rigide Élastique

Complète Partielle

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Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

273

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

d ) Complétez le tableau ci-dessous. 1) Dans la première colonne, identifiez trois 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. Organe guidé

Qu’est-ce qui assure le guidage ?

Type de guidage

Guidage en translation Guidage en rotation Guidage hélicoïdal

Guidage en translation Guidage en rotation Guidage hélicoïdal

Guidage en translation Guidage en rotation Guidage hélicoïdal

e ) Selon vous, pourquoi les pièces de l'enclos sont-elles faites de plastique ?

274

L’univers technologique

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CHAPITRE

3

L’ingénierie électrique

L’ingénierie électrique, aussi appelée « génie électrique », est la branche de l’ingé­ nierie qui traite des multiples applications de l’électricité. Par exemple, les ingénieurs électriciens travaillent sur les grands réseaux de distribution d’électricité domestique autant que sur les composantes électroniques miniatures des ordinateurs. Quel que soit le domaine dans lequel ils appliquent leurs connaissances, ces ingénieurs s’occupent de circuits, c’est­à­dire des ensembles structurés de composantes électriques ou électroniques ayant chacune une fonction précise. Dans ce chapitre, vous vous familiariserez avec l’ingénierie électrique. À cette fin, vous découvrirez certaines fonctions que remplissent les composantes d’un circuit électrique ou électronique.

275

Date :

3.1

Groupe :

Un circuit électrique est un ensemble de composantes électriques reliées en boucle et parcourues par un courant.

L’univers technologique

Nom :

Les composantes d’un circuit ont chacune une fonction, et ces fonctions sont variées. Dans les pages qui suivent, vous verrez les fonctions des composantes électriques les plus usuelles.

3.1

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.

Il y a deux types de sources d’alimentation. Certaines fournissent de l’énergie en continu à un rythme régulier et produisent un courant dit « continu ». D’autres, dont la polarité oscille dans le temps, produisent un courant dit « alternatif ». Le tableau 1 présente quelques types de sources d’alimentation répandues. 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

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.

Batterie Ensemble de piles reliées en série ou en parallèle

Génératrice Appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique

Les génératrices de type « dynamo » produisent un courant continu, tandis que les génératrices de type « alternateur » (comme celle illustrée 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 rotation 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.

276

L’univers technologique

Au Québec, l’énergie fournie par les prises de courant domestiques provient du réseau de distribution géré par Hydro-Québec. Cette énergie est produite par des génératrices de courant alternatif dont la plupart se trouvent dans des centrales hydroélectriques. Les prises de courant fournissent un courant alternatif ayant une fréquence de 60 Hz, ce qui signifie que sa valeur oscille 60 fois par seconde. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Activités 1

3.1

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

1) Courant continu

b ) Type de courant fourni par une source de tension dont la polarité et l’intensité oscillent continuellement dans le temps 2

Date :

3.1

Groupe :

2) Courant alternatif

Parmi les sources d’alimentation présentées dans le tableau 1 (voir la page précédente), laquelle vous semble la plus appropriée dans chacune des situations suivantes ? Expliquez vos réponses. a ) Un téléviseur

b ) La manette sans fil d’une console de jeu vidéo

c ) Le système d’allumage d’une automobile

d ) Une source d’alimentation d’appoint pour un hôpital en cas de coupure de courant dans le réseau d’Hydro-Québec

e ) Une source d’alimentation d’appoint pour un réveille-matin en cas de coupure de courant dans le réseau d’Hydro-Québec

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

277

L’univers technologique

Nom :

3.1

Nom :

3

Groupe :

Date :

Lisez les trois textes suivants. Répondez à la question qui accompagne chacun d’eux.

L’univers technologique

a)

Les thermo-électrogénérateurs

La sonde spatiale Cassini­Huygens. Cette sonde a pour mission d’étudier la planète Saturne et plusieurs de ses satellites.

Pour réduire la consommation d’essence des auto­ mobiles, on se servira peut­être 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 de récupérer cette chaleur pour produire de l’électricité. C’est ce que fait un thermo­électrogénérateur. Ce dispositif convertit 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 semi­conducteurs 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 (voir la photo ci-dessus).

Le dispositif décrit peut­il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

b)

Les cellules photovoltaïques Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui génère un courant électrique lorsqu’il est exposé à la lumière. Lorsque la lumière frappe la cellule, elle transfère de l’énergie aux électrons de sorte que certains sont éjectés. Un courant se crée alors dans le circuit auquel est rattachée la cellule. Les panneaux solaires sont en fait des assemblages de cellules photovoltaïques (voir la photo ci-contre). Une cellule photovoltaïque.

Le dispositif décrit peut­il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

278

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

3.2

c)

Les transistors

Un microprocesseur. Ces circuits comptent des millions de transistors.

La fabrication des premiers transistors a été essentielle à la révolution numérique que le monde a connue au 20e siècle. Les transistors ont d’abord été introduits dans les postes de radio, mais ils sont aujourd’hui omniprésents dans les microprocesseurs des ordinateurs (voir la photo ci-contre). Les puces des ordinateurs contiennent plusieurs millions (voire des milliards) de transistors microscopiques qui permettent d’encoder l’information sous forme binaire.

Mais 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.

4

Nommez la source d’alimentation à laquelle correspond chacun des symboles ci-dessous. a)

c)

b)

d)

3.2

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 non dans celles ayant 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. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 3

L’ingénierie électrique

279

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

3.2

Nom :

3.2.1

Date :

La fonction de conduction

L’univers technologique

Les composantes qui ont une fonction de conduction doivent être fabriquées avec des matériaux qui sont conducteurs (qui ont une bonne conductibilité électrique), comme les métaux. La fonction de conduction est assurée par toute composante d’un circuit qui permet le passage du courant.

Les ls 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). Les principaux facteurs influençant la conductibilité d’une composante électrique TABLEAU 2

Facteur

Un fil électrique entouré d’une gaine isolante. Cette gaine permet de manipuler les fils en toute sécurité.

Influence

Le matériau de la composante

Les métaux sont de bons conducteurs.

La section transversale de la composante

Dans le cas d’un fil, la section transversale correspond au diamètre. Un fil qui a un grand diamètre laisse passer le courant plus facilement qu’un petit fil (comme un tuyau qui a un plus grand diamètre laissera passer l’eau plus facilement qu’un petit tuyau).

La température de la composante

Les atomes ou les molécules d’une composante chaude ont plus d’énergie cinétique que ceux d’une composante plus froide, et leur mouvement rend le passage des électrons de conduction plus difficile, ce qui diminue la conductibilité.

La longueur de la composante

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.

FIGURE 1

3.2.2

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. Pour brancher deux fils électriques ensemble, il faut au préalable retirer la gaine isolante qui les recouvre. Aucun courant ne doit circuler dans les fils lorsque l’on effectue cette opération. FIGURE 2

280

L’univers technologique

Les ls 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 l parcouru par un courant sans s’électrocuter (voir la gure 1). Elle évite également les courts-circuits en empêchant le courant de passer entre deux ls qui se touchent (voir la gure 2). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

3.2.3

Groupe :

Date :

3.2

Nom :

La fonction de protection

L’univers technologique

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. Un court-circuit a lieu lorsque 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. Lorsqu’une personne est électrisée, un courant électrique traverse son corps, ce qui peut entraîner des brûlures internes ou une brillation cardiaque (un dérèglement du rythme du cœur qui perturbe la circulation sanguine et peut entraîner un arrêt cardiaque). Lorsque 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 système de protection : les fusibles et les disjoncteurs. Les fusibles les plus courants sont constitués d'une lamelle de métal insérée dans un petit tube de verre (voir la gure 3). En temps normal, le courant traverse le fusible sans problème. Cependant, si pour une raison quelconque l’intensité du courant est trop grande, l’énergie électrique qui traverse la lamelle fait fondre celle-ci, qui se rompt, ce qui empêche le courant de passer. Une fois qu’ils sont grillés, les fusibles doivent être remplacés. À cause de cet aspect peu pratique, on a aujourd’hui remplacé les fusibles par des disjoncteurs dans les bâtiments (voir la gure 4). On trouve cependant toujours des fusibles dans certains appareils (comme des cuisinières) et dans les voitures.

Deux fusibles. Celui de gauche est grillé, mais celui de droite est intact. FIGURE 3

Disjoncteur principal

Disjoncteur secondaire

Le panneau de distribution d’une maison. Un tel panneau comporte un disjoncteur principal, qui contrôle tous les circuits et coupe tout le courant d’un coup, et plusieurs disjoncteurs secondaires, qui contrôlent chacun des circuits. FIGURE 4

Un disjoncteur fonctionne comme un interrupteur qui s’ouvre et coupe le courant lorsque celui-ci devient trop fort. Ce dispositif a l’avantage de pouvoir être remis en marche une fois que le problème qui a causé le déclenchement est réglé. On n’a qu’à actionner l’interrupteur manuellement et on n’a aucune pièce à changer.

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

281

Groupe :

Date :

Flash techno

L’univers technologique

3.2

Nom :

Les disjoncteurs de fuite à la terre Dans les salles de bain, et parfois près des éviers de cuisine, les prises électriques sont munies d’un dispositif appelé « disjoncteur de fuite à la terre ». Ce dispositif vise à limiter les risques accrus d’électrocution que présentent ces lieux en raison de la présence d’eau. Les disjoncteurs de fuite à la terre comparent le courant qui sort de la prise à celui qui y retourne après avoir traversé l’appareil électrique qui y est branché (un sèche-cheveux, par exemple). Si le courant qui retourne dans la prise est inférieur au courant qui en sort, cela signifie qu’une partie des charges électriques « fuit », ce qui est anormal. Il se peut en effet que ces charges soient en train de traverser le corps de la personne qui se sert de l’appareil. Dans un tel cas, le disjoncteur de fuite à la terre coupe immédiatement le courant.

Activités 1

Une prise électrique munie d’un disjoncteur de fuite à la terre.

3.2

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.

282

L’univers technologique

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2

Pourquoi les fils électriques sont-ils reliés aux pylônes électriques par des raccords de porcelaine ou de verre, comme on le voit sur la photographie ci-contre, plutôt que d’être fixés directement aux pylônes ?

3

Pour vérifier la qualité de l’eau d’un puits, les hydrogéologues utilisent un conductivimètre, qui leur permet d’évaluer la salinité de l’eau. Cet appareil est composé de 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.

Date :

3.2

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

a ) Comment un conductivimètre permet-il d’évaluer la salinité de l’eau ?

b ) 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 augmenterait-il, diminuerait-il ou resterait-il le même ? Expliquez votre réponse.

4

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 ?

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

283

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

3.3

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 au moins un avantage qu'il y aurait à faire remplacer le panneau de distribution à fusibles par un panneau à disjoncteurs.

3.3

La fonction de commande

Pour que le courant puisse circuler dans un circuit, il faut que celuici forme une boucle fermée. Un tel circuit est qualié 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 gure 5 illustre un circuit comprenant un interrupteur fermé, puis le même circuit lorsque l’interrupteur est ouvert. On remarque que, 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 ) Un circuit dont l’interrupteur est fermé (marche). FIGURE 5

284

b ) Un circuit dont l’interrupteur est ouvert (arrêt).

Dans un circuit, l’interrupteur remplit la fonction de commande.

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

3.3

Nom :

L’univers technologique

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 quelle touche a été enfoncée. Les écrans tactiles remplissent la même fonction qu’un clavier. Parmi ces écrans, certains doivent absolument être touchés à mains nues ou à l’aide d’un matériau conducteur pour fonctionner. Ces écrans 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.

3.3.1

Une tablette électronique munie d’un écran tactile.

Les types d’interrupteur

Il y a plusieurs types d’interrupteur. Le tableau 3 présente le mécanisme des interrupteurs à levier, à bouton poussoir et à bascule. TABLEAU 3

Le mécanisme de différents interrupteurs

Type d’interrupteur

Exemples

Schémas de principe du mécanisme Position fermée

Position ouverte

(marche)

(arrêt)

À levier Le mouvement d’un levier entraîne la fermeture ou l’ouverture du circuit.

Interrupteur à couteau

Interrupteur mural

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

285

L’univers technologique

3.3

Nom :

Groupe :

TABLEAU 3

Date :

Le mécanisme de différents interrupteurs (suite)

Type d’interrupteur

Exemples

Schémas de principe du mécanisme Position fermée

Position ouverte

(marche)

(arrêt)

À bouton poussoir Selon que le bouton poussoir 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.

Activités

3.3

1

Le soir est tombé et votre amie vous demande d’allumer la lampe du salon. Expliquez-lui comment l’interrupteur vous permet d’allumer la lampe en mentionnant ce qui se passe dans le circuit.

2

Les deux mécanismes décrits ci-dessous appartiennent-ils à des interrupteurs à levier, à bouton poussoir ou à bascule ? 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.

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 ».

286

L’univers technologique

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Date :

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

3.3

3

Groupe :

L'interrupteur à commande magnétique

Un système d'alarme muni d'un interrupteur à commande magnétique.

Certains systèmes d’alarme qui doivent se déclencher à l’ouverture d’une porte comprennent un interrupteur à commande magnétique (voir ci-contre). Il existe plusieurs modèles de ces interrupteurs, dont la plupart comprennent deux parties. La première, fixée sur la porte, contient deux lamelles d’acier doux, et la seconde, placée sur le cadre de la porte, est munie d’un aimant. Lorsque la porte est fermée, les lamelles sont maintenues en contact l’une avec l’autre grâce à l’aimant. Lorsque la porte s’ouvre, l’aimant s’éloigne du circuit contenant les lamelles d’acier. En l’absence d’aimant, l’une des lamelles se redresse, s’éloignant de l’autre. L’alarme se déclenche alors.

a ) Quand les deux lamelles cessent d’être en contact, le circuit qui les contient est-il ouvert ou fermé ? Expliquez votre réponse.

b ) L’alarme se déclenche-t-elle quand le courant circule dans le circuit contenant les lamelles ou quand il cesse d’y circuler ?

c ) La sonnerie de l’alarme peut-elle être branchée en série avec les lamelles d’acier doux ? Expliquez votre réponse.

4

De quel type est l’interrupteur illustré ci-contre ?

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

287

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

3.4

Nom :

L’univers technologique

3.4

Date :

La fonction de transformation de l’énergie

Pour être utiles, un très grand nombre de machines et d’appareils électriques doivent transformer de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie. La fonction de transformation de l’énergie est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie.

L’énergie électrique peut être transformée en énergie lumineuse, en énergie thermique ou en énergie mécanique.

Les écrans à cristaux liquides produisent de la lumière à partir d’énergie électrique. FIGURE 6

3.4.1 La transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse L’énergie électrique est transformée en lumière entre autres dans les ampoules incandescentes ou uocompactes, de même que dans les écrans cathodiques ou à cristaux liquides, comme celui de la gure 6.

3.4.2 La transformation de l’énergie électrique en énergie thermique

Les éléments chauffants transforment parfois une partie de l’énergie électrique qu’ils consomment en lumière, mais leur fonction réelle est de transformer de l’énergie élec trique en chaleur. FIGURE 7

Diaphragme

Aimant

Une vue en coupe d’un haut-parleur. FIGURE 8

288

L’univers technologique

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 on le recherche parfois, par exemple dans une chaufferette électrique. Quand on souhaite transformer de l’énergie électrique en énergie thermique, on utilise habituellement des composantes appelées « éléments chauffants ». On trouve des éléments chauffants dans les cuisinières électriques (voir la gure 7), de même que dans les grille-pain, les bouilloires et les chauffe-eau électriques.

3.4.3 La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique On transforme souvent l’électricité en mouvement en exploitant le lien entre l’électricité et le magnétisme, par exemple dans les moteurs électriques. Plusieurs modèles de haut-parleurs, qu’ils se trouvent dans une enceinte acoustique, un écouteur ou un téléphone, utilisent également ce lien pour mettre la bobine d’un électroaimant en mouvement. La vibration de l’électroaimant qui résulte du mouvement de la bobine est transmise au diaphragme, qui crée une onde sonore dans l’air ambiant (voir la gure 8). Dans ce cas, on pourrait également parler de transformation de l’énergie électrique en énergie sonore.

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Groupe :

1

3.4

Reliez 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 b ) L’élément chauffant d’une bouilloire électrique

1) La fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse

c ) Le flash d’un appareil photo d ) Un ventilateur électrique

2) La fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie thermique

e ) Un tube fluorescent

3) La fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique

f ) Un écran cathodique g ) La cloche d’un système d’alarme contre l’incendie h ) Le moteur d’un rasoir électrique 2

Les éoliennes, comme celle dont le mécanisme est illustré ci-dessous, constituent des générateurs électriques. Pour qu’une éolienne fonctionne, il faut d’abord que le vent fasse tourner ses pales. Le mouvement des pales entraîne ensuite celui d’une bobine conductrice plongée dans un champ magnétique. La rotation de cette bobine produit un courant électrique. Bobine

Générateur

Pales

Expliquez pourquoi on ne peut pas dire qu’une éolienne est un appareil qui a une fonction de transformation de l’énergie électrique.

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

289

L’univers technologique

Activités

Date :

3.4

Nom :

L’univers technologique

3.4

Nom :

3

Groupe :

Date :

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 ?

4

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.

5

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions.

Le cristal de quartz Les montres et les horloges à quar tz fonctionnent grâce aux propriétés piézoélectriques du cristal de quartz. La piézoélectricité 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 (voir ci-contre). 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 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 ?

290

L’univers technologique

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Date :

b ) En quel type d’énergie les pièces que vous avez nommées en réponse à la question a transforment-elles l’énergie électrique ?

3.4

6

Groupe :

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite à la question.

L’univers technologique

Nom :

Problématique 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 être admissibles à porter le symbole international ENERGY STAR® (voir cidessous), les produits doivent respecter de rigoureuses exigences sur le plan du rendement énergétique approuvées par le gouvernement du Canada.

Le symbole international ENERGY STAR®.

Expliquez sommairement le lien existant entre le symbole international ENERGY STAR®, la fonction de transformation de l’énergie et la protection de l’environnement.

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

291

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

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 ci-dessous, complétez-le.

Liste de mots

Les différentes fonctions d’un circuit électrique

• à bascule • à bouton poussoir • 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 mécanique • fonction d’alimentation • fonction de protection

Empêcher le courant de passer

est généralement remplie par

• fonction d’isolation • laisser passer le courant • la longueur • la température

Protéger les autres composantes du circuit en cas d’anomalie

est remplie par

• le matériau • transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie

Fonction de commande est remplie par

• un disjoncteur • une batterie • une génératrice • une prise de courant • un fusible • un interrupteur

292

L’univers technologique

Fonction de transformation de l’énergie

transforme l’énergie électrique en

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Groupe :

Date :

L’univers technologique

Nom :

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 est régie par

la section transversale

certains plastiques céramique

qui comporte un mécanisme

énergie thermique

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Chapitre 3

L’ingénierie électrique

293

L’univers technologique

Nom :

2

Groupe :

Date :

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 :

3

Dans chacun des cas présentés ci-dessous, dites si la conductibilité de la composante électrique dont il est question augmentera ou diminuera. Exliquez brièvement votre réponse. a ) Un électricien remplace un fil de calibre 16 (c’est-à-dire un fil ayant un diamètre de 1,29 mm) par un fil de calibre 12 (ayant un diamètre de 2,05 mm).

b ) Le filament d’une ampoule électrique se réchauffe.

c ) Votre père remplace le fil de sa tondeuse électrique par un fil semblable mais plus long, pour atteindre plus facilement le fond de la cour.

4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux et corrigez celui ou ceux qui sont faux. a ) Un interrupteur en position « marche » est ouvert.

b ) Les moteurs électriques ont une fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique.

c ) Les semelles de caoutchouc des bottes des électriciens remplissent une fonction de conduction.

d ) La gaine de plastique qui entoure les fils électriques remplit une fonction de protection.

294

L’univers technologique

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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, 121 Acide, 13, 40-41, 50, 63-64, 162, 190, 240 Adhérence, 242 Agriculture biologique (voir Agroécologie) intensive, 68, 139 Agroécologie, 131 Aimant, 141-116, 119, 167, 287-288, 290 Alcaline (solution) (voir Base) Alcalino-terreux (famille des), 14, 15 Alcalins (famille des), 14-15, 23 Alimentation (électrique), 95-96, 276, 279 Alliage (matériau), 114, 239 Alpha (voir Particule alpha) Altitude, 128, 141, 196 Ampère, 96, 106, 110 Ampèremètre, 95, 98-99 Amplitude (des marées), 202 Ampoule, 35, 84, 95, 97, 106, 110, 249, 288 Anion, 31, 32 Anticyclone, 149-151 Arbre (guidage en rotation), 253 Argile, 240 Aristote (384-322 av. J.-C.), 3 Atmosphère, 68, 141, 147-148, 150-151, 156-157, 171, 178-179, 183-184, 200 Atome (voir aussi Modèle atomique), 3-6, 16, 23, 30-32, 35, 40-41, 56, 59-60, 82, 90-91, 163, 200, 225, 280 Autotrophe (organisme), 219 Axe de rotation (de la Terre), 200 Azote (voir aussi Cycle de l’azote), 12, 14, 68, 156, 162, 183-184

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B Balancement d’équations chimiques, 59 Banquise, 139, 141, 156 Barrage, 167 Base, 14, 40-41, 50, 63 Bassin versant, 135 Bêta (voir Particule bêta) Béton, 242-243 Bielle, 266 Biodiversité, 211 Biome aquatique, 193-194 Biome d’eau douce, 194 Biome marin, 193-194 Biome terrestre, 190, 194 Bois (matériau), 64, 131, 239-240 Boucle (d’un circuit électrique), 95, 97, 284 Boussole, 116, 119

C Came, 266 Capacité limite du milieu, 216 Capacité tampon du sol, 128 Carbone (voir aussi Cycle du carbone), 12, 56-57, 65, 66, 68, 156, 169, 178-179, 196, 236, 239, 242 Cation, 31-32 Cellule végétale, 65 Centrale à réservoir, 167, 169 au fil de l’eau, 167 géothermique, 163 marémotrice, 202 nucléaire, 163 thermique, 162 Céramique, 240, 242, 280 Chaîne alimentaire, 168, 219, 224-225 Chaleur (voir aussi Énergie thermique), 64, 82, 84, 85, 141, 147, 148, 156, 162, 163, 200, 237, 239241, 244, 278, 288 Index

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Champignon, 183, 194, 219, 224, 240 Changement de vitesse, 259-260 Changements climatiques, 68 Charge électrique, 31, 90 Charge ionique, 12 Chaulage, 63 Chlorophylle, 65 Ciment, 240 Circuit électrique, 95, 106, 275-276, 281 en parallèle, 97, 99, 276 en série, 97-99, 276 Circulation atmosphérique, 148-149 Circulation océanique, 140 Circulation thermohaline, 140-141 Cisaillement (contrainte de), 233 Coefficient, 59-60 Comburant, 64, 66 Combustible 64, 66, 68, 179 fossile, 63, 133, 156, 162, 179 Combustion, 55-56, 59, 63-65, 68, 156, 162, 179 Commande (fonction de), 284 Commensalisme, 216 Communauté, 211, 216 Compétition, 216 Composé, 14, 30, 127 ionique, 30-31, 35 Composite (voir Matériau composite) 242-243 Compression (contrainte de), 233, 236, 243 Concentration en grammes par litre (g/L), 43-44 en parties par million (ppm), 44-45 en pourcentage (%), 44 Condensation, 147 Conductibilité électrique, 35, 37, 40, 237, 240, 280 Conduction (électrique), 279-280 Configuration électronique, 14-15 Consommateur, 139, 178, 184, 219, 225 Contrainte, 232-233, 236, 243, 290 Convection, 140, 148, 150-151 Corail, 193 Coriolis Gaspard-Gustave (1792-1843), 149 effet de, 140, 148-150 Corrosion, 63-64, 237, 239-240, 246 Couche d’ozone, 200 Couche électronique, 14, 16 Coulisseau, 266 Coulomb (C), 90, 96-97

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Index

Courant (électrique), 29, 35, 95-96, 98, 119, 171, 276, 278, 281 Courants marins, 140, 149, 168 de profondeur, 140 de surface, 140 Courroie (système), 259, 262 Cours d’eau, 134-135, 139, 167-168, 194, 220 Court-circuit, 281 Crémaillère, 265 Croissance (d’une population), 216 Croûte terrestre, 126-127, 163 Curie, Marie (1867-1934), 127 Curie, Pierre (1859-1906), 127 Cycle biogéochimique, 178 Cycle biologique, 215 Cycle de l’azote, 183-184 Cycle du carbone, 178-179 Cyclone, 149-151

D Dalton, John (1766-1844), 3-4 Déchets, 127, 163, 179, 184, 193, 233 Déchets radioactifs, 163 Décomposeur, 128, 169, 183, 194, 219, 224 Décomposition, 127, 169, 183, 194 Déforestation, 68, 135, 126, 131, 220 Dégradation (d’un matériau), 239-242 Delta, 194 Démocrite (460-370 av. J.-C.), 3 Dénitrification, 184 Densité (d’une population), 210 Déplacement, 96, 150 Désert, 190, 216 Détritivore (organisme), 219 Différence de potentiel (voir Tension électrique) Dilution, 43, 45 Disjoncteur, 281 de fuite à la terre, 282 Dissociation électrolytique, 35-36 Dissolution, 31, 35-36, 43 ionique (voir Dissociation électrolytique) moléculaire, 35-36, 59 Distribution des biomes, 196 d’une population, 210 Ductilité (des matériaux), 236, 246 Dureté (des matériaux), 236-237, 246 Dynamique des communautés, 216 Dynamique des écosystèmes, 219 Dynamique des populations, 215

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E Eau douce, 136, 139-141, 144, 193-194 Eau potable, 29, 45, 63, 134, 136, 139 Eau saumâtre, 136, 194 Échelle pH, 50 Écologie, 208, 211, 224 Écosystème, 127, 156, 168, 211, 215, 219-220, 224225 Effet de serre, 68, 128, 146, 156, 162-163, 167168, 171, 179, 182 Élasticité (des matériaux), 236 Élastique déformation, 236, 240 liaison, 249 Électricité, 35, 37, 89, 98, 139, 161-163, 167-168, 171, 202, 239, 275, 278-280, 288, 291 Électricité statique, 89, 91 Électrode, 35, 37, 239 Électrolyte, 35-36, 40-41 Électron, 4-7, 16, 23, 30-32, 90-92, 95-96, 278, 280 de valence, 14-15, 30 Élevage, 68 Énergie, 74 chimique, 65, 73-75, 199, 225 cinétique, 74-75, 167-168, 171, 280 électrique, 73, 75, 84, 89, 95-96, 110-111, 167168, 276, 278-279, 281, 288 éolienne, 171 géothermique, 163 hydroélectrique, 167 lumineuse, 73, 84, 95, 288 marémotrice, 167-168 mécanique (voir aussi Énergie cinétique, Énergie potentielle), 74-75, 171, 276, 288 nucléaire, 73, 75, 162-163 potentielle gravitationnelle, 74-75 rayonnante (du Soleil), 65, 146, 148, 156, 200 renouvelable, 171 solaire, 73, 148, 156, 196 thermique, 73, 75, 82, 84, 95, 163, 171, 278, 288 Engrais, 139, 184 Engrenage, 259, 262, 265 Éolienne, 73, 133, 168, 171, 199, 276 Épuisement des sols, 131 Équation squelette, 59-60 Érosion, 135-136, 127-128, 237 Espèce, 131, 141, 193-194, 196, 208-211, 215-216, 219-220, 228 Estuaire, 136, 144, 194 Évaporation, 43

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F Fabrication, 233, 241, 248, 279 Facteur écologique, abiotique, 219 biotique, 219 Facteurs influençant la distribution des biomes, 196 Famille chimique, 14-16, 23, 31-32 Ferromagnétique, 114-115 Fibre de renfort, 242 de carbone, 236, 242 de verre, 242 Fission nucléaire, 163 Fixation de l’azote, 183-184 Flexion contrainte de, 233 Flux de la matière et de l’énergie, 224-225 Flux d’énergie émis par le Soleil (voir aussi Énergie rayonnante), 200 Fonction d’alimentation, 96, 276 de commande, 284 de conduction, 279-280 de guidage, 253 de protection, 281 de transformation de l’énergie, 288 d’isolation, 279-280 de liaison, 249 Force (mécanique) (voir aussi Adhérence, Frottement), 167 Force magnétique, (voir aussi Forces d’attraction et de répulsion électriques/magnétiques), 114 Force gravitationnelle, 74, 146, 201 Forces d’attraction et de répulsion (électriques, magnétiques), 114 Forêt, 68, 131, 179 boréale (voir Taïga) tempérée, 190 tropicale, 190 Formule chimique, 40-41 Foudre, 91 Fragilité (des matériaux), 236 Franklin, Benjamin (1706-1790), 91 Front, 147 Frottement, 75, 85, 259 Fusible, 281

Index

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G Gamma (voir Rayonnement gamma) Gaz à effet de serre, 68, 156, 162-163, 167-168, 171, 182 Gaz inertes (famille des), 14, 16, 23, 30 Génératrice, 89, 162-163, 167-168, 171, 276 Géothermie, 162-163 GES (voir Gaz à effet de serre) GIEC, 68 Glacier, 134, 139, 141, 156 Guidage, 248, 253, 265 en rotation, 253 en translation, 253 hélicoïdal, 253, 265 Gulf Stream, 141

H Habitat, 126, 128, 131, 208-209 Halogènes (famille des), 14-15 Haut-parleur, 288 Hélicoïdal (guidage), 253, 265 Hétérotrophe (organisme), 219 Horizons du sol, 127, 128 Hydrosphère, 134, 141, 145, 161, 167, 178, 183-184, 189, 200

I Inclinaison (de la Terre) (voir Axe de rotation de la Terre) Indicateur, 50 Indice Humidex, 147 Insolation, 196, 200, 224 Intensité du courant, 281 Interaction (entre les espèces), 178, 199, 202, 208, 251-216 Interrupteur, 281, 284-286 Ion, 30-32, 35-37 Ionisation, 31 (voir aussi Radioactivité), 4, 6, 127 Isotope, 12, 278

L Lac, 136, 194 Lavoisier, Antoine Laurent de (1743-1794), 56, 224 Liaison ionique, 12, 30-31, 35-36 Liaison mécanique, 249 Ligne de crête, 135 Ligne de partage des eaux (voir Ligne de crête) Lignes de champ, 115-116, 119 Limaille de fer, 17, 116

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Index

Lithosphère, 126-127, 136, 161-162, 178, 183, 189, 200, 208 Loi de la conservation de la masse, 55-57, 59-60 Loi de la conservation de l’énergie, 74-75 Loi de la gravitation universelle, 201 Loi d’Ohm, 106-107 Lune, 199, 201-202

M Malléabilité, 236, 246 Manivelle, 266 Marée, 168, 199, 201-202 Masse, 11-12, 43, 45, 55-57, 59-60, 90, 136, 140141, 146-150, 201-202, 225, 237, 278 Masse atomique, 11-12 Masse d’air, 147, 150 Masse volumique, 136, 140, 148, 150, 237 Matériaux, 95, 114-115, 179, 232-233, 236-237, 239-242, 246, 259, 280, 290 composites, 242 ferromagnétique, 114-115 organiques, 135, 179, 181, 184, 219, 240-241 Matière plastique, 242 Matrice (d’un matériau composite), 242 Mélange hétérogène, 29, 242 homogène, 29, 147, 239 Mendeleïev, Dimitri I. (1834-1907), 11 Métal (matériau), 232, 239, 244, 280 Métalloïdes (catégorie des), 12-13 Métaux (catégorie des), 12-16, 40, 63-64, 95-96, 127 Métaux lourds, 193 Minerai, 127, 239 Minéraux (voir aussi Sels minéraux), 127-128, 131, 136, 190, 208, Modèle atomique (Antiquité grecque, Dalton, Thomson), 3-6 Modèle atomique de Rutherford-Bohr, 4-6 Molécule, 30, 35, 177 Moteur électrique, 290 Mouvement (d’une pièce), 250, 258 Mouvement perpétuel, 85 Moyeu, 253 Mutualisme, 216

N Neutralisation acidobasique, 55, 63-64 Neutron, 90 Nitrate, 45, 183-184 Nitrification, 184 Nitrite, 183-184

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Niveau trophique (voir aussi Relation trophique), 219 Non-métaux (catégorie des) 12-13, 16 Notation de Lewis, 23 Numéro atomique, 11-12

O Ohm (voir Loi d’Ohm) Organe (mécanique) de guidage, 253 de liaison, 249 intermédiaire, 258 moteur, 258, 260, 262, 265 mené, 258, 260, 262, 265 Organisme (autotrophe, hétérotrophe), 219 Ouragan, 150 Oxydation, 63, 239, 241 Oxyde, 36, 57, 68, 127, 156, 162 Ozone, 68, 260

Processus (du cycle du carbone) biochimiques, 178-179 géochimiques, 179 Producteur, 219, 225 Productivité primaire, 224 Propriétés caractéristiques, 40 chimiques, 14, 23 physiques, 13 Propriétés mécaniques (des matériaux), 236, 240 Protection (électrique), 279, 281 (des matériaux), 239-242 Protocole de Kyoto, 182 Proton, 5-6, 11, 31, 90 Puissance électrique, 110-111

Q Quartz, 290

P Parasitisme, 216 Particule alpha, 4-5 bêta, 4 élémentaire (voir Proton, Neutron, Électron) Pergélisol, 128, 133, 190 Période (du tableau périodique), 16, 31 Perturbation (des communautés), 220 pH (voir aussi Échelle pH), 50, 63-64 Photosynthèse, 63, 65, 178-179, 196, 224 Photovoltaïque (cellule), 171, 276 Pied à coulisse, 253 Pignon, 258, 265 Pile, 85, 95-97, 98, 276 Plaques tectoniques, 163, 179 Plastique (façonnage), 237, 240, 241 Plastique (matériau) (voir Matière plastique) Pluies acides, 50, 63 Point d’ignition, 64 Polarité, 276 Pôle magnétique, 114-116, 119 Polymère, 241-242, 250 Population, 135, 209-211, 215-216 Poulies, 259, 262 Prairie tempérée, 190 Précipitations (climat), 135, 147, 150, 162, 184, 190, 196 Prédation, 216 Pression atmosphérique, 148, 150 Problématiques environnementales, 68, 131, 139, 291

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R Radiation (voir aussi Radioactivité) 163 Radioactivité, 4, 6, 127 Rapport (changements de vitesse) d’engrenage, 262 de diamètre, 262 Rayonnement radioactif, 4 gamma, 4 Rayonnement solaire (voir Énergie rayonnante) Réacteur nucléaire, 163 Réaction de combustion, 64-65 de synthèse (voir Photosynthèse) Réaction à des indicateurs, 50 Réchauffement climatique, 128, 141, 179, 182 Récifs coralliens (voir aussi Corail), 193 Recyclage chimique, 224 Règle de l’octet, 30 Règle de la main droite, 119 Relation trophique (voir aussi Niveau trophique), 219 Rendement énergétique, 184, 163, 291 Résilience, 236 Résistance électrique, 106-107 Résisteur, 95, 99, 106, 107, 110 Respiration, 179 Respiration cellulaire, 64, 65-66 Ressort, 74, 236

Index

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Ressources énergétiques de la lithosphère, 162 de l’atmosphère, 171 de l’hydrosphère, 167 Richesse spécifique, 211 Roche mère, 127, 128 Rotation (de la Terre), 140, 148, 149, 200, 202, 233 (guidage en), 253 Roue de friction, 259 dentée, 259, 260, 265 motrice, 258, 262 menée, 258, 262 Roue dentée et vis sans fin, 260 Rutherford, Ernest (1871-1937), 6

S Sable, 200, 240 Saison, 200 Salinité (de l’eau), 136, 193, 194, 196, 210 Savane tropicale, 190 Sédiments, 178-179 Sels, 15, 40, 41, 50, 136 Sels minéraux, 136 Semi-conducteur, 278-279 Seuil de toxicité, 48 Sol (voir Horizons du sol, Épuisement des sols, Capacité tampon du sol) Soleil (voir aussi Flux d’énergie émis par le Soleil), 6, 65, 148, 156, 171, 193, 196, 200, 201, 202, 225, 241 Solénoïde, 290 Solstice, 200 Solution aqueuse électrolytique (voir Électrolyte) Sous-bassin versant (voir Bassin versant) Succession écologique, 220 Surcharge, 281 Symbiose (voir aussi Photosynthèse), 163, 193, 216 Système de transformation du mouvement, 265 à bielle, manivelle, 266 à came et tige guidée, 266 à pignon et crémaillère, 265 à vis et écrou, 265 Système de transmission du mouvement, 258 d’engrenages, 259 de roue dentée et de vis sans fin, 260 de roues de friction, 259 Système Terre-Lune, 201-202

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Index

T Tableau périodique, 11, 12, 13-16, 23, 30, 31 Taïga, 190 Taille (d’une population), 209, 210 Tectonique des plaques, 179 Température, 13, 14, 15, 64, 82, 127, 163, 171, 240, 280 ambiante, 15, 16, 64 Température (environnement), 68, 127, 128, 140, 141, 147, 148, 156, 190, 193, 196 Tension (forces de), 233 Tension électrique, 96, 110, 167, 168, 290 Terre arable, 128 Terre humide, 194 Thermodurcissables, 241-242 Thermoplastique, 241 Thomson, Joseph John (1856-1940), 4 Tige guidée, 266 Torsion (contrainte), 233 Toundra, 190 Traction (contrainte), 233 Transformation chimique, 56, 63, 64, 65, 242 de l’énergie, 84, 291 de l’énergie électrique, 288 physique, 36, 43 Transistor, 279 Translation (guidage en), 253 Transpiration, 147 Travail, 65, 74, 179, 237 Types de matériaux, 239-242

V Vents dominants, 148, 149 Vis et écrou, 165 Vis sans fin, 260 Vitesse, 64, 74, 75, 167, 237, 239, 258, 259-260, 262 Volcanique (irruption, activité), 136, 163, 179, 200, 220 Voltmètre, 95, 98, 99

Z Zone benthique océanique, 193 néritique, 193

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Sources Légende h : haut

b : bas

c : centre

g : gauche

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L’univers matériel Chapitre 1 p. 1 (ouverture de l’Univers) : Clint Spencer/ iStockphoto c p. 2 (ouverture du chapitre) : Laguna Design/Science Photo Library c p. 5h : Brian Maudsley | Dreamstime.com c p. 6 : Science Photo Library c p. 8 : Science Photo Library c p. 11 : Andreasg | Dreamstime.com c p. 16 : Jezper/ Shutterstock c p. 19 : Uros Medved | Dreamstime. com c p. 21 : Brian Chase/Shutterstock c p. 22 : Deosum | Dreamstime.com c p. 24 : Michael Brown | Dreamstime.com c p. 26 : Marek Uliasz | Dreamstime.com c p. 28 : Vrublevski/Shutterstock

Chapitre 2 p. 29 (ouverture du chapitre) : Victoria Kalinina | Dreamstime. com c p. 33 : Sebastian Kaulitzki/ Shutterstock c p. 35 : Stéphanie Colvey c p. 37 : Matt Meadows/SPL/Publiphoto c p. 39 : CollinsChin/iStockphoto c p. 40 : Africa Studio/ Shutterstock c p. 41 : Mikus, Jo./Shutterstock c p. 42 : Christian Bridgwater | Dreamstime.com c p. 43 : Mikael Damkier/Shutterstock c p. 44 : Franz Pfluegl | Dreamstime.com c p. 45 : Claudio Fichera | Dreamstime.com c p. 46 : Imaengine | Dreamstime.com c p. 47 : Inga Nielsen | Dreamstime.com c p. 48 : Harryfn | Dreamstime. com c p. 49 : Alena Brozova | Dreamstime.com c

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Chapitre 3 p. 55 (ouverture du chapitre) : NASA c p. 59 : Magcom/Shutterstock c p. 61 : Lisa S./ Shutterstock c p. 62 : Shawn Hempel/Shutterstock c p. 67c : Magcom/ Shutterstock c p. 67 : Jut/ Shutterstock c p. 68 : T. W. Van Urk | Dreamstime. com c p. 69 : upthebanner/Shutterstock c p. 70 : Nataliia Melnychuk/Shutterstock c p. 71 : Pefkos/ Shutterstock

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Chapitre 5 p. 89 (ouverture du chapitre) : iLexx/ iStockphoto c p. 90 : Elisanth/Shutterstock c p. 91 : Shutterstock c p. 92 : Adrian Hughes/ Shutterstock c p. 93 : Ria Novosti/SPL c p. 96 : oriontrail/Shutterstock c p. 97 : Fausto Oppizio | Dreamstime.com c p. 98h : Petkov | Dreamstime. com c p. 98c : Janicke Morrissette/Le Bureau Officiel c p. 99g : PhotoLibrary/www.fotosearch. com c p. 99d : Boreal Northwest c p. 100 : Francesco Riccardo Iacomino | Dreamstime.com c p. 103 : Krishnacreations | Dreamstime.com c p. 105 : Blaz Kure | Dreamstime.com c p. 106 : Andrew LambertPhotography/SPL/Publiphoto c

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La Terre et l’espace Chapitre 1 p. 125 (ouverture de l’Univers) : Marcel Clemens/ Shutterstock c p. 126 (ouverture du chapitre) : Morey Milbradt/Getty images c p. 127b : Collection Dupondt/akg-images c p. 129 (pépite d’or) : Dmitriy Norov/iStockphoto c p. 129 (marais salant) : Dariusz Majgier/Shutterstock c p. 129 (broyage) : Ria Novosti/Science Photo Library c p. 129 (chrysotile) : Tom Grundy/Shutterstock c p. 129 (terre enrichie de minéraux) : PhotoFixPics/Shutterstock c p. 129 (compost) : Alison Hancock/Shutterstock c p. 129 (sol couvert de feuilles) : Marcin-Linfernum/ Shutterstock c p. 131 : Steve Estvanik/Shutterstock c p. 132 : makspogonii/Shutterstock c p. 133 : mustafa deliormanli/iStockphoto

Chapitre 2 p. 134 (ouverture du chapitre) : Bruno Buongiorno Nardelli/iStockphoto c p. 135 : Christopher Meder Photography/Shutterstock c p. 137 : Daniel Krylov | Dreamstime.com c p. 138 : Roca/Shutterstock c p. 139 : Ivan Bajic/iStockphoto c p. 141h : NASA c p. 141b : Dmytro Pylypenko/Shutterstock c p. 142 (sous-marin) : alxpin/iStockphoto c p. 142 (voilier) : Monika Lewandowska/iStockphoto c p. 142 (ours) : Pauline SMills/iStockphoto c p. 142 (Jasper) : JoeBreuer/iStockphoto c p. 142 (timbre) : rook76/ Shutterstock c p. 145 : Anton Balazh/Shutterstock

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Chapitre 6 p. 189 (ouverture du chapitre) : Reistlin Magere/ Shutterstock c p. 191 (taïga) : leonid_tit/ Shutterstock c p. 191 (prairie) : Gabrielle Hovey/ Shutterstock c p. 191 (désert) : Sam Valtenbergs/ iStockphoto c p. 191 (forêt) : Jason Kasumovic | Dreamstime.com c p. 192h : Kandelaki/ Shutterstock c p. 192c : Mike Kwok | Dreamstime. com c p. 193 (épave) : Marcus Efler/Shutterstock c p. 193 (fond marin) : Rich Carey/Shutterstock c p. 194 : Gerald A. DeBoer/Shutterstock c p. 195 (récif) : Richard Carey | Dreamstime.com c p. 195 (lac) : Matt Thompson | Dreamstime.com c p. 195 (terres humides) : Joyfuldesigns | Dreamstime.com c p. 195 (mer) : djgis/Shutterstock c p. 195 (rivière) : Steve Krull/iStockphoto c p. 195 (bateau) : Martin Lehmann/Shutterstock c p. 197 (ours polaire) : Lanaufoto | Dreamstime.com c p. 197 (thé) : Steven Bourelle/Shutterstock c p. 197 (phytoplancton) : John Walsh/SPL/Publiphoto c p. 197 (lynx) :

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AISPIX by Image Source/Shutterstock c p. 197 (séquoia) : Gary Saxe/Shutterstock c p. 198 (écureuil) : Jarek2313 | Dreamstime.com c p. 198 (antilope) : Claudio Bocchia | Dreamstime.com c p. 198 (récif corail) : Brian Lasenby | Dreamstime. com c p. 198 (loup) : Holger Karius | Dreamstime. com c p. 198 (buffle) : Steve Degenhardt | Dreamstime.com c p. 198 (requin) : Aquanaut4 | Dreamstime.com c p. 198 (forêt tempérée) : Ralf Broskvar | Dreamstime.com c p. 198 (fond marin) : Rich Carey/Shutterstock c p. 198 (prairie) : David P. Lewis/Shutterstock

Chapitre 7 p. 199 (ouverture du chapitre) : Paul Paladin/123RF c p. 201 (couche d’ozone) : NASA c p. 201 (usines) : Nickolay Khoroshkov/ Shutterstock c p. 201 (soleil d’hiver) : Sébastien Côté/iStockphoto c p. 201 (bateau) : Clickos | Dreamstime.com c p. 202 (usine marémotrice) : Jim Sugar/Corbis c p. 205 (maisons pilotis) : Stephen Bures | Dreamstime.com c p. 205 (skieur) : Maksym Gorpenyuk | Dreamstime.com c p. 205 (piste course) : brave rabbit/Shutterstock c p. 205 (maisons chaux) : Jeffrey Banke | Dreamstime.com

L’univers vivant Chapitre 1 p. 207 (ouverture de l’Univers) : Mesquite53 | Dreamstime.com c p. 208 : Chepko Danil Vitalevich/ Shutterstock c p. 211 (sapinière) : Charles Mauzy/ Corbis c p. 212 (banc de poissons) : Rich Carey/ Shutterstock c p. 212 (coraux identiques) : Harmonia101 | Dreamstime.com c p. 212 (coraux) : Stuart Westmorland/Corbis c p. 212 (fond marin) : Mikhail Markovskiy/Shutterstock c p. 213 : vilainecrevette/Shutterstock c p. 214 : Bas Meelker | Dreamstime. com c p. 216 : Martina Berg | Dreamstime.com c p. 217h : Melinda Fawver | Dreamstime.com c p. 217b : Suemack | Dreamstime. com c p. 218 : Kletr/Shutterstock c p. 219 : Stuart Monk/Shutterstock c p. 220h : Robert Mailloux/La Presse c p. 220c : Stephan Pietzko | Dreamstime. com c p. 220b : Michail Safronov | Dreamstime.com c p. 226g : Christian Mueringer | Dreamstime.com c p. 226d : Naturablichter | Dreamstime.com c p. 227 : Constantine Androsoff/Shutterstock

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L’univers technologique Chapitre 1 p. 231 (ouverture de l’Univers) : Yves Gellie/Corbis c p. 232 (ouverture du chapitre) : Cornelius20 | Dreamstime.com c p. 233 (traction) : Wessel Cirkel | Dreamstime.com c p. 233 (compression) : Huguette Roe/Shutterstock c p. 233 (torsion) : stocksnapper/iStockphoto c p. 233 (cisaillement) : Dmitry Naumov/Shutterstock c p. 233 (flexion) : sportgraphic/Shutterstock c p. 236 (dureté) : artiomp/Shutterstock c p. 236 (élasticité) : frytka/iStockphoto c p. 236 (ductilité) : tunart/ iStockphoto c p. 236 (malléabilité) : Alterfalter | Dreamstime.com c p. 236 (fragilité) : Bertold Werkmann | Dreamstime.com c p. 236 (résilience) : Randy Faris/Corbis c p. 237 : Lucafabbian | Dreamstime.com c p. 238b : SawitriKhromkrathok | Dreamstime.com c p. 239 (traitement bois) : Brandon Bourdages | Dreamstime.com c p. 239 (métaux) : Bert Folsom | Dreamstime.com c p. 239 (alliages) : llepet/Shutterstock c p. 240 (bois) : Kitano | Dreamstime.com c p. 240 (bois modifiés) : Brandon Bourdages/Shutterstock c p. 240 (céramiques) : David Sucsy/iStockphoto c p. 240 (construction) : Jill Fromer/iStockphoto c p. 241 (thermodurcissables) : Ashley Whitworth/ Shutterstock c p. 241 (thermoplastiques) : hujiie/ Shutterstock c p. 241 (industrie bouteilles) : Alaettin Yildirim/Shutterstock c p. 242h : 6th Gear/ Big Stock Photo c p. 242c : Bettmann/Corbis c p. 243 : Bambulla | Dreamstime.com c p. 244 : Hemera/Thinkstock c p. 245h : Uwphotographer/ Big Stock Photo c p. 245b : Wikipedia Commons c p. 246 (ventilateur) : Diane Labombarbe/ Istockphoto c p. 247 : Valerii Kotulskyi/Shutterstock

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(poêle) : Brookebecker | Dreamstime.com c p. 251 (poinçonneuse) : homydesign Fotolia.com c p. 253 (ordinateur) : Bezmaski | Dreamstime.com c p. 254 (correcteur liquide) : Daniel R. Burch/iStockphoto c p. 254 (ciseaux) : Matthew Benoit | Dreamstime.com c p. 254 (portemine) : Aarrows | Dreamstime.com c p. 255 : technotr/iStockphotop c p. 256 : Odua Images/ Shutterstock c p. 257 : PhotoObjects.net/Thinkstock c p. 260 (transmission) : Steve Bower/Shutterstock c p. 261 : Komar Maria/Shutterstock c p. 267b : Julia Ivantsova/Shutterstock c p. 268b : mihalec/Shutterstock c p. 269b : leaf/Big Stock Photo

Chapitre 3

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Illustrations Late Night Studio : p. 3, 4b, 5h, 9, 38, 64c, 95b Michel Rouleau : p. 4h, 5b, 7, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 24, 25, 28, 30, 31, 33, 34, 35, 36, 39, 56, 63, 64h, 65, 66, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 90, 91, 94, 95d, 96, 97, 99, 101, 102, 103, 104, 105, 107, 108, 109, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 127, 128, 135, 136, 138, 143, 147, 148, 149, 150, 152, 153, 155, 156, 157, 158, 159, 162, 163, 167, 168, 170, 171, 172, 178, 183, 184, 200, 202, 203, 204, 206, 233, 235, 238, 246, 251, 252, 253, 255, 256, 258, 259, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 270, 271, 272, 274, 276, 279, 283, 284, 285, 286, 288, 289, 290, 293

Cartes Colpron

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Sources

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ST

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

2e cycle du secondaire • 2e année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Guide

Kaléidoscope Science et technologie 2e cycle du secondaire – 2e année Guide Annie Bolduc, Valérie Claude, Mourad Meziane, Catherine Rhéaume, Karine Tardif © 2012 Chenelière Éducation inc. Édition : Annie Fortier, François Moreault Coordination et révision linguistique : Caroline Bouffard, Suzanne Lavigne Correction d’épreuves : Sabine Cerboni Illustrations : Michel Rouleau Conception graphique : Pige communication Infographie : Pige communication

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 Chenelière Éducation inc. Les pages portant la mention « Reproduction autorisée © Chenelière Éducation 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’institution qui effectue la reproduction non autorisée. Dépôt légal : 1er trimestre 2013 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 1 2 3 4 5 IMM 16 15 14 13 12 Nous reconnaissons l’aide financière du gouvernement du Canada par l’entremise du Fonds du livre du Canada (FLC) pour nos activités d’édition. Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.

Remerciements Pour son précieux travail de révision scientifique réalisé avec expertise, l’Éditeur tient à remercier Denis Fyfe, consultant (Analyse d’un objet technique). Au sujet des sites Internet proposés dans le présent ouvrage Tous les sites Internet présentés sont étroitement liés au contenu abordé. Après la parution de l’ouvrage, il pourrait cependant arriver que l’adresse ou le contenu de certains de ces sites soient modifiés par leur propriétaire, ou encore par d’autres personnes. Pour cette raison, nous vous recommandons de vous assurer de la pertinence de ces sites avant de les suggérer aux élèves.

Table des matières Planification et médiagraphie

Présentation                                                                                                                 309 Planication                                                                                                                 310 Médiagraphie                                                                L’univers matériel



La Terre et l’espace L’univers vivant

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314 314

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L’univers technologique                                                                                           320

Banque d’activités supplémentaires

Présentation et sommaire                                                                                               321 L’univers matériel Chapitre 1 – L’organisation de la matière



Chapitre 2 – Les propriétés physiques des solutions Chapitre 3 – Les transformations chimiques

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Chapitre 4 – Les transformations de l’énergie

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Chapitre 5 – L’électricité et l’électromagnétisme

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Chapitre 1 – La lithosphère

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Chapitre 2 – L’hydrosphère

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348

Chapitre 3 – L’atmosphère



350

La Terre et l’espace

Chapitre 4 – Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables                 352 Chapitre 5 – Les cycles biogéochimiques



355



357



359

Chapitre 6 – Les régions climatiques Chapitre 7 – L’espace

307

L’univers vivant Chapitre 1 – L’écologie



361

L’univers technologique Chapitre 1 – Les matériaux



366

Chapitre 2 – L’ingénierie mécanique                                                                          367 Chapitre 3 – L’ingénierie électrique Corrigé



372



C-1

Analyse d’un objet technique

Présentation                                                                                                                377 Documents reproductibles Corrigé

308



378



C-1

Planication et médiagraphie La planification Le cahier d’apprentissage Kaléidoscope, Science et technologie 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 Planication des pages 310 à 313 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 modiant l’ordre de présentation des chapitres. Les durées sont valables pour toute autre organisation des chapitres et peuvent varier selon la composition des groupes d’élèves. La planication proposée couvre environ 90 des 100 heures prévues au programme d’études. Elle intègre la théorie et les activités contenues dans le cahier. Les heures restantes sont réservées aux activités supplémentaires ainsi qu’aux tests de connaissances.

La médiagraphie La médiagraphie des pages 314 à 320, organisée par univers, contient de nombreux sites Internet traitant des concepts prescrits. Ces sites ont été retenus pour leur pertinence, leur intérêt (pour l’élève ou pour l’enseignante ou l’enseignant) et leur niveau d’accessibilité. Un certain nombre d’entre eux comportent des animations, des vidéos ou des activités interactives. Pour faciliter le repérage, ces sites sont signalés par des pictogrammes. Les sites de la médiagraphie peuvent constituer des compléments dynamiques au cahier, aider à la compréhension des concepts à l’étude et servir d’outils de référence dans d’éventuelles recherches.

Le guide-corrigé

PLUS

La collection Kaléidoscope, Science et technologie offre également une version numérique du guide-corrigé sur une clé USB. Compatible avec tout type d’ordinateur, tout TBI et tout projecteur, la clé USB contient les éléments suivants : • Le cahier d’apprentissage en version numérique Non seulement cette version permet de projeter les pages du cahier, d’annoter une page et de sauvegarder ces annotations, de faire apparaître le corrigé, de naviguer dans le matériel à l’aide de la table des matières interactive, mais elle offre aussi plusieurs autres options pratiques. En effet, la plupart des gures et tableaux du cahier sont proposés en format TBI. De nombreux hyperliens permettent également d’accéder à une foule d’informations pertinentes en lien avec les contenus abordés. Il est entre autres possible de consulter en tout temps la page du tableau périodique du cahier puis de revenir à la page de départ en un clic, et plus encore. • Les documents reproductibles Les activités supplémentaires du guide de même que l’analyse d’un objet technique sont disponibles sous forme de documents reproductibles modiables. • L’analyse d’un objet technique avec animation 3D Une animation 3D accompagne l’analyse d’un objet technique permettant ainsi de mieux préparer les élèves à l’épreuve unique.

309

Planification Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

L’univers matériel Chapitre 1 L’organisation de la matière

5

C : 2 ; G : 322

1.1 Les modèles atomiques

100

C: 3

1.2 Le tableau périodique des éléments

180

C : 11

Consolidation du chapitre 1

70

C : 26

Chapitre 2 Les propriétés physiques des solutions

5

C : 29 ; G : 326

2.1 Les composés ioniques

100

C : 30

2.2 Les électrolytes

140

C : 35

Outil

15

C : 37

2.3 La concentration

280

C : 43

2.4 Le pH

80

C : 50

Consolidation du chapitre 2

70

C : 52

Chapitre 3 Les transformations chimiques

5

C : 55 ; G : 333

Vérier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse

3.1 La loi de la conservation de la masse

100

C : 56

3.2 Le balancement des équations chimiques

120

C : 59

3.3 Des exemples de transformations chimiques

120

C : 63

Problématique environnementale

60

C : 68

Consolidation du chapitre 3

70

C : 70

Chapitre 4 Les transformations de l’énergie

5

C : 73 ; G : 338

Les changements climatiques

4.1 L’énergie mécanique

100

C : 74

4.2 L’énergie thermique

80

C : 82

4.3 Le rendement énergétique

60

C : 84

Consolidation du chapitre 4

60

C : 87

Chapitre 5 L’électricité et l’électromagnétisme

5

C : 89 ; G : 341

5.1 Les phénomènes électriques

90

C : 90

5.2 Les circuits électriques

460

C : 95

Outil

30

C : 98

5.3 Les phénomènes électromagnétiques

220

C : 114

Consolidation du chapitre 5

80

C : 122

310

Mesurer le courant et la différence de potentiel

Kaléidoscope • Planification

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

La Terre et l’espace Chapitre 1 La lithosphère

5

C : 126 ; G : 347

1.1 Les minéraux

15

C : 127

1.2 Les horizons du sol

30

C : 127

1.3 Le pergélisol

20

C : 128

40

C : 131

Consolidation du chapitre 1

50

C : 132

Chapitre 2 L’hydrosphère

5

C : 134 ; G : 348

2.1 Les bassins versants

30

C : 135

2.2 La salinité

20

C : 136

30

C : 139

2.3 La circulation océanique

40

C : 140

2.4 Les glaciers et les banquises

20

C : 141

Consolidation du chapitre 2

50

C : 144

Chapitre 3 L’atmosphère

5

C : 146 ; G : 350

3.1 Les masses d’air

50

C : 147

3.2 La circulation atmosphérique

30

C : 148

3.3 Les cyclones et les anticyclones

40

C : 149

3.4 L’effet de serre

55

C : 156

Consolidation du chapitre 3

50

C : 159

Chapitre 4 Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables

5

C : 161 ; G : 352

Problématique environnementale

Problématique environnementale

La déforestation

L’eau potable

4.1 Les ressources énergétiques de la lithosphère

100

C : 162

4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère

75

C : 167

4.3 Les ressources énergétiques de l’atmosphère

75

C : 171

Consolidation du chapitre 4

40

C : 175

Chapitre 5 Les cycles biogéochimiques

5

C : 177 ; G : 355

5.1 Le cycle du carbone

75

C : 178

5.2 Le cycle de l’azote

75

C : 183

Consolidation du chapitre 5

30

C : 187

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Kaléidoscope • Planification

311

Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

Chapitre 6 Les régions climatiques

5

C : 189 ; G : 357

6.1 Les biomes terrestres

60

C : 190

6.2 Les biomes aquatiques

60

C : 193

6.3 Les facteurs inuençant la distribution des biomes

30

C : 196

Consolidation du chapitre 6

15

C : 198

Chapitre 7 L’espace

5

C : 199 ; G : 359

7.1 Le ux d’énergie émis par le Soleil

45

C : 200

7.2 Le système Terre-Lune

60

C : 201

Consolidation du chapitre 7

20

C : 205

Chapitre 1 L’écologie

5

C : 208 ; G : 361

1.1 La biosphère

75

C : 209

1.2 Les interactions

100

C : 215

1.3 Les transformations de la matière et de l’énergie

50

C : 224

Consolidation du chapitre 1

25

C : 227

Chapitre 1 Les matériaux

5

C : 232 ; G : 366

1.1 Les contraintes

60

C : 233

1.2 Les propriétés mécaniques des matériaux

60

C : 236

1.3 Les types de matériaux et leurs propriétés

100

C : 239

Consolidation du chapitre 1

50

C : 246

Chapitre 2 L’ingénierie mécanique

5

C : 248 ; G : 367

2.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques

60

C : 249

2.2 La fonction de guidage

75

C : 253

2.3 Les systèmes de transmission du mouvement

120

C : 258

2.4 Les systèmes de transformation du mouvement

110

C : 265

Consolidation du chapitre 2

70

C : 270

L’univers vivant

L’univers technologique1

1

La durée des activités du cahier pour cet univers totalise 18 heures, auxquelles devront s’ajouter 3 heures (180 minutes) pour l’activité d’analyse d’un objet technique (AOT) proposée dans le guide.

312

Kaléidoscope • Planification

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Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

Chapitre 3 L’ingénierie électrique

5

C : 275 ; G : 372

3.1 La fonction d’alimentation

60

C : 276

3.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection

90

C : 279

3.3 La fonction de commande

70

C : 284

3.4 La fonction de transformation de l’énergie

60

C : 288

Problématique environnementale

15

C : 291

70

C : 292

L’énergie

Consolidation du chapitre 3

Total

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90 heures 15 minutes (5 415 min)

Kaléidoscope • Planification

313

Médiagraphie Clip vidéo

Animation

Activité interactive ou site interactif

Sites généraux à tout le cahier • Allô prof – Organisme de soutien à la persévérance scolaire s’adressant aux élèves, mais aussi aux parents et aux enseignants. Voir en particulier la section « Bibliothèque virtuelle, science et technologie – secondaire ». Le service gratuit d’aide aux devoirs (par Internet et par téléphone) gagne à être publicisé. ➞ http://www.alloprof.qc.ca/

• Cyberscol – AQUOPS (Association québécoise des utilisateurs de l’ordinateur au primaire et au secondaire). Site québécois qui a pour but de faciliter l’intégration pédagogique des technologies de l’information et de la communication en classe dans divers domaines. Voir en particulier « Science animée » et ses subdivisions, les « diaporamas scientiques ». ➞ http://cyberscol.qc.ca/

• SAÉ en science et technologie – Laval-Laurentides-Lanaudière. Progression des apprentissages : versions ofcielles annotées à partir des réponses du MELS aux nombreuses questions de conseillers pédagogiques sur les programmes de formation en Science et technologie au secondaire. ➞ http://www.sciencetechnolll.qc.ca/

• PhET – Université du Colorado. Nombreuses simulations de phénomènes scientiques. La traduction française est de qualité variable, mais plusieurs des animations proposées sont très intéressantes. ➞ http://phet.colorado.edu/fr/simulations/category/new

L’UNIVERS MATÉRIEL CHAPITRE 1

L’organisation de la matière

1.1 Les modèles atomiques • Cyberscol – Science animée / Diaporamas scientiques : physique atomique. Atome, modèles atomiques et évolution des modèles. ➞ http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/scienceanimee/Atome.htm

1.2 Le tableau périodique des éléments • Tableau périodique interactif. Divers sites proposent une approche interactive du tableau périodique, notamment Cyberscol et Profmokeur. ➞ http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/theorie/tabperiodique.html ➞ http://profmokeur.ca/chimie/

• Cyberscol – Familles chimiques. Des familles présentées comme de véritables familles dont les éléments sont des personnages amusants. ➞ http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/familles/accueil.html

314

Kaléidoscope • Médiagraphie

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CHAPITRE 2

Les propriétés physiques des solutions

2.1 Les composés ioniques • David Christophe – Les ions. Cette animation interactive permet de comparer un atome et un ion pour faire la différence entre l’un et l’autre. ➞ http://phys.free.fr/ions.htm

2.2 Les électrolytes • Musée canadien de la nature – La dissolution du sel dans l’eau. Cette courte animation montre comment les molécules d’eau retirent les ions de sodium et de chlorure d’un cristal de sel et dissolvent le sel. ➞ http://www.youtube.com/watch?v=8n2AhUYk2WA&list=UUQn_PPRxgmP5BV3k7Nlplxg&index=7&feature=plcp

OUTIL

Vérier la conductibilité électrique d’une solution aqueuse

• Massachusetts Institute of Technology (MIT) – Démo du MIT : conductivité de l’eau ionisée. Cette courte vidéo montre que l’eau déionisée ne conduit pas l’électricité, mais qu’elle devient conductrice lorsqu’on lui ajoute du sel. ➞ http://videosphysique.blogspot.ca/2011/01/demo-du-mit-conductivite-de-leau.html

2.3 La concentration • La concentration d’une substance en solution est variable. Cette page interactive permet de se familiariser avec la concentration (g/L) de la solution. ➞ http://enseignement.reginaassumpta.qc.ca/lavignes/Chap12/Pure_solution_solide.htm

2.4 Le pH • Physikos – Acidité et pH. Cette activité interactive permet de mesurer le pH de diverses solutions. Un test interactif peut servir à valider les connaissances après les expériences. ➞ http://physikos.free.fr/le/3eme-chapitre3-reconnaissance-des-ions/05-pH.swf

CHAPITRE 3

Les transformations chimiques

Site général • Physikos – Le programme français de la classe de quatrième concerne l’étude de l’air et des divers états de la matière. Ce site comporte de nombreuses animations, vidéos et exercices sur la matière et ses transformations. Voir aussi le contenu de la classe de troisième. ➞ http://physikos.free.fr/articles.php?lng=fr&pg=57

3.1 La loi de la conservation de la masse • Allô prof – La loi de conservation de masse. Ce site synthétise les points essentiels. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6046

3.2 Le balancement des équations chimiques • Physique Chimie au Collège et au Lycée (PCCL) – Équilibrer les équations-bilans de s réactions chimiques. Activités interactives pour amener l’élève à choisir les bonnes formules chimiques et les bons coefcients dans une équation. ➞ http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/chimie/reactions_chimiques.htm

3.3 Des exemples de transformations chimiques • Sciences Physiques et Chimiques Fondamentales et Appliquées (Académie-Retz) – Combustion du carbone. Diaporama qui interprète cette expérience. ➞ http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/tice/anim-coll/index.htm

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Kaléidoscope • Médiagraphie

315

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE L’activité humaine au cœur des changements climatiques • Réseau In-Terre-Actif (avec le soutien de l’Agence canadienne de développement international – ACDI). Les changements climatiques. Un diaporama, un plan d’animation et un extrait vidéo, de quoi occuper une période de 60 à 75 minutes. ➞ http://www.in-terre-actif.com/65

CHAPITRE 4

Les transformations de l’énergie

4.2 L’énergie thermique • Allô prof – La chaleur et la température. Ce site synthétise les points essentiels. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6052

4.3 Le rendement énergétique • Vidéos de physique/Paul Orselli – Pendule de Newton géant. Cette courte vidéo démontre le mouvement du pendule de Newton. ➞ http://videosphysique.blogspot.ca/2010/06/giant-newtons-cradle.html

CHAPITRE 5

L’électricité et l’électromagnétisme

5.1 Les phénomènes électriques • Musée des sciences et de la technologie au Canada – Qu’est-ce que l’électricité ? Ce site présente les concepts de base. ➞ http://www.sciencetech.technomuses.ca/francais/schoolzone/basesurelectricite.cfm#home

• Physique 30 : L’électricité – Les courants électriques. La charge électrique. Cette page explique la notion de charge. ➞ http://www.de.ca/~rocks_dev/modules/2.1_courants/02charge.html

5.2 Les circuits électriques • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – Électricité : Le fonctionnement d’un circuit électrique. Animation interactive qui permet d’observer le fonctionnement d’un circuit électrique dans une lampe de poche. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/la_physique-chimie/l_electricite

OUTIL

Mesurer le courant et la différence de potentiel

• Physique Chimie au Collège et au Lycée (PCCL) – Inuence de la valeur d’une résistance sur l’intensité du courant électrique. Activités interactives qui permettent d’observer la courbe caractéristique de chaque valeur de résistance. ➞ http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/electricite/loi_d_ohm.htm

5.3 Les phénomènes électromagnétiques • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – D’autres formes de force. Animation interactive qui permet d’observer la force magnétique, l’électromagnétisme et la force électrique (statique). Comporte aussi des instructions pour fabriquer une boussole. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/la_physique-chimie/d_autres_formes_de_force

316

Kaléidoscope • Médiagraphie

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LA TERRE ET L’ESPACE CHAPITRE 1

La lithosphère

1.2 Les horizons du sol • Allô prof – Le sol. Ce site présente un intéressant retour sur toutes les composantes du sol. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6154

1.3 Le pergélisol • Conseil national de recherches Canada (CNRC)/Dimensions – Les microorganismes de l’Arctique pourraient aider à gérer le changement climatique. Cette courte animation (2 min 23 s) explique l’action des microorganismes enfermés dans le pergélisol. ➞ http://www.nrc-cnrc.gc.ca/fra/dimensions/numero9/microorganismes_arctique_plus_1.html

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE La déforestation • CIRAD – Science pour tous / Thème : forêts tropicales – Les forêts tropicales dans la vie des hommes. Cette brochure colorée de 15 pages en format PDF du Centre de recherche agronomique pour le développement illustre l’importance de la forêt pour les hommes. ➞ http://www.http://www.cirad.fr/publications-ressources/science-pour-tous/(themes)/forets-tropicales?

CHAPITRE 2

L’hydrosphère

Site général • Agence de l’eau Rhône-Méditerranée et Corse – Objectif 2015 : des milieux aquatiques en bon état. Ce document synthétise à l’aide de nombreux schémas en couleur tous les thèmes en relation avec l’eau, souvent dans une perspective écologique. Les exemples portent sur la France, mais l’information est très pertinente. ➞ http://www.eaurmc.fr/leadmin/pedag-eau/documents/ExpoDCE_RM2010actu.pdf

2.1 Les bassins versants • L’Atlas canadien en ligne – Bassin versant. Documentaires interactifs sur ce concept appliqué à la géographie canadienne. ➞ http://www.canadiangeographic.ca/atlas/themes.aspx?id=watersheds&sub=watersheds_basics_ drainagebasins&lang=Fr

2.2 La salinité PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE L’eau potable • Réseau In-Terre-Actif – L’eau. Ce diaporama est accompagné d’un plan d’animation et vise à faire ressortir les enjeux entourant cette ressource : accessibilité, pollution, gaspillage, sauvegarde… ➞ http://www.in-terre-actif.com/73/animation_l_eau

2.3 La circulation océanique • Allô prof – La circulation océanique. Ce site synthétise les concepts essentiels. ➞ http://test.alloprof.qc.ca/s1343.aspx

2.4 Les glaciers et les banquises • Brain Pop français – Les glaciers. Courte animation qui explique la formation des glaciers. Cette animation peut être poursuivie par un quiz. ➞ http://www.brainpop.fr/sciences/laplaneteterre/glaciers/

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Kaléidoscope • Médiagraphie

317

CHAPITRE 3

L’atmosphère

3.1 Les masses d’air • Site de météorologie La Girouette – Masses d’air. Ce site explique les masses d’air et leur relation avec la température. L’information présentée constitue un enrichissement. ➞ http://www.station05.qc.ca/csrs/Girouette/Theorie_Vulga/Atmosphere/Atmos_Masses_air.html

3.2 La circulation atmosphérique • Éduscol – La dynamique des masses atmosphériques. Les mouvements de l’atmosphère : vents et cellules de convection. ➞ http://eduscol.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos32.htm

3.3 Les cyclones et les anticyclones • La climatologie – Les cyclones. Description du cyclone ; types et conditions de formation d’un cyclone. Ce site présente aussi une courte vidéo explicative. ➞ http://la.climatologie.free.fr/cyclone/cyclone.htm

3.4 L’effet de serre • Commissariat à l’énergie atomique (CEA) – L’effet de serre. Animation interactive qui permet de découvrir les facteurs responsables de cet effet. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/a_la_loupe/l_effet_de_serre



PhET / Université du Colorado – L’effet de serre. Cette animation permet de visualiser comment les gaz à effets de serre affectent le climat. ➞ http://phet.colorado.edu/fr/simulation/greenhouse

CHAPITRE 4

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables

Sites généraux • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – Les diverses sources d’énergie. Cette courte animation interactive présente les ressources renouvelables et celles qui ne le sont pas. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/les_diverses_sources_d_energie/ (offset)/12

• Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – Où sont les sources d’énergie ? Voyage autour du monde pour repérer les sources des énergies les plus consommées. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/ou_sont_les_sources_d_energie/ (offset)/12

4.1 Les ressources énergétiques de la lithosphère • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – Le charbon. Courte animation qui montre son mode d’extraction et ses utilisations. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/le_charbon

• Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – L’extraction du pétrole et du gaz. Courte animation qui montre la prospection et l’extraction. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/l_extraction_du_petrole_et_du_gaz/ (offset)/12

318

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4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – La force de l’eau. Courte animation qui montre comment la force de l’eau est utilisée dans les barrages pour produire l’électricité. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/la_force_de_l_eau

4.3 Les ressources énergétiques de l’atmosphère • Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – Les énergies renouvelables. Courte animation qui montre comment l’eau, le soleil et le vent peuvent être utilisés pour produire de l’énergie. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/les_energies/les_energies_renouvelables

CHAPITRE 5

Les cycles biogéochimiques

5.1 Le cycle du carbone • Commissariat à l’énergie atomique (CEA) – Le cycle du carbone. Animation interactive qui montre la participation du carbone à des processus complexes. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/a_la_loupe/le_cycle_du_carbone

5.2 Le cycle de l’azote • Aquacosmos – Le cycle de l’azote. Cette animation explique le cycle de l’azote en milieu aquatique… dans un aquarium. ➞ http://www.aquacosmos.com/cycle-azote-article-55

CHAPITRE 6

Les régions climatiques

Site général • Centre national de la recherche scientique (CNRS) – Le climat de la Terre. Cette animation, dont le langage est plutôt soutenu, aborde de nombreux thèmes : soleil et effet de serre, saisons, circulation thermohaline, climats et biomes… ➞ http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/

6.1 Les biomes terrestres • Brain Pop français – Biomes terrestres. Courte animation suivie d’un quiz. ➞ http://www.brainpop.fr/sciences/developpementdurable/biomesterrestres/

CHAPITRE 7

L’espace

7.2 Le système Terre-Lune • Centre de développement pédagogique (CDP) – Mouvements de la Terre et de la Lune. Cet extrait de l’animation La Terre permet d’observer entre autres les phases de la Lune, les éclipses lunaire et solaire et les saisons. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/mouvements_terre/

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Kaléidoscope • Médiagraphie

319

L’UNIVERS VIVANT CHAPITRE 1

L’écologie

1.1 La biosphère • Allô prof – Les écosystèmes. Ce site présente une synthèse des concepts essentiels : écosystèmes, population, communauté, et plus. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6088

1.2 Les interactions • Allô prof – Les relations entre vivants et non-vivants. Ce site présente une synthèse des relations essentielles fondées sur l’alimentation. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6084

1.3 Les transformations de la matière et de l’énergie • Allô prof – Le ux de la matière et de l’énergie. Ce site présente une synthèse des transformations essentielles qui se produisent dans un écosystème. ➞ http://test.alloprof.qc.ca/s1197.aspx

L’UNIVERS TECHNOLOGIQUE Site général • Centre de développement pédagogique (CDP) – Les langages en technologie. Animation qui retrace les étapes de la conception technologique. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/langtech/

CHAPITRE 1

Les matériaux

1.2 Les propriétés mécaniques des matériaux • Centre de développement pédagogique (CDP) – Dossier sur les matériaux. Ce document présente divers matériaux, certaines de leurs propriétés et les contraintes qui peuvent leur être inigées. Il explique l’intérêt pédagogique de l’étude des matériaux. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/telechargement/plastiques_ST_STE_materiaux_dossier.pdf

CHAPITRE 2

L’ingénierie mécanique

Sites généraux • Centre de développement pédagogique (CDP) – Concept de fonction en technologie. Ce concept est expliqué dans l’analyse d’une bicyclette. ➞ http://www.cslaval.qc.ca/cdp/telechargement/concept_fonction.pdf

• Centre de développement pédagogique (CDP) – Les mécanismes. Cette longue animation interactive présente toutes les composantes ST relatives à l’ingénierie mécanique. Chaque élément peut être utilisé de façon indépendante. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/mecanismes/

2.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques • Scribd – Liaisons mécaniques. Ce site offre une description schématisée des divers types de liaisons, qui ne gurent toutefois pas au programme ni dans la Progression des apprentissages de la 2 e année du 2e cycle du secondaire. ➞ http://www.scribd.com/doc/32695338/Liaisons-Mecaniques

320

Kaléidoscope • Médiagraphie

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Banque d’activités supplémentaires La banque d’activités supplémentaires du guide Kaléidoscope, Science et technologie comporte de nombreuses activités en lien avec chacun des concepts abordés dans la théorie du cahier d’apprentissage. Classées par univers puis par chapitre, ces activités permettent de consolider les contenus qui nécessitent une plus grande pratique. Les activités supplémentaires peuvent également servir à l’évaluation des apprentissages. En effet, l’en-tête de chaque chapitre comporte une liste des questions qui peuvent être utilisées dans un test de connaissances. Cette façon d’évaluer permet de vérier le développement de la compétence disciplinaire 2 (Mettre à prot ses connaissances scientiques et technologiques).

Sommaire L’univers matériel Chapitre 1 – L’organisation de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 Chapitre 2 – Les propriétés physiques des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Chapitre 3 – Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Chapitre 4 – Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Chapitre 5 – L’électricité et l’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 La Terre et l’espace Chapitre 1 – La lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Chapitre 2 – L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Chapitre 3 – L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Chapitre 4 – Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Chapitre 5 – Les cycles biogéochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Chapitre 6 – Les régions climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Chapitre 7 – L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 L’univers vivant Chapitre 1 – L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 L’univers technologique Chapitre 1 – Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Chapitre 2 – L’ingénierie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Chapitre 3 – L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

321

Nom :

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 1

Date :

L’univers matériel Chapitre 1 1

L’organisation de la matière

À quel personnage associez-vous chacun des énoncés ci-dessous ? Mettez un X dans la case appropriée. Démocrite

Aristote X

a) Dans la matière, il n’y a pas de notion de vide.

X

b) Les atomes réagissent entre eux pour former des composés. c) La matière est constituée de particules très petites et indivisibles appelées « atomes ».

X

d) La matière est constituée de particules séparées les unes des autres.

X

X

X

e) La matière est continue et divisible à l’inni.

X

f) Les atomes d’un même élément sont identiques. 2

Dalton

Le schéma ci-dessous illustre une expérience menée par Joseph John Thomson avec un tube à rayons cathodiques. Quelle conclusion Thomson a-t-il tirée de cette expérience ? Entourez la bonne réponse. a) Les rayons cathodiques sont constitués de petites particules chargées positivement. b) Les rayons cathodiques se comportent comme des rayons lumineux. c) Les rayons cathodiques sont constitués de petites particules chargées négativement. d) Les rayons cathodiques sont constitués de petites particules sans masse.

3

Le modèle atomique proposé par Thomson ne pouvait expliquer qu’une partie des faits se rapportant à la matière. Parmi les caractéristiques suivantes, lesquelles correspondent à des faits qui expliquent le comportement de la matière selon le modèle de Thomson ? Ci-dessous, entourez la lettre correspondant à la bonne réponse. 1) Neutralité électrique de la matière

6) Existence d’un noyau dans l’atome

2) Émission de radioactivité

7) Perte ou gain d’électrons par les atomes

3) Existence d’isotopes pour les éléments

8) Existence de charges positives et négatives dans la matière

4) Divisibilité de l’atome 5) Présence de phénomènes d’électricité statique dans la nature a) 1, 2, 4, 5 et 8

322

b) 3, 4, 5, 6 et 8

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

c) 1, 2, 5, 6 et 8

d) 1, 4, 5, 7 et 8

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Nom :

4

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 1

Date :

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 identier les constituants de ce rayonnement. Selon le schéma de l’expérience ci-dessous, identiez la particule à laquelle correspond chacune des trois trajectoires. Entourez la bonne réponse.

1

2 3

5

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 ()

Rutherford a modié 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.

5) Les électrons se déplacent librement autour du noyau.

2) L’atome contient autant de protons que d’électrons.

6) L’atome est rempli d’une masse positive contenant des grains négatifs.

3) Le noyau de l’atome est formé de protons et de neutrons.

7) L’atome est presque entièrement constitué de vide.

4) L’atome est divisible et composé de charges positives et de charges négatives réparties uniformément.

8) La masse de l’atome est concentrée dans son noyau.

a) 1, 7 et 8 6

b) 2, 3, 4, 6 et 7

c) 1, 2, 5, 7 et 8

d) 2, 4, 6 et 8

Classez les modèles atomiques ci-dessous selon l’ordre chronologique, puis donnez le nom de chacun d’eux.

A

B

C

D

C : modèle atomique de Dalton ; A : modèle atomique de Thomson ; D : modèle atomique de Rutherford ; B : Modèle atomique de Rutherford-Bohr

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

323

Nom :

7

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 1

Date :

Parmi les éléments du tableau suivant, lesquels possèdent les propriétés suivantes : cassants, ternes, non malléables et mauvais conducteurs de chaleur ? Justiez votre réponse ci‑dessous.

A

B C D

E

F

Les propriétés citées ci-dessus sont les propriétés des non-métaux. Seuls les éléments C et E peuvent posséder ces propriétés, car ils se trouvent à droite de l’escalier du tableau périodique, sans toutefois faire partie des métalloïdes, comme c’est le cas de l’élément B. 8

Le tableau suivant présente les propriétés de cinq éléments du tableau périodique. a) Dans la colonne « Classication », classez chacun des éléments selon qu’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 de l’élément qui vous permettent de le classer ainsi. Élément

Propriétés

Classication

X Ductile A

Solide

Métal

X Bonne conductibilité thermique X Réagit avec les acides Existe en très petite quantité dans la nature

B

X Ne forme pas de composés avec les autres éléments X Gazeux

Non-métal

Point d’ébullition très bas Solide C

X Conduit le courant électrique X Possède 1 électron de valence

Métal

Masse volumique faible

X Mauvais conducteur de chaleur D

Très dur

X Non malléable

Métalloïde

X Conduit le courant électrique Masse volumique très faible E

X Ne conduit pas le courant électrique

Non-métal

X Possède 6 électrons de valence 324

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

9

Groupe :

Activités supplémentaires 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

10

Hélium (He)

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 conguration 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.

Fluor (F)

F

Possède deux électrons de valence de moins que l’élément désigné en E.

Azote (N)

G

Appartient à la même famille que l’élément désigné en C.

H

Est un alcalino-terreux qui peut avoir la conguration électronique externe de l’élément désigné en D.

Calcium (Ca)

I

Est l’alcalin qui précède l’élément désigné en G.

Sodium (Na)

J

Se trouve entre les éléments désignés en G et en B.

Silicium (Si)

Phosphore (P) Bore (B) Argon (Ar)

Aluminium (Al)

Complétez le tableau suivant. Élément

Br

Potassium

Nombre de couches électroniques

Nombre d’électrons de valence

Numéro de la famille

Numéro de la période

3

2

II A

3

4

7

VII A

4

2

8

VIII A

2

4

1

IA

4

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

325

Nom :

11

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

12

Propriété Possède trois couches électroniques et deux électrons de valence.

Alcalino-terreux (II A)

B

Possède cinq électrons de valence sur la dernière couche.

Famille de l’azote (V A)

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.

Gaz inertes (VIII A) Alcalins (I A) Gaz inertes (VIII A) Alcalins (I A) Famille de l’oxygène (VI A)

Parmi les représentations de Lewis ci-dessous, laquelle ou lesquelles sont correctes ? Entourez la ou les bonnes réponses. a)

c)

e)

b)

d)

f)

Les propriétés physiques des solutions

Associez chaque dénition de la colonne de gauche avec l’élément qui lui correspond dans la colonne de droite. Dénition Élément pouvant perdre ou gagner quatre électrons

326

Famille chimique

A

Chapitre 2 1

Activités supplémentaires UM Chapitre 2

Date :

Élément •

Ion possédant plus de protons que d’électrons



Ion relié à Mg2+ pour former une molécule neutre



Ion provenant d’un atome ayant perdu trois électrons de valence



Kaléidoscope • Activités supplémentaires



X



Élément de la famille du carbone



Cation



X2−

3+

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Nom :

2

3

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2

Date :

Complétez les congurations électroniques ci-dessous. a) Ion calcium

c) Ion Ba3+

b) Ion P3−

d) Ion azote

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 électrolytique

• Électrolytique

• Métallique

• Non-électrolyte

• Ionique

• Moléculaire

• Non métallique

• Ions négatifs

• Molécules neutres

• Non métalliques

a) Le pentachlorure de phosphore (PCl5) est un de deux atomes

, car il est constitué . Sa dissolution dans l’eau est une dissociation

qui produit des

et une solution

. b) Une solution préparée à partir de la dissolution du bromure de potassium (KBr) est dite , car le KBr est un composé

qui,

au moment de sa dissolution dans l’eau, appelée dissociation ou

, libère des . Le KBr est un

d’un atome Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

et des puisqu’il est constitué

et d’un atome

.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

327

Nom :

4

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2 1

Date :

Pourquoi une solution de chlorure de sodium (NaCl ) conduit-elle l’électricité ? Entourez la bonne réponse. 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.

5

Complétez le tableau suivant. a) Dans la deuxième colonne, inscrivez un X an d’indiquer de quel type de composé il s’agit. b) Dans la troisième colonne, inscrivez un X an d’indiquer de quel type de dissociation il s’agit. c) Dans la quatrième colonne, écrivez l’équation de dissociation. Type de composé Composé

Nonélectrolyte

Électrolyte

328

Électrolytique

X

X

Al2(CO3)3(s)

X

X

MgCl2(s)

7

Équation de dissociation

HI(g)

X

PBr3(l)

6

Type de dissociation

X

Moléculaire

X X

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 ? Entourez la bonne réponse. a) Vérier 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.

Complétez le tableau suivant. Substance

Nature chimique

Ba(OH)2(s)

Base

AlCl3(s)

Sel

Na3PO4(s)

Sel

H2SO4(l )

Acide

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

Équation de dissociation électrolytique

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Nom :

8

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2 1

Date :

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 : C’est un sel, car sa formule chimique débute par le symbole d’un métal (Ca) suivi du symbole d’un non-métal (O). Ca(OH)2 : C’est une base, car sa formule chimique débute par le symbole d’un métal (Ca) et se termine par le groupe d’atomes OH. b) Comment l’eau du lac réagit-elle une fois la chaux hydratée formée à sa surface ? Il y a neutralisation. En effet, la chaux hydratée, une base, va neutraliser l’acidité de l’eau du lac.

9

Le tableau suivant présente la masse et le volume de quatre solutions aqueuses. Solution

Masse

Volume

A

45 g

3,0 L

B

250 mg

100 mL

C

900 mg

0,6 L

D

6,25 g

250 mL

Classez les solutions en ordre croissant de concentration en entourant la bonne réponse.

10

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

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 • Activités supplémentaires

329

Nom :

11

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2 1

Date :

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 ?

12

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 est de 0,79 g/mL ?

330

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2 1

b) Donnez la concentration de cette solution en g/L.

13

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 ?

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

331

Nom :

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 2 1

Date :

14

Le sulfure d’hydrogène (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 ?

15

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 ? Entourez la bonne réponse. 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.

16

L’eau de Javel est fréquemment utilisée comme désinfectant et comme décolorant. Elle peut être vendue sous forme concentrée dans des contenants de 250 mL. Sur l’étiquette d’un de ces contenants, on peut lire : « Verser tout le contenu dans une bouteille de un litre 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 ?

332

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 3 1

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.

17

Lequel des énoncés ci-dessous, concernant le pH, est faux ? Entourez la bonne réponse. 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 ne prend que 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.

18

Le pH de l’eau pure est de 7. Déterminez le pH des solutions suivantes. Solution a) Le suc gastrique, 100 000 fois plus acide que l’eau pure.

pH 2

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.

Chapitre 3 1

Les transformations chimiques

Parmi les quatre situations ci-dessous, laquelle ne respecte pas la loi de la conservation de la masse ? Entourez la bonne réponse. a) b) c) d)

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

333

Nom :

2

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 3

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.

3

334

Balancez les équations suivantes. a)

e)

b)

f)

c)

g)

d)

h)

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

4

5

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 3

Date :

Laquelle des équations suivantes est correctement balancée ? Entourez la bonne réponse. a)

c)

b)

d)

Certains médicaments, formés d’hydrogénocarbonate 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) ? Justiez votre réponse. L’hydrogénocarbonate de sodium est une base puisqu’on l’utilise pour neutraliser l’acidité excessive de l’estomac.

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 et nommez le sel formé. Le sel formé est du dichlorure de magnésium (MgCl2).

d) Selon vous, l’utilisation d’un antiacide permet-elle de neutraliser complètement l’acidité de l’estomac ? Expliquez votre réponse. L’antiacide ne neutralise que le surplus d’acidité dans l’estomac. Le suc gastrique doit toujours se maintenir à un pH très bas (pH 1 à 2).

6

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 an 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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335

Nom :

7

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 3

Date :

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), quant à lui, est produit par la combustion incomplète de l’octane (C8H18). Écrivez l’équation chimique balancée de cette combustion, sachant qu’elle 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 ? Justiez votre réponse. C’est la combustion complète de l’octane (a) qui contribue le plus au réchauffement climatique de la planète, puisqu’elle produit deux gaz à effet de serre, soit le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau. Bien que moins nocive, la combustion incomplète de l’octane (b) contribue aussi au réchauffement climatique puisqu’elle libère de la vapeur d’eau dans l’atmosphère. 8

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 Réactifs

- Glucose (C6H12O6) - Oxygène (O2)

- Dioxyde de carbone (CO2) - Eau (H2O)

Produits

- Dioxyde de carbone (CO2) - Eau (H2O)

- Glucose (C6H12O6) - Oxygène (O2)

- Chimique - Thermique

- Rayonnante (lumineuse ou solaire)

- Cellule animale - Cellule végétale

- Cellule végétale

- Permet aux cellules d’accomplir les tâches essentielles au bon fonctionnement de l’organisme

- Permet aux végétaux de produire leur propre source d’énergie

Forme d’énergie impliquée Lieu de la réaction

Fonction

336

Photosynthèse

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Nom :

9

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 3

Date :

Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. II

1

2

R

S

E

P

S

O

P

V

I

R

H

O

N

C

L

U

L

A

I

R

I

M

V

A

E

C

N

G

T

IV

E

E

I

B

U

T

F

A

S

A

N

T

A

N

E

3

E

III

D

R

O

X

Y

D

E

Y 5

M

I

I

G

E

Q

N

N

U

I

E

T V

L

E

O Y

E

VI

I

8

I

U

C 4

T

O

T

I

A

VII

I

7

N

V

E

G

E

L

U

C

O

S E

U

T

R

E

A

C

I

E

D

6

L

E

N

T

E

E

E

E

O N Horizontalement

Verticalement

1

Transformation inverse de la photosynthèse.

I

2

Type de combustion dont la température d’ignition est inférieure à la température ambiante.

Forme d’énergie produite au moment de la respiration cellulaire.

II

Température que doit atteindre un combustible pour amorcer la combustion.

III

Un des produits de la photosynthèse.

IV

Un des réactifs de la réaction de neutralisation acidobasique.

3

Un des réactifs de la réaction de neutralisation acidobasique dont le pH est inférieur à 7.

4

L’ion libéré par la base au moment de la réaction de neutralisation acidobasique.

V

Forme d’énergie nécessaire à la photosynthèse.

5

Combustible dans la respiration cellulaire.

VI

Type de cellule, siège de la photosynthèse.

6

La respiration cellulaire est un exemple de ce type de combustion.

VII

Substance initiale d’une réaction chimique.

7

Type de solution obtenu après neutralisation complète d’un acide par une base.

8

Type de combustion qui libère une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur et de lumière.

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337

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Groupe :

Chapitre 4 1

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 4

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. L’énergie peut changer de forme. Par exemple, de l’énergie cinétique peut être transformée en énergie potentielle gravitationnelle. Cela se produit lorsqu’on lance un objet dans les airs et que celui-ci ralentit tout en s’élevant au-dessus du sol.

b) Que veut-on dire quand on dit que l’énergie peut être transférée ? Répondez en donnant un exemple pour soutenir votre explication. L’énergie peut passer d’un corps (ou d’un système) à un autre. Par exemple, quand une personne pousse sur un objet pour l’accélérer, la personne transfère de l’énergie à cet objet.

2

338

À un certain moment, une petite balle possède 15 J d’énergie cinétique et 40 J d’énergie potentielle gravitationnelle. Quelques fractions de seconde plus tard, sans qu’aucune force extérieure autre que la gravité n’ait agi sur elle, son énergie cinétique passe à 25 J. Quelle est son énergie potentielle gravitationnelle nale ? Expliquez votre réponse.

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Nom :

3

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 4

Date :

Un homme fait un saut à l’élastique. On mesure son énergie potentielle gravitationnelle par rapport au point le plus bas qu’il atteindra durant son saut. À l’aide de la liste de mots suivante, complétez le texte ci-dessous. (Un même mot peut être employé plus d’une fois.) • Augmente • Diminue

• Énergie potentielle gravitationnelle

• Énergie cinétique

• Maximale

• Nulle • Principe de conservation de l’énergie

Tomber de haut ! Juste avant son saut à l'élastique, un homme se tient au sommet d’une plate-forme qui surplombe un canyon. À ce moment, son

est à sa valeur maximale. Quand

l’homme se laisse tomber, il prend de la vitesse. Au début du saut, l’élastique n’est pas tendu. Durant cette phase du saut,

l’homme gagne de l’

l’

mais perd de

.

Quand l’élastique commence à se tendre, l’homme commence à emmagasiner de l’énergie potentielle élastique. De cette façon, il continue sa chute, mais sa vitesse augmente de moins en moins rapidement, puis diminue. Elle diminue jusqu’à ce qu’il s’arrête momentanément, puis qu’il commence à remonter. Au moment où l’homme est au point le plus bas de sa trajectoire, son énergie cinétique est , son énergie potentielle gravitationnelle est gie potentielle élastique est cinétique

et son éner-

. Quand l’homme commence à remonter, son énergie , son énergie potentielle gravitationnelle

énergie potentielle élastique

et son

puisque l’élastique se détend.

Tout au long de sa trajectoire, la quantité totale d’énergie de l’homme est constante : c’est le . 4

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.

5

Donnez un moyen d’améliorer le rendement énergétique d’un vélo. Réponse variable. Exemple : Diminuer le frottement de la chaîne (en la lubrifiant, par exemple).

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339

Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 4

6

L’écran d’un téléviseur a un rendement de 10 %. Combien d’énergie électrique doit-il consommer pour produire 100 joules d’énergie lumineuse ?

7

Le moteur à combustion d’une automobile a un rendement énergétique de 12 %. Combien de joules d’énergie cinétique peut-il produire à partir de 1 000 J d’énergie chimique ?

340

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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

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

Date :

Énoncé

Proton





Je porte une charge positive.

Électron





Neutron



Je suis une particule neutre, c’est-à-dire que je ne porte pas de charge.



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 ? Elles portent des charges de même signe. b) Vous considérez deux autres tiges. Celles-ci s’attirent. Que pouvez-vous conclure quant aux signes des charges qu’elles portent ? Elles portent des charges de signes opposés.

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

• Électricité statique

• Électrons

• Frottement

• Transfert

Réponse variable. Exemple : Ce phénomène est associé à l’électricité statique. Durant la journée, les vêtements portés par Martin ont frotté l’un contre l’autre. Ce frottement a amené le vêtement dont les molécules retiennent moins bien les électrons à en perdre quelques-uns au profit de l’autre. Il y a eu un transfert d’électrons d’un vêtement à l’autre. Les vêtements ont alors acquis des charges opposées. Par conséquent, les vêtements ont commencé à s’attirer. 4

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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341

Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

b) Mélanie utilise le même matériel pour réaliser un circuit en parallèle. Schématisez l’un des circuits qu’elle pourra obtenir.

5

Quelle est l’utilité d’une pile dans un circuit ? La pile est la source d’énergie qui met les électrons en mouvement dans le circuit, de sorte que ceux-ci puissent circuler d’un conducteur à un autre.

6

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 : Je branche le résisteur à la pile en plaçant l’ampèremètre en série avec le résisteur, comme illustré ci-contre. L’ampèremètre indique alors la valeur du courant établi dans le circuit. J’utilise ensuite la loi d’Ohm (U = RI) pour évaluer la résistance du résisteur (soit R = U/I), sachant que la tension à ses bornes est de 1,5 V.

342

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Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

7

Un résisteur de 4

8

Une pile de 9 V est branchée directement aux bornes d’un résisteur de 100 . Quel est le courant dans le circuit ?

9

Deux résisteurs sont branchés en parallèle avec une pile de 3 V. Le courant qui circule dans le premier résisteur est de 0,01 A, tandis que le courant qui circule dans le second est de 0,05 A.

est parcouru par un courant de 2 A. Quelle est la différence de potentiel à ses bornes ?

Quelle est la résistance de chacun des résisteurs ?

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343

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10

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Date :

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

Une souris d’ordinateur fonctionne sous une tension de 5 V et un courant 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 ?

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. Si le courant augmente, la puissance augmente de façon proportionnelle, tel que l’établit l’équation P = UI. En effet, le courant quantifie le nombre d’électrons qui passent en un point donné du circuit chaque seconde. La tension restant la même, chaque électron transporte une quantité constante d’énergie. Si le courant augmente, la quantité totale d’énergie qui traverse un point donné du circuit chaque seconde augmente donc également.

344

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11

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

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) 12

Date :

b)

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.) Le point vers lequel les aiguilles des boussoles pointent est un pôle Sud magnétique.

13

14

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. a)

Vrai

Les matériaux qui sont attirés par des aimants sont appelés matériaux ferromagnétiques.

b)

Faux

Les matériaux qui sont attirés par des aimants portent une charge électrique résultante.

c)

Vrai

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. Les lignes de champ magnétique qui entourent le l sont bien circulaires et centrées autour du l, mais elles ne sont pas espacées régulièrement. En effet, la densité des lignes de champ est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique, et plus on s’approche du l, plus le champ magnétique est intense. En conséquence, les lignes de champ sont plus denses près du l, et de plus en plus espacées les unes des autres à mesure que l’on s’éloigne du l.

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345

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15

Groupe :

Activités supplémentaires UM Chapitre 5

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

I

16

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 le champ magnétique qui entoure le second fil. b) Le champ magnétique qui entoure le second fil est plus intense que le champ magnétique qui entoure le premier fil. c) Le champ magnétique est aussi intense autour du premier fil que du second.

17

Complétez le texte ci-dessous 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 qui parcourt le fil. Les

dans le sens du courant s’enroulent alors dans le sens des .

346

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Activités supplémentaires TE Chapitre 1

La Terre et l’espace Chapitre 1 1

La lithosphère

Quelle est la différence entre un diamant et un minerai de diamant ? Un minerai de diamant est constitué des roches que l’on extrait du sol et dans lesquelles se trouve le minéral appelé « diamant ».

2

Pour chacune des situations suivantes, nommez le ou les horizons du sol directement touchés (O, A, B, C ou R). Situation

Horizon touché O

Branches et brindilles tombées des arbres Dynamitage du roc pour construire une route souterraine

O et A

Plantation d’un nouvel arbre Formation du diamant à une profondeur supérieure à 150 km sous la surface de la Terre 3

R et/ou C

C

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.

4

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. Les horizons B, C et R puisqu’ils sont formés, en partie ou en totalité, de minéraux qui se trouvent généralement dans des roches (sous forme de minerai) . b) À quelle condition un sol peut-il être considéré comme une source de minerais exploitable ? Les roches qui en sont extraites doivent contenir assez de minéraux pour que cela soit économiquement rentable.

5

Certaines compagnies minières cherchent de nouveaux gisements propices à l’exploitation. Selon vous, l’exploitation du pergélisol est-il une option que ces compagnies peuvent envisager ? Expliquez votre réponse. Non, car le pergélisol est gelé en permanence en profondeur. Comme les minéraux ne se trouvent pas à la surface du sol, et que creuser le pergélisol serait beaucoup trop difficile, voire impossible, cette option n’est pas envisageable.

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347

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Chapitre 2 1

Activités supplémentaires TE Chapitre 2

Date :

L’hydrosphère

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 vérier 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. Le dé coule puisqu’il possède une masse volumique supérieure (1 g/mL) à celle de l’eau douce de Québec, dont la masse volumique est inférieure à 1 g/mL . Note : La masse volumique de l’eau douce et celle de l’eau salée sont fournies à la page 136 du cahier. b) À destination, vous lancez votre dé à jouer dans le golfe. Que se produit-il alors ? Expliquez votre réponse. Le dé flotte puisque la masse volumique de l’eau salée aux Îles-de-la-Madeleine (1,025 g/mL) est supérieure à celle du dé. 2

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. Courant de surface, car les vents soufflent dans l’atmosphère, qui est en contact avec la surface des eaux.

b) Si toute l’eau des océans était de l’eau douce et de température égale. Courant de profondeur, car l’eau ne pourrait pas remonter ni permettre un mouvement de convection, étant donné que la salinité, la température et, partant, la masse volumique seraient les mêmes partout.

348

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3

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Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 2

Selon vous, un glacier peut-il devenir une banquise ? Pourquoi ? Non, car le glacier est une masse de glace constituée d’eau douce provenant des précipitations continentales, alors que la banquise contient de l’eau de mer (salée) gelée.

4

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.

5

Observez l’illustration ci-contre, puis répondez aux questions. a) Comment se nomme le phénomène naturel indiqué par une èche sur l’illustration ? Un glacier b) Nommez deux caractéristiques, visibles sur l’illustration, qui permettent de dénir ce phénomène naturel. Un glacier repose sur la surface d’un continent ; un glacier est formé des glaces provenant de l’accumulation et de l’entassement de la neige. c) Ce phénomène s’est-il formé au sommet des lignes de crête ou de part et d’autre de celui-ci ? Expliquez votre réponse. De part et d’autre, car le glacier s’est formé selon le sens d’écoulement des eaux du bassin versant.

6

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 supercie 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 afrmer que l’eau du lac Baïkal est nécessairement potable ? Justiez votre réponse. Non, l’eau douce n’est pas nécessairement exempte de microorganismes ou d’autres particules néfastes à la santé ; pour être potable, il est possible qu’il soit nécessaire de la traiter au préalable. b) Ce lac est-il un bassin versant ? Justiez votre réponse à l’aide de deux arguments. Oui, il reçoit l’eau de plusieurs cours d’eau en plus d’être bordé, de part et d’autre, de sommets qui permettent à l’eau de surface de ruisseler vers ce lac.

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349

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Groupe :

Chapitre 3 1

L’atmosphère

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

2

Activités supplémentaires TE Chapitre 3

Date :

Explication

Le déplacement d’une montgolère dans le ciel

L’air chaud de la montgolfière se dilate, devient moins dense que l’air

La fumée d’une cigarette qui monte dans l’air environnant

L’air chaud produit par la cigarette est moins dense que l’air ambiant :

L’image satellite ci-dessous 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. Il s’agit d’un centre de haute pression (anticyclone) car, dans l’hémisphère Nord, l’air circule autour d’un centre de haute pression dans le sens des aiguilles d’une montre, comme sur l’image satellite. c) Si cette image satellite avait été prise dans l’hémisphère Sud, quel phénomène atmosphérique y serait représenté ? Expliquez votre réponse. Un cyclone (centre de basse pression) puisque, dans l’hémisphère Sud, une masse d’air tournant dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’un centre de basse pression est un cyclone. 3

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).

350

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Activités supplémentaires TE Chapitre 3

a) Sur le plan atmosphérique, quelle est la principale différence entre la Lune et la Terre ? Contrairement à la Terre, la Lune n’a pas d’atmosphère. 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. Sur la Lune, comme il n’y a pas d’atmosphère, il n’y a pas d’effet de serre, d’où un très grand écart entre les températures extrêmes. Sur la Terre, l’effet de serre naturel réduit l’écart entre les températures extrêmes. Ainsi, il permet, d’une part, de réfléchir une partie du rayonnement solaire vers l’espace et, d’autre part, de conserver dans la basse atmosphère une partie de la chaleur absorbée par le sol. Sans l’effet de serre naturel, les températures diurnes seraient de beaucoup supérieures à 50 °C et les températures nocturnes chuteraient de façon importante, comme c’est le cas sur la Lune.

4

Observez la carte météo suivante et répondez aux questions. a) Combien de masses d’air apparaissent sur cette carte ? Deux b) Qu’est-ce qui vous permet d’arriver à cette conclusion ? Les villes de Val-d’Or et de Sherbrooke sont sous l’influence de masses d’air caractérisées chacune par des températures très différentes.

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. Un front chaud, puisque la masse d’air chaud sur Val-d’Or se déplacera vers l’est pour atteindre Sherbrooke.

d) Sur la carte ci-dessus, dessinez la ligne du front que vous avez identié dans la réponse à la question c. e) Ce front est-il associé à un cyclone ou à un anticyclone ? Expliquez votre réponse. À un cyclone, puisque l’air amené par le front est chaud et tend à déplacer une masse d’air plus froid.

f) Faites une prévision météorologique pour la ville de Sherbrooke pour la journée de dimanche. Réponse variable. Exemple : Le temps sera instable et il y aura quelques averses dispersées accompagnées de vents.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

351

Nom :

Groupe :

Chapitre 4 1

Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 4

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables

Nommez deux éléments qu’ont en commun les centrales thermiques qui exploitent les combustibles fossiles et les centrales nucléaires. Elles utilisent des combustibles non renouvelables. Elles fonctionnent toutes deux par l’action de l’eau transformée en vapeur qui actionne une turbine qui, à son tour, fait tourner une génératrice.

2

Nommez un avantage et un inconvénient associés à chacun des modes de production d’électricité suivants. Réponse variable. Exemple :

Mode de production d’électricité

3

Avantage

Inconvénient

À partir d’énergies fossiles

Très répandu, maîtrisé et fiable

Émet des gaz à effet de serre et d’autres gaz responsables des pluies acides

À partir de l’énergie nucléaire

Présente un très bon rendement énergétique

Produit des déchets radioactifs dont on dispose difficilement

À partir de la géothermie

Ne produit aucun gaz à effet de serre

Ne peut pas être installé partout

Nommez un élément qui différencie les centrales hydroélectriques à réservoir et les centrales hydroélectriques au l de l’eau. Les centrales hydroélectriques à réservoir nécessitent l’inondation d’un territoire (qui devient le réservoir), alors que les centrales hydroélectriques au fil de l’eau utilisent le débit naturel du cours d’eau sur lequel elles sont construites.

4

Qu’ont en commun les centrales hydroélectriques au l de l’eau et les hydroliennes ? Elles nécessitent un mouvement important de l’eau pour amorcer la production d’électricité : les premières requièrent un débit important du cours d’eau sur lequel elles sont construites, alors que les secondes utilisent le courant des marées (ou d’un cours d’eau) pour y arriver.

352

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

5

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 4

L’énergie solaire passive met à prot l’énergie rayonnante du Soleil qui est captée, emmagasinée et distribuée à l’intérieur d’une habitation sans nécessiter une 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 efcaces et diminuent les coûts en électricité. a) Nommez un avantage, autre que celui d’économiser des frais d’électricité, à exploiter l’énergie solaire passive. Elle ne rejette aucun polluant dans l’environnement.

b) Nommez deux critères qui devraient être observés pour optimiser l’utilisation d’une telle forme d’énergie dans une habitation. Réponse variable. Exemples : L’orientation de la maison ; la fenestration ; l’isolation ; le type de matériaux utilisés dans la construction du bâtiment.

6

Qu’ont en commun tous les modes de production d’électricité qui exploitent les ressources énergétiques de l’atmosphère ? Ils n’émettent aucun polluant dans l’environnement.

7

Pour chacune des situations énumérées dans le tableau, nommez le mode de production d’électricité qui, selon vous, serait le plus approprié. Expliquez vos choix. Réponse variable. Exemple : Situation

Mode de production d’électricité le plus approprié

Explication

De nouveaux besoins énergétiques devront être satisfaits dans la réalisation du Plan Nord du Québec.

Thermique (charbon ou gaz naturel) ou hydroélectrique et éolien

La centrale thermique au charbon répond déjà aux besoins d’un bon nombre de populations. ou L’éolienne, moins polluante, pourrait prendre le relais lorsque les conditions atmosphériques le permettent.

Les États-Unis pourraient faire face à une crise énergétique dans quelques années.

Hydroélectrique ou nucléaire

Ces deux modes de production sont fiables et fournissent une grande quantité d’électricité.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

353

Nom :

8

Groupe :

Activités supplémentaires TE Chapitre 4

Pour chacun des modes de production d’électricité mentionnés dans le tableau, expliquez ce qui se produirait si l’élément mentionné subissait un bris majeur. Mode de production d’électricité

9

Date :

Élément brisé

Conséquence

Nucléaire

La réserve d’eau froide

Il deviendrait alors difficile de refroidir la vapeur servant à actionner la génératrice, empêchant ainsi la reprise du cycle.

Hydrolienne

Une des deux génératrices

La transformation du mouvement des vagues en électricité deviendrait déficiente ; la production d’électricité serait donc amoindrie.

Éolienne

Le système d’orientation

Il deviendrait impossible d’orienter les pales en fonction des vents ; la production d’électricité ne serait donc pas optimale.

Solaire (panneaux)

Un grand nombre de cellules photovoltaïques

Il deviendrait difficile de transformer l’énergie solaire en énergie électrique.

Hydroélectrique

Une conduite forcée

Le débit d’eau pourrait être insuffisant pour faire tourner la turbine puis la génératrice, ce qui empêcherait la production optimale d’électricité.

Pour chacune des situations, nommez le mode de production d’électricité à privilégier an de produire de l’électricité tout en minimisant les impacts environnementaux. Expliquez vos choix. Réponse variable. Exemple :

Situation

354

Mode de production d’électricité à privilégier

Explication

Permettre aux gratte-ciel d’un centre-ville d’être autosufsants en matière énergétique

Panneaux solaires (ou éoliennes) au sommet des édifices

La hauteur de ces édifices devrait leur permettre de capter l’énergie rayonnante du soleil ou les vents nécessaires pour produire l’électricité.

Faire fonctionner le ltreur à eau de la piscine familiale

Panneaux solaires

Au Québec, la quantité d’énergie solaire est supérieure en été ; elle peut donc être en partie récupérée par les capteurs solaires et transformée en électricité en quantité suffisante pour faire fonctionner le filtreur.

Éclairer la salle paroissiale d’une petite municipalité de l’Île-du-Prince-Édouard, dans le golfe du Saint-Laurent

Marémotrice

Les marées dans le golfe du Saint-Laurent permettraient de produire suffisamment d’électricité pour les besoins de la salle paroissiale.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Chapitre 5 1

2

Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

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

Le pétrole est principalement utilisé pour la combustion (transport, industries, etc.). Comme la quantité de carbone libérée dans l’atmosphère augmente rapidement, cela crée un déséquilibre dans le cycle du carbone. De plus, le rythme d’extraction étant supérieur à celui de la formation des roches combustibles, cette ressource naturelle risque de s’épuiser.

L’augmentation de dioxyde de carbone, un des gaz à effet de serre, dans l’atmosphère

La quantité toujours croissante de CO2 ne permet pas aux végétaux de le transformer entièrement afin de rendre le carbone disponible pour les organismes vivants. De ce fait, la pollution atmosphérique augmente.

La pollution atmosphérique en Sicile (Italie) subséquente à l’éruption volcanique de l’Etna en 2012

Du carbone est ramené à la surface par les roches carbonatées et le dioxyde de carbone atmosphérique émis lors de telles éruptions.

L’augmentation de la population mondiale

La quantité de déchets se retrouvant dans l’environnement et la quantité de carbone atmosphérique provenant de la respiration et du mode de vie des humains sont supérieures à ce que les végétaux peuvent absorber et à ce que les décomposeurs peuvent transformer. Ainsi, un déséquilibre au niveau du cycle du carbone est créé.

Quel serait l’impact, sur le cycle du carbone, de la disparition d’un très grand nombre de végétaux sur Terre ? Une partie du carbone atmosphérique ne serait plus absorbée puis transformée, un processus qui permet d’introduire le carbone dans le cycle. Ainsi, la quantité de carbone organique disponible diminuerait et d’autres organismes en seraient affectés.

3

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 ? Pour oxygéner le sol et permettre aux bactéries d’effectuer efficacement leur travail, soit la fixation de l’azote atmosphérique et la nitratation, deux étapes essentielles à la croissance des végétaux.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

355

Nom :

4

Groupe :

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

5

Conséquence

Végétaux aquatiques

L’ammoniac, toxique pour les poissons, n’est pas assimilé, ce qui fait mourir les poissons de l’aquarium.

Bactéries nitriantes

L’ammoniac et l’ammonium ne peuvent pas être transformés en nitrites, non plus que les nitrites en nitrates. Or, sans les nitrates, qui sont essentiels à la croissance des végétaux, ceux-ci finissent par mourir.

Poissons

La quantité d’ammoniac et d’ammonium diminue compte tenu de l’absence de déchets, ce qui rend la quantité d’azote disponible aux végétaux insuffisante pour leur permettre de survivre.

Expliquez le rôle de chaque élément présenté dans le tableau suivant dans le cycle du carbone et dans le cycle de l’azote. Élément

356

Activités supplémentaires TE Chapitre 5

Date :

Rôle dans le cycle du carbone

Rôle dans le cycle de l’azote

Les végétaux

Ils absorbent le gaz carbonique de l’atmosphère pour le rendre disponible aux consommateurs sous forme de carbone organique.

Ils assimilent les nitrates du sol, permettant ainsi de rendre l’azote disponible aux consommateurs et aux décomposeurs.

Les microorganismes aquatiques (phytoplancton et cyanobactéries)

Le phytoplancton permet d’absorber une partie du dioxyde de carbone atmosphérique et de l’assimiler afin de rendre disponible le carbone aux consommateurs aquatiques.

Les cyanobactéries permettent de fixer une partie de l’azote atmosphérique afin de le rendre disponible aux organismes aquatiques (bactéries, végétaux) sous une forme assimilable.

Les décomposeurs

Ils permettent de libérer le carbone contenu dans les déchets rejetés par les différents organismes.

Ils permettent la décomposition des excréments et des organismes afin de rendre disponible l’azote aux bactéries du sol.

Le dioxygène atmosphérique

Il permet la vie des organismes responsables de la circulation du carbone dans l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère.

Il permet la vie des organismes responsables de la circulation de l’azote dans l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Chapitre 6 1

Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 6

Les régions climatiques

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. Réponse variable. Exemples : La taïga reçoit davantage de précipitations comparativement à la toundra ; la taïga est composée d’arbres de tailles variées (petits et grands conifères, entre autres), alors que la toundra ne compte que des arbustes de petite taille, en plus de mousses et de lichens.

2

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 ». La toundra, tout comme le désert, reçoit peu de précipitations. La végétation de la toundra, tout comme celle du désert, est rabougrie. Les animaux de la toundra, tout comme ceux du désert, sont adaptés à des températures extrêmes (froides dans un cas et chaudes dans l’autre).

3

En général, les estuaires et les deltas sont classés comme des biomes d’eau douce. Toutefois, dans certaines classications, on les considère comme des biomes marins. Dites dans vos mots ce qui peut expliquer cette différence de classication. L’eau douce est associée aux biomes dulcicoles et l’eau salée, aux biomes marins. Or, les estuaires et les deltas sont formés d’un mélange d’eau douce et d’eau salée (eau saumâtre). C’est ce qui peut expliquer que les estuaires et les deltas, qui ont une salinité différente, font parfois l’objet de classifications différentes.

4

Lisez le courriel ci-dessous. Puis, répondez aux questions. Expéditeur : Jean-Guy Objet : Ah ! Les vacances ! Destinataire : Jeanne 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 observions 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

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

357

Nom :

Groupe :

Activités supplémentaires TE Chapitre 6

Date :

a) À proximité de quel biome Jean-Guy et ses amis ont-ils passé leurs vacances ? Entourez la bonne réponse. 1) Près d’un lac

2) Près d’une rivière

3) À la mer

b) Justiez votre choix à l’aide de trois indices relevés dans le courriel. Une étendue d’eau sans courant, tel un lac, permet de faire à la fois du canot et de la pêche. La faune décrite (grenouilles, canards) correspond à ce qu’on peut trouver près d’un lac. La flore décrite (quenouilles et nénuphars) correspond à ce qu’on peut trouver près d’un lac.

5

Selon vous, quel facteur inuençant la distribution des biomes explique le mieux chacune des situations suivantes? a) La rareté des végétaux aquatiques dans les profondeurs de l’océan La quantité de lumière (nécessaire à la photosynthèse) b) La migration des caribous, à l’automne, vers la toundra riche en lichens, située dans le nord du Québec La nourriture (lichens) c) La présence d’arbres de taille importante qui poussent dans le climat chaud et humide de la forêt tropicale Les précipitations et le climat chaud Note : Les arbres y poussent tout le long de l’année, d’où leur taille impressionnante.

6

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’acidication 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 (CO 2) 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 ? Parce qu’ils absorbent une quantité plus grande de CO2 qui augmente l’acidité des eaux. Autre réponse possible : En raison des rejets importants de CO 2 issus de la combustion industrielle, ce qui contribue à la formation des précipitations acides. b) La masse des coquilles des organismes marins, dont il est question dans le texte, diminue avec l’acidication des océans. Décrivez un effet à long terme de l’acidication des océans sur ces organismes et sur d’autres organismes marins. S’ils perdent leur coquille, ces organismes perdent leur protection, peuvent en mourir et, ultimement, disparaître. Toute la chaîne alimentaire pourrait être touchée. Note : Certains animaux marins peuvent perdre leur coquille, car le calcaire qui la compose risque, selon sa concentration, de se dissoudre en c) Comment cette situation pourrait-elle être améliorée ? Réponse variable. Exemple : En diminuant la pollution atmosphérique afin de limiter les rejets de CO2 responsables de ce phénomène.

358

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Chapitre 7 1

Date :

Activités supplémentaires TE Chapitre 7

L’espace

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. L’insolation augmenterait, car une plus grande quantité de rayons ultraviolets parviendrait au niveau du sol.

b) Si l’axe de rotation de la Terre n’était pas incliné. L’insolation totale serait la même, en raison de la forme sphérique de la Terre. Toutefois, l’insolation actuelle des diverses régions géographiques du globe serait différente.

c) Si la quantité de particules issues de la pollution atmosphérique, en suspension dans l’atmosphère, augmentait drastiquement. L’insolation serait moindre, car une plus grande quantité de rayonnement solaire serait captée dans l’atmosphère.

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 ? Il n’y a pas de marées observables dans un lac.

3

Les interactions gravitationnelles du Soleil, de la Terre et de la Lune inuent 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 ? Lorsqu’elle se trouve entre la Terre et le Soleil, au moment d’une éclipse solaire.

b) Dans quelle circonstance l’inuence de la Lune et du Soleil est-elle la plus importante sur les océans ? Lorsque la Lune et le Soleil sont alignés avec la Terre.

c) Comment se nomme la situation que vous avez décrite dans la réponse à la question b ? Une marée de vive-eau 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. Non, car les marées de vive-eau se produisent simultanément en deux endroits sur la Terre seulement, endroits qui sont situés sur l’axe Terre-Lune-Soleil.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

359

Nom :

4

Groupe :

Activités supplémentaires TE Chapitre 7

Date :

Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. V

A T

1

II

M 3

A

S

IV

R

L

G

A

U

R

C

N

L

A

T

I

T

III

V

I

A

S

I

O

I

N

S

S B

VI

S

2

I

T

O

O

L

A

T

L R

B

E

U

I

O

N

E

R

R

E

C

H

I

D

E

A R

4

T

R

N

I

I

E

S

L

O

E

N 5

O

Z

O

N

E

E 6

R

E

F

L

E

R

L E Horizontalement 1

Un des facteurs qui inuent 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

Action exercée par les surfaces telles que l’asphalte, la brique et les roches lorsqu’elles sont soumises au rayonnement solaire.

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

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 renement.

6

Action exercée par certaines surfaces telles que la glace, la neige ou le sable lorsque les rayons du Soleil les frappent.

VI

Son alignement avec la Terre et le Soleil provoque des marées de vive-eau.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Date :

Activités Texte à insérer supplémentaires Texte UVà insérer Chapitre 1

L’univers vivant Chapitre 1 1

L’écologie

Dans chacune des situations suivantes, nommez la méthode la plus appropriée pour calculer la taille de la population. Expliquez vos réponses. a) Un producteur de sirop d’érable veut avoir une idée du nombre d’érables à sucre que contient son érablière. La méthode d’échantillonnage, car le territoire est grand et les individus sont nombreux.

b) Un agronome souhaite connaître le nombre de marmottes qui creusent leur terrier dans un jardin communautaire. Le comptage indirect, en recensant le nombre de terriers et en le multipliant par le nombre moyen d’individus par terrier. c) Vous voulez savoir combien il y a de poissons « néons bleus » (Paracheirodon innesi) dans l’un des petits aquariums d’une animalerie. Le comptage direct, car les individus y sont peu nombreux et faciles à repérer.

2

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) Le mode de distribution des poissons tropicaux a-t-il une inuence sur la densité de leur population ? Expliquez votre réponse. Non, la densité de la population se calcule en divisant le nombre de poissons par volume d’eau. Le résultat est donc le même, peu importe leur mode de distribution.

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

5) Des plantes aquatiques

2) Des poissons rouges (Carassius auratus auratus)

4) Un poisson laveur de vitres

6) Du sable

Parmi les éléments énumérés dans cette liste, lesquels forment ensemble : a) une population ?

c) un écosystème ?

b) une communauté ? Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

361

Nom :

4

Groupe :

Activités supplémentaires UV Chapitre 1

Date :

Deux biologistes mènent une étude sur le même territoire. L’un d’eux recense les diverses populations vivantes et 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. Le premier biologiste recense les différentes populations ; il travaille donc au niveau de la communauté de ce territoire. Le second étudie le non-vivant et son effet sur les végétaux (vivants) ; il travaille donc au niveau de l’écosystème de ce territoire.

5

Parmi les activités suivantes, lesquelles provoquent une diminution de la biodiversité des espèces qui composent une communauté ? Entourez 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 6

Une amie vous demande ce qu’est un cycle biologique. À l’aide de l’exemple de la poule, expliquez-lui brièvement ce concept. Le cycle biologique de la poule consiste en la ponte d’un œuf dans lequel se développe un embryon qui, éventuellement, deviendra un poussin. Le poussin, devenu adulte (poule), pond à son tour des œufs, d’où naîtront de nouveaux individus, et ce, jusqu’à la mort de la poule.

7

Malgré un nombre important de naissances, la croissance d’une population peut être nulle. Expliquez ce phénomène. Une population peut être nulle si le nombre d’individus qui la composent reste stable, c’est-à-dire que le nombre de naissances et d’immigrants égale le nombre de décès et d’émigrants.

8

Expliquez la différence entre les interactions suivantes. a) La prédation et le parasitisme Le prédateur tue la proie et la dévore, alors que le parasite se nourrit et se développe aux dépens de l’autre individu (l’hôte), habituellement sans le tuer.

b) La compétition et le mutualisme Dans une relation de compétition, il y a rivalité entre deux espèces pour une ressource, alors que dans une relation de mutualisme, les deux individus agissent en coopération l’un avec l’autre.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UV Chapitre 1

c) Le commensalisme et la symbiose Le commensal profite d’un autre individu sans lui nuire, ni lui être utile, alors que le symbiote et l’hôte ont besoin l’un de l’autre.

9

Observez les courbes du diagramme ci-dessous.

a) Quel type d’interaction y a-t-il entre les individus de ces deux populations : prédation ou compétition ? Expliquez votre réponse. Cette interaction est de l’ordre de la prédation, car dès que les prédateurs (renards) augmentent, ils font diminuer la population de proies (rongeurs). Le nombre de prédateurs diminue ensuite en raison du manque de proies. Si l’interaction était de l’ordre de la compétition, les courbes augmenteraient en même temps, par exemple lorsqu’il y a abondance de nourriture.

b) À quel type de relation ce type d’interaction appartient-il ? La prédation est une relation trophique. c) Ce type d’interaction peut-il avoir une inuence sur la capacité limite d’un milieu ? Expliquez votre réponse. La prédation peut contrôler la taille des populations et, par conséquent, empêcher l’atteinte de la capacité limite du milieu dans lequel elles vivent. 10

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. Il s’agit d’une interaction de mutualisme, qui est avantageuse pour l’un et pour l’autre puisque les deux individus tirent des bénéfices de leur coopération, sans se nuire.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

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Groupe :

Activités supplémentaires UV Chapitre 1

Date :

Quels facteurs écologiques peuvent inuer sur une population animale ? Donnez un exemple pour chaque facteur. Les facteurs biotiques, comme le nombre de prédateurs et la quantité de nourriture disponible, et les facteurs abiotiques, comme la présence d’une source d’eau et la chaleur.

12

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. Cette espèce, en raison du fait qu’elle croît rapidement, qu’elle est résistante et très envahissante, diminue la biodiversité de l’écosystème où on la retrouve, entre autres par la compétition avec les autres plantes. b) De quel type de perturbation s’agit-il ? Expliquez votre réponse. Il s’agit d’une perturbation humaine puisque le roseau a été introduit par l’homme.

13

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. a) De quel type de perturbation s’agit-il ? b) Quel type de succession aura lieu : 1) sur le versant Nord de la montagne ? Expliquez votre réponse. 2) dans la forêt avoisinante ? Expliquez votre réponse.

14

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 ? Les criquets, manquant de nourriture, ont mangé la grenouille (seule autre source de nourriture disponible). 364

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UV Chapitre 1

c) Quel est le niveau trophique de la grenouille dans la situation que vous avez représentée en a ? Consommateur secondaire 15

Nommez et expliquez le phénomène naturel auquel participent les vers de terre et les bactéries dans les transformations de la matière d’un écosystème. Ils participent au recyclage chimique, c’est-à-dire qu’ils décomposent la matière organique en nutriments (matière inorganique) que les végétaux pourront utiliser de nouveau.

16

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. En produisant de la matière organique, les végétaux l’introduisent dans l’écosystème et la rendent disponible pour les autres organismes.

c) Quel autre nom donne-t-on aux végétaux ? Entourez la ou les bonnes réponses.

17

1) Organismes autotrophes

3) Producteurs

2) Organismes hétérotrophes

4) Consommateurs

Lorsque vous absorbez les nutriments présents dans les légumes que vous mangez, vous réutilisez des éléments chimiques de la matière. Comment se nomme ce phénomène ? Le flux de la matière

18

La productivité primaire est-elle plus grande dans un désert ou dans une forêt ? Expliquez votre réponse. Elle est plus grande dans une forêt, car il y a beaucoup plus de plantes qui font de la photosynthèse, donc qui produisent de la matière organique.

19

Y a-t-il une plus grande dépense d’énergie si l’on nourrit un lézard avec des fruits, des légumes et des graines ou si on le nourrit avec des vers ? Selon la pyramide du flux d’énergie, 80 à 95 % de l’énergie est transmise d’un niveau trophique à un autre. Or en nourrissant le lézard avec des vers, il y a une dépense d’énergie deux fois plus grande qu’en le nourrissant avec de la verdure, car cela met en jeu deux niveaux trophiques plutôt qu’un.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

365

Nom :

Groupe :

Activités supplémentaires UT Chapitre 1

Date :

L’univers technologique Chapitre 1 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.

Contrainte de torsion Contrainte de tension

b) La chaîne à laquelle est suspendue un luminaire. c) La poutre sur laquelle une gymnaste s’exerce. 2

Contrainte de flexion

Plusieurs bouteilles d’huile d’olive sont faites de verre. a) À quel type de matériaux le verre appartient-il ?

Aux céramiques

b) Nommez deux avantages que le verre présente pour la fabrication de bouteilles d’huile d’olive. Expliquez votre réponse. Le verre est translucide, il permet donc de voir le produit. Aussi, il peut facilement être soufflé pour prendre la forme désirée. c) Quels inconvénients le verre présente-t-il pour la fabrication de bouteilles d’huile d’olive ? Entourez les bonnes réponses. 1) Il est fragile.

2) Il est lourd.

3) Il est dur.

4) Il est recyclable.

3

L’aluminium est utilisé pour fabriquer les feuilles métalliques qui enveloppent certains aliments qu’on met au four. Cette utilisation de l’aluminium nous renseigne sur certaines de ses propriétés. Nommez deux propriétés de l’aluminium liées à cette utilisation. L’aluminium est malléable. L’aluminium a une bonne conductibilité thermique.

4

Vous devez fabriquer un mobilier de jardin en plastique. a) Opterez-vous pour un thermoplastique ou un thermodurcissable ? Expliquez votre réponse. J’opterai pour un thermodurcissable puisqu’il est important que les meubles de jardin gardent leur forme malgré la chaleur liée à l’exposition au soleil et parce que le thermodurcissable sera plus dur et plus résilient qu’un thermoplastique. b) Quelles sont les causes prévisibles de la dégradation du plastique de votre mobilier, si vous ne faites rien pour le protéger ? L’exposition aux rayons UV, la pénétration par des liquides (la pluie, par exemple) et l’oxydation

5

Pourquoi les planchers de bois sont-ils généralement vernis ou huilés ? En plus d’être esthétique, cela protège le bois des dégradations qui surviendraient autrement si le plancher devait être mouillé. Ainsi, en plus de protéger le bois en cas d’un écoulement d’eau sur le plancher, le vernis ou l’huile permet au bois d’être lavé (à la vadrouille, par exemple).

366

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Chapitre 2 1

Date :

Activités supplémentaires UT Chapitre 2

L’ingénierie mécanique

Le battant d’une porte est lié à son cadre. a) Donnez les quatre caractéristiques de cette liaison. La liaison est indirecte, démontable, rigide et partielle.

b) Le battant est lié au cadre au moyen d’organes de liaison. Quels sont-ils ? Des charnières c) L’organe de liaison de la porte assure également une autre fonction mécanique. Laquelle ? Entourez la bonne réponse. 1) Une fonction d’étanchéité 2) Une fonction de lubrication 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. Cette liaison est indirecte, car les charnières sont fixées au battant au moyen de vis.

2) Nommez les trois autres caractéristiques de la liaison. Démontable, rigide et complète

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 ? La liaison est démontable. b) Quel avantage cette caractéristique de la liaison présente-t-elle dans cette situation précise ? Expliquez votre réponse. Dans ce cas, une liaison démontable est avantageuse, car elle fait en sorte que la doublure soit amovible. La doublure peut donc être retirée par temps chaud, par exemple, ou encore retirée du manteau pour le lavage.

c) Nommez les trois autres caractéristiques de la liaison entre le manteau et sa doublure. Indirecte, rigide et complète Note : L’élève pourrait également répondre qu’elle est élastique.

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. Elle aurait pu utiliser des boutons.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

367

Nom :

Groupe :

Activités supplémentaires UT Chapitre 2

Date :

e) Nommez les quatre caractéristiques de la liaison entre la fermeture Éclair et la doublure. S’il y a lieu, identiez également l’organe de liaison. Indirecte (l’organe de liaison est du fil), rigide, indémontable et complète Note : L’élève pourrait également répondre qu’elle est élastique.

3

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. Pour assurer le guidage en translation d’un tiroir qui s’insère dans une commode, aucun organe de guidage n’est absolument nécessaire : la forme complémentaire du tiroir et du caisson dans lequel il s’insère peut suffire à guider le mouvement du tiroir.

b) Votre oncle, ébéniste à ses heures, a décidé d’installer des glissières pour les tiroirs de la commode qu’il fabrique. Pourquoi ? Cela diminue le frottement et, du coup, rend l’ouverture et la fermeture du tiroir plus faciles.

4

368

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.

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Nom :

5

Groupe :

Activités supplémentaires UT Chapitre 2

Date :

Les vélos sont des objets techniques très intéressants pour étudier des systèmes de transmission du mouvement.

a) Pourquoi le mécanisme d’un vélo de route utilise-t-il un système à chaîne et à roues dentées plutôt qu’un système à courroie et à poulies ? L’utilisation d’un système à chaîne et à roues dentées évite les problèmes associés au glissement qui risqueraient davantage de survenir avec un système à courroie et à poulies.

b) 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 des tailles du pignon et du plateau choisis sur la vitesse du vélo. À l’aide des mots de la liste suivante, complétez-le. • 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

plus

d’un tour par seconde. En conséquence, la roue

rapidement

arrière du vélo tournera relativement

le cycliste devra exercer une force relativement

et le vélo avancera rapidement. Par contre, grande

sur les pédales.

Si le cycliste opte pour un petit plateau et un grand pignon, le pignon complétera

moins

d’un tour par seconde. En conséquence, la roue arrière du vélo tournera relativement lentement et le vélo avancera faible

lentement

. Par contre, le cycliste devra exercer une force relativement

sur les pédales.

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369

Nom :

6

Groupe :

Activités supplémentaires UT Chapitre 2

Date :

Le schéma ci-dessous illustre une partie du mécanisme d’une éolienne artisanale.

• Rotor

Pales de l’hélice •

• Axe de l’alternateur

• Alternateur Pale de l’hélice •

a) Quel est l’organe de guidage des pales de l’hélice ? b) De quel type de guidage s’agit-il ? c) Identiez le type de système de transmission du mouvement que l’on peut voir sur le schéma. Un système à roues de friction 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, entourez celui qui 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 lubrier 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 des 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) Il est avantageux d’opter pour un système d’engrenage, car cela limitera le glissement. 2) Il est avantageux d’opter pour un système d’engrenage, car ce système demandera moins d’entretien (lubrication, etc.) que le système actuel. 3) Au moment de choisir des 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 du choix des roues de l’engrenage, il sera important que les dents des deux roues aient la même taille. I)

370

1 et 3

II)

1 et 4

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

III)

2 et 3

IV)

2 et 4

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Nom :

7

Groupe :

Date :

Activités supplémentaires UT Chapitre 2

Les clés qui servent à serrer les cordes des instruments de musique pour les accorder sont munies d’un système à roue dentée et à vis sans n. Quels avantages ce système de transmission du mouvement présente-t-il dans ce mécanisme ?

Ce système permet d’appliquer sur la corde la très grande force nécessaire pour la tendre avec un effort minimum. De plus, le fait que le système soit non réversible est essentiel, puisque cela permet d’éviter que la corde ne se détende dès qu’on lâche la clé.

8

L’illustration ci-dessous représente un compas. Écrous • Molette de réglage • • Vis

• Molette de serrage de la mine a) Identiez le système de transformation du mouvement que l’on trouve dans ce compas. Un système à vis et à écrous b) Dans le système de transformation du mouvement que vous avez identié dans la réponse à la question a, quel est l’organe moteur et quels sont les organes menés ? La vis est l’organe moteur et les écrous sont les organes menés. c) Comment l’organe moteur que vous avez identié dans la réponse à la question b est-il mis en mouvement ? Quand on tourne la molette de réglage. d) Qu’est-ce que le mouvement des organes menés, que vous avez identiés dans la réponse à la question b, entraîne ? Le mouvement de translation des écrous entraîne l’ouverture et la fermeture des branches du compas. Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

371

Nom :

9

Groupe :

Activités supplémentaires UT Chapitre 3

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 ? Entourez la bonne réponse.

a) Un système à pignon et à crémaillère

c) Un système à bielle et à manivelle

b) Un système à vis et à écrou

d) Un système à came et à tige guidée

Chapitre 3 1

Date :

L’ingénierie électrique

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

3

4

a) Comment se nomme la composante 1 ? Un disjoncteur b) Comment se nomme la composante 3 ? Donnez une réponse le plus précise possible. Un interrupteur à bascule c) D’où provient l’énergie qui alimente le circuit ? Elle provient du réseau de distribution d’Hydro-Québec. 372

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

Groupe :

Texte à insérer Activités supplémentaires Texte UTà insérer Chapitre 3

Date :

d) Ce circuit est-il parcouru par un courant continu ou par un courant alternatif ? Ce circuit est parcouru par un courant alternatif. e) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de conduction ? 2 f) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de protection ? 1 g) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de commande ? 3 h) Quel numéro sur le schéma désigne la composante du circuit qui assure la fonction de transformation 4 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 ? L’ampoule a pour fonction de transformer l’énergie électrique en énergie lumineuse. 2

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 charges en mouvement sont exposées à un champ 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. Le contact entre l’armature et la partie du circuit où 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 faire en sorte que le mouvement de l’armature se fasse toujours dans la même direction.)

• Armature • Commutateur

Une représentation simpliée d’une partie d’un moteur électrique.

a) Quelle est la fonction globale d’un moteur électrique ? Un moteur électrique a une fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique. b) Quelle composante du moteur électrique assure la fonction d’alimentation dans le circuit illustré ci-dessus ? La batterie c) Nommez deux composantes du circuit illustré ci-dessus qui assurent la fonction de conduction. Les fils et le commutateur Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

373

Nom :

Groupe :

Texte à insérer Activités supplémentaires Texte UTà insérer Chapitre 3

Date :

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 ? Le commutateur a entre autres pour fonction de faire passer le courant du fil relié à la pile jusqu’à l’armature. Il doit donc être fabriqué à l’aide d’un matériau conducteur. Le plastique, qui est isolant, n’est donc pas un matériau convenable. e) Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux.

3

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.

Lisez le texte suivant, puis répondez à la question.

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 afrmer que ce n’est qu’en été que l’énergie excédentaire consommée par les ampoules à incandescence est réellement « gaspillée ».

Qu’est-ce que la dernière phrase de ce texte signie ? L’énergie électrique qui est consommée par les ampoules à incandescence, mais qui n’est pas transformée en énergie lumineuse, est transformée en chaleur. Or, l’hiver, cette chaleur n’est pas inutile puisqu’elle sert à chauffer les habitations. L’été par contre, cette chaleur supplémentaire n’est pas nécessaire et constitue donc un gaspillage d’énergie. 4

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. La tondeuse est moins puissante parce que la conductibilité de la rallonge utilisée pour la raccorder au réseau de distribution électrique est moins grande. En effet, la conductibilité d’une rallonge dépend de sa longueur et de son diamètre (ou de sa section transversale). Ainsi, la conductibilité diminue lorsque la longueur de la rallonge est plus grande ou lorsque le diamètre de la rallonge est plus petit. Or, la rallonge utilisée pour tondre le gazon du voisin a une plus petite section transversale ainsi qu’une plus grande longueur que la rallonge utilisée habituellement.

374

Kaléidoscope • Activités supplémentaires

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Nom :

5

Groupe :

Activités Texte à insérer supplémentaires Texte UTà insérer Chapitre 3

Date :

Remplissez la grille de mots suivante à l’aide des énoncés ci-dessous. V

5

P

I

L

E

L

A N

T

T

T

R 4 IV

T

S O

A

III

1

I

T

II

D 2

I

T

Y

T

C

VI

VII

A

H

N

E

T

M

C

E M P

E

I

E

O

P

R

M

N

T

N

O

M

O

A

N

A

T

U

I

T

7

L

Q

E

E

U

R

A

T

3

A

L

U R

I

E

S U R

E

M E N

6

O U V

2

E

R

I

O N

C O N D U C

T

I

B

X C H A

R G

I

L

I

T

E

N

E

U

R

Horizontalement 1

A

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 difcile. Fonction que remplit dans un circuit une composante ayant la capacité de générer un courant électrique.

Verticalement I

Composante la plus commune parmi celles pouvant accomplir la fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse.

II

Forme que peut prendre l’énergie après avoir été transformée par un élément chauffant.

III

Type de génératrice fournissant un courant continu.

3

Se produit lorsque l’intensité du courant dépasse le maximum que peut supporter un circuit.

IV

Type de génératrice fournissant une tension dont la polarité oscille continuellement dans le temps.

4

Se dit d’un matériau non conducteur, comme le plastique ou la céramique.

V

5

Composante transformant l’énergie chimique en énergie électrique et pouvant être utilisée pour alimenter un appareil portatif.

Fonction remplie par un fusible ou toute autre composante dont le rôle est de couper le courant lorsque celui-ci devient trop élevé.

VI

Type de matériau pouvant être utilisé pour la fabrication de composantes devant assurer la fonction de conduction (pluriel).

VII

Type de courant produit par une pile, une batterie ou toute autre source de tension constante.

6 7

Position d’un interrupteur qui empêche le passage du courant. Caractéristique d’un matériau associée à sa capacité à laisser circuler les charges électriques.

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Kaléidoscope • Activités supplémentaires

375

Analyse d’un objet technique L’analyse d’un objet technique du guide Kaléidoscope, Science et technologie permet 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. L’animation 3D de l’objet analysé, offerte dans la version numérique du guide-corrigé PLUS , permet de mieux visualiser l’objet en mouvement. Les élèves seront ainsi mieux préparés à une telle situation lors de l’épreuve unique. L’analyse d’un objet technique peut également servir à l’évaluation des apprentissages. Cette façon d’évaluer permet de vérier le développement de la compétence disciplinaire 2 (Mettre à prot ses connaissances scientiques et technologiques).

377

Nom :

Groupe :

Analyse d’un objet technique

Date :

UT

AOT

Analyse d’un objet technique (AOT) Vous devez utiliser les dessins des pages 381 et 382 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 de tous les composants énumérés ci-dessous. Donnez des réponses détaillées. a) La pile La pile assure la fonction d’alimentation du circuit électrique de la girouette. Dans la pile, une réaction chimique produit l’énergie nécessaire au passage du courant dans le circuit.

b) L’aimant et les interrupteurs magnétiques Le système formé de l’aimant et des interrupteurs magnétiques a une fonction de commande du circuit électrique. Quand l’aimant fixé sur l’axe de la girouette au moyen du bras passe devant un interrupteur, le circuit électrique contrôlé par cet interrupteur se ferme et, sur le tableau de bord, le voyant de ce circuit s’allume. c) Les voyants lumineux Les voyants lumineux ont une fonction de transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse. Un voyant s’allume quand l’aimant est devant l’interrupteur qui le contrôle, indiquant à l’utilisateur l’orientation de la girouette et donc, la direction du vent.

2

a) 1) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre le mât xe et le manchon du boîtier du mécanisme d’orientation en entourant le terme approprié suivant dans chacun des couples de mots. I)

directe ou indirecte

III)

démontable ou indémontable

II)

rigide ou élastique

IV)

complète ou partielle

2) S’il y a lieu, indiquez quel est ou quels sont les organes de liaison entre le mât xe et le manchon du boîtier du mécanisme d’orientation. L’organe de liaison est la vis de serrage. b) 1) De la même façon, donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre le couvercle du boîtier cylindrique et ce boîtier. I)

directe ou indirecte

III)

démontable ou indémontable

II)

rigide ou élastique

IV)

complète ou partielle

2) S’il y a lieu, indiquez quel est ou quels sont les organes de liaison entre le couvercle du boîtier cylindrique et ce boîtier. Il n’y a pas d’organe de liaison. 378

Kaléidoscope • Analyse d’un objet technique

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Nom :

Groupe :

Analyse d’un objet technique

Date :

UT

AOT

c) 1) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre l’embase et le boîtier cylindrique. i) directe ou indirecte II)

rigide ou élastique

III)

démontable ou indémontable

IV)

complète ou partielle

2) S’il y a lieu, indiquez quel est ou quels sont les organes de liaison entre l’embase et le boîtier cylindrique. Les organes de liaison sont les rivets. 3

Parmi les énoncés ci-dessous, entourez celui ou ceux qui sont vrais. 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. Pièce(s) qui effectue(nt) le guidage : Le boîtier du mécanisme d’orientation (formé de la base du boîtier et de son couvercle) Type de guidage : Guidage en rotation

5

a) À l’aide de la terminologie propre à la science et à la technologie, décrivez la fonction et l’action de la vis sans n (avec sa molette de réglage) et de la roue dentée. Donnez une réponse détaillée. Le mécanisme à vis sans fin et à roue dentée permet de faire tourner le boîtier cylindrique contenant les interrupteurs et d’en ajuster l’orientation, de sorte que l’interrupteur relié au voyant qui indique le nord est bel et bien orienté vers le nord. Quand on fait tourner la molette de réglage de la vis, le mouvement de la vis est transmis à la roue dentée, ce qui fait pivoter le mât mobile qui soutient le boîtier cylindrique abritant les interrupteurs. 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. Donnez une réponse détaillée. Un système à vis sans fin et à roue dentée offre une réduction de vitesse très importante. Cela permet un ajustement fin de l’orientation de la girouette. En effet, un mouvement de la molette de réglage par l’utilisateur n’entraîne qu’une légère rotation du boîtier cylindrique. De plus, comme il y a irréversibilité du mouvement, le boîtier cylindrique conserve son orientation une fois ajusté. Note : Chaque fois que la molette fait un tour complet, la roue dentée ne tourne que de la distance équivalente à la largeur d’une dent.

6

À l’aide de la terminologie propre à la science et à la technologie, décrivez la fonction de la bille d’acier. La bille (en acier) fait en sorte qu’il y a un minimum de friction (contact ponctuel) entre l’axe et le boîtier, afin que le mouvement de la girouette soit le plus facile possible.

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Kaléidoscope • Analyse d’un objet technique

379

Nom :

7

Groupe :

Analyse d’un objet technique

Date :

UT

AOT

À quel type de contraintes la girouette est-elle soumise? La girouette est soumise à des contraintes de flexion.

8

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 la fabrication du ressort ? Entourez la bonne réponse parmi les suivantes, puis justiez votre réponse. • Ductilité

• Fragilité

• Résilience

• Dureté

• Malléabilité

• Rigidité

• Élasticité Le ressort doit reprendre sa forme lorsqu’il cesse d’être comprimé ou étiré.

9

Quelle propriété le matériau dont est fait l’anneau collecteur doit-il avoir pour que celui-ci puisse remplir sa fonction? Justiez votre réponse. Ce matériau doit être un bon conducteur électrique, puisque l’anneau a une fonction de conduction.

10

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. L’étanchéité du boîtier cylindrique abritant les interrupteurs est particulièrement importante premièrement parce que celui-ci protège des composantes d’un circuit électrique. Il faut donc éviter que l’eau de pluie ou la neige fondue ne s’infiltre dans le boîtier, car l’eau est conductrice et risquerait d’entraver le fonctionnement normal du circuit. Deuxièmement, l’étanchéité est importante parce qu’il faut éviter la corrosion de l’anneau collecteur. En effet, l’oxydation serait grandement accélérée si de l’eau s’infiltrait dans le boîtier.

11

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. On pourrait ajouter un interrupteur principal pour commander le circuit. Cet interrupteur ferait en sorte qu’il serait possible d’activer le tableau de bord seulement quand on souhaite le consulter. En conséquence, la pile ne serait sollicitée que lorsque la girouette est réellement utilisée, et non en permanence.

380

Kaléidoscope • Analyse d’un objet technique

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Nom :

Groupe :

Analyse d’un objet technique

Date :

UT

AOT

Girouette : 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 ls

8 9

13

1

Bille d’acier

14

1

Boîtier cylindrique

10

15

1

Bague d’étanchéité

16

1

Embase

1

2 3 4 5 7

6

11 12

17

2

Rivet

18

1

Mât mobile

19

1

Couvercle du boîtier du mécanisme d’orientation

20

1

Vis sans n

21

1

Roue dentée

22

1

Molette de réglage

19 20

23

1

Base du boîtier du mécanisme d’orientation (avec manchon)

24

1

Vis de serrage

22

25

1

Mât xe

26

1

Boîtier du tableau de bord

27

8

Témoin lumineux

28

1

Support à pile

29

1

Pile

30

2

Borne du support à pile

31

1

Tableau de bord

13

14 15

16 18

21

17

23

24

25 26

28 29 30 Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

27

31

Kaléidoscope • Analyse d’un objet technique

381

Nom :

Groupe :

Date :

Analyse d’un objet technique

UT

AOT

Girouette : vue d’ensemble

Aimant Bille d’acier

Manchon

Interrupteur magnétique

382

Kaléidoscope • Analyse d’un objet technique

Reproduction autorisée © Chenelière Éducation inc.

Conçu de façon à respecter la Progression des apprentissages et le programme de science et technologie de la 2e année du 2e cycle du secondaire, le cahier permet aux élèves de construire un solide bagage de connaissances. Pouvant être utilisé seul ou comme complément à tout matériel de base, il convient à toutes les planifications et à tous les types d’enseignement. Le cahier d’apprentissage Un nombre exceptionnel d’activités qui font appel aux capacités d’analyse des élèves. Des sections de consolidation qui mettent différents concepts en relation. Des contenus rigoureux écrits dans un langage clair et accessible. Une grande quantité de schémas, de tableaux et de diagrammes. De courtes analyses d’objets techniques. Des problématiques environnementales abordées d’une façon concrète au moyen d’activités de réflexion. Le corrigé • Version papier Le corrigé en couleurs du cahier d’apprentissage. Le guide-corrigé • Version papier Le corrigé en couleurs du cahier d’apprentissage. Une imposante banque d’activités supplémentaires servant à consolider ou à évaluer les apprentissages. Une analyse d’objet technique complète pour préparer les élèves à l’épreuve unique. Une médiagraphie qui recense une foule de sites Internet pertinents. Le guide-corrigé

PLUS

Le guide-corrigé complet, version papier. Une clé USB, compatible avec tout type d’ordinateur, tout TBI et tout projecteur, sur laquelle on trouve : – le guide-corrigé complet incluant les documents reproductibles en format modifiable ; – tous les schémas, tableaux, cartes et photographies du cahier en format TBI ; – une animation 3D qui accompagne l’analyse d’objet technique. Les composantes de la collection ST-STE Cahier d’apprentissage Corrigé • Version papier Guide-corrigé • Version papier Guide-corrigé PLUS

ST Cahier d’apprentissage Corrigé • Version papier Guide-corrigé • Version papier Guide-corrigé PLUS