Kaléidoscope. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités : st science et technologie, ste science et technologie de l'environnement : 2e cycle du secondaire, 2e année [2-2 ST-STE] 9782765036630, 2765036632

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Kaléidoscope. Cahier d'apprentissage, savoirs et activités : st science et technologie, ste science et technologie de l'environnement : 2e cycle du secondaire, 2e année [2-2 ST-STE]
 9782765036630, 2765036632

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ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE SCIENCE E T TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

2e cycle du secondaire • 2e année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

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

Conforme à la PROGRESSION des apprentissages

ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE SCIENCE E T TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

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 Science et technologie de l’environnement 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, Cécile Poulou-Gallet, Ginette Gratton Révision linguistique : Anne Melançon, Caroline Bouffard, Ginette Gratton, Yvan Dupuis Correction d’épreuves : Sabine Cerboni Illustrations : Michel Rouleau, Martin Gagnon, 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 978-2-7650-3663-0

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), Kim McAleer, Cégep Saint-Jean-sur-Richelieu (Univers vivant, chapitre 2), Raynald Pepin, Collège Ahuntsic (Univers matériel, chapitres 5 et 6).

Table des matières

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

1

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

2

1.1 Les modèles atomiques

3

1.1.1 1.1.2 1.1.3

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

Les premiers modèles atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Le modèle atomique de Rutherford (1911) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Le modèle atomique simplifié S T E . . . . 11

1.2 La masse atomique

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.1 La masse atomique relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.2 Les isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3 Le calcul de la masse atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3 Le tableau périodique des éléments . . . . . . . . . . . . 28 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5

L’organisation générale du tableau périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les familles du tableau périodique . . . . . Les périodes du tableau périodique . . . . . La périodicité des propriétés S T E . . . . . La notation de Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30 31 33 39 40

1.4 Les molécules

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.4.1 La nature de la liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.4.2 Les règles de nomenclature et d’écriture des composés binaires . . . . . . . 55

1.5 La notion de mole et le nombre d’Avogadro S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 1.5.1 La notion de mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 1.5.2 Le nombre d'Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.5.3 La masse molaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Consolidation du chapitre 1

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

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

65

Les ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Les ions polyatomiques S T E . . . . . . . . . . . . . . 72

2.2.1 La conductibilité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.2.2 La dissociation électrolytique . . . . . . . . . . . . . . 76

Vérifier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.2.3 La force des électrolytes S T E . . . . . . . . . . . . . 80 2.2.4 Les acides, les bases et les sels . . . . . . . . . . . 82

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

85 86 87 88

2.4 Le pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.4.1 L’échelle pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.4.2 Le pH et la concentration molaire en ions H + S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Consolidation du chapitre 2

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

99

Chapitre 3 Les transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.1 La loi de la conservation de la masse

. . . . . . . . . 104

3.2 Le balancement des équations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.3 La stœchiométrie

STE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

110

3.4 Les réactions endothermiques et exothermiques S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.5 Des exemples de transformations chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4

La neutralisation acidobasique . . . . . . . . . . . . 123 La combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 L’oxydation S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 La photosynthèse et la respiration cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Les changements climatiques 69

2.2 Les électrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

OUTIL

2.3.1 La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage (%) . . . . . . . . . . 2.3.2 La concentration en parties par million (ppm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 La concentration molaire (mol/L) S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 La dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

2.1 Les composés ioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.1.1 2.1.2

2.3 La concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Consolidation du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapitre 4 Les transformations nucléaires S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.1 La stabilité nucléaire 4.2 La radioactivité

STE

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.3 La fission et la fusion nucléaires

Consolidation du chapitre 4

STE

S T E . . . . . . . . . 140 . . . . . . . . . . . . . . . 142

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

Les matières résiduelles

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Table des matières

III

Chapitre 5 Les transformations de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.1 La relation entre la masse et le poids S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2 Le travail

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.1 La relation entre le travail, la force et le déplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.2 La force efficace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.3 L’énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.3.1 La relation entre le travail et l’énergie S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.3.2 La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.3.3 La relation entre l’énergie potentielle, la masse, la grandeur du champ gravitationnel et la hauteur S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5.3.4 La loi de la conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.4 L’énergie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.1 La distinction entre la chaleur et la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.2 La relation entre la chaleur, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température S T E . . . . . . . . . . . . 168

5.5 Le rendement énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Consolidation du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Chapitre 6 L’électricité et l’électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.1 Les phénomènes électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4

La charge électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 L’électricité statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 La loi de Coulomb S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Le champ électrique S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.2 Les circuits électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 6.2.1 Les types de circuits électriques OUTIL

. . . . . . . . . 192

La Terre et l’espace . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 1

La lithosphère

239

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

1.1 Les minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 1.2 Les horizons du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 1.3 Le pergélisol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 1.4 La contamination des sols

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 1.4.1 La capacité tampon des sols . . . . . . . . . . . . . . . . 245 1.4.2 La biodégradation des polluants . . . . . . . . . 246

1.5 L’épuisement des sols

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

La déforestation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Chapitre 2

L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

2.1 Les bassins versants

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

2.2 La salinité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’eau potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 2.3 La circulation océanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 2.3.1 Les courants de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 2.3.2 Les courants de profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 2.3.3 La circulation thermohaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

2.4 Les glaciers et les banquises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 2.5 La contamination de l’hydrosphère S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 2.6 Le traitement des eaux usées

Consolidation du chapitre 2

Chapitre 3

S T E . . . . . . . . . . . . . . 269

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

3.1 Les masses d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

Mesurer le courant et la différence de potentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

3.2 La circulation atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

6.2.2 La loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 6.2.3 Les lois de Kirchhoff S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.2.4 La relation entre la puissance et l'énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

3.4 Les cyclones et les anticyclones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

6.3 Les phénomènes électromagnétiques . . . . . . . . 222 6.3.1 Les forces d’attraction et de répulsion magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . 222 6.3.2 Le champ magnétique d’un fil parcouru par un courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 6.3.3 Le champ magnétique d’un solénoïde S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

3.3 Les vents dominants

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

3.4.1 La formation d'un cyclone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 3.4.2 La formation d'un anticyclone . . . . . . . . . . . . . 282

3.5 La contamination de l’air 3.6 L’effet de serre

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

Consolidation du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Consolidation du chapitre 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

IV

Table des matières

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4 Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 4.1 Les ressources énergétiques de la lithosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 4.1.1

Les énergies fossiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

4.1.2

L'énergie nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

4.1.3

La géothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 4.2.1 L'énergie hydroélectrique 4.2.2 L'énergie marémotrice

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

4.3 Les ressources énergétiques de l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Consolidation du chapitre 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Chapitre 5 Les cycles biogéochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 5.1 Le cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 5.1.1

La portion biochimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

5.1.2

La portion géochimique

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

311

5.2 Le cycle de l’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 5.2.1 Le cycle de l'azote en milieu terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 5.2.2 Le cycle de l'azote en milieu aquatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

5.3 Le cycle du phosphore

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

Consolidation du chapitre 5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

L’univers vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 1

343

L’écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

1.1 La biosphère

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

1.1.1

Les populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

1.1.2

Les communautés

1.1.3

Les écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

1.2 Les interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 1.2.1

La dynamique des populations

. . . . . . . . . . . 351

1.2.2 La dynamique des communautés . . . . . . . 352 1.2.3 La dynamique des écosystèmes

. . . . . . . . . 355

1.2.4 Les facteurs écologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

1.3 Les transformations de la matière et de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 1.3.1

La productivité primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

1.3.2 Le flux de la matière

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

1.3.3 Le recyclage chimique

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

1.3.4 Le flux de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

1.4 L’écotoxicologie 1.4.1

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

Les contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

1.4.2 Le seuil de toxicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

1.5 L’empreinte écologique

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Consolidation du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

Chapitre 2

La génétique

2.1 Les mécanismes génétiques

S T E . . . . . . . . . . . . . . 371 STE

. . . . . . . . . . . . . . . 372

Chapitre 6 Les régions climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

2.1.1 2.1.2

La réplication de l'ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

6.1 Les biomes terrestres

2.1.3

La synthèse des protéines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

6.2 Les biomes aquatiques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

La structure de l'ADN

2.2 L’hérédité

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

6.2.1 Les biomes marins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

2.2.1 Les chromosomes et les gènes . . . . . . . . . . . 379

6.2.2 Les biomes d'eau douce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

2.2.2 Les allèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

6.3 Les facteurs influençant la distribution des biomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

2.3 Les croisements

Consolidation du chapitre 6

2.4 Le clonage

Chapitre 7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

L’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

7.1 Le flux d’énergie émis par le Soleil 7.2 Le système Terre-Lune

. . . . . . . . . . . . . . 336

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

Consolidation du chapitre 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

2.3.1 L'échiquier de croisement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

2.4.1 Le clonage naturel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

2.4.2 Le clonage artificiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

La production alimentaire

STE

Consolidation du chapitre 2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 STE

. . . . . . . . . . . . . . . 392

Table des matières

V

L’univers technologique . . .

395

Chapitre 4 L’ingénierie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 4.1 La fonction d’alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 4.1.1

Chapitre 1 des lignes

Le langage STE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

1.3 Les tolérances dimensionnelles

Consolidation du chapitre 1

Chapitre 2

S T E . . . . . . . . . . 401

STE

4.3 La fonction de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 4.3.1 Les types d’interrupteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 4.3.2 La structure et le rôle des différents interrupteurs S T E . . . . . . . . . . . . . . . 464

. . . . . . . . . . . . . . . 403

Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

2.1 Les contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

4.4 La fonction de transformation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 4.4.1 La transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse . . . . . . . . . 467 4.4.2 La transformation de l’énergie électrique en énergie thermique . . . . . . . . . 467 4.4.3 La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique . . . . . . . 467

2.2 Les propriétés mécaniques des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 2.3 Les types de matériaux et leurs propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

Consolidation du chapitre 2

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

419

Chapitre 3 L’ingénierie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 3.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 3.2 Les degrés de liberté

STE

3.3 La fonction de guidage

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

3.4 L’adhérence et le frottement

STE

. . . . . . . . . . . . . . . . 428

3.5 Les systèmes de transmission du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 3.6 Les systèmes de transformation du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

Consolidation du chapitre 3

VI

Table des matières

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

4.2.1 La fonction de conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 4.2.2 La fonction d’isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 4.2.3 La fonction de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

1.1 La projection orthogonale à vues multiples S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 1.2 La vue éclatée

Les condensateurs

4.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE

L’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 4.5 La fonction de régulation

S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 4.5.1 Les résisteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 4.5.2 Les diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Consolidation du chapitre 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

Chapitre 5 La fabrication

S T E . . . . . . . . . . . . . . 477

5.1 Les outils utiles à la fabrication

S T E . . . . . . . . . . . 478

5.2 Les techniques de fabrication

STE

. . . . . . . . . . . . . 478

Utiliser un pied à coulisse

STE

. . . . . . . . . . . . . 480

OUTIL

Consolidation du chapitre 5

STE

. . . . . . . . . . . . . . . 485

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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

CHAPITRE

1 2 3 4 5 6

L’organisation de la matière 

          

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



2 69

Les transformations chimiques        

   

103

Les transformations nucléaires        

   

135

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

   

145

L’électricité et l’électromagnétisme

   

179

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 la structure atomique et vous familiarisera avec la masse atomique. Il vous permettra aussi d’utiliser le tableau périodique des éléments, de connaître les mécanismes de formation des molécules et de comprendre la notion de mole et le nombre d’Avogadro.

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 qu’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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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.1

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) : 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)

3 Feuille d’or

a ) Les observations de Rutherford. FIGURE 4

1

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. 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.

1.1

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 ?

1.1.3

Le modèle atomique simplié

STE

Le modèle de Rutherford comportait des faiblesses qui ont soulevé les critiques de nombreux scientiques. Les modications apportées à ce modèle ont permis d’y remédier et de concevoir le modèle atomique simplié (voir la gure 9, à la page 13).

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr (1913) Bien que donnant des informations sur la structure microscopique de l’atome, le modèle de Rutherford présentait des incohérences scientiques. En effet, si un électron se déplace autour du noyau, il subit une accélération et émet continuellement de l’énergie. À mesure que son énergie diminue, il se rapproche du noyau et nit par « tomber » sur lui. Ce comportement des électrons était en contradiction avec les observations expérimentales de l’époque.

Orbite électronique

C’est le physicien danois Niels Bohr (1883-1962) qui releva cette incohérence en fournissant des précisions sur le comportement des électrons à l’intérieur de l’atome : 1. Les électrons ne se déplacent pas au hasard autour du noyau, mais plutôt sur des orbites électroniques précises, appelées aussi « couches électroniques ».

Noyau

2. Chaque orbite électronique correspond à un niveau d’énergie précis. Plus on s’éloigne du noyau, plus le niveau énergétique des orbites augmente. La combinaison du modèle de Rutherford et de la contribution de Bohr a fourni une description de l’atome connue sous le nom de « modèle de Rutherford-Bohr » (voir la gure 6 ).

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Chapitre 1

Électron

Selon le modèle de Rutherford-Bohr, les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites bien définies. FIGURE 6

L’organisation de la matière

11

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.1

Ainsi, Bohr montra que, si un électron se déplace sur une orbite précise, il n’émet pas d’énergie, mais conserve une énergie constante. Cependant, s’il passe d’une orbite de haute énergie à une autre orbite dont l’énergie est plus faible, il émet de l’énergie. Cette énergie, qui correspond à la différence d’énergie entre les deux orbites, sera émise sous forme de lumière. Au contraire, si un électron passe d’une orbite dont le niveau énergétique est faible à une autre orbite énergétiquement plus élevée, il faudra lui fournir de l’énergie (sous forme de chaleur ou sous une autre forme). La gure 7 illustre ce processus. La chaleur ou l’électricité excite l’électron, qui est projeté sur une orbite supérieure.

Lors du retour de l’électron à son orbite initiale, il y a émission d’énergie sous forme de lumière.

Noyau Orbites

L’absorption de l’énergie par un électron lui permet d’atteindre un niveau d’orbite supérieur. Par contre, lorsqu’un électron retourne vers une orbite énergiquement inférieure, il émet de l’énergie sous forme de lumière. FIGURE 7

Le nombre d’orbites et d’électrons que possède un atome dépend de la matière dont il est fait. Ainsi, la structure d’un atome d’or est différente de celle d’un atome de chlore. Il est à noter que les orbites électroniques contiennent un nombre précis d’électrons. La disposition des électrons sur les orbites électroniques, qu’on appelle la « conguration électronique », doit respecter la règle qui consiste à remplir d’abord les orbites de niveau énergétique inférieur avant de passer aux autres. Pour les éléments dont le numéro atomique est inférieur à 20, la première couche électronique, celle qui est le plus près du noyau, sera saturée avec deux électrons et les deuxième et troisième couches le seront avec huit électrons. La gure 6, à la page 11, montre la conguration électronique d’un atome qui possède sept électrons : deux électrons sur la première orbite et les cinq qui restent sur la seconde orbite.

La configuration électronique d’un atome qui possède 19 électrons. FIGURE 8

12

L’univers matériel

La dernière couche électronique est nommée « couche périphérique », et les électrons qui s’y trouvent sont appelés « électrons de valence ». Une couche périphérique ne peut contenir plus de huit électrons. Ainsi, un atome qui possède 19 électrons (voir la gure 8) et un autre qui en possède 20 auront chacun 8 électrons sur leur troisième couche électronique. Mais ces deux atomes auront respectivement un et deux électrons de valence sur leur couche périphérique.

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Date :

1.1

Groupe :

Le numéro atomique Les travaux de Rutherford ont démontré que c’est dans le noyau atomique que se concentre toute la charge électrique positive et que ce noyau est composé de protons.

Nucléons Neutron

Le numéro atomique (symbolisé par Z) d’un atome correspond au nombre de protons que contient son noyau.

Proton

C’est le numéro atomique qui permet d’identier un atome. Pour assurer sa neutralité électrique, un atome possède autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives). À titre d’exemple, la gure 6 (voir la page 11) représente un atome dont le numéro atomique (Z) est égal à 7.

Le neutron Lorsque Rutherford découvrit les protons, il ne pouvait pas expliquer pourquoi le noyau maintenait sa cohésion. En effet, comme les protons ont des charges de même signe (leur charge est positive), ils sont censés se repousser. L’explication de ce « mystère » a été donnée en 1932 par James Chadwick (1891-1974). Ce physicien anglais mit en évidence l’existence d’une nouvelle particule : le neutron.

Électron

Noyau

Le neutron est une des particules qui constituent le noyau de l’atome. Il ne comporte pas de charge électrique, il est donc neutre.

C’est la présence des neutrons dans le noyau qui assure sa cohésion (voir la gure 9). Les particules qui se trouvent dans le noyau, soit les protons et les neutrons, sont nommées « nucléons ». Les nucléons et les électrons n’ont pas tous la même masse. Le tableau 1 résume certaines de leurs propriétés. TABLEAU 1

Une représentation du modèle atomique simplifié. FIGURE 9

Quelques propriétés des particules subatomiques

Particule subatomique

Proton

Couche électronique

Symbole

Charge électrique

Masse (g)

p+

1+

1,672 × 10 -24

Dans le noyau

1,674 ×

10 -24

Dans le noyau

9,109 ×

10 -28

Autour du noyau

Neutron

n0

0

Électron

-

-

e

1

Position dans l’atome

Flash science Le laboratoire Cavendish Surnommé « la pépinière des prix Nobel », le laboratoire Cavendish a joué un rôle majeur dans la recherche sur la structure atomique. Ce laboratoire, qui appartient à l’Université de Cambridge (Angleterre), a été inauguré en 1874 en hommage à Henry Cavendish, un célèbre physicien anglais. Joseph John Thomson, Ernest Rutherford et James Chadwick, qui ont découvert respectivement l’électron, le proton et le neutron, y ont travaillé. Ils ont reçu chacun un prix Nobel pour leur apport considérable à la connaissance de l’atome (Thomson en 1906, Rutherford en 1908 et Chadwick en 1935). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1

L’organisation de la matière

13

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.1

En observant le tableau 1, à la page 13, on constate que les nucléons sont beaucoup plus « lourds » que les électrons. En fait, comme la masse d’un neutron (ou d’un proton) est environ 1 836 fois plus grande que celle d’un électron, la masse de l’atome est essentiellement concentrée dans son noyau.

Le nombre de masse

FIGURE 10

La connaissance du nombre de masse (A) d’un atome et de son numéro atomique (Z) permet de réaliser une représentation complète de l’atome selon le modèle atomique simplié (voir la gure 9, à la page 13). Le modèle atomique simplié tient compte du modèle de Rutherford, de la contribution de Bohr et de la découverte du neutron. Le nombre de masse (A) est égal au nombre de nucléons contenus dans le noyau d’un atome. Il est donc égal à la somme des protons et des neutrons.

La configuration

atomique de l’atome

.

Les atomes sont désignés par la notation , où A est le nombre de masse, Z est le numéro atomique et X est le symbole de l’élément chimique. Par exemple, la conguration atomique désigne l’atome de l’élément « lithium » dont le nombre de masse est 7 et le numéro atomique est 3. Grâce à ces informations, il est possible de déterminer le nombre de chaque particule subatomique, comme le montrent les gures 10 et 11. L’atome de l’élément « lithium » est donc représenté ainsi : Une représentation simplifiée de la configuration FIGURE 11

atomique de l’atome

.

Activités 1

14

• Nombre de protons (p +) = Z = 3 • Nombre d’électrons (e -) = nombre de protons = 3 • Nombre de neutrons (n0) = A - Z = 7 - 3 = 4

1.1.3

STE

Donnez une raison pour laquelle le modèle de Rutherford a été modifié. Expliquez votre réponse.

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

En quoi consiste la contribution de Niels Bohr au modèle atomique simplifié ?

3

Le schéma suivant représente la structure d’un atome selon le modèle de Rutherford, tout en tenant compte de la contribution de Bohr. Identifiez d’abord les parties de cette structure. Puis, décrivez-les.

4

Par quel moyen peut-on faire passer un électron d’une orbite d’énergie faible à une autre orbite d’énergie plus élevée ?

5

Qu’arrive-t-il lorsqu’un électron passe d’une orbite énergiquement élevée à une autre orbite dont le niveau énergétique est plus faible ?

L’univers matériel

1.1

2

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

15

L’univers matériel

1.1

Nom :

Groupe :

Date :

6

Comment appelle-t-on la dernière couche électronique d’un atome et les électrons qui s’y trouvent ?

7

Comment se nomme la disposition des électrons sur les couches électroniques d’un atome ?

8

La configuration électronique suivante respecte-t-elle la règle de remplissage des couches électroniques d’un atome ? Expliquez votre réponse et corrigez, s’il y a lieu, le nombre d’électrons notés sous chaque arc de cercle.

9

Quel est le numéro atomique de l’atome représenté ci-dessous ? Expliquez votre réponse.

16

L’univers matériel

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Date :

Dans le tableau suivant, inscrivez le nom de chaque particule qui constitue l’atome ainsi que le nom du scientifique qui l’a découverte. Notez ensuite la position de cette particule par rapport au noyau de l’atome ainsi que le signe de sa charge électrique. Particule de l’atome

Découverte par

Position par rapport au noyau

Signe de la charge électrique

11

Quelles particules subatomiques sont des nucléons ? Lesquelles ne le sont pas ? Expliquez vos réponses.

12

De quelle particule subatomique s’agit-il ? a ) Particule dont le nombre définit le numéro atomique d’un atome. b ) Particule qui assure la cohésion du noyau. c ) Particule qu’on trouve dans le modèle « plum-pudding ». d ) Particule dont la masse est égale à 1,674 × 10 -24 g. e ) Première particule à avoir été découverte. f ) Particule qui a la plus faible masse.

13

Les atomes des éléments « potassium » et « soufre » sont désignés respectivement par les notations et . En tenant compte de ces données, remplissez le tableau suivant. Notation de l’élément

Numéro atomique (Z)

Nombre de masse (A)

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

14

Un atome est formé de 13 protons, de 13 électrons et de 14 neutrons. Quel est son nombre de masse ? Expliquez votre réponse.

15

Le nombre de masse d’un atome est égal à 39. Combien de neutrons cet atome a-t-il s’il possède 19 protons ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

17

1.1

10

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

1.1

Nom :

Groupe :

Date :

16

Un atome possède 18 neutrons. Son nombre de masse est égal à 35. Combien de protons cet atome a-t-il ? Expliquez votre réponse.

17

Classez les modèles atomiques suivants selon l’ordre chronologique.

18

• Modèle de Dalton

• Modèle atomique simplifié

• Modèle d’Aristote

• Modèle de Rutherford

• Modèle de Démocrite

• Modèle de Thomson

Dessinez la configuration électronique des atomes de chaque élément selon le modèle atomique simplifié. Élément

18

Symbole

Z

Hydrogène

H

1

Bore

B

5

Sodium

Na

11

Calcium

Ca

20

L’univers matériel

Configuration électronique

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Nom :

Date :

Élément

Symbole

1.1

Dessinez la configuration atomique des atomes de chaque élément donné. Configuration atomique

L’univers matériel

19

Groupe :

Carbone

Oxygène

Argon

Potassium

20

Parmi les configurations atomiques proposées ci-dessous, laquelle représente l’atome de chlore ? Expliquez votre réponse.

a)

c)

b)

d)

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

19

21

Groupe :

Date :

Remplissez le tableau suivant en tenant compte du symbole de l'élément donné. Élément (symbole)

L’univers matériel

1.2

Nom :

Numéro atomique

Nombre de masse

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Nombre de nucléons

Nombre de particules subatomiques

H P Cl Al Kr

1.2

La masse atomique

STE

La masse d’un atome est égale à la masse combinée de son noyau et des électrons qui gravitent autour de ce noyau. Cependant, comme les électrons sont beaucoup plus légers que le noyau, la masse d’un atome est quasiment égale à celle de son noyau. Mesurer directement la masse d’un atome n’est pas une affaire simple, étant donné la petitesse de sa taille. Dans les pages qui suivent, vous découvrirez comment les scientiques y sont parvenus.

1.2.1

La masse atomique relative

Comme les atomes et les particules subatomiques ont des masses très faibles (voir le tableau 2), les scientiques ont établi une unité de masse atomique représentée par le symbole u et dénie par la relation suivante : 1 u = 1,66 × 10 -27 kg

L’utilisation de cette unité simplie l’écriture des masses des particules subatomiques, comme on peut le voir dans le tableau 2. La masse des particules subatomiques en kilogrammes (kg) et en unités de masse atomique (u) TABLEAU 2

Particule subatomique

Masse kg

u

Neutron

1,674 × 10 -27

1,008

Proton

1,672 × 10 -27

1,007

Électron

9,109 × 10 -31

5,486 × 10 -4

On remarque donc, en observant le tableau 2, qu’une unité de masse atomique (1 u) correspond approximativement à la masse d’un proton ou d’un neutron. La masse de l’électron, comme cela a été dit plus haut, est beaucoup plus petite. 20

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.2

Puisqu’il est difcile de mesurer la masse d’un atome ou de compter les atomes contenus dans un échantillon de matière, les scientiques ont introduit le concept de masse atomique relative. La masse atomique relative est la masse d’un atome d’un élément calculée par comparaison à la masse du carbone 12 prise comme référence.

Depuis 1961, les scientiques ont choisi le carbone 12 comme élément de référence du tableau périodique. Le carbone 12 est une variété de carbone qui contient 12 nucléons (6 protons et 6 neutrons) et dont la masse a été établie à 12,00000 u précisément.

Nombre de masse (A)

En d’autres termes, cela veut dire que : 1u=

de la masse du carbone 12

Par exemple, si la masse atomique relative de l’hélium 4 (He 4), qui possède 2 protons et 2 neutrons, est égale à 4,0026 u, cela signie en fait que l’atome de He 4 est environ 3 fois plus léger que l’atome de C 12, comme l’illustre le calcul suivant.

Numéro atomique (Z) Oxygène 16 8 protons 8 neutrons

Pour représenter les atomes, on utilisera une nouvelle notation qui ne tient compte que du nombre de masse. Ainsi, au lieu d’écrire , il est possible d’écrire simplement « carbone 12 » ou C 12. Évidemment, le C 12 possède 6 protons et 6 neutrons.

1.2.2

Oxygène 17 8 protons 9 neutrons

Les isotopes

Tous les atomes d’un même élément contiennent nécessairement le même nombre de protons. Par contre, leur nombre de neutrons peut varier. Par exemple, l’oxygène existe sous trois formes différentes, comme le montre la gure 12. Ces trois atomes de l’élément « oxygène » ne diffèrent que par le nombre de neutrons contenus dans leur noyau. Les isotopes d’un élément sont des atomes d’un même élément qui ont le même nombre de protons, le même nombre d’électrons, mais pas le même nombre de neutrons.

La gure 12 représente les trois isotopes de l’élément « oxygène » : O 16, O 17 et O 18. Ces isotopes ont tous 8 protons et 8 électrons. Par contre, ils ont respectivement 8, 9 et 10 neutrons.

Oxygène 18 8 protons 10 neutrons

Les trois isotopes de l’oxygène : O 16, O 17 et O 18. FIGURE 12

On comprend maintenant pourquoi il est précisé que la référence utilisée pour calculer les masses atomiques relatives est le C 12. En effet, le C 12 n’est que l’un des isotopes de l’élément « carbone » qui en possède deux autres : le C 13 et le C 14.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

21

Groupe :

1.2

Nom :

1.2.3

Date :

Le calcul de la masse atomique

L’univers matériel

Chacun des isotopes d’un élément possède une masse atomique relative qui lui est propre, car chacun contient un nombre de neutrons différent. Quelle masse atomique faut-il alors associer à un élément ? Pour répondre à cette question, les scientiques ont décidé de tenir compte à la fois de tous les isotopes que possède un élément et du pourcentage d’atomes de chacun de ces isotopes dans la nature. Ce pourcentage est connu sous le nom d’« abondance relative » d’un isotope. Ainsi, pour calculer la masse atomique d’un élément, il faut considérer les masses atomiques de tous les isotopes de cet élément et l’abondance relative de chacun d’eux, ce qui donne la masse pondérée des isotopes de cet élément. La masse atomique d’un élément est donc égale à la moyenne des masses atomiques des différents isotopes de cet élément. Cette moyenne est pondérée par l’abondance relative de chacun de ces isotopes. Dans le tableau suivant, on présente un exemple de calcul de masse atomique d’un élément : l’oxygène (O). TABLEAU 3

La calcul de la masse atomique de l’oxygène (O)

Isotope

Nombre de masse

Abondance relative dans la nature (%)

Produit (Nombre de masse × abondance relative)

O 16

16

99,76

15,9616

O 17

17

0,04

0,0068

O 18

18

0,20

0,036

Somme des produits

16,0044

La masse atomique de l’oxygène (O) est égale à environ 16,00 u. C’est cette masse qui gure dans le tableau périodique des éléments (voir la gure 13, à la page 29).

Activités 1

22

1.2

STE

Quel est l’intérêt d’utiliser l’unité de masse atomique (u) au lieu du kilogramme (kg) ?

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

Donnez la définition de la masse atomique relative.

3

Pourquoi dit-on que la masse d’un atome est approximativement égale à la masse de son noyau ?

4

Supposons que vous disposiez d’une balance « atomique ». Si l’on posait un proton sur un plateau de cette balance, combien d’électrons devrait-on placer sur l’autre plateau pour que la balance soit en équilibre ?

5

Quelle est la masse, en kilogrammes, d’un atome de carbone 12 ?

6

Quelle différence y a-t-il entre les isotopes d’un même élément ?

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1.2

2

Chapitre 1

L’organisation de la matière

23

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

7

En faisant réagir 4,000 g de carbone (C) avec 10,667 g de dioxygène (O2), on forme 14,667 g de dioxyde de carbone (CO2). Calculez la masse atomique relative de l’oxygène impliqué dans cette réaction, sachant que le dioxyde de carbone est formé d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène. (On suppose que les atomes impliqués dans cette réaction sont exclusivement ceux du C 12 et du O 16.)

8

Les différents isotopes d’un élément ont-ils la même masse atomique relative ? Expliquez votre réponse.

9

Un élément possède deux isotopes. Le noyau du premier isotope contient sept protons et huit neutrons. Que contient le noyau du second isotope ? Entourez la bonne réponse.

L’univers matériel

1.2

Nom :

a ) Le noyau du second isotope contient huit protons et sept neutrons. b ) Le noyau du second isotope contient sept protons et sept neutrons. c ) Le noyau du second isotope contient huit protons et huit neutrons.

24

L’univers matériel

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Nom :

Date :

1)

3)

2)

4)

1.2

Les illustrations ci-dessous représentent la configuration atomique de quatre atomes.

L’univers matériel

10

Groupe :

a ) Quels atomes sont les isotopes d’un même élément ? Notez le numéro des illustrations correspondantes.

b ) Quel est cet élément ? Expliquez votre réponse.

c ) Nommez les différents isotopes de cet élément.

11

Le lithium (Li) possède deux isotopes : Li 6 et Li 7. Dessinez leur configuration atomique respective.

a)

Li 6

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b)

Li 7

Chapitre 1

L’organisation de la matière

25

L’univers matériel

1.2

Nom :

Groupe :

Date :

12

Le cuivre (Cu) possède deux isotopes : Cu 63 et Cu 65. Que veut-on dire lorsqu’on précise que l’abondance relative de ces deux isotopes est respectivement de 69,1 % et de 30,9 % ?

13

En tenant compte des informations données dans le tableau ci-dessous sur le néon (Ne), calculez la masse atomique de cet élément.

14

Isotope

Numéro atomique

Nombre de masse

Abondance relative (%)

Ne 20

10

20

90,92

Ne 21

10

21

0,26

Ne 22

10

22

8,82

Le bore (B) possède deux isotopes. Calculez la masse atomique de cet élément à l’aide des informations fournies dans le tableau suivant. Isotope

Nombre d’électrons

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Abondance relative (%)

Isotope no 1

5

5

5

19,9

5

5

6

80,1

Isotope

26

no

2

L’univers matériel

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Date :

15

Le silicium (Si) possède trois isotopes : Si 28, Si 29 et Si 30. Si l’abondance relative du premier isotope est largement supérieure à celle des deux autres, de quelle valeur se rapprochera la masse atomique du silicium ?

16

La masse atomique du potassium (K) est de 39,10 u. Cet élément possède trois isotopes : K 39, K 40 et K 41. L’abondance relative de l’isotope le moins abondant, K 40, est de 0,0117 %. Calculez l’abondance relative des deux autres isotopes.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

27

1.2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

17

L’univers matériel

1.3

Nom :

Groupe :

Date :

Sachant que la masse de 1 neutron est égale à 1,674 × 10 -27 kg, calculez la masse de 25 neu trons en unités de masse atomique (u), en utilisant la formule de conversion suivante : 1 u = 1,66 × 10 -27 kg.

1.3

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 13, 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.

28

L’univers matériel

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1.3 L’univers matériel Le tableau périodique des éléments. FIGURE 13

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

29

Groupe :

1.3

Nom :

Date :

L’univers matériel

1.3.1 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 13, 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 14). 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 14), 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 14). Les métalloïdes

Les non-métaux

Les métaux

FIGURE

14

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 1.3.2 et 1.3.3, aux pages 31 à 33, vous verrez à quoi elles correspondent.

30

L’univers matériel

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Groupe :

1.3.2

Date :

1.3

Nom :

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 13, à la page 29). 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 15). 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. Les alcalins Les alcalino-terreux

Les gaz inertes

Lithium (Li)

Les halogènes

Sodium (Na)

FIGURE 15

Quatre des 18 familles du tableau périodique.

La famille 1 (I A) : les alcalins Situés dans la première colonne du tableau périodique (voir la gure 15), 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 16 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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Chapitre 1

Potassium (K)

La configuration électronique des alcalins montre que ceux-ci ne possèdent qu’un seul électron de valence. FIGURE 16

L’organisation de la matière

31

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.3

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 15, 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 17 montre la conguration électronique de trois éléments appartenant à la famille des alcalino-terreux.

Béryllium (Be) FIGURE 17

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

Fluor (F)

Les halogènes sont les éléments qui se trouvent dans l’avant-dernière colonne du tableau périodique (voir la gure 15, 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 18 présente la conguration électronique de deux éléments appartenant à la famille des halogènes. 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).

Chlore (Cl)

Les halogènes possèdent sept électrons de valence. FIGURE 18

32

L’univers matériel

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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Nom :

Groupe :

Date :

1.3

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 15, à la page 31). La dernière couche de ces éléments est saturée d’électrons : deux dans le cas de l’hélium (He), qui ne possède qu’une seule couche électronique, et huit pour les autres éléments de cette famille. C’est pour cette dernière raison que la numérotation de la colonne de ces éléments est VIII. La gure 19 montre la conguration électronique de trois éléments appartenant à la famille des gaz inertes. 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.

1.3.3

Les périodes du tableau périodique

Les rangées du tableau périodique sont appelées « périodes ». Elles sont numérotées de 1 à 7 (voir la gure 13, à la page 29). Lorsqu’on parcourt une rangée du tableau périodique de gauche à droite, on passe des métaux aux métalloïdes, puis aux non-métaux. De façon semblable, lorsqu’on garde le même sens de parcours, on rencontre un alcalin, un alcalino-terreux, un halogène, puis un gaz inerte et ainsi de suite dans la rangée suivante. Ce comportement périodique est caractéristique du tableau des éléments. C’est pourquoi on le nomme « tableau périodique », et que ses rangées sont appelées des « périodes ». Une période correspond à une rangée dans le tableau périodique, et ses éléments comptent le même nombre de couches électroniques.

Chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée à la 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 19). Il en est de même pour les autres périodes du tableau périodique (voir les gures 16, 17 et 18, aux pages 31 et 32).

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 dernière couche périphérique complète, soit huit électrons.

Hélium (He)

Néon (Ne)

FIGURE 19

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Chapitre 1

Argon (Ar)

L’organisation de la matière

33

L’univers matériel

1.3

Nom :

Groupe :

Activités

Date :

1.3.1 à 1.3.3

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 ?

34

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

1.3

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

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

Régions du tableau périodique Métaux

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Non-métaux

Métalloïdes

Chapitre 1

L’organisation de la matière

35

L’univers matériel

Nom :

7

L’univers matériel

1.3

Nom :

Groupe :

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 ?

36

L’univers matériel

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Date :

Dans la représentation du tableau périodique ci-dessous :

1.3

9

Groupe :

a ) identifiez les familles marquées d’une flèche ; b ) notez, dans le rectangle prévu à cette fin, le nombre d’électrons de valence que possèdent les éléments de chacune des familles.

10

Dans le tableau périodique, un élément est situé à gauche de l’escalier, bien qu’il soit un non-métal. a ) De quel élément s’agit-il ?

b ) Pourquoi cet élément est-il placé dans la première colonne du tableau périodique, alors qu’il ne fait pas partie de la famille des alcalins ?

11

À quelle famille chacun des éléments 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.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

37

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

1.3

Nom :

Groupe :

Date :

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

38

L’univers matériel

3

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Groupe :

1.3.4

La périodicité des propriétés

Date :

1.3

Nom :

STE

L’univers matériel

De nombreuses propriétés physicochimiques ont un comportement périodique lorsqu’on se déplace le long d’une période dans le tableau des éléments. C’est le cas du rayon atomique, de la conductibilité électrique, du point de fusion, etc. La périodicité des propriétés des éléments dans le tableau périodique correspond à la façon dont les propriétés physiques et chimiques des éléments se répètent régulièrement d’une période à l’autre.

Rayon atomique covalent (10 -12 m)

La gure 20 montre la variation périodique du rayon atomique covalent des 18 premiers éléments du tableau périodique en fonction de leur numéro atomique. Période 2

Période 1

Période 3

250 200 150 100 50 0 1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Numéro atomique

La variation du rayon atomique covalent des éléments des trois premières périodes du tableau périodique. FIGURE 20

En observant la gure 20, on constate que le rayon atomique covalent diminue le long d’une période lorsqu’on se déplace de gauche à droite. D’une part, le comportement du rayon atomique covalent le long d’une période s’explique par le fait que, à mesure qu’on se déplace vers la droite, le nombre de protons et d’électrons augmente, ce qui fait croître la force d’attraction électrique entre le noyau et les électrons. Cela a pour conséquence de diminuer le rayon de l’atome. D’autre part, le rayon augmente de haut en bas d’une colonne, car, chaque fois qu’on passe d’une période à une autre, une couche électronique est ajoutée. Cet ajout a pour effet d’augmenter la taille des atomes. La gure 21 (voir la page suivante) constitue une autre façon de représenter la variation du rayon atomique covalent des éléments du tableau périodique.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

39

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.3

Nom :

21 La représentation schématique de la variation du rayon atomique covalent de certains éléments du tableau périodique. Plus le rayon atomique covalent d’un élément est grand, plus la sphère qui le représente est grande, et vice-versa. FIGURE

1.3.5

La notation de Lewis

Les propriétés chimiques des éléments sont largement déterminées par le nombre d’électrons de valence, c’est-à-dire les électrons qui se trouvent sur la couche périphérique de l’atome. Ainsi, les éléments d’une même famille, qui partagent un ensemble de propriétés communes, ont le même nombre d’électrons de valence, sauf l’hélium (He). Si la couche périphérique d’un élément est saturée, comme c’est le cas des éléments de la famille des gaz inertes, cet élément sera très stable chimiquement. Par contre, si la couche périphérique d’un élément ne contient qu’un seul électron, comme c’est le cas des éléments de la famille des alcalins, cet élément sera très réactif. Les électrons de valence étant les électrons les plus importants dans le comportement chimique des éléments, il n’est pas utile de représenter toute la 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.

F Fluor

Na

Al

Cl

Sodium

Aluminium

Chlore

Ca

Br

Calcium

Brome

La notation de Lewis de quelques éléments du tableau périodique. FIGURE 22

40

L’univers matériel

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.

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 22).

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Groupe :

1.3.4 et 1.3.5

1

STE Expliquez ce qu’est une propriété périodique dans le tableau périodique des éléments. Donnez un exemple.

2

Des deux éléments suivants, lequel possède le plus grand rayon atomique covalent : le chlore (Cl) ou le sodium (Na) ? Expliquez votre réponse.

3

Deux éléments sont situés dans la première colonne du tableau périodique : le premier élément est dans la deuxième période et le second, dans la quatrième. Lequel de ces éléments possède le plus grand rayon atomique covalent ?

4

S T E L’électronégativité désigne la propriété que possède un élément d’attirer les électrons lors de la formation d’une liaison chimique avec un autre élément. Le graphique ci-dessous représente la variation de cette propriété en fonction du numéro atomique de certains éléments du tableau périodique. Observez bien ce graphique et répondez aux questions de la page suivante.

STE

STE

4,5 4,0

Électronégativité

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 3

4

5

6

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7

8

9 10 11 12 Numéro atomique

Chapitre 1

13

14

15

16

17

L’organisation de la matière

18

41

L’univers matériel

Activités

Date :

1.3

Nom :

Date :

1.3

Groupe :

a ) Combien de périodes sont représentées dans ce graphique ?

L’univers matériel

Nom :

b ) Comment évolue l’électronégativité le long d’une période du tableau périodique ?

c ) Déterminez la valeur approximative de l’électronégativité du bore (B). Présentez une solution numérique et une solution graphique.

4,5 4,0

Électronégativité

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 3

42

L’univers matériel

4

5

6

7

8

9 10 11 12 Numéro atomique

13

14

15

16

17

18

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Date :

STE L’énergie d’ionisation représente l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. Observez le graphique suivant qui montre la variation de l’énergie d’ionisation en fonction du numéro atomique de quelques éléments du tableau périodique.

Énergie d’ionisation (eV)

30 25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Numéro atomique

a ) Comment varie l’énergie d’ionisation des gaz inertes ?

b ) Dans une même période, quel est l’élément qui a la plus grande énergie d’ionisation : l’élément « alcalin » ou l’élément « gaz inerte » ?

6

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Tous les électrons d’un élément sont représentés selon la notation de Lewis.

b ) Dans la notation de Lewis, les électrons sont représentés par des points.

c ) Deux points seront nécessaires pour représenter les éléments de la famille des alcalins selon la notation de Lewis.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

43

1.3

5

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Date :

d ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments d’une même période sont représentés par le même nombre de points.

1.3 L’univers matériel

Groupe :

e ) Selon la notation de Lewis, tous les éléments qui sont représentés par un seul point sont des alcalins.

7

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 ?

8

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

44

L’univers matériel

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Les molécules

Date :

STE

L’univers matériel

1.4

Groupe :

1.4

Nom :

Dans la nature, très peu d’éléments du tableau périodique existent sous la forme d’atomes individuels. On y trouve plutôt des combinaisons d’atomes chimiquement liés entre eux. Ainsi, les diverses combinaisons qu’il est possible de réaliser avec la centaine d’éléments différents contenus dans le tableau périodique témoignent de la diversité des substances qu’on peut découvrir dans la nature. Cette variété de molécules est d’autant plus grande que certaines combinaisons sont constituées de deux atomes, alors que d’autres peuvent en contenir un très grand nombre. Une molécule est un regroupement de deux ou de plusieurs atomes, identiques ou différents, unis les uns aux autres par des liaisons chimiques.

La molécule de dioxygène (O2), par exemple, est formée de deux atomes d’un même élément, soit deux atomes d’oxygène (O), alors que la molécule d’eau (H2O) contient trois atomes de deux éléments différents : un atome d’oxygène (O) et deux atomes d’hydrogène (H).

1.4.1

La nature de la liaison

Dans le but d’atteindre la stabilité chimique, les atomes cherchent à acquérir la conguration électronique du gaz inerte qui est le plus proche d’eux dans le tableau périodique. C’est ce qu’on appelle la « règle de l’octet ». Cela s’obtient de deux manières différentes : soit par le transfert d’un ou de plusieurs électrons d’un atome à un autre, soit par le partage d’un ou de plusieurs électrons entre les atomes. Il se produit alors une liaison chimique des molécules. Vous étudierez, dans la présente section, les deux types de liaison chimique : la liaison ionique et la liaison covalente.

La liaison ionique La liaison ionique est obtenue par le transfert d’électrons d’un atome dont la couche périphérique est presque vide vers un atome dont la couche périphérique est presque pleine.

Ce cas est typique d’une liaison entre un métal et un non-métal. Le métal va céder son ou ses électrons de valence à un non-métal pour que ce dernier complète sa couche périphérique. La liaison se forme lorsque les deux atomes remplissent leur couche périphérique en ayant la conguration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique. La formation de la molécule de chlorure de sodium (NaCl) est un bon exemple pour illustrer une liaison ionique (voir la gure 23, à la page 46). Il est important de mentionner, à ce stade-ci, que la formule moléculaire d’un composé formé d’un métal et d’un non-métal commence toujours par le symbole du métal.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

45

Nom :

Groupe :

Date :

1.4

Voici comment se forme la molécule de chlorure de sodium (NaCl).

L’univers matériel

Avant la formation de la liaison

Sodium (Na)

Chlore (Cl)

a ) Le sodium (Na) possède un électron de valence, alors que le chlore (Cl) en possède sept.

Pendant la formation de la liaison

Sodium (Na)

Chlore (Cl)

b ) Le sodium (Na) cède son électron de valence au chlore (Cl) pour que ce dernier complète sa couche périphérique et pour que la sienne soit complétée. Ainsi, l’avant-dernière couche du sodium (Na) devient sa couche périphérique.

Après la formation de la liaison

Ion sodium (Na +)

Ion chlore (Cl - )

c ) En perdant un électron, le sodium n’est plus électriquement neutre : il devient un ion positif Na +. En gagnant un électron, le chlore devient un ion négatif Cl - . Avec ce transfert d’électron, Na+ et Cl - ont maintenant huit électrons sur leur couche périphérique. Ces deux ions ont ainsi la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique : le néon (Ne) pour Na + et l’argon (Ar) pour Cl - .

La formation de la molécule de chlorure de sodium (NaCl) fait intervenir une liaison ionique. FIGURE 23

Bien que la molécule formée soit globalement neutre électriquement, ce n’est pas le cas de chaque atome qui la constitue. En effet, 46

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

+

-

L’univers matériel

Comme les atomes qui ne sont pas électriquement neutres sont nommés « ions », la liaison formée est qualiée de « liaison ionique ». En fait, la liaison ionique qui est formée par le transfert d’électrons d’un atome à un autre est due à l’attraction électrique entre l’ion positif (cation) Na+ et l’ion négatif (anion) Cl-, comme le montre la gure 24.

1.4

le sodium (Na), qui a perdu un électron, possède toujours 11 protons mais seulement 10 électrons, ce qui lui confère une charge positive excédentaire. Le chlore (Cl), qui a désormais 17 protons et 18 électrons, aura une charge négative excédentaire.

Date :

L’attraction électrique entre les ions Na+ et Cl permet la formation de la molécule de chlorure de sodium (NaCl). FIGURE 24 -

Avant la formation de la liaison

La liaison covalente Le transfert d’électrons entre deux non-métaux ne permet pas à ce type d’éléments de remplir leur couche périphérique et de former des liaisons selon ce procédé. Les électrons sont alors partagés par les atomes au lieu d’être transférés d’un atome à un autre. Les non-métaux ont plutôt tendance à partager des électrons, créant ainsi des liaisons covalentes.

La formation de la molécule de dichlore (Cl2) est un exemple qui illustre bien la liaison covalente (voir la gure 25). La notation de Lewis est utilisée pour représenter ce type de liaison. Contrairement à la liaison ionique, la liaison covalente ne crée pas d’ions, car il n’y a pas d’électrons qui sont perdus ou gagnés. Lorsque deux électrons sont partagés, il y a formation d’un doublet électronique, et la liaison covalente est dite « simple » (comme dans le cas du Cl2, à la gure 25). Certaines molécules nécessitent une double liaison covalente (deux doublets électroniques), comme le dioxyde de carbone (CO2), ou une triple liaison covalente (trois doublets électroniques), comme le diazote (N2). Dans une liaison ionique, un composé ne peut être formé entre un métal et un non-métal que si le nombre d’électrons perdus par l’atome métal lique ou les atomes métalliques est égal au nombre d’électrons gagnés par l’atome non métallique ou les atomes non métalliques. Dans une liaison covalente où le composé est formé par deux non-métaux, le nombre d’électrons partagés par les deux non-métaux doit être égal. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chlore Chlore a ) Chaque atome de chlore (Cl) possède sept électrons de valence.

Pendant la formation de la liaison

Chlore

Chlore

b ) Chaque atome de chlore (Cl) partage un électron.

Après la formation de la liaison

Chlore

Chlore

ou

c ) Comme les électrons partagés appartiennent aux deux atomes de chlore (Cl), chaque atome a huit électrons sur sa couche périphérique.

La formation de la molécule de dichlore (Cl2) fait intervenir une liaison covalente. FIGURE 25

Chapitre 1

L’organisation de la matière

47

Groupe :

L’univers matériel

1.4

Nom :

Date :

L’élaboration d’une formule moléculaire De façon générale, on établit la formule moléculaire d’un composé à partir du nom des éléments qui le composent. Le tableau suivant présente les étapes qui permettent d’établir la formule moléculaire d’un composé binaire, c’est-à-dire d’un composé constitué de deux sortes d’éléments, soit un métal et un non-métal. Le composé binaire donné en exemple est le dichlorure de calcium (CaCl 2). TABLEAU 4

Les étapes d’élaboration d’une formule moléculaire Étapes

Exemple (CaCl2)

1. Écrire le symbole du métal.

Ca

2. Déterminer le nombre de liaisons que peut former le métal. (Ce nombre est égal au numéro de la colonne du tableau périodique des éléments dans laquelle figure le métal.)

Le Ca peut former 2 liaisons.

3. Écrire le symbole du non-métal.

Cl

4. Déterminer le nombre de liaisons que peut former le non-métal. (Ce nombre est égal à 8 moins le numéro de la colonne du tableau périodique des éléments dans laquelle figure le non-métal.)

Le Cl peut former 1 liaison :

5. Calculer le plus petit commun multiple (PPCM) entre les nombres de liaisons du métal et du non-métal.

Le PPCM entre 2 et 1= 2.

6. Trouver le nombre d’atomes de chaque élément qui compose la molécule. Ce nombre s’obtient en divisant le PPCM par le nombre de liaisons que peut former l’élément. Ce nombre figure en indice dans la formule moléculaire.

Nombre d’atomes de

7. Écrire la formule moléculaire du composé.

CaCl2

Activités 1

1.4.1

(8 - 7) = 1

Ca = 2 ÷ 2 = 1 Nombre d’atomes de Cl = 2 ÷ 1 = 2

STE

Associez chacun des éléments de la colonne de gauche à l’élément qui lui correspond dans la colonne de droite. a ) Un ion b ) Un ion négatif

1) Un regroupement de deux ou de plusieurs atomes identiques ou différents, unis les uns aux autres par des liaisons chimiques.

c ) Un ion positif

2) Un atome qui n’est pas électriquement neutre.

d ) Une molécule

3) Un anion 4) Un cation

48

L’univers matériel

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Date :

Les atomes cherchent à acquérir la configuration électronique du gaz inerte situé le plus près d’eux dans le tableau périodique des éléments.

1.4

2

Groupe :

a ) Comment nomme-t-on la règle qui est à la base de cet énoncé ?

L’univers matériel

Nom :

b ) Décrivez comment se forme une liaison chimique entre deux éléments, qui découle de cette règle.

3

Y a-t-il un déplacement de nucléons lors de la formation d’une liaison chimique ? Expliquez votre réponse.

4

Pourquoi une liaison entre un métal et un non-métal est-elle qualifiée de « liaison ionique » ?

5

Soit une liaison entre un métal et un non-métal. a ) Dans cette liaison, lequel du métal ou du non-métal cède des électrons et lequel en gagne ? Répondez à la question en complétant l’illustration ci-dessous.

Lithium (Li)

Fluor (F)

b ) Identifiez, dans cette liaison, l’anion et le cation.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

49

6

Groupe :

Date :

Dans une liaison formée par un métal et un non-métal : a ) comment y a-t-il formation d’ions ? Entourez la bonne réponse.

L’univers matériel

1.4

Nom :

1) Dans une liaison formée par un métal et un non-métal, le métal perd un ou des électrons et devient un ion négatif (anion). Le non-métal gagne un ou des électrons et devient un ion positif (cation). 2) Dans une liaison formée par un métal et un non-métal, le métal perd un ou des électrons et devient un ion positif (cation). Le non-métal gagne un ou des électrons et devient un ion négatif (anion). b ) quelle est la relation entre le nombre d’électrons perdus et le nombre d’électrons gagnés ?

7

Observez la figure ci-dessous. Puis, répondez aux questions qui suivent.

Molécule d’eau (H2O)

a ) Quelle sorte de liaison les deux non-métaux forment-ils ?

b ) Comment nomme-t-on chaque paire d’électrons encerclée en rouge ?

c ) Dans cette molécule, combien d’électrons chaque atome d’hydrogène (H) a-t-il ?

d ) Combien de doublets électroniques cette molécule compte-t-elle ?

8

Complétez le texte suivant en écrivant les mots « ionique » et « covalent » aux endroits appropriés. Une liaison liaison

se forme entre un métal et un non-métal, alors qu’une lie chimiquement deux non-métaux. Contrairement à la liaison , qui est caractérisée par la formation de doublets électroniques,

la liaison

50

L’univers matériel

est due à l’attraction électrique entre des ions.

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Date :

Considérons la formation de la molécule d’oxyde de magnésium (MgO). a ) À l’aide de la notation de Lewis, schématisez, dans les rectangles prévus à cette fin, la formation de cette molécule en trois étapes. b ) Expliquez, sous chaque figure, le processus de formation de l’étape dont il est question. c ) De quelle sorte de liaison s’agit-il ?

Avant la formation de la liaison

Explication :

Pendant la formation de la liaison

Explication :

Après la formation de la liaison

Explication :

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

51

1.4

9

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

10

Groupe :

Date :

Voici une représentation d’une portion du tableau périodique des éléments. Répondez aux questions qui suivent concernant des éléments de ce tableau.

L’univers matériel

1.4

Nom :

a ) Donnez deux exemples d’éléments qui forment des liaisons ioniques.

b ) Donnez deux exemples d’éléments qui forment des liaisons covalentes.

c ) Y a-t-il des éléments qui ne forment pas de liaisons entre eux ou avec d’autres éléments ? Si oui, lesquels ?

11

On cherche à former un composé binaire avec les éléments « magnésium » et « azote ». a ) La liaison entre ces deux éléments est-elle ionique ou covalente ? Expliquez votre réponse.

b ) Remplissez le tableau ci-dessous et déterminez le nombre de liaisons que peut former chaque élément. Expliquez vos réponses. Symbole de l’élément

52

L’univers matériel

Nombre de liaisons

Explications

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Date :

c ) Quelle est la formule moléculaire du composé formé par ces deux éléments (le magnésium et l’azote) ? Répondez à la question en respectant les étapes décrites dans le tableau 4, à la page 48. Étape 1

Étape 5

Étape 2

Étape 6

Étape 3 Étape 4

Étape 7

d ) Y aura-t-il formation d’ions lorsque ce composé sera formé ? Si oui, lesquels ?

12

STE

L’atome d’hydrogène (H) possède un seul électron, comme le montre l’illustration suivante.

a ) Représentez schématiquement la molécule de dihydrogène (H2) en utilisant l’illustration de l’atome d’hydrogène (H) ci-dessus.

b ) Par quelle sorte de liaison cette molécule est-elle formée ?

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

53

1.4

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

13

Groupe :

Date :

Soit la molécule de dioxygène (O2). a ) À l’aide de la notation de Lewis, schématisez, dans les rectangles prévus à cette fin, la formation de cette molécule en trois étapes.

L’univers matériel

1.4

Nom :

b ) Expliquez, sous chaque figure, le processus de formation de l’étape dont il est question. c ) De quelle sorte de liaison s’agit-il ?

Avant la formation de la liaison

Explication :

Pendant la formation de la liaison

Explication :

Après la formation de la liaison

Explication :

54

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

1.4

Nom :

L’univers matériel

1.4.2 Les règles de nomenclature et d’écriture des composés binaires Dans le but d’identier clairement la très grande variété de composés qui existent dans la nature, les scientiques ont établi des règles permettant aussi bien de nommer les molécules (nomenclature) que d’écrire les formules moléculaires de ces composés. Il ne sera question ici que des composés binaires. Le tableau suivant présente les règles utilisées pour nommer les composés binaires à partir de leur formule moléculaire. Le composé binaire donné en exemple est le dichlorure de calcium (CaCl2). On peut aussi, en se basant sur ce tableau, faire l’inverse, c’est-à-dire trouver une formule moléculaire à partir d’un composé binaire. Les règles de nomenclature et d’écriture des formules moléculaires des composés binaires TABLEAU 5

Règles

Exemple (CaCl2)

1. L’élément qui apparaît en second dans la formule moléculaire est nommé en premier lieu.

Chlore

2. On lui ajoute le suffixe « ure » (voir le tableau 6 pour des exceptions).

Chlorure

3. L’élément qui apparaît en premier dans la formule moléculaire est nommé en second lieu, sans aucune modification.

Calcium

4. Le nombre d’atomes de chaque élément (le chiffre placé en indice) est représenté par un préfixe qui est ajouté au nom de l’élément (voir le tableau 7 pour une liste de préfixes). Remarque : Lorsque l’indice est égal à 1, il n’est pas indiqué.

2

5. On nomme le composé. 6. On écrit la formule moléculaire du composé.

TABLEAU 6

Quelques préfixes représentant le nombre d’atomes de chaque élément d’un composé TABLEAU 7

Di

Nombre d’atomes

Préfixe

1

Mono*

2

Di

Dichlorure de calcium

3

Tri

CaCl2

4

Tétra

5

Penta

6

Hexa

7

Hepta

2 atomes de chlore Dichlorure

Des exceptions à la règle du suffixe « ure » Élément

Nomenclature

Oxygène

Oxygènure

Oxyde

8

Octa

Hydrogène

Hydrogènure

Hydrure

9

Nona

Carbone

Carbonure

Carbure

10

Déca

Soufre

Soufrure

Sulfure

Azote

Azoture

Nitrure

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*

Chapitre 1

Seul le suffixe « mono » peut être omis, si cela ne crée pas d’ambiguïté.

L’organisation de la matière

55

L’univers matériel

1.4

Nom :

Groupe :

Activités 1

2

3

1.4.2

Date :

STE

Nommez les composés suivants en utilisant les règles de nomenclature. a ) Mg3N2

g ) MgO

b ) CO2

h ) Fe3O4

c ) CCl4

i ) MgCl2

d ) KBr

j ) O2

e ) Al2O3

k ) HCl

f ) PbI2

l ) Na2O

Écrivez les formules moléculaires des composés suivants. a ) Chlorure de sodium

g ) Trichlorure d’aluminium

b ) Monoxyde de cuivre

h ) Iodure de sodium

c ) Tétrachlorure de silicium

i ) Hexafluorure de soufre

d ) Fluorure de lithium

j ) Trioxyde de difer

e ) Pentaoxyde de diphosphore

k ) Monoxyde de carbone

f ) Dibromure de magnésium

l ) Tribromure d’antimoine

Soit les composés représentés ci-dessous. 1)

2) Br

P

C

Br

Cl

Cl

Br Cl

Br

56

a ) Quel est le nom de ce composé ?

a ) Quel est le nom de ce composé ?

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

L’univers matériel

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Nom :

b ) LiCl

c ) CCl4

1.5

Entourez, parmi les molécules suivantes, celles qui sont formées par des liaisons covalentes. a ) N2

5

Date :

d ) Na2O

L’univers matériel

4

Groupe :

Soit la molécule représentée ci-dessous.

a ) Quel est le nom de cette molécule ?

1.5

b ) Quelle est sa formule moléculaire ?

La notion de mole et le nombre d’Avogadro

STE

Les atomes sont des particules inniment petites. Si on voulait compter le nombre d’atomes impliqués dans la matière manipulée dans les activités quotidiennes, le calcul serait constitué de très grands nombres. Pour remédier à ce problème, les scientiques ont convenu de regrouper ces particules, comme il est d’usage de le faire avec les œufs ou les clous qu’on regroupe respectivement par douzaines et par centaines.

1.5.1

La notion de mole

La mole (mol) est une des unités de base du système international d’unités (SI). La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’atomes contenus dans 12,00000 g de carbone 12.

Flash science Le système international d’unités (SI) est le système d’unités le plus large ment utilisé dans le monde. Il comporte sept uni tés de base : le mètre (m), le kilo gramme (kg), la seconde (s), l’ampère (A), le kelvin (K), la mole (mol) et la candela (cd).

Rappelez-vous que le carbone 12 (C 12) vient du choix de l’isotope C 12 comme élément de référence du tableau périodique.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

57

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.5

Il est à noter que la notion de mole ne s’applique pas uniquement aux atomes, mais aussi aux molécules, aux ions, etc. Ainsi, on peut en déduire qu’il y a, par exemple, une mole de molécules d’eau (H 2O) dans 18,0 g d’eau et une mole d’atomes de soufre (S) dans 32,0 g de soufre (S), comme l’illustre la gure 26.

Hélium (He) 4,0 g

Fer (Fe) 55,8 g

FIGURE 26

Eau (H2O) 18,0 g

Éthanol (C2H5OH) 46,1 g

Carbone (C) 12,0 g

Sel (NaCl) 58,5 g

Mercure (Hg) 200,6 g

Soufre (S) 32,0 g

Glucose (C6H12O6) 180,2 g

Voici des échantillons d’une mole de différentes substances.

Cette façon de dénombrer les atomes ou les molécules est intéressante dans la mesure où elle revient à effectuer une simple pesée. Par exemple, si l’on pèse 58,5 g de chlorure de sodium (NaCl), on pèse une mole.

1.5.2

Le nombre d’Avogadro

Le nombre d’atomes de C 12 contenus dans une mole de C 12 est égal au nombre d’Avogadro, soit NA = 6,02 × 1023.

C’est aussi ce nombre de molécules d’eau (H2O) qui est contenu dans une mole d’eau, c’est-à-dire dans 18,0 g de ce composé. Le nombre d’Avogadro est un nombre extrêmement grand. Pour se faire une idée de l’ordre de grandeur de ce nombre, une mole de secondes représente près de 20 millions de milliards d’années, soit environ 4 millions de fois l’âge estimé de la Terre. 58

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.5

Il est possible de calculer le nombre de particules (N) contenues dans une substance en utilisant le nombre d’Avogadro (NA) et le nombre de moles (n) d’atomes ou de molécules, comme le montre l’équation ci-dessous. N = n × NA

L’exemple suivant présente la façon de calculer le nombre d’atomes d’une substance à partir du nombre de moles de cette substance. Exemple A Combien d’atomes de fer (Fe) sont contenus dans 2,5 mol de fer ? Données : n = 2,5 mol NA = 6,02 × 1023 atomes/mol N=?

Calcul : N = n × NA = 2,5 mol × 6,02 × 1023 atomes/mol ≈ 1,5 × 1024 atomes

Il y a environ 1,5 × 1024 atomes de fer (Fe) dans 2,5 mol de fer.

1.5.3

La masse molaire

La masse molaire (M ) d’une substance donnée est la masse d’une mole de particules de cette substance. Son unité usuelle est le gramme par mole (g/mol). Lorsqu’il est question d’atomes, on parle de masse molaire atomique ; lorsqu’il s’agit de molécules, on parle de masse molaire moléculaire.

Communauté scientifique Amadeo Avogadro (1776-1856)

Physicien italien et fils de magistrat, Amadeo Avogadro suivit d’abord les traces de son père. Cependant, après avoir passé cinq années à exercer le droit, il abandonna cette profession et entreprit des études en physique. Sa carrière de physicien fut brillante. Avogadro énonça, entre autres choses, la loi qui stipule que des volumes égaux de gaz différents, dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules. Il fut aussi le pre mier à établir une différence entre les atomes et les molé cules. En l’honneur des découvertes d’Avogadro, les scientifiques ont donné son nom au nombre qui représente le nombre d’unités présent dans une mole.

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

59

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

1.5

Dans le tableau périodique, la masse atomique d’un élément est donnée en unités de masse atomique (u). On peut déduire la masse molaire atomique de cet élément en exprimant en grammes (g) la valeur numérique de sa masse atomique (voir le tableau 8). La masse atomique et la masse molaire de quelques éléments du tableau périodique TABLEAU 8

Élément

Masse atomique (u)

Masse molaire (g/mol)

Carbone (C)

12,01

12,01

Oxygène (O)

16,00

16,00

Sodium (Na)

22,99

22,99

La masse molaire (M ) moléculaire se calcule en effectuant la somme des masses atomiques des éléments qui constituent la molécule, comme le montre l’exemple B. Exemple B Quelle est la masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone (CO2) ? Données :

Calcul :

M C = 12,01 g /mol

M CO2 = M C + 2 (M O)

M O = 16,00 g /mol

= 12,01 g/mol + 2 × 16,00 g /mol

M CO2 = ?

= 44,01 g/mol

La masse molaire moléculaire du dioxyde de carbone (CO2) est de 44,01 g/mol.

Le nombre de moles (n) d’atomes ou de molécules d’une substance peut être calculé à partir de la masse (m) de cette substance et de sa masse molaire (M ) atomique ou moléculaire à l’aide de l’équation suivante :

Voici un exemple de calcul. Exemple C Quel est le nombre de moles contenues dans 45,98 g de sodium (Na) ? Données :

Calcul :

M Na = 22,99 g/mol m = 45,98 g n=?

Le nombre de moles contenues dans 45,98 g de sodium (Na) est de 2,00 mol.

60

L’univers matériel

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Groupe :

1

1.5

STE

Entourez les énoncés ci-dessous qui correspondent à la définition d’une mole. a ) La mole est le nombre d’atomes contenus dans une matière. b ) La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’atomes contenus dans 12,00000 g de carbone 12. c ) La mole est une quantité de matière qui correspond au nombre d’Avogadro dont la valeur est de 6,02 × 1023. d ) La mole est le nombre de molécules contenues dans une matière.

2

Complétez le tableau suivant en identifiant les différentes sortes d’atomes contenus dans chaque molécule. Molécule

Différentes sortes d’atomes

1 molécule de NaCl 1 molécule de NaOH 1 molécule de C6H12O6 1 molécule de Ca(OH)2 1 molécule de CH4 3

4

Inscrivez, dans le tableau suivant, le nombre d’atomes de chaque sorte contenus dans les composés moléculaires donnés. Composé moléculaire

Nombre de molécules

H2SO4

1

CaCl2

10

CH4

50

NaNO3

100

C3H8

25

Nombre d’atomes de chaque sorte

Qu’est-ce que le nombre d’Avogadro ?

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Chapitre 1

L’organisation de la matière

61

L’univers matériel

Activités

Date :

1.5

Nom :

5

L’univers matériel

1.5

Nom :

Groupe :

Date :

Remplissez le tableau suivant en notant la formule moléculaire, le nombre de moles et le nombre de moles d’atomes de chaque sorte correspondant à chacune des quantités données. Quantité

Formule moléculaire

Nombre de moles

Nombre de moles d’atomes

1 mole de NaCl 5 moles de NaOH 0,5 mole de C6H12O6 1,5 mole de Ca(OH)2

6

Combien d’atomes ou de molécules sont contenus dans les quantités suivantes ? a ) 1 mole de Ne

b ) 2 moles de H2O

c ) 0,8 mole de KCl

d ) 100 moles de H3PO4

62

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Combien de moles d’atomes ou de molécules sont contenues dans :

1.5

7

Groupe :

L’univers matériel

a ) 7,826 × 1023 atomes de Cl ?

b ) 1,505 × 1024 molécules de AlBr3 ?

c ) 9,03 × 1025 molécules de CuO ?

d ) 2,107 × 1026 molécules de N2 ?

8

Qu’est-ce que la masse molaire moléculaire ?

9

Inscrivez, dans les tableaux suivants, la masse molaire atomique des éléments donnés. Élément

Masse molaire atomique

Élément

Fe

H

Cl

W

Na

Kr

Be

Cs

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Chapitre 1

Masse molaire atomique

L’organisation de la matière

63

10

Groupe :

Date :

Calculez la masse molaire moléculaire des composés suivants. a ) H3PO4

L’univers matériel

1.5

Nom :

b ) Ca(OH)2

11

Calculez le nombre de moles d’atomes ou de molécules contenues dans les quantités suivantes. a ) 45,61 g de Zr

b ) 169,89 g de SiCl4

64

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Calculez la masse de chacun des échantillons suivants.

1.5

12

Groupe :

L’univers matériel

a ) 2 mol de Cu

b ) 1,6 mol de CO2

Consolidation du chapitre 1

1

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

Modèle de Démocrite

Modèle d’Aristote

Modèle de Dalton

Modèle de Thomson

Modèle de Rutherford

-500

Naissance de J.-C.

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Années

1200

Chapitre 1

1600

1800

L’organisation de la matière

2000

65

L’univers matériel

Nom :

2

Groupe :

Date :

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

VIII

1

IV

XIII

2

X

I 3

4 5

VII

6

V

IX

7 8

XII 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

66

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.

VIII

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

IX

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

8

Son symbole est Sn.

9

Autre nom des gaz inertes.

10

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

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…

L’univers matériel

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. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Date :

Remplissez le tableau qui suit.

L’univers matériel

3

Groupe :

Les caractéristiques du silicium (Si)

Numéro atomique

Nombre de masse

Métal, non-métal ou métalloïde

Masse atomique

État à la température ambiante

Masse molaire

Nombre de protons

Numéro de colonne dans le tableau périodique

Nombre d’électrons

Numéro de période dans le tableau périodique

Nombre d’électrons de valence

Nombre de couches électroniques

Nombre de neutrons S T E

Configuration électronique

Nombre de nucléons S T E

Configuration atomique S T E

Nombre de particules subatomiques

Représentation selon la notation de Lewis

STE

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STE

STE

Chapitre 1

L’organisation de la matière

67

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

(suite) Les caractéristiques du silicium (Si)

Nombre de moles d’atomes de Si contenues dans 100 g de Si S T E

Nombre d’atomes de Si contenus dans 1 g de Si S T E

4

Notez, dans le tableau ci-dessous, le type de liaison (covalente ou ionique) que décrit chaque caractéristique. STE

Caractéristique

Type de liaison

Liaison métal–non-métal. Liaison non-métal–non-métal. Liaison produisant des doublets électroniques. Liaison produisant des ions. Liaison dans laquelle, après réaction chimique, les deux éléments ont la configuration électronique des gaz inertes les plus proches. Liaison formée par une attraction électrique. Liaison formée grâce au partage d’électrons. Liaison caractérisée par le transfert d’électrons d’un atome vers un autre. Liaison entre l’aluminium et l’oxygène. Liaison entre deux atomes d’hydrogène. Liaison permettant la formation du trichlorure de fer. Liaison permettant la formation du diazote. Liaison permettant la formation du HCl. Liaison permettant la formation du PbI2. 68

L’univers matériel

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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.

69

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 d’abord étudier la formation des ions constitués d’un seul atome, puis de ceux constitués d’un groupe d’atomes qu’on nomme « ions polyatomiques ».

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).

70

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

71

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

2.1

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 -. 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 -.

2.1.2

Les ions polyatomiques

STE

Dans notre environnement, il n’y a pas que des composés binaires, c’est-à-dire des composés faits d’atomes de deux éléments différents, tel le chlorure de sodium (NaCl). Il existe aussi un grand nombre de composés qui sont constitués de plus de deux sortes d’éléments, comme le nitrate de lithium (LiNO3). Lors de sa dissolution, le nitrate de lithium se sépare en un ion positif (Li+) et un ion négatif (NO3 -). Le groupe d’atomes chargé, NO3 -, est un ion au même titre que les ions formés d’un seul atome (par exemple, l’ion Li+). Il faut le considérer comme un tout indissociable que l’on nomme « ion polyatomique ». Un ion polyatomique est un groupe de deux ou de plusieurs atomes chimiquement liés, qui porte une charge électrique causée par un surplus ou un déficit d’électrons. Les ions polyatomiques les plus courants TABLEAU 2

Formule chimique H3O+

Hydronium

NH4+

Ammonium

OH

72

Nom de l’ion

-

Hydroxyde

NO3-

Nitrate

NO2-

Nitrite

HCO3-

Hydrogénocarbonate

SO42-

Sulfate

PO43-

Phosphate

CO32-

Carbonate

L’univers matériel

D’une manière générale, il existe plus d’anions polyatomiques que de cations polyatomiques. Les cations polyatomiques, tel l’ammonium (NH4 +), sont habituellement unis à un atome non métallique ; c’est le cas du chlorure d’ammonium (NH4Cl). Les anions polyatomiques, tels les sulfates (SO42 - ), sont unis soit à un métal, c’est le cas du sulfate de magnésium (MgSO4 ), soit à l’hydrogène (H). Le tableau 2 présente les ions polyatomiques les plus courants. Il est difcile de prévoir la charge d’un ion polyatomique en se basant sur les atomes qui le constituent ; il est plus aisé de déterminer sa charge en tenant compte de la formule chimique du composé. Par exemple, le sulfate de sodium (Na2SO4) est un composé électriquement neutre, constitué d’ions sodium (Na+) et d’ions sulfate (SO42 -). Étant donné que le sodium appartient à la famille I A, on peut en déduire qu’il ne perd qu’un électron pour former un ion Na+. Comme il y a deux ions positifs (Na+), l’ion sulfate doit posséder deux charges négatives pour contrebalancer les deux charges positives du sodium de façon que le composé soit électriquement neutre. Par conséquent, on peut déterminer que l’ion sulfate s’écrit SO42 -.

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Groupe :

1

2.1

L’univers matériel

Activités

Date :

2.1

Nom :

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

4

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

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

d ) K2S

g ) MnS

b ) MgF2

e ) BN

h ) Cu2O

c ) Al2O3

f ) CuO

i ) CoCl3

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

73

L’univers matériel

2.1

Nom :

5

Groupe :

Date :

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)

c)

e)

b)

d)

f)

6

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+

74

L’univers matériel

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STE

Date :

Les énoncés suivants décrivent les ions polyatomiques. Entourez l’énoncé qui est faux.

a ) Un ion polyatomique est un ion au même titre que les ions formés d’un seul atome et il faut le considérer comme un tout indissociable. b ) Un ion polyatomique est un groupe d’atomes chimiquement liés, qui porte une charge élec­ trique positive ou négative à la suite de la perte ou du gain d’un ou de plusieurs électrons. c ) Les anions polyatomiques sont toujours liés à des atomes non métalliques. d ) Les cations polyatomiques existent, même s’ils sont peu nombreux. 8

Complétez les tableaux ci­dessous. Écrivez, selon le cas, le nom de l’ion polyatomique ou sa formule chimique. STE

Formule chimique

Nom de l’ion

Formule chimique

SO42-

Hydronium PO43-

Ammonium OH -

Carbonate HCO3-

Nitrate 9

Parmi les quatre composés ci­dessous, lequel ne contient pas d'ions polyatomiques ? STE Entourez la bonne réponse. a ) Cr(NO3)3

10

b ) KHCO3

c ) (NH4)2CO3

d ) C2H5OH

En vous basant sur le tableau 2 présenté à la page 72, déterminez la charge de l’ion STE métallique dans les composés ioniques suivants. Composé ionique

11

Nom de l’ion

STE

Ion métallique

Composé ionique

Cu(OH)2

BaSO4

Fe2(CO3)3

Ag3PO4

Mn(HCO3)2

Th(NO3)4

Cr2(SO4)3

V(CO3)2

Ca3(PO4)2

Cs2SO4

Ion métallique

Quelle est la charge de l’ion polyatomique de chacun des composés ioniques suivants ?

Composé ionique

Ion polyatomique

Composé ionique

B2(Cr2O7)3

K2WO4

Al(ClO4)3

MgMoO4

LiBrO3

Na4P2O7

Na3VO4

Al2(SO3)3

Ca(IO3)2

Na2S2O3

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Chapitre 2

Ion polyatomique

Les propriétés physiques des solutions

75

2.1

7

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

2.2

Nom :

Date :

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.

Une expérience de conductibilité électrique. FIGURE 4

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. Un électrolyte est une substance qui, une fois dissoute dans l’eau, permet le passage du courant électrique.

Molécule de sucre : C12H22O11 (aq)

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. 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).

Molécule d’eau : H2O (l)

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

76

L’univers matériel

2.2.2

La dissociation électrolytique

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.

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).

Na +(aq)

NaCl(s)

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

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)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

77

L’univers matériel

2.2

Nom :

Groupe :

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

La vérification de la conductibilité électrique de solutions aqueuses.

Activités 1

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

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.

78

L’univers matériel

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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)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

79

2.2

2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

2.2

Nom :

5

Groupe :

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)

6

Date :

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

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

c ) Al(OH)3(s)

b ) C2H5OH(l)

d ) PCl5(g)

2.2.3

La force des électrolytes

STE

Tous les électrolytes ne conduisent pas le courant électrique de la même façon. Lorsqu’on détermine la conductibilité d’un certain nombre d’électrolytes à l’aide d’un conductimètre (voir la gure 8, à la page suivante), on constate que l’ampoule ne s’allume pas avec la même intensité. Cela est dû au fait que les électrolytes ne se dissocient pas tous de façon semblable. C’est le taux (ou le pourcentage) d’ions produits lors de la dissociation de l’électrolyte qui permet de dire qu’un électrolyte est fort ou faible. La force d’un électrolyte correspond au taux de dissociation électro­ lytique du soluté en solution.

Un électrolyte fort est un électrolyte qui se dissocie presque totalement, c’est-à-dire que son taux de dissociation est près de 100 %. C’est donc un très bon conducteur de courant électrique. À la n de la dissolution, il n’y a que des ions en solution ; c’est le cas du chlorure de sodium (NaCl), comme le montre la gure 8 a, à la page suivante. Un électrolyte faible est un électrolyte qui ne se dissocie que partiellement. Il conduit peu l’électricité en raison du peu d’ions qu’il produit en solution. À la n de la dissolution, un grand nombre de molécules de l’électrolyte coexistent avec les ions formés ; c’est le cas de l’acide acétique (CH3COOH), comme l’illustre la gure 8 b, à la page suivante. Ce n’est qu’en mesurant la conductibilité électrique d’une substance qu’on peut dire si celle-ci est un électrolyte fort ou faible et non pas en se basant sur sa formule chimique. Par exemple, le chlorure de sodium (NaCl) est un électrolyte fort, alors que le chlorure de mercure (HgCl2) est un électrolyte faible. Lorsqu’il faut classer les électrolytes en électrolytes forts ou faibles, il est essentiel que toutes les substances soient à la même concentration molaire. 80

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

2.2

Nom :

NaCl(s) → Na +(aq) + Cl -(aq)

Avant la dissolution

Après la dissolution

0% Ions

0% Ions

100 %

100 %

Ions

Ions

Molécules

0% Molécules

L’univers matériel

100 %

a ) Le chlorure de sodium (NaCl), un électrolyte fort, conduit fortement le courant.

CH3COOH(s) → CH3COO -(aq) + H+(aq) 100 % Avant la dissolution

Molécules

0% Ions

0% Ions

98 % Après la dissolution

Molécules

2%

2%

Ions

Ions

b ) L'acide acétique (CH3COOH), un électrolyte faible, conduit faiblement le courant. FIGURE 8

La force des électrolytes de même concentration molaire.

Activités 1

2.2.3

STE

Les facteurs énoncés ci-dessous établissent la différence de conductibilité entre deux solutions de même concentration, soit le chlorure de potassium (KCl), un électrolyte fort, et le dichlorure de plomb (PbCl2), un électrolyte faible. Dites si ces facteurs sont vrais ou faux. Cochez la case appropriée. Vrai Faux a ) Le nombre d’ions est plus faible dans la solution de PbCl2. b ) Les ions libérés par KCl ont une charge supérieure aux ions libérés par PbCl2. c ) Les molécules de KCl sont moins massiques que les molécules de PbCl2. d ) Il y a plus de molécules neutres dans la solution de PbCl2 que dans celle de KCl. e ) Le taux de dissociation électrolytique de KCl est beaucoup plus élevé que celui de PbCl2. f ) Les ions libérés par KCl sont mobiles, alors que ceux libérés par PbCl2 sont immobiles.

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

81

2

L’univers matériel

2.2

Nom :

Groupe :

Date :

Soit trois solutés de formules chimiques AB, CD et XY. Les schémas ci-dessous illustrent la dissociation des solutés une fois dissous dans l’eau. Dites si chaque soluté est un électrolyte fort, un électrolyte faible ou un non-électrolyte. Expliquez chacune de vos réponses.

Soluté AB

Soluté CD

Soluté XY

Soluté AB : Soluté CD : Soluté XY :

2.2.4

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 3). TABLEAU 3

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. 82

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

2.2.4

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

83

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

84

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 (%), en parties par million (ppm) ou en moles par litre (mol/L).

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

85

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.

86

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 concentration molaire (mol/L)

STE

La concentration molaire, aussi appelée « molarité », permet de comparer différentes solutions. Comme la quantité de matière peut être exprimée en moles, la concentration molaire sera notée en moles par litre (mol/L). La concentration molaire d’une solution est égale au nombre de moles de soluté dissous dans un litre de solution.

On utilise l’équation suivante pour calculer la concentration molaire (mol/L) : , où

C : concentration de la solution en moles par litre (mol/L) n : nombre de moles de soluté (mol) V : volume de la solution en litres (L)

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

87

Nom :

Groupe :

Pour calculer la concentration molaire d’une solution, on a besoin de connaître la masse molaire (M) des substances. Voici un exemple.

2.3 L’univers matériel

Date :

Exemple D Une technicienne de laboratoire dissout 6,02 g de sulfate de magnésium (MgSO4) dans 200 mL de solution. Quelle est la concentration molaire de cette solution ? Données :

Calcul :

m MgSO = 6,02 g

1. Transformer les unités de mesure :

4

Vsolution = 200 mL M MgSO = 120,37 g/mol 4

C solution = ?

2. Convertir le nombre de grammes de MgSO4 en nombre de moles :

3. Calculer la concentration molaire de la solution :

2.3.4

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). Voici un exemple. Exemple E 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 = ? 88

V1 = 20 mL L’univers matériel

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Groupe :

1

2.3

L’univers matériel

Activités

Date :

2.3

Nom :

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

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 ?

3

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 ) ?

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

89

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

2.3

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.

Solution A Solution B

Concentration

Concentration

(g/L)

(% m/V )

0,15 2,2

Solution C

5

90

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).

L’univers matériel

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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).

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

91

2.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

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 ?

L’univers matériel

2.3

Nom :

92

L’univers matériel

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STE

Date :

Complétez le tableau suivant en tenant compte des données fournies. Nombre de moles (n) de soluté (mol)

Volume (V ) de la solution (L)

2,0

4,0 12

0,3

2.3

10

Groupe :

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

5,0 1,5

11

Soit une solution d’acide acétique (CH3COOH) à 5 % m/V. Quelle est la concentration STE molaire de cette solution ?

12

Un élève prépare une solution de nitrate d’argent (AgNO3) en dissolvant 0,17 g de ce sel STE dans 50 mL de solution. Déterminez la concentration molaire de la solution.

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

93

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

13

Dans un examen de laboratoire, il est demandé aux élèves de préparer une solution de STE 300 mL de carbonate de potassium (K2CO3) ayant une concentration de 0,25 mol/L. Quelle masse de K2CO3 les élèves doivent-ils peser ?

14

Pour neutraliser une base, il a fallu utiliser une solution d’acide sulfurique (H2SO4) ayant STE une concentration de 0,35 mol/L. La solution a été préparée avec 15 g d’acide. Quel a été le volume de la solution d’acide utilisée ?

L’univers matériel

2.3

Nom :

94

L’univers matériel

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Date :

15

Lors d’une expérience de laboratoire, on a préparé 400 mL d’une solution de chlorure STE d’hydrogène (HCl) d’une concentration molaire de 0,02 mol/L, en utilisant 20 mL d’une solution concentrée de HCl. Quelle était la concentration molaire de la solution de HCl de départ ?

16

Vous voulez préparer 2,0 L d’une solution d’eau de Javel d’une concentration de 0,05 mol/L, en utilisant une eau de Javel commerciale ayant une concentration de 0,85 mol/L. Quel volume d’eau de Javel commerciale allez-vous prélever ? STE

Communauté

2.4 Le pH

scientifique

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.

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Chapitre 2

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

Les propriétés physiques des solutions

95

2.4

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

2.4

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 9). 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. 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 9 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.

2.4.2 Le pH et la concentration molaire en ions H + S T E Vous savez maintenant que les acides sont des électrolytes qui libèrent des ions H+ lors de leur dissolution. Le pH, qui est l’abréviation de « potentiel hydrogène », est une indication de la concentration molaire des ions H+ présents dans une solution.

Le pH de quelques substances courantes. FIGURE 9

Le tableau 4 représente la relation entre le pH d’une solution et la concentration molaire des ions H+. Il montre que l’échelle pH est une échelle logarithmique. Lorsque le pH varie de 1 unité, la concentration en ions H+ varie d’un facteur de 10. Ainsi, lorsque le pH d’une solution passe de 3 à 5, la concentration en ions H + de la solution diminue de 100 fois, passant de 10 -3 mol/L à 10 -5 mol/L. TABLEAU 4

La concentration en ions H+ et le pH correspondant Concentration de H + (en mol/L)

Variation de l’acidité et de la basicité Acide fort

1 × 100

0

0,1

1 × 10 -1

1

1 × 10

-2

2

0,001

1 × 10

-3

3

0,000 1

1 × 10 -4

4

1 × 10

-5

5

0,000 001

1 × 10

-6

6

0,000 000 1

1 × 10 -7

7

-8

8

0,000 01

0,000 000 01

Base forte

96

L’univers matériel

pH

1 0,01

Neutre

Concentration en notation scientifique (en mol/L)

1 × 10

10 -9

0,000 000 001



0,000 000 000 1

1 × 10 -10

0,000 000 000 01

1 × 10 -11

11

0,000 000 000 001

1 × 10 -12

12

0,000 000 000 000 1

1 × 10 -13

13

10 -14

14

0,000 000 000 000 01



9 10

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Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

L’univers matériel

2.4

Si l’on connaît le pH d’une solution, on peut connaître la concentration en ions H+ de cette solution (et, par conséquent, la concentration en ions OH- ). De même, on peut déterminer le pH d’une solution en tenant compte de la concentration en ions H+ (ou OH- ) de cette solution. Ainsi, une solution de pH 4 aura une concentration en ions H+ de 10 -4 (ou 0,000 1) mol/L. Et une concentration en ions H+ de 10 -2 (ou 0,01) mol/L aura un pH de 2.

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 Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2

basique

que l’eau pure. .

Les propriétés physiques des solutions

97

L’univers matériel

2.4

Nom :

3

4

Groupe :

Date :

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.

STE

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux.

a ) Le pH d’une solution acide ou basique ne dépend pas de la concentration en ions H + de la solution.

b ) La concentration en ions H + des bases est inférieure à 10 -7 mol/L.

c ) Plus le pH augmente, plus la concentration en ions H+ augmente ; plus le pH diminue, plus la concentration en ions H+ diminue.

5

STE

Complétez le tableau suivant en considérant les données déjà fournies. pH d'une solution

Concentration en ions H + (en mol/L)

Nature de la solution (acide ou base)

9 0,000 001 4 10 -12

6

STE

Classez les solutions suivantes selon leur degré décroissant d’acidité.

Solution A : pH 13 Solution B : concentration en ions H de 0,000 000 1 mol/L

Solution E : pH 8 +

Solution C : concentration en ions H+ de 10 -3 mol/L

Solution F : concentration en ions H+ de 10 -11 mol/L Solution G : pH 7

Solution D : concentration en ions H+ de 0,01 mol/L

98

L’univers matériel

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Nom :

STE

Date :

Une solution acide a un pH de 3.

2.4

7

Groupe :

L’univers matériel

a ) Quelle est la concentration en ions H + de cette solution ?

b ) Si on dilue cette solution 1 000 fois, que devient le pH ?

8

STE

Le pH d’une solution passe de 9 à 13.

a ) La basicité de cette solution a-t-elle été augmentée ou diminuée ? De combien de fois ?

b ) Comment la concentration en ions H + de la solution a-t-elle varié ? De combien de fois ?

c ) Quelles sont les concentrations en ions H + de cette solution avant et après la dilution ?

Consolidation du chapitre 1

2

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

Ion phosphure

Ion chlorure

Ion potassium Ion aluminium Ion magnésium

2

STE

Complétez le tableau suivant.

Composé ionique

Ion métallique

Ion polyatomique Formule chimique

K+

Nom de l’ion

Carbonate

Al3+

OH -

Fe2(SO4)3 Cu2+ Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Phosphate Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

99

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

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).

3

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 : En vous basant sur les informations contenues dans le tableau ci-dessous, classez, en ordre STE croissant, les trois électrolytes selon leur force. Précisez ensuite quel électrolyte vous choisiriez pour obtenir une électrolyse de l’eau très efficace. Expliquez votre réponse.

4

Électrolyte

Avant dissolution

Après dissolution

HIO3

100 molécules

60 molécules de HIO3 , 40 ions de H + et 40 ions de IO3-

HNO3

50 molécules

2 molécules de HNO3 , 48 ions de H + et 48 ions de NO3-

1 000 molécules

960 molécules de CH3COOH, 40 ions de H+ et 40 ions de CH3COO-

CH3COOH

Remplissez le tableau suivant en tenant compte des composés donnés.

5

Composé

Électrolyte ou non-électrolyte

Nature du composé

Équation de dissociation électrolytique

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

100

L’univers matériel

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6

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) ?

7

Une solution contient 20 g de sulfate de disodium (Na2SO4) dissous dans un volume de STE 150 mL de solution. La concentration de cette solution est-elle plus grande ou plus petite qu’une mole par litre (mol/L) ?

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Chapitre 2

Les propriétés physiques des solutions

101

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

8

Groupe :

Date :

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.

9

102

Une usine d’engrais a été installée à proximité d’un lac dont l’eau avait un pH de 6,5. Après STE quelques années, l’analyse de l’eau du lac a démontré que la concentration en ions H+ était égale à 10 -4 mol/L. Sachant que la majorité des poissons meurent lorsque le pH de l’eau est inférieur à 4,2, quelle conséquence l’installation de l’usine a-t-elle eue sur les poissons ? Laissez des traces de votre démarche.

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 comment représenter une réaction chimique par une équation balancée. Vous ferez ensuite des calculs stœchiométriques sur les quantités de matière et d’énergie impliquées dans une réaction chimique. Enfin, vous étudierez différentes réactions chimiques, parmi lesquelles les réactions de neutralisation acido-basiques, la combustion, la photosynthèse et la respiration cellulaire.

103

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

104

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

105

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.

106

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

107

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.

108

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

109

3.2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

6

L’univers matériel

3.3

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)

e)

b)

f)

c)

g)

d)

h)

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

b)

3.3

La stœchiométrie

STE

À partir d’une équation chimique balancée, on effectue des calculs sur les quantités (en moles et en grammes) de matière qui participent à une réaction chimique. Ces calculs permettent de prévoir les quantités de réactifs nécessaires pour réaliser une réaction et de prédire les quantités de produits qui seront formés. Ils servent aussi à déterminer la quantité d’énergie produite ou absorbée par une réaction chimique. Ces calculs sont appelés « stœchiométrie » ou « calculs stœchiométriques ». 110

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

3.3

La stœchiométrie est l’étude des rapports entre les quantités de matière (réactifs et produits) qui participent à une transformation chimique.

L’univers matériel

Les coefcients placés devant les formules chimiques des réactifs et des produits indiquent le nombre de molécules qui sont mises en jeu dans la réaction. Considérons l’exemple de la combustion du méthane (CH4) :

Le tableau 2 résume les trois façons de lire l’équation chimique de combustion du méthane (CH4). TABLEAU 2

Différentes lectures de l’équation chimique de la combustion du méthane CH4(g)

+

2 O2(g)



CO2(g)

+

2 H2O(g)

En dénombrant le nombre de molécules qu’elle présente

Une molécule de méthane

réagit avec

deux molécules de dioxygène

pour former

une molécule de dioxyde de carbone

et

deux molécules d’eau

À l’aide de la notion de mole (rapports molaires)

Une mole de molécules de méthane

réagit avec

deux moles de molécules de dioxygène

pour former

une mole de molécules de dioxyde de carbone

et

deux moles de molécules d’eau

À l’aide des masses molaires des substances impliquées dans la réaction

16,05 g de méthane

réa­ gissent avec

64,00 g de dioxygène

pour former

44,01 g de dioxyde de carbone

et

36,04 g d’eau

Les calculs stœchiométriques de l’exemple A ci-dessous et à la page suivante montrent comment déterminer le nombre de moles d’une substance à partir d’un nombre de moles donné. La stœchiométrie sert également à déterminer la masse d’un réactif (ou d’un produit) à partir de la masse d’un des réactifs (ou d’un des produits), comme le montre l’exemple B de la page suivante. Exemple A La combustion du butane gazeux est représentée par l’équation suivante :

Une bonbonne de camping contient 107 moles de butane (C4H10). Combien faut­il de moles de dioxygène (O2) pour brûler tout le butane contenu dans cette bonbonne ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

111

Groupe :

Exemple A (suite) Données :

L’univers matériel

3.3

Nom :

Date :

Calcul : 1. Balancer l’équation chimique :

2. Écrire les rapports molaires :

2 mol 13 mol 8 mol 10 mol 107 mol ? mol 3. Calculer le nombre de moles de O2 nécessaires à la combustion totale du C4H10 :

Il faut 695,5 mol de dioxygène (O2) pour réaliser la combustion totale du butane (C4H10) contenu dans la bonbonne.

Exemple B Le trichlorure de phosphoryle (POCl3) peut être préparé à partir de la réaction suivante : Quelle masse de trichlorure de phosphoryle (POCl3) obtient-on en faisant réagir 582,2 g de trichlorure de phosphore (PCl3) avec un excès de dioxygène (O2) ? Données :

Calcul : 1. Balancer l’équation chimique : 2. Écrire les rapports molaires et les convertir en masse à l’aide de la masse molaire : 2 mol 1 mol 2 mol ×

2 mol 2 mol ×

274,64 g 306,64 g 582,2 g ?g 3. Calculer la masse de POCl3 produite :

La masse de trichlorure de phosphoryle (POCl3) produite lors de cette réaction est d’environ 650,04 g.

112

L’univers matériel

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Groupe :

1

3.3

STE

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé qui est jugé faux. a ) Les calculs stœchiométriques permettent de déterminer les quantités de réactifs à utiliser ainsi que les quantités de produits qui en résultent dans une réaction chimique.

b ) On peut toujours effectuer des calculs stœchiométriques avec une équation squelette.

c ) Dans une équation chimique balancée, les proportions stœchiométriques indiquent des rapports massiques.

d ) La synthèse de l’ammoniac ( ) selon l’équation balancée indique qu’une molécule de diazote (N2) réagit avec trois molécules de dihydrogène (H2) pour former deux molécules d’ammoniac (NH3).

2

Le trinitrate d’aluminium, Al(NO3)3, utilisé dans la fabrication de désodorisants, peut être préparé par action de l’acide nitrique (HNO3) sur le trioxyde de dialuminium (Al2O3) selon l’équation balancée :

Complétez les phrases suivantes : a ) Deux molécules d’Al2O3 réagissent avec

molécules de HNO3 pour former

molécules d’Al(NO3)3 et b)

molécules de H2O.

moles de molécules de HNO3 produisent 5 moles de molécules d’Al(NO3)3.

c ) 3,01 × 1024 molécules d’Al2O3 produisent d ) Cette réaction produit

molécules de H2O. g d’Al(NO3)3 et 5,41 g de H2O.

e ) 5 moles de molécules d’Al2O3 produisent et

g d’Al(NO3)3

g de H2O.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

113

L’univers matériel

Activités

Date :

3.3

Nom :

3

L’univers matériel

3.3

Nom :

Groupe :

Date :

Complétez le tableau ci-dessous qui correspond à l’équation chimique squelette suivante :

Réactifs

Produits

Équation balancée

72

Nombre de molécules

22,5

Nombre de moles de molécules Masse des réactifs et des produits (en grammes)

4

17,00

L’acide borique (H3BO3), est souvent employé comme substance antiseptique, c’est-à-dire qui a la propriété de tuer les germes pathogènes ou d’empêcher leur croissance. Il peut être préparé selon l’équation chimique squelette suivante :

Combien de moles de trioxyde de dibore (B2O3) sont nécessaires pour former 25,0 moles d’acide borique (H3BO3) ?

5

L’action du dioxyde de soufre (SO2) sur le sulfure de dihydrogène (H2S) produit du soufre (S) et de l’eau. a ) Écrivez l’équation chimique balancée de cette transformation.

114

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Groupe :

Date :

L’univers matériel

b ) Déterminez le nombre d’atomes de soufre (S) formés à partir de 0,25 mole de dioxyde de soufre (SO2).

3.3

Nom :

c ) Quelle masse de sulfure de dihydrogène (H2S) faut-il pour former 3,01 × 1022 molécules d’eau ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

115

6

L’univers matériel

3.3

Nom :

Groupe :

Date :

Le dichlorométhane (CH2Cl2), utilisé comme solvant pour de nombreux composés organiques, se prépare à partir du méthane (CH4) et du dichlore (Cl2) selon l’équation squelette suivante :

a ) Combien de moles de chacun des réactifs faut-il pour obtenir 510 g de dichlorométhane (CH2Cl2) ?

116

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

3.3

b ) Quelle masse de chlorure d’hydrogène (HCl) obtient-on après réaction ?

7

La production mondiale de cuivre (Cu) était de 16,2 millions de tonnes en 2010. Le cuivre métallique (Cu) est extrait de minerais sulfurés comme la chalcocite (Cu2S), que l’on fait réagir avec du dioxygène (O2) selon l’équation balancée suivante :

Quelle quantité de chalcocite (Cu2S) faut-il pour produire une tonne de cuivre métallique (Cu) ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

117

8

L’univers matériel

3.3

Nom :

Groupe :

Date :

Le carbonate de calcium (CaCO3), composant principal des roches carbonatées telles que le calcaire, réagit avec les acides pour donner des sels de calcium, de l’eau et du dioxyde de carbone. On fait réagir une certaine masse de carbonate de calcium (CaCO3) avec 200 mL d’une solution d’acide chlorhydrique (HCl) de concentration 0,5 mol/L. L’équation balancée de cette réaction est :

a ) Quelle masse de carbonate de calcium (CaCO3) a réagi ?

b ) Quel est le nombre de moles de dioxyde de carbone (CO2) dégagé au cours de cette réaction ?

118

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Les réactions endothermiques et exothermiques

Flash science STE

Pour se développer, les plantes font appel à la photosynthèse, une réaction qui utilise l’énergie solaire. Les êtres humains, pour se chauffer, brûlent certains combustibles comme le bois. Ces deux exemples nous amènent à distinguer deux types de réactions chi­ miques. Les réactions endothermiques sont des transformations chimiques qui absorbent de l’énergie provenant du milieu environnant. Les réactions exothermiques sont des transformations chimiques qui dégagent de l’énergie dans le milieu environnant.

L’énergie qui entre en jeu dans ces réactions peut avoir différentes formes, telle la chaleur, mais aussi la lumière par exemple. Notons également que, bien qu’elles dégagent de l’énergie, cer­ taines réactions exothermiques ont besoin d’énergie pour s’amorcer. On peut, pour distinguer une réaction endothermique d’une réaction exothermique, se fonder sur des phénomènes observables tels que la diffusion de lumière ou la variation de température du milieu. Le tableau 3 résume les différences entre les réactions endothermiques telle que la cuisson des aliments, et les réactions exothermiques comme la combustion du bois dans un foyer. On peut également s’aider de la position du bilan énergétique de la réaction, dans l’équation chimique, pour différencier une réac­ tion endothermique d’une réaction exothermique. En effet, le terme « énergie » peut être ajouté dans une équation chimique. TABLEAU 3

Date :

L’épandage de dichlorure de calcium (CaCl2) sur les routes en hiver constitue un exemple de réaction exothermique. En se dissolvant, le dichlorure de calcium fait s’élever la température de la glace et la fait fondre. L’utilisation de bandages pour traiter les bles sures subies lors de pratiques spor tives constitue un exemple de réactions e n d o t h e r mi qu e s . En effet, certains bandages contiennent du nitrate de sodium (NaNO3 ) solide et une poche d’eau. Une fois le bandage appliqué, il y a rupture de la poche d’eau et dissolution du NaNO 3 . La dissolution absorbe la chaleur dégagée par l’eau et entraîne une baisse considé rable de la température de cette dernière.

Les différences entre les réactions endothermiques et exothermiques Réactions endothermiques

Réactions exothermiques

Absorbe de la chaleur.

Dégage de la chaleur.

Diminution de la température du milieu environnant.

Augmentation de la température du milieu environnant.

L’énergie chimique contenue dans les produits est plus élevée que celle qui est contenue dans les réactifs.

L’énergie chimique contenue dans les produits est plus faible que celle qui est contenue dans les réactifs.

Comme il y a absorption d’énergie dans une réaction endo­ thermique, le terme « énergie » est ajouté à gauche de l’équation (du côté des réactifs). Dans le cas de la synthèse de l’oxyde de diazote (N2O), un gaz possédant des propriétés anesthésiques, on obtient ainsi l’équation suivante :

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

119

L’univers matériel

3.4

Groupe :

3.4

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

3.4

Les réactifs (N2 et O2) se transforment en produit (N2O) à la suite de l’absorption de 163,2 kJ. L’oxyde de diazote (N2O) renferme plus d’énergie que les molécules de diazote (N2) et de dioxygène (O2) mises ensemble. Dans l’équation chimique d’une réaction exothermique, le dégagement d’énergie est indiqué par l’ajout du terme « énergie » à droite de l’équation (du côté des produits). Dans le cas de la corrosion (ou de l’oxydation) de certains métaux, on peut ainsi avoir l’équation suivante :

Les réactifs (Fe et O2) se transforment en produit (Fe2O3) et dégagent 1 648,4 kJ d’énergie. Le fer (Fe) et le dioxygène (O2) renferment donc ensemble plus d’énergie que les molécules du trioxyde de difer (Fe2O3). L’incorporation de l’énergie dans les équations chimiques, combinée à la stœchiométrie, permet de déterminer la quantité d’énergie absorbée ou dégagée au cours d’une réaction chimique. L’exemple suivant montre comment effectuer ces calculs. Exemple L’équation chimique de l’électrolyse de l’eau s’écrit :

Quelle est l’énergie nécessaire pour qu’il y ait électrolyse de 250 g d’eau ? Données :

Calcul : 1. Convertir la masse d’eau électrolysée en nombre de moles :

2. Déterminer l’énergie nécessaire :

2 mol 488 kJ 13,87 mol ? kJ

L’électrolyse de 250 g d’eau nécessite environ 3 384 kJ d’énergie.

120

L’univers matériel

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Groupe :

1

3.4

STE

À quel type de réaction chimique a-t-on affaire dans chacun des énoncés suivants ? Cochez la case appropriée. Réaction Réaction endothermique exothermique a ) Réaction qui absorbe de la chaleur. b ) Réaction qui fait augmenter la température du milieu environnant. c ) Réaction qui dégage de la chaleur dans le milieu environnant. d ) La respiration cellulaire, qui est un phénomène inverse de la photosynthèse. e ) L’électrolyse du chlorure de sodium (NaCl). f ) Une pile en activité. g ) La cuisson d’une omelette. h) i)

2

Le sel de table (NaCl) peut être synthétisé à partir de ses éléments constitutifs. Il y a réaction lorsque le sodium (Na) fondu est exposé à un flux de dichlore (Cl2) gazeux selon l’équation balancée suivante : Quelle quantité d’énergie la synthèse de 1,0 kg de sel de table dégagera-t-elle ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

121

L’univers matériel

Activités

Date :

3.4

Nom :

3

L’univers matériel

3.4

Nom :

122

Groupe :

Date :

Le chlorate de potassium (KClO3), utilisé entre autres dans la fabrication des allumettes, peut être obtenu en faisant réagir du chlorure de potassium (KCl) avec le dioxygène (O2). Il faut 15,0 kJ pour former une mole de chlorate de potassium (KClO3). Quelle masse de chlorate de potassium (KClO3) obtient-on si l’énergie utilisée est de 1 800 kJ ?

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

3.5

Nom :

3.5 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.

3.5.1

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

123

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).

3.5 L’univers matériel

Date :

3.5.2 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 4). TABLEAU 4

Les trois types de combustion

Type de combustion Combustion vive

Combustion spontanée

Combustion lente

124

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 ;



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



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



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.

3.5.3

L’oxydation

STE

La formation de la rouille, la combustion, la respiration cellulaire et le pourrissement des aliments sont des exemples de réactions d’oxydation. Ils ont le même réactif, soit le dioxygène de l’air (O2). L’oxydation est une transformation chimique au cours de laquelle un oxydant tel que le dioxygène (O2) ou une substance aux propriétés analogues se combine avec un réactif pour former un oxyde.

Un oxydant est une substance chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons. Le dioxygène (O2), le dichlore (Cl2) et le dibrome (Br2) sont des oxydants. Un oxyde est un composé résultant de la combinaison du dioxygène (O2) ou d’un autre oxydant avec d’autres éléments. La rouille (Fe2O3) est un exemple d’oxyde. Durant l’oxydation, l’oxydant arrache les électrons de l’autre réactif (le fer, par exemple) pour former un oxyde avec ce dernier, comme dans la formation de la rouille représentée par l’équation chimique suivante :

Date :

3.5

Groupe :

Flash science L’oxydation est une réaction nécessaire à notre survie, car elle intervient dans la respiration cellulaire. Elle peut aussi être néfaste lorsque des aliments s’oxydent ou que des métaux se corrodent. L’utilisation de substances inhibitrices ou antioxydantes peut alors empêcher les effets négatifs de l’oxydation.

3.5.4 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.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

125

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

3.5

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 d’oxydation ou 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.

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 :

126

L’univers matériel

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Groupe :

1

3.5

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)

STE

La combustion, la corrosion et la respiration cellulaire sont des exemples d’oxydation.

c)

STE

Dans les réactions d’oxydation, le seul oxydant possible est le dioxygène (O2).

d ) La photosynthèse a lieu dans les cellules végétales, alors que la respiration cellulaire se produit dans les cellules animales.

2

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

d)

b) c) 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

127

L’univers matériel

Activités

Date :

3.5

Nom :

Groupe :

Date :

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

5

Problématique environnementale

L’univers matériel

3.5

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.

128

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

STE Lesquelles des réactions suivantes sont des réactions d’oxydation ? Encerclez les bonnes réponses. Lorsqu’il s’agit d’une réaction d’oxydation, nommez l’oxydant ainsi que l’oxyde formé.

Réaction

Oxydant

Oxyde formé

a) b) c)

9

STE Lesquelles des situations suivantes sont des réactions d’oxydation ? Encerclez les bonnes réponses.

a ) Le cuivre des toits d’églises qui verdit. b ) Une sportive qui fait de l’exercice physique pour brûler des calories. c ) Les végétaux qui produisent du dioxygène au moyen de la photosynthèse. d ) Le développement des champignons responsables du pourrissement du bois extérieur exposé à l’humidité.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

129

3.5

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

10

Groupe :

Date :

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.

11

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

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.

130

c)

Il est possible de déterminer si une réaction est endothermique ou STE exothermique en se fondant sur l’équation chimique.

d)

Même si elle est exothermique, une réaction a besoin d’énergie STE pour s’amorcer.

e)

La combustion et la respiration cellulaire sont toutes deux STE des réactions d’oxydation.

L’univers matériel

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2

Groupe :

Date :

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 ?

3

c)

Est-on en présence d’une réaction endothermique ou d’une réaction exothermique ? STE Justifiez votre réponse.

d)

Sachant que la production d’une mole de glucose (C6H12O6) nécessite 2 803 kJ d’énergie, STE quelle quantité d’énergie la plante doit-elle absorber pour produire 13,5 g de glucose ?

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 ?

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

131

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

b ) En vous aidant de la masse atomique des éléments, vérifiez si la loi de la conservation de la masse est respectée dans l’équation chimique suivante. Balancez d’abord l’équation.

H3PO4 +

H2O

Masse des réactifs :

Masse des produits :

Masse totale :

Masse totale :

c)

132

Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 +

On fait réagir une certaine masse d’acide phosphorique (H3PO4) avec 250 mL d’une solution de chaux (Ca(OH)2) dont la concentration est de 0,75 mol/L. Quelle est la masse d’acide phosphorique (H3PO4) qui a réagi ? STE

L’univers matériel

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4

Groupe :

Date :

Au cours d’une promenade avec un ami dans un port, vous vous arrêtez devant un vieux STE bateau rouillé. a ) De quelle transformation chimique s’agit-il ? b ) Sachant que la rouille se forme en faisant réagir du fer (Fe) avec du dioxygène (O2), quelle masse de rouille (Fe2O3) obtient-on si la masse de fer qui a réagi est de 75 g ?

5

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.

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Chapitre 3

Les transformations chimiques

133

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

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 ?

c)

134

Une famille consomme en moyenne 67 kg de méthane (CH4) par an. Sachant que la STE combustion d’une mole de méthane dégage 803 kJ, quelle quantité d’énergie les 67 kg de méthane fournissent-ils au cours d’une année ?

L’univers matériel

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CHAPITRE

4

Les transformations nucléaires STE

Selon le modèle atomique simplifié, les atomes sont constitués d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Lorsqu’un atome subit des modifications, des transformations peuvent toucher soit les électrons, soit le noyau. Dans le premier cas, il s’agit de transformations chimiques, alors que dans le second cas, les transformations sont dites « nucléaires ». Les transformations nucléaires impliquent des énergies beaucoup plus importantes que les transformations chimiques. De plus, les transformations nucléaires peuvent changer la nature des atomes en modifiant le nombre de nucléons contenus dans leurs noyaux, ce qui n’arrive jamais lors des réactions chimiques. Dans le présent chapitre, vous vous familiariserez avec les notions de stabilité nucléaire, de radioactivité, de fission et de fusion nucléaires. De plus, vous découvrirez que l’énergie produite par les transformations nucléaires a diverses applications, telle la production d’électricité.

135

Groupe :

4.1

Nom :

4.1

L’univers matériel

Proton (p +) Neutron (n 0 )

Carbone 12 (

Date :

La stabilité nucléaire

STE

Les noyaux atomiques contiennent des nucléons. Excepté l’isotope le plus abondant de l’hydrogène ( ) qui ne possède qu’un seul proton, tous les noyaux comportent des protons et des neutrons. Les protons étant tous chargés positivement, ils ont tendance à se repousser les uns les autres. On dit qu’ils exercent une force de répulsion électrique. C’est la présence des neutrons qui maintient la cohésion du noyau. La force d’attraction qui se produit entre les nucléons se nomme « force nucléaire ». La force nucléaire est donc une force qui lie fortement les nucléons entre eux, assurant ainsi la stabilité du noyau de l’atome.

)

On parle de stabilité nucléaire lorsque la force nucléaire au sein du noyau atomique est supérieure à la force de répulsion électrique entre les protons.

Carbone 13 (

)

Carbone 14 (

)

Dans les atomes légers, le nombre de neutrons est approximativement le même que celui des protons. Mais, à mesure que le numéro atomique augmente (c’est-à-dire que le nombre de protons croît), la force de répulsion électrique entre les protons augmente. Pour maintenir la cohésion du noyau, le nombre de neutrons s’accroît aussi et dépasse celui des protons, de sorte que la force nucléaire grandit et contrebalance la force de répulsion électrique. Cependant, la cohésion est difcile à assurer lorsque les noyaux deviennent très lourds, c’est-à-dire lorsqu’ils contiennent de nombreux nucléons. On considère donc que les atomes dont le numéro atomique (Z) est supérieur à 83 sont tous instables. Un atome dont le noyau est instable, donc susceptible de se désintégrer, est dit « radioactif ».

Les noyaux des trois isotopes du carbone (C) ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent. L'isotope est instable en raison du trop grand nombre de neutrons contenus dans le noyau par rapport au nombre de protons. FIGURE 1

Activités 1

136

4.1

Un élément donné peut avoir certains isotopes qui sont stables et d’autres, instables. Le carbone (C), par exemple, a trois isotopes : , et . Tous possèdent six protons et six électrons. Cependant, ils ont respectivement six, sept et huit neutrons (voir la gure 1). Le et le sont stables, alors que le est instable.

STE

Deux forces qui s’opposent l’une à l’autre existent dans le noyau. Quelles sont ces forces antagonistes ?

L’univers matériel

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Date :

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ? Entourez la bonne réponse.

4.1

2

Groupe :

a ) Une transformation chimique dégage plus d’énergie qu’une transformation nucléaire. b ) Une transformation chimique change la nature des atomes. c ) Une transformation chimique implique le noyau de l’atome. d ) Une transformation nucléaire peut modifier le nombre de nucléons présents dans le noyau de l’atome. 3

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) La stabilité du noyau est assurée par la force de répulsion électrique.

b ) Il existe une force électrique de répulsion entre les protons et les neutrons.

c ) La stabilité nucléaire dépend de la taille du noyau et du nombre de neutrons qu’il contient.

d ) L’hydrogène (H) est le seul élément du tableau périodique à posséder un isotope qui n'a aucun neutron.

e ) Ni les transformations chimiques ni les transformations nucléaires ne peuvent changer la nature des atomes.

f ) Le noyau du carbone 14 est instable, tandis que celui du carbone 13 est stable.

g ) Le carbone 14 possède deux neutrons de plus que le carbone 12.

4

Expliquez pourquoi la stabilité des noyaux n’est plus assurée lorsqu’ils deviennent très lourds.

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Chapitre 4

Les transformations nucléaires

137

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

L’univers matériel

4.2

Nom :

Date :

4.2 La radioactivité Communauté scientifique

STE

La radioactivité est un phénomène naturel qui a été découvert par le chimiste français Henri Becquerel en 1896. La radioactivité est la propriété qu’ont certains noyaux atomiques instables de se désintégrer en émettant spontanément des particules et de l’énergie.

Harold Elford Johns (1915-1998)

Un physicien canadien, Harold Elford Johns, mit au point, en 1951, la « bombe au cobalt ». Cet instrument de radiothérapie se servait des rayons gamma produits par la désintégration du cobalt 60 pour détruire les cellules cancéreuses. Aujourd’hui, plus de la moitié des patients atteints d’un cancer sont traités par la radiothérapie.

Lors de leur désintégration, les noyaux atomiques instables se transforment en noyaux plus stables en perdant une partie de leur masse. À la suite de ces transformations nucléaires, l’émission des particules et de l’énergie se produit par l’intermédiaire de trois types de rayonnements : les rayonnements alpha (a), bêta (β) et gamma (γ). Ces rayonnements sont émis, entre autres, par les déchets radioactifs qui résultent de la production d’énergie nucléaire. Il est question de rayonnement alpha (a) lorsque la désintégration d’un noyau instable s’accompagne de l’émission d’une particule alpha (a), une particule positive, qui n’est autre qu’un noyau d’hélium ( ). Un exemple d’une telle désintégration est schématisé dans la gure suivante.

Proton (p +)

+

Énergie

+

Neutron (n 0 )

Uranium 238 (

)

Thorium 234 (

)

Particule a (

)

2 La désintégration du noyau de l’uranium 238 (U) produit un noyau de thorium 234 (Th) et une particule alpha (a), c'est-à-dire un noyau d'hélium 4 (He). FIGURE

Le rayonnement bêta (β) est causé par la transformation d’un neutron en proton au sein d’un noyau instable. Il s’accompagne de l’émission d’une particule bêta (β), une particule négative, qui est en fait un électron (voir la gure 3). Neutron transformé en proton

Proton (p +)

+

Neutron (n 0 ) Électron (e - )

Carbone 14 (

)

Azote 14 (

)

+

Énergie

Particule β (électron)

Lorsque le carbone 14 (C) se désintègre, il se transforme en azote 14 (N) et émet une particule bêta (β), qui est en fait un électron. Lors de cette désintégration, un neutron est transformé en proton. FIGURE 3

138

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Activités 1

4.2

Le pouvoir de pénétration des différents rayonnements

Pénétration typique

Type de rayonnement Alpha (α)

4.2

TABLEAU 1

L’univers matériel

Le rayonnement gamma (γ) consiste en l’émission d’énergie, par le noyau, sous forme d’un rayonnement électromagnétique neutre. Ce rayonnement possède une énergie beaucoup plus grande que celle associée aux rayons ultraviolets (UV) ou aux rayons X. Comme ce rayonnement ne possède ni masse ni charge électrique, il ne modie ni le numéro atomique (Z) ni le nombre de masse (A) du noyau. Chacun des rayonnements (α , β et γ) a un pouvoir de pénétration qui lui est propre (voir le tableau 1).

Date :

Ne traverse pas la peau. Est arrêté par une feuille de papier.

Bêta (β)

Pénètre jusqu’à environ 1 cm dans le corps. Est arrêté par une planche de bois de 2,5 cm d’épaisseur.

Gamma (γ)

Passe à travers les tissus vivants. Peut être partiellement arrêté par une épaisse couche de béton ou des écrans en plomb.

STE

Dans l'équation type donnée ci-dessous, X et Y représentent les symboles chimiques de deux éléments. Dans cette équation, est appelé « noyau précurseur », alors que est appelé « noyau engendré ». Lesquels des énoncés suivants sont vrais concernant cette équation type et lesquels sont faux ? Cochez les cases appropriées.

Vrai

Faux

a ) Le X représente le noyau instable. b ) Le Y représente le noyau créé par la désintégration. c ) Il s’agit du rayonnement alpha (α). d ) Lors d’une désintégration α, le nombre de masse (A) du noyau engendré est supérieur de 4 unités à celui du noyau précurseur, et le numéro atomique (Z) du noyau engendré est supérieur de 2 unités à celui du noyau précurseur. e ) Lors d’une désintégration α, le nombre de masse (A) du noyau engendré est inférieur de 2 unités à celui du noyau précurseur, et le numéro atomique (Z) du noyau engendré est inférieur de 1 unité à celui du noyau précurseur. f)

représente un noyau d’hélium.

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Chapitre 4

Les transformations nucléaires

139

Groupe :

Date :

Lisez le texte présenté ci-dessous. Puis, répondez à la question qui suit en vous basant sur vos connaissances de la radioactivité.

2

L’univers matériel

4.3

Nom :

Une technique d’imagerie nucléaire Si un médecin croit qu’un patient a des tissus cancéreux dans ses os, mais que la radiographie osseuse ne révèle rien, il est possible que les tumeurs soient trop petites pour être vues sur la radiographie ou encore qu’elles apparaissent comme des cellules osseuses. Le médecin peut alors décider d’administrer à son patient une dose de phosphore contenant du technétium 99 ( ). Le phosphore sera absorbé par les os, là où il y a des cellules en croissance. Le patient sera ensuite placé devant un appareil qui détecte les rayonnements gamma (γ) émis par le technétium lors de sa désintégration. Si une zone des os présente une activité cellulaire anormale due à la croissance d’une tumeur, elle sera visible sur l’image.

Que deviennent le numéro atomique (Z) et le nombre de masse (A) d’un élément radioactif lorsque celui-ci émet un rayonnement gamma (γ), comme le fait le technétium 99 (Tc) lors de sa désintégration ? Expliquez votre réponse et identifiez le noyau engendré par la désintégration du technétium 99.

4.3

La ssion et la fusion nucléaires STE

Flash science À titre de comparaison, la quantité d’énergie libérée par 1 g d’uranium 235 à la suite de sa fission correspond à l’énergie libérée par la combustion de 2,7 t (tonnes) de charbon.

La fission nucléaire est un phénomène qui correspond à la division d’un noyau atomique lourd (un noyau atomique qui contient beaucoup de nucléons) en d’autres noyaux plus légers.

Ce phénomène, qui peut être spontané ou articiellement provoqué, produit une très grande quantité d’énergie (voir la gure 4, à la page suivante). Lorsqu’un noyau d’uranium 235 ( ) est bombardé de neutrons et qu’il en absorbe un, ce noyau se scinde en deux noyaux plus légers. La gure 4, à la page suivante, représente le cas de la formation du baryum 141 ( ) et du krypton 92 ( ). Cette ssion est accompagnée de la libération d’une quantité d’énergie et de trois neutrons qui, à leur tour, provoqueront la ssion d’autres noyaux d’uranium 235 ( ). Cette réaction nucléaire est représentée par l’équation suivante :

Au fur et à mesure que le processus se poursuit, le nombre de neutrons libérés augmente, le nombre de ssions s’accroît et la quantité d’énergie libérée devient de plus en plus grande. C’est ce qu’on appelle une « réaction en chaîne ». 140

L’univers matériel

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Groupe :

La fusion nucléaire est un phénomène qui correspond à l’assemblage de deux noyaux atomiques légers afin d’en former un seul, qui sera plus lourd.

Proton (p +) Neutron (n 0 )

L’univers matériel

La fusion nucléaire produit une énorme quantité d’énergie, bien plus grande que celle libérée par la ssion nucléaire. Elle est aussi écologiquement plus propre parce qu’elle génère moins de déchets radioactifs. Mais ce phénomène a besoin de températures très élevées pour se produire, de l’ordre de plusieurs millions de degrés Celsius. C’est pour cette raison que les réactions de fusion nucléaire sont difciles à produire sur Terre, mais qu’elles surviennent naturellement dans les étoiles comme le Soleil. La gure 5 représente un exemple de fusion nucléaire.

Date :

4.3

Nom :

4 La fission nucléaire d’un noyau d’uranium 235 ( artificiellement provoqué par l’« absorption » d’un neutron. FIGURE

),

La gure 5 montre que cette réaction nucléaire produit un noyau d’hélium ( ), c’est-à-dire une particule alpha (α), un neutron ainsi qu’une très grande quantité d’énergie. Cette réaction peut être représentée par l’équation suivante :

Tritium

Neutron

+

Énergie

Deutérium

Hélium

La fusion nucléaire de deux isotopes de l’hydrogène (H) : le deutérium ( ) et le tritium ( ). FIGURE 5

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Chapitre 4

Les transformations nucléaires

141

L’univers matériel

4.3

Nom :

Groupe :

Activités

4.3

Date :

STE

Complétez le texte suivant en écrivant les mots « fission » et « fusion » aux endroits appropriés.

1

La fission et la fusion nucléaires Les centrales nucléaires ont besoin d’uranium pour fonctionner. Pour produire de l'électricité, elles utilisent des réactions de Les réactions de

nucléaire. nucléaire sont plus difficiles à produire sur Terre, car

elles ont besoin de températures extrêmes pour être possibles, ce qui est le cas dans les étoiles comme le Soleil. Les étoiles sont la source de la diversité des atomes dans l’Univers : tous les éléments plus lourds que l’hélium proviennent essentiellement des réactions de nucléaire qui ont lieu dans les étoiles.

À l'aide de la figure 4 présentée à la page 141, répondez aux questions suivantes.

2

a ) Qu’est-ce qui est à l’origine de la fission initiale du noyau de l’uranium 235 (

)?

b ) La fission du premier noyau produit trois neutrons. Combien de neutrons sont produits lorsque ces trois neutrons sont absorbés à leur tour ?

c ) Comment appelle-t-on ce processus de multiplication rapide de fissions ?

Consolidation du chapitre 1

4

STE

Quand un rayonnement gamma (γ), alpha (α) ou bêta (β) traverse le corps humain, certains liens qui sont à l’intérieur des molécules qui composent le corps humain peuvent être brisés. Des molécules du corps humain peuvent aussi être ionisées (elles peuvent perdre des électrons). Ces effets sont dommageables pour le corps humain, car ils peuvent empêcher le déroulement normal des mécanismes cellulaires et endommager l’ADN des cellules. Peuvent-ils aussi rendre les cellules du corps humain radioactives ? Expliquez votre réponse.

142

L’univers matériel

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2

Groupe :

Date :

Il est possible de dater les fossiles en mesurant les désintégrations des isotopes radioactifs naturels qui s’y trouvent.

La datation radioactive La technique de datation radioactive la plus connue est la datation au carbone 14 ( ). Tous les organismes vivants échangent continuellement du dioxyde de carbone (CO2) avec l’environnement. Cependant, quand un être vivant meurt, le cesse d’entrer dans l’organisme. Plus le temps passe, plus le pourcentage de décroît à un taux bien connu. Ainsi, une mesure du taux de désintégration du dans un échantillon d’un organisme permet de déterminer l’âge de celui-ci. Les « jeunes » échantillons contiennent plus de que les « vieux » échantillons.

a ) L’équation qui régit la désintégration du carbone 14 est la suivante.

a ) De quel type de radioactivité s’agit-il ? b ) Lors de la datation au carbone 14, il se peut que les échantillons soient contaminés par des sources modernes. Supposons que vous avez déterré un vieux morceau de bois et que vous l’avez daté en utilisant la technique de la datation au carbone. Si le morceau de bois a été imbibé d’eau souterraine contenant des molécules organiques qui renferment elles-mêmes du , sous-estimerez-vous ou surestimerez-vous l'âge du morceau de bois ? Expliquez votre réponse.



FI

3

Observez les quatre équations ci-dessous, qui décrivent des réactions nucléaires. 1)

3)

2)

4)

Quelle équation correspond à : a ) une fusion nucléaire ?

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b ) une fission nucléaire ?

Chapitre 4

Les transformations nucléaires

143

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

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

4

Problématique environnementale Des matières résiduelles dangereuses : les déchets radioactifs L'Agence internationale de l'énergie atomique définit un déchet radioactif comme une matière contenant des substances radioactives dont la concentration est supérieure à celle jugée sans danger par les autorités nationales et pour laquelle aucune utilisation n'est prévue. Les déchets radioactifs proviennent, entre autres, des mines d’uranium, des usines de concentration et de raffinage de ce matériau, de l’utilisation de substances radioactives dans les domaines de la médecine, de la recherche universitaire et des applications militaires. Mais c’est essentiellement des activités de production d’énergie nucléaire que ces déchets sont issus. Certains d’entre eux peuvent rester radioactifs pendant des milliers d’années. La gestion des déchets radioactifs représente un défi majeur pour l’industrie nucléaire. En effet, malgré les recherches en cours dans de nombreux pays, il n’existe pas encore de méthode fiable de stockage à long terme de ces déchets, qui permette un entreposage sûr et sans conséquence dangereuse pour l’environnement et la santé humaine. Une des solutions envisagées est

l’enfouissement de ces déchets dans des formations géologiques stables, à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Cependant, rien ne garantit actuellement que la radioactivité de ces déchets ne se trouvera pas dans l’environnement après quelques siècles.

Le Canada est l'un des premiers producteurs mondiaux d’uranium avec pas moins de 18 % de la production mondiale. Il possède sept centrales nucléaires en exploitation dont Gentilly-2, seule centrale nucléaire située au Québec (à Bécancour, dans la région du Centre-du-Québec).

a ) Expliquez pourquoi la gestion des déchets radioactifs représente un défi majeur pour l’industrie nucléaire.

b ) Quels types de rayonnements les déchets radioactifs peuvent-ils émettre ?

c ) La simple connaissance du numéro atomique de l’uranium (U) permet d’affirmer qu’il s’agit d’un élément radioactif. Vrai ou faux ? Expliquez votre réponse.

144

L’univers matériel

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CHAPITRE

5

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.

145

Groupe :

L’univers matériel

5.1

Nom :

5.1

Date :

La relation entre la masse et le poids STE

Flash science La livre Au Canada, l’unité de me sure officielle de la masse est le kilogramme même s’il arrive qu’on utilise encore la livre pour mesurer la masse. Ce n’est que depuis 1983 que les épiciers canadiens sont tenus d’afficher les prix des produits au kilogramme (ou pour 100 g). Il leur est toutefois possible d’afficher aussi les prix à la livre. Aux États-Unis, la livre est toujours l’unité de mesure officielle de la masse. Une livre (lb) correspond environ à 0,454 kg.

Quand on demande le poids de quelqu’un, il se peut que cette personne donne une réponse en kilos. Même si cela est tout à fait accepté dans le langage familier, il s’agit d’une erreur, puisque le kilogramme est une unité de mesure de la masse et non du poids. En effet, la masse et le poids sont deux choses différentes. Il sera important de pouvoir les distinguer lors de l’étude de l’énergie mécanique. La masse (m) d’un corps correspond à la quantité de matière que ce corps contient.

La masse d’un corps est donc une caractéristique propre à ce corps et elle est indépendante de l’endroit où ce corps se trouve. Dans le système international d’unités (SI), la masse se mesure en kilogrammes (kg). Le poids d’un corps correspond à la force gravitationnelle (Fg ) exercée sur ce corps par une planète ou un astre.

Comme toutes les forces, le poids se mesure en newtons (N). Le poids (Fg ) d’un corps en newtons (N) peut être évalué à l’aide de l’équation suivante : Fg = mg, où

Fg : poids en newtons (N) m : masse du corps en kilogrammes (kg) g : intensité du champ gravitationnel en newtons par kilogramme (N /kg)

L’intensité du champ gravitationnel dépend de l’endroit où l’on se trouve dans l’Univers. À la surface de la Terre, g vaut 9,8 N /kg. Voici un exemple de calcul du poids à l’aide de l'équation Fg = mg. Exemple Un filet de saumon a une masse de 150 g. Quel est son poids à la surface de la Terre ? Données :

Calcul :

m = 150 g

1. Convertir la masse en kilogrammes :

g = 9,8 N/kg Fg = ?

2. Évaluer le poids du filet de saumon :

Le poids du filet de saumon est de 1,47 N.

146

L’univers matériel

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Groupe :

5.1

STE

L’univers matériel

Activités

Date :

5.1

Nom :

1

Une personne a une masse de 53 kg. Quel est son poids (sur Terre) ?

2

Sur Terre, une personne a un poids de 588 N. Quelle est sa masse ?

3

À la surface de la Lune, le champ gravitationnel est environ six fois moins intense que sur la Terre. a ) Quelle est l’intensité du champ gravitationnel qui règne à la surface de la Lune ? (La réponse à cette question sera utile pour répondre aux questions qui suivent.)

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

147

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.1

b ) Si une personne a une masse de 65 kg sur la Terre, quelle masse aura-t-elle sur la Lune ?

c ) Si une personne a une masse de 70 kg sur la Terre, quel poids aura-elle sur la Lune ?

d ) Si une personne a un poids de 784 N sur la Terre, quel poids aura-t-elle sur la Lune ?

148

L’univers matériel

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Le travail

Date :

STE

En physique, le mot « travail » n’a pas toujours le sens intuitif qu’on lui attribue dans la vie de tous les jours. Ainsi, une personne ou une machine effectuera un travail au sens physique du terme, si elle exerce une force de façon à déplacer un objet, ce qui ne sera pas le cas si elle ne fait que maintenir un objet en place (voir la gure 1). a ) L’haltérophile effectue un travail en déplaçant une charge.

5.2.1 La relation entre le travail, la force et le déplacement Quand un corps subit un déplacement (Δs) sous l’effet d’une force constante (F) appliquée sur lui dans la direction de son mouvement, le travail (W ) effectué par cette force est égal à : Δ

Cette équation n’est valable que lorsque la force (F ) est parallèle au déplacement (Δs). Le symbole Δ (prononcé « delta ») identie la variation d’une quantité. Ainsi, dans la mesure où s désigne la position, Δs désigne la variation de la position, soit le déplacement. L’unité du travail est le joule (J), qui correspond au produit d’un newton (N) par un mètre (1 J = 1 N × 1 m). L’exemple suivant montre comment évaluer le travail effectué par une force parallèle au déplacement du corps sur lequel elle s’applique.

b ) L’haltérophile n’accomplit pas de travail, puisqu’il ne fait que maintenir la charge immobile en équilibre.

Un travail implique le déplacement d'un objet. FIGURE 1

Exemple A Une déménageuse pousse, sur une distance de 5 m, une boîte sur le sol, en exerçant sur cette boîte une force constante de 200 N parallèlement au sol (voir la figure 2). Quel est le travail effectué par la déménageuse sur la boîte ? Données : F = 200 N

F

Calcul :

Δ

Δs = 5 m W=? Le travail effectué par la déménageuse sur la boîte est de 1 000 J.

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Déplacement (Δs)

Une déménageuse pousse une boîte en exerçant une force (F ) parallèle au déplacement (Δs) de la boîte. FIGURE 2

Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

149

L’univers matériel

5.2

Groupe :

5.2

Nom :

Groupe :

5.2

Nom :

5.2.2

Date :

La force efcace

L’univers matériel

Quand une force exercée sur un corps n’est pas parallèle au déplacement de ce corps, cette force effectue un travail, mais ce travail ne peut être évalué à l’aide de l’équation W = FΔs. Lorsque la force n’est pas parallèle au déplacement, seule la composante de la force qui est parallèle au déplacement effectue réellement un travail. Cette composante, illustrée à la gure 3, s’appelle la « force efcace (Feff ) ».

Déplacement (Δs)

Quand un travail est effectué sur un corps, la force efficace (Feff ) correspond à la composante de la force qui est parallèle au déplacement du corps.

F

Puisque seule la composante efcace de la force contribue au travail effectué sur un corps, l’équation W = FΔs devient :

Feff

Une jeune fille tire le traîneau dans lequel est assis son frère, en exerçant une force (F ) qui forme un angle non nul avec le déplacement (Δs) du traîneau. FIGURE 3



Le travail correspond à la contribution qu’une force apporte au déplacement d’un corps. Plus le travail est grand, plus la contribution que la force apporte au déplacement est grande. L’exemple suivant montre comment évaluer le travail effectué par une force qui n’est pas parallèle au déplacement du corps sur lequel elle s’applique.

Exemple B Une fille pousse une tondeuse sur une distance de 7,5 m, en exerçant une force constante (F ) de 80 N parallèlement au manche de la tondeuse (voir la figure 4). a ) La force efficace (Feff ) exercée par la fille sur la tondeuse est-elle plus petite ou plus grande que la force (F ) que la fille exerce ?

F

La force efficace (Feff ) est plus petite que la force totale (F ) exercée par la fille sur la tondeuse, puisque la force efficace est la composante de la force totale qui est parallèle au déplacement. b ) Si la force efficace (Feff ) exercée par la fille sur la tondeuse est de 60 N, quel est le travail effectué par la fille sur la tondeuse ? Données :

Calcul :

Feff = 60 N



Déplacement (Δs)

Puisque la force exercée par la fille n’est pas parallèle au déplacement de la tondeuse, il faut utiliser la force efficace (Feff ) pour évaluer le travail effectué. FIGURE 4

Δs = 7,5 m W=? Le travail effectué par la fille sur la tondeuse est de 450 J.

150

L’univers matériel

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Groupe :

1

5.2

STE

L’univers matériel

Activités

Date :

5.2

Nom :

Un homme pousse un meuble, mais il ne parvient pas à le déplacer. a ) Quel est le travail effectué par l’homme sur le meuble ? Expliquez votre réponse.

b) L’homme exerce-t-il une force sur le meuble ? Expliquez votre réponse.

2

Sur un sol plat, un homme pousse sa voiture de 1200 kg en exerçant sur elle une force horizontale de 500 N vers l’avant. Quel est le travail fait par cet homme, si la voiture avance d’une distance de 2,2 m ?

3

Une femme tire une chaise vers l’arrière en la faisant glisser sur le plancher sur une distance de 0,30 m. Si le travail qu’elle effectue est de 22,5 J, quelle est la grandeur de la force exercée par la femme ?

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

151

4

L’univers matériel

5.2

Nom :

Groupe :

Date :

Pour soulever un corps à vitesse constante en exerçant sur lui une force verticale vers le haut, il faut que la grandeur de la force exercée soit égale à la grandeur du poids de ce corps. Quel est le travail effectué par une personne qui soulève, à vitesse constante, une boîte de 10 kg sur une distance de 50 cm ?

F

Fg

5

Une cycliste descend une pente. Sur l’illustration ci-contre, dessinez, à l’échelle, la composante efficace de la force gravi tationnelle, représentée par une flèche, qui agit sur la cycliste.

Fg

152

L’univers matériel

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Date :

Une force constante est appliquée oblique­ ment sur un objet qui se déplace horizon­ talement vers la droite. Cette force est représentée sur le diagramme ci­contre.

5.2

6

Groupe :

1 case = 1 N

L’univers matériel

Nom :

a ) Illustrez la force efficace sur le diagramme. b ) Dans cette situation, quelle est, en new­ tons, la grandeur de la force efficace ?

F

7

Une personne effectue un travail de 500 J sur un chariot à provisions en le poussant sur une distance de 5,0 m. Quelle est la grandeur de la force efficace exercée par cette personne ?

8

Dans certaines situations, le travail effectué peut être négatif. Ainsi, il est possible qu’une force effectue un travail de -5 J sur un objet. Un travail négatif est effectué sur un objet par une force quand celle­ci forme un angle de 90° à 270° avec le déplacement de cet objet. Cela s’explique par le fait que, dans de telles situations, la composante efficace de la force a un signe négatif. Un travail négatif signifie que la force s’oppose au déplacement de l’objet : la force tend à ralentir le mouvement de l’objet, par exemple. Parmi les situations suivantes, entourez les lettres correspondant à celles où la force dont il est question effectue un travail négatif. a ) La force de frottement agit sur un livre qui glisse sur une table. b ) Le poids d’une balle de tennis lancée en l’air agit sur celle­ci pendant qu’elle monte. c ) Le poids d’une balle de tennis lancée en l’air agit sur celle­ci pendant qu’elle redescend vers le sol. d) F

∆s

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

153

Groupe :

Date :

Sur la glace, la force gravitationnelle agit sur un hockeyeur de 85 kg, alors qu’il effectue une échappée sur une distance horizontale de 10 m. Quel est le travail effectué par la force gravitationnelle sur le hockeyeur ?

9

L’univers matériel

5.3

Nom :

Fg

Δs

5.3

L’énergie mécanique

Il existe de très 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.

154

L’univers matériel

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

L’énergie mécanique (Em) correspond à la somme de l’énergie cinétique (Ek) et de l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg), deux concepts qui sont dénis dans la présente section.

5.3.1 La relation entre le travail et l’énergie S T E Le travail effectué par une force peut être considéré comme la mesure de la contribution d’une force à produire un déplacement, comme on l’a vu dans la section 5.2. Toutefois, il y a une façon plus fondamentale de dénir le travail. Le travail (W ) correspond à un transfert d’énergie entre un corps et son environnement, qui se fait par l’application de forces (des poussées ou des tractions) sur le corps.

Le travail (W ) effectué sur un corps par des forces extérieures entraîne une variation correspondante de l’énergie de ce corps (ΔE), tel que le montre l’équation suivante : W = ΔE Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Groupe :

Date :

5.3

Donc, si on effectue un travail (W ) de 4 J sur un corps, l’énergie totale de ce corps augmentera de 4 J (ΔE = 4 J).

L’univers matériel

De même, alors qu’on peut dénir le travail comme un transfert mécanique d’énergie, on peut dénir l’énergie mécanique comme la capacité à effectuer un travail.

5.3.2 La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse S T E 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 : ainsi, il y aura plus d’énergie en jeu dans une collision entre deux camions qui roulent à très grande vitesse que dans une collision entre deux vélos qui roulent très lentement. L’équation qui permet d’évaluer l’énergie cinétique d’un corps en translation est la suivante : , où

Ek : énergie cinétique du corps en joules (J) m : masse du corps en kilogrammes (kg) v : vitesse du corps en mètres par seconde (m /s)

L’exemple suivant montre comment on peut évaluer l’énergie cinétique d’un corps. Exemple A Une voiture de 1 250 kg roule à une vitesse de 90 km/h. Quelle est son énergie cinétique ? Données :

Calcul :

m = 1 250 kg

1. Convertir la vitesse de la voiture en mètres par seconde :

v = 90 km/h Ek = ? 2. Évaluer l’énergie cinétique de la voiture :

L’énergie cinétique de la voiture est de 390 625 J.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

155

Groupe :

5.3

Nom :

Date :

L’univers matériel

5.3.3 La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, la grandeur du champ gravitationnel et la hauteur S T E L’énergie potentielle, qu’elle soit gravitationnelle, élastique ou électrique, est une énergie qui est emmagasinée par un système. Cette énergie est associée à la position d’un corps. Même s’il n’est question ici que 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 particules qui portent une charge électrique peuvent emmagasiner de l’énergie potentielle électrique. L’énergie potentielle gravitationnelle (Epg ) est une énergie associée à la force gravitationnelle.

Quand on soulève un objet au-dessus de la surface de la Terre, l’énergie qu’on lui transfère en faisant un travail pour lutter contre la force gravitationnelle est emmagasinée sous forme d’énergie potentielle. Si la force qui soulève l’objet cesse d’être appliquée, l’objet va descendre et, en se rapprochant de la surface de la Terre, il perdra de l’énergie potentielle gravitationnelle. En fait, l’énergie potentielle gravitationnelle qu’il va perdre sera transformée en énergie cinétique. Tout en descendant, l’objet accélérera vers le sol et sa descente se fera de plus en plus vite. La valeur de l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps n’est pas dénie de manière absolue : seule la façon dont cette énergie varie est signicative. Habituellement, on choisit le sol comme niveau de référence pour mesurer l’énergie potentielle gravitationnelle. Donc, on convient généralement que, au sol, Epg = 0. Dans ces conditions, près de la surface de la Terre, l’équation qui permet d’évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle (Epg) d’un corps est la suivante : , où

m : masse du corps en kilogrammes (kg) g : grandeur du champ gravitationnel en newtons par kilogramme (N /kg), soit 9,8 N /kg à la surface de la Terre h : hauteur du corps en mètres (m) par rapport au niveau de référence (correspondant souvent au sol)

156

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

5.3

L’exemple suivant montre comment on peut évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps. Exemple B On lance une balle de tennis de 58 g à 10 m au-dessus du sol. Quelle quantité d’énergie potentielle gravitationnelle possède cette balle lorsqu’elle atteint le sommet de sa trajectoire, si l’on considère que son énergie potentielle gravitationnelle est nulle au niveau du sol ? Données :

Calcul :

m = 58 g

1. Convertir la masse de la balle en kilogrammes :

g = 9,8 N/kg h = 10 m Epg = ?

2. Évaluer l’énergie potentielle gravitationnelle de la balle lorsqu’elle atteint le sommet de sa trajectoire :

Au sommet de sa trajectoire, l’énergie potentielle gravitationnelle de la balle est de 5,684 J.

5.3.4

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.

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

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

157

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.3

La situation d’un enfant assis sur une balançoire suspendue (voir la gure 5) peut être considérée comme une situation où l’énergie méca­ nique 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.

Énergie

Em Epg Ek

FIGURE 5

Un enfant assis sur une balançoire suspendue.

Activités 1

STE

Position

Quand l’enfant est au point le plus bas de sa trajectoire (au centre de la gure), son énergie potentielle (Epg) est minimale (on peut considérer qu’elle est nulle si on place le niveau de référence à cette hauteur). 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.

5.3

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux.

a ) Le travail qu’on calcule à l’aide de l’équation W = FΔs correspond à un transfert mécanique d’énergie.

b ) Si un travail est effectué sur un corps, l’énergie de ce corps est conservée.

c ) Si l’on applique une force sur un corps qui fait augmenter l’énergie de ce corps de 5 J, cela signifie qu’un travail de 5 J a été effectué sur ce corps.

158

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.3

d ) Plus l’altitude d’un corps augmente, plus ce corps possède d’énergie cinétique.

2

STE

Une mouche de 1 g vole à une vitesse de 5 m/s. Quelle est son énergie cinétique ?

3

STE

L’énergie cinétique d’un projectile de 12 g est de 5,4 J. Quelle est la vitesse de ce projectile ?

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

159

Groupe :

Date :

4

Une planchiste de 65 kg fait un saut qui lui permet de s’élever à 1,50 m au-dessus du STE sommet d’une demi-lune. Le sommet de la demi-lune est à 4,00 m de sa base, et sa base est à 35 cm du sol. Quelle est l’énergie potentielle gravitationnelle de la planchiste quand elle se trouve au sommet de sa trajectoire, si le sol est le niveau de référence pour la mesure de l’énergie potentielle gravitationnelle ?

5

Énoncez la loi de la conservation de l’énergie.

L’univers matériel

5.3

Nom :

160

L’univers matériel

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Nom :

Date :

5.3

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…

L’univers matériel

6

Groupe :

Placez les énoncés suivants en ordre chronologique, 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. 7

À la surface de la Lune, le champ gravitationnel est environ six fois moins intense qu’à la STE surface de la Terre. a ) Un astronaute qui saute à 1,00 m au-dessus du sol lunaire a-t-il autant d’énergie potentielle gravitationnelle qu’un homme de même masse qui saute à 1,00 m au-dessus du sol terrestre ? Expliquez votre réponse.

b ) Quand l’astronaute et le terrien retomberont, à la fin de leur saut, à la surface de l’astre sur lequel ils se trouvent, auront-ils la même vitesse ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

161

L’univers matériel

5.3

Nom :

Groupe :

Date :

8

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 ?

9

L’illustration ci-dessous ainsi que les illustrations des pages 163 et 164 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

Perdue

Travail

Emmagasinée

Potentielle gravitationnelle

Mécanique

Transférée

Texte à compléter En ramassant l’ustensile, la dame effectue un

sur lui.

Ce faisant, elle transfère de l’énergie

à l’ustensile.

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

162

L’univers matériel

. L’énergie qui est gagnée par la dame.

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Groupe :

Date :

L’univers matériel

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

en en produisant du son.

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

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Chapitre 5

5.3

Nom :

Les transformations de l’énergie

163

Nom :

Groupe :

Date :

5.3

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

L’univers matériel

1

2

3

Chimique

Sonore

Thermique

Cinétique

Transférée

Potentielle gravitationnelle

Transformée

Texte à compléter 1

Les muscles du frappeur transforment l’énergie

qui

leur a été fournie par la nourriture (métabolisée par le système digestif) en énergie et en énergie thermique. Une partie de l’énergie 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. 164

L’univers matériel

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Nom :

Date :

5.3

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

L’univers matériel

10

Groupe :

On choisit la surface de l’eau comme niveau de référence pour la mesure de l’énergie potentielle gravitationnelle. On considère que la résistance de l’air et le déplacement de la plongeuse sont négligeables. a ) 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. b ) Dans la situation représentée, l’énergie mécanique est-elle conservée ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

165

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.3

c ) 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.

d ) 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 ?

166

e)

Si la plongeuse a une masse de 55 kg, combien d’énergie potentielle gravitationnelle STE possède-t-elle quand elle se trouve à 2 m au-dessus du niveau de l’eau ?

f)

Si la plongeuse a une masse de 55 kg, combien d’énergie cinétique possède-t-elle STE quand elle se trouve à 1,5 m au-dessus du niveau de l’eau et que sa vitesse est de 7 m/s ?

L’univers matériel

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g)

Date :

Si la plongeuse a une masse de 55 kg et que la hauteur maximale qu’elle atteint, par STE rapport au niveau de l’eau, est de 4 m, quelle est sa vitesse lorsqu’elle atteint la surface de l’eau ?

h ) 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 que vous avez calculée à la question g. Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

167

5.3

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

5.4

Nom :

Date :

L’univers matériel

5.4 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.

5.4.1 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

La distinction entre la chaleur et le travail mécanique

STE

Le travail et la chaleur sont deux façons de transférer de l’énergie. Quand un transfert d’énergie entraîne le déplacement d’un objet, ce transfert d’énergie est un travail. Quand c’est plutôt la température d’un objet qui est à la source d’un transfert d’énergie, il s’agit de chaleur.

5.4.2 La relation entre la chaleur, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température S T E Lorsqu’on chauffe un objet (on lui transfère de l’énergie thermique), sa température augmente. La relation mathématique qui permet 168

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

5.4

de connaître la relation entre la chaleur et la variation de la température d’un objet fait également intervenir la masse (m) et la capacité thermique massique (c), une constante de proportionnalité qui dépend de la matière dont l’objet est fait. La capacité thermique massique (c ) correspond à la quantité d’énergie thermique (en joules) qu’il faut transférer à un gramme d’une substance pour augmenter sa température de un degré Celsius. Elle est mesurée en joules par gramme et par degré Celsius [J /(g °C)].

Deux objets qui reçoivent la même énergie thermique ne verront pas leur température augmenter de façon similaire s’ils ont des masses différentes ou s’ils sont faits de matériaux différents. L’équation qui relie la chaleur Q (en joules), la masse m (en grammes), la capacité thermique massique c (en joules par gramme et par degré Celsius) et la variation de température ΔT (en degrés Celsius) est la suivante :

La capacité thermique massique (c) de quelques substances TABLEAU 1

Q = mc∆T

Puisque Q = ΔET , on peut écrire : Substance

ΔET = mcΔT

Dans ces équations, la variation de température (∆T ) correspond à la différence entre la température nale (Tf) et la température initiale (Ti ), tel que le montre l’équation suivante : ∆T = Tf - Ti

La capacité thermique massique (c) peut être déterminée expérimentalement. Le tableau 1 donne les valeurs de capacité thermique massique de quelques substances.

Capacité thermique massique

Mercure

0,14

Cuivre

0,39

Fer

0,44

Aluminium

0,90

Glace

2,06

Eau liquide

4,19

L’exemple suivant met en application l’équation Q = mc∆T. Exemple Quelle chaleur un bloc de cuivre de 500 g absorbe-t-il lorsque sa température est portée de 4 °C à 24 °C ? Données :

Calcul :

m = 500 g

1. Évaluer la variation de température :

c = 0,39

(voir le tableau 1)



Tf = 24 °C Ti = 4 °C ∆T = ?

2. Évaluer la chaleur qui est absorbée par le cuivre :

Q=?



Le bloc de cuivre absorbe 3 900 J de chaleur.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

169

L’univers matériel

5.4

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

5.4

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Corrigez l’énoncé lorsqu’il est faux. a ) Quand deux objets sont mis en contact, l’objet qui a la température la plus élevée transfère toujours de l’énergie thermique à l’objet qui a la température la plus basse.

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

c)

2

Quand deux objets gagnent des énergies thermiques égales, la variation de leur STE température est égale.

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. d)

STE

Entourez l’énoncé qui est vrai parmi les énoncés suivants.

1) Si on avait remplacé la cuillère par une autre cuillère dont la capacité thermique massique est plus élevée, cette nouvelle cuillère se serait réchauffée plus rapidement. 2) Si on avait remplacé la cuillère par une autre cuillère dont la capacité thermique massique est plus élevée, cette nouvelle cuillère se serait réchauffée moins rapidement.

170

L’univers matériel

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Date :

La température de 5 g de mercure contenus dans un thermomètre passe de 15 °C à STE 16,5 °C. Quelle chaleur le mercure a-t-il absorbée ?

L’univers matériel

3

Groupe :

5.4

Nom :

4

STE

Dans votre cours de science, on vous demande d’examiner un morceau de brique de 150 g.

a) Vous mesurez qu’il faut transférer 75 600 J d’énergie thermique au morceau de brique pour que sa température monte de 0,6 °C. Quelle est la capacité thermique massique de ce type de brique ?

b ) Quelle serait la variation de la température du morceau de brique si vous lui transfériez 630 000 J d’énergie thermique ? (Indice : Utilisez le résultat de la question a pour répondre.)

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

171

Groupe :

Date :

5

Une tige de fer de 250 g absorbe 1 800 J d’énergie thermique. Si sa température initiale STE était de 22 °C, quelle est sa température finale ?

6

On chauffe, sur la même plaque chauffante, deux rondelles métalliques de même masse. STE L’une des rondelles est faite de cuivre et l’autre, de fer. Laquelle des deux rondelles verra sa température augmenter plus rapidement ? Expliquez votre réponse.

7

Dans un thermos, on mélange 200 mL d’eau à 90 °C avec 200 mL d’eau à 10 °C. STE Sans utiliser votre calculatrice, dites quelle sera la température de l’eau du thermos une fois le mélange terminé.

L’univers matériel

5.4

Nom :

172

L’univers matériel

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Nom :

5.5

Un calorimètre est un appareil utilisé pour déterminer STE la chaleur qui est absorbée ou dégagée par une substance. On peut fabriquer un calorimètre rudimentaire à l’aide d’un thermomètre et d’un verre de styromousse qu’on remplira d’eau et qu’on munira d’un couvercle, comme le montre l’illustration ci-contre.

Date :

Thermomètre

L’univers matériel

8

Groupe :

Soit un calorimètre fait d’un verre de styromousse contenant 350 g d’eau. Si la température de cette eau passe de 20 °C à 23 °C en une minute quand on y plonge un bloc de fer de 100 g, quelle chaleur est dégagée par ce bloc de fer durant cet intervalle de temps ? (Le styromousse étant un bon isolant thermique, on peut considérer que presque toute la chaleur dégagée par le fer est absorbée par l’eau, et que l’eau ne transmet pas de chaleur à son environnement à cause de l’isolation fournie par le styromousse.)

5.5

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.

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

173

Nom :

Groupe :

Le rendement énergétique est exprimé par le rapport suivant :

5.5 L’univers matériel

Date :

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.

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

174

L’univers matériel

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.

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Activités

Date :

5.5

Groupe :

5.5

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 ?

3

Un ingénieur doit améliorer le rendement des systèmes de remontées mécaniques, alimentés à l’électricité et destinés aux stations de ski. Parmi les idées suivantes, laquelle représente une solution intéressante pour l’ingénieur ? Cochez la case appropriée. a ) Fournir davantage d’énergie électrique aux systèmes de remontées mécaniques. b ) Faire monter moins de skieurs à la fois dans les remontées mécaniques. c ) Diminuer le frottement indésirable sur les câbles des systèmes de remontées mécaniques.

4

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

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

175

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. Expliquez chaque fois votre réponse. a)

STE

La masse est une force.

b)

STE

Le poids est une force.

c)

STE

Le poids d’un objet peut varier en fonction de l’endroit où cet objet se trouve.

d)

Connaître le champ gravitationnel en un point de l’espace permet de connaître la STE grandeur de la force gravitationnelle qui agit sur un objet placé en ce point, en fonction de la masse de cet objet.

e ) La chaleur est un transfert d’énergie qui entraîne le déplacement d’un objet.

f ) La température est une forme d’énergie.

2

STE

Qui suis-je ?

a ) Je corresponds au travail nécessaire pour déplacer un objet en luttant contre la force gravitationnelle.

b ) Je suis un transfert mécanique d’énergie.

c ) Je suis la force gravitationnelle exercée par une planète sur un objet.

176

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

d ) Je quantifie la capacité d’un objet à accomplir un travail.

e ) Je suis la mesure du mouvement des atomes et des molécules qui composent un objet.

f ) Je suis la composante d’une force qui est parallèle au déplacement d’un objet sur lequel un travail est effectué.

3

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.

4

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 STE

Newton

STE

Newton par kilogramme

L’énergie potentielle gravitationnelle STE STE

Le travail kg

STE

La capacité thermique massique STE

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Chapitre 5

Les transformations de l’énergie

177

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

5

Groupe :

Date :

Certaines des équations ci-dessous contiennent une erreur. Dans chaque cas, dites d’abord STE si l’équation est correcte ou erronée. Corrigez ensuite les équations erronées dans les rectangles prévus à cette fin. a ) m = Fg /g b ) W = Feff Δs c) d ) Epg = Em + Ek e ) ΔT = Q /mc

6

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

7

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 » ?

178

L’univers matériel

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C HAPITRE

6

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.

179

Groupe :

6.1

Nom :

L’univers matériel

6.1

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

Ces interactions sont quantiables au moyen de la loi de Coulomb et peuvent être mieux comprises à l’aide du concept de champ électrique. STE

Proton

6.1.1

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. Électron

La représentation d’un atome. FIGURE 1

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). 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.

180

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

a ) Deux charges positives se repoussent. FIGURE 2

6.1.2

b ) Deux charges négatives se repoussent.

L’univers matériel

6.1

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

181

Date :

6.1

Groupe :

6.1.3

L’univers matériel

Nom :

La loi de Coulomb permet d’évaluer la force électrique qui agit entre deux charges, en fonction de la grandeur des charges et de la distance entre celles-ci.

La loi de Coulomb

STE

L’équation de la loi de Coulomb est la suivante : , où

F : force agissant entre les corps, exprimée en newtons (N) q1 et q2 : grandeurs des charges électriques portées par chacun des corps, exprimées en coulombs (C) r : distance entre les corps, exprimée en mètres (m) k : constante de proportionnalité (appelée « constante de Coulomb ») égale à

Quand le signe de la force (F ) est positif, cela signie que les charges q1 et q2 se repoussent parce qu’elles sont de même signe. Si le signe de la force (F) est négatif, cela signie que les deux charges s’attirent parce qu’elles sont de signes opposés. L’exemple suivant montre comment exploiter la loi de Coulomb. Exemple Une mince tige de plastique portant, à son extrémité, une charge positive de 10 × 10 -9 C est placée à 5 cm d’une toute petite balle de styromousse portant une charge positive de 9 × 10 -9 C. a ) La force qui agit entre la tige et la balle est-elle une force d’attraction ou une force de répulsion ? C’est une force de répulsion, puisque la tige et la balle portent toutes les deux une charge positive (donc, une charge de même signe). b ) Quelle est la grandeur de la force qui agit entre l’extrémité de la tige et la balle ? Données :

Calcul : -9

C

-9

C

q tige = q1 = + 10 × 10 q balle = q2 = + 9 × 10 r = 5 cm = 0,05 m k= F=?

Le signe positif obtenu pour F confirme que la tige et la balle se repoussent, tel qu’on l’a déterminé dans la réponse à la question a.

Note : On a associé la charge de la tige à q1 et celle de la balle à q2, mais on aurait pu faire l’inverse et obtenir le même résultat. La grandeur de la force entre l’extrémité de la tige et la balle est de 3,24 × 10 -4 N.

182

L’univers matériel

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6.1.4

Groupe :

Le champ électrique

Date :

6.1

Nom :

STE

L’univers matériel

Quand on approche une particule chargée d’un autre corps chargé, la particule que l’on approche subit une force électrique qui dépend de la charge qu’elle porte. L’orientation et la grandeur de cette force varieront selon l’endroit où l’on place la particule chargée. Pour connaître l’orientation de la force qui agira sur cette particule, il est utile de faire appel à la notion de champ électrique. Le champ électrique est une modification de l’espace qui découle de la présence d’une charge électrique.

Le champ électrique est invisible. Cependant, il existe divers procédés pour conrmer sa présence (voir la gure 4). Puisqu’il est immatériel, on utilise ce qu’on appelle les « lignes de champ élec­ trique » pour le représenter. Ces lignes sont orientées dans le sens de la force qui agirait sur une particule portant une charge positive, en chacun des points de l’espace. En d’autres termes, en un point quelconque de l’espace, une charge positive subit une force orientée parallèlement à la ligne de champ électrique qui passe par ce point.

Ce détecteur s’illumine lorsqu’il détecte la présence d’un champ électrique. FIGURE 4

Puisque les charges positives repoussent les autres charges posi­ tives, les lignes de champ électrique s’éloignent des charges positives. Puisque les charges négatives attirent les charges positives, les lignes de champ se dirigent vers les charges négatives. En outre, les lignes de champ sont plus rapprochées là où le champ élec­ trique est plus intense (voir la gure 5 ).

a ) Le champ électrique d’une particule ponctuelle (sans dimension ou de dimensions négligeables) portant une charge positive.

d ) Le champ électrique résultant de la présence, côte à côte, de deux particules portant des charges de signes opposés.

c ) Le champ électrique résultant de la présence, côte à côte, de deux particules portant chacune une charge positive.

e ) Le champ électrique créé par deux plaques portant des charges de signes opposés, uniformément distribuées.

b ) Le champ électrique d’une particule ponctuelle portant une charge négative. FIGURE 5

Le champ électrique généré par des charges électriques dans différentes configurations.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

183

L’univers matériel

6.1

Nom :

Groupe :

Activités

Date :

6.1

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 ?

184

L’univers matériel

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Nom :

Date :

6.1

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

185

5

Groupe :

Date :

Deux petites balles de styromousse, A et B, sont placées à 10 cm l’une de l’autre, comme STE le montre l’illustration ci-dessous.

L’univers matériel

6.1

Nom :

10 cm

a ) On donne une charge de 3 × 10 -7 C à la balle A et une charge de -3 × 10 -7 C à la balle B. Représentez par des flèches, sur l’illustration ci-dessus, la force électrique que chacune des balles exercera l’une sur l’autre. Identifiez chaque flèche que vous dessinerez. b ) Quelle est la grandeur de la force électrique exercée sur la balle A par la balle B ?

c ) Lisez les énoncés ci-dessous. Puis, entourez le numéro correspondant à l’énoncé qui complète bien la phrase suivante. La grandeur de la force exercée sur la balle A par la B est… 1) plus petite que celle de la force exercée sur la balle B par la balle A. 2) la même que celle de la force exercée sur la balle B par la balle A. 3) plus grande que celle de la force exercée sur la balle B par la balle A. 186

L’univers matériel

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Date :

d ) Si la balle B est remplacée par une balle C qui porte une charge de -1 × 10-7 C, quelle sera la grandeur de la force électrique qui agira entre les balles A et C ? (La distance entre les balles A et C est de 10 cm.)

e ) Si la balle C est remplacée par une balle D qui porte une charge de + 1 × 10-7 C, l’intensité de la force qui agit entre les balles A et D sera-t-elle plus grande, égale ou plus faible que celle de la force qui agissait entre les balles A et C ? Expliquez votre réponse.

f ) Dessinez, sur l’illustration ci-dessous, les orientations de la force électrique exercée sur la balle A par la balle D (Fsur A par D) et de la force électrique exercée sur la balle D par la balle A (Fsur D par A). Dessinez deux flèches et identifiez-les à l’aide des symboles Fsur A par D et Fsur D par A .

10 cm

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

187

6.1

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Date :

g ) Est-il exact de dire que, si la distance entre les balles A et D passe de 10 cm à 5 cm, la grandeur de la force électrique qui agit entre les balles doublera ? Expliquez votre réponse.

6.1 L’univers matériel

Groupe :

6

Sachant qu’un coulomb correspond à une charge très importante, répondez aux questions suivantes. a ) Combien d’électrons faut-il retirer à un corps pour que celui-ci accumule une charge de 1,0 C ?

b)

188

STE Soit une boule de quille portant une charge de 1 C et une autre, une charge de -1 C. Les deux boules de quille sont séparées par une distance de 3 m. Quelle est la grandeur de la force électrique qui agit entre les deux boules de quille ?

L’univers matériel

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c)

7

Date :

STE Si la masse des boules de quille décrites à la question b est de 3,5 kg, combien de fois la force électrique qui agit entre ces boules est-elle plus grande que le poids respectif de ces boules ?

STE Déterminez quelle doit être la distance entre deux petites billes chargées qui portent chacune une charge de 5 × 10 -6 C pour que la force de répulsion électrique agissant entre elles soit de 5 N.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

189

6.1

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

8

L’univers matériel

6.1

Nom :

Groupe :

Date :

STE Les figures ci-dessous illustrent deux paires (indépendantes) de particules identiques qui portent des charges électriques de même grandeur. À gauche, les particules sont de signes opposés. À droite, les particules sont de signes négatifs.

a ) Dessinez les lignes de champ électrique qui entourent les deux charges de chacun des cas illustrés ici. b ) Imaginez que l’on relâche une particule à proximité de l’une ou de l’autre paire de particules chargées illustrées ci-dessus. Cette particule se déplacerait-elle dans le sens des lignes de champ électrique ou en sens inverse : 1) si sa charge est positive ?

2) si sa charge est négative ?

9

190

STE Observez attentivement la figure ci-dessous, qui illustre le champ électrique entre deux plaques portant des charges de signes opposés, uniformément distribuées. Sachant que la densité des lignes de champ est proportionnelle à l’intensité du champ électrique, que pouvez-vous dire au sujet de l’intensité du champ électrique entre les plaques ? Expliquez votre réponse le plus clairement possible.

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

6.2

Nom :

L’univers matériel

6.2 Les circuits électriques Certains matériaux, comme les métaux, ont la particularité de permettre aux électrons de circuler facilement. Ces matériaux sont appelés des « conducteurs électriques ». 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 6 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 7).

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 6

Voltmètre

Ampoule

Résisteur

Les symboles normalisés utilisés pour représenter différentes composantes des circuits électriques. FIGURE 7

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

191

L’univers matériel

6.2

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 circu­ lent à sens inverse dans un circuit par rapport au courant 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, celleci 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 8).

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 8

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).

6.2.1

Les types de circuits électriques

Quand on étudie les circuits électriques, on distingue les circuits en série des circuits en parallèle.

192

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

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 9, 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 10).

6.2

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 9).

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 9

a ) L’illustration d’un circuit en parallèle formé d’une pile et de deux ampoules. FIGURE 10

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 10 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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

193

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

6.2

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 11, à gauche, et la figure 13, 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 12 a et 12 b). 3. Insérer l’ampèremètre dans le circuit (voir la figure 12 c). Un ampèremètre doit toujours être branché en série avec la composante dans laquelle on veut mesurer le courant*.

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

FIGURE 12

194

Un ampèremètre numérique (à gauche) et un voltmètre numérique (à droite). FIGURE 11

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

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

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

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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.

*

Date :

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.

Pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’une composante d’un circuit, on utilise un instrument appelé « voltmètre » (voir la figure 11, à droite, et la figure 13, 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 14)*. 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.

*

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.

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

FIGURE 14

Un ampèremètre analogique (à gauche) et un voltmètre analogique ou à aiguilles (à droite). FIGURE 13

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

195

6.2

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

6.2

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

6.2 et 6.2.1

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. 196

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 6

6.2

Nom :

L’électricité et l’électromagnétisme

197

7

Groupe :

Date :

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

L’univers matériel

6.2

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.

198

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.

6.2

8

Groupe :

L’univers matériel

a)

b)

c)

d)

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

199

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

6.2

Nom :

200

a)

Explication :

b)

Explication :

c)

Explication :

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Dessinez le schéma d’un circuit comprenant :

6.2

11

Groupe :

a ) deux résisteurs et une ampoule qui sont branchés en parallèle avec une pile ;

L’univers matériel

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

201

13

L’univers matériel

6.2

Nom :

Groupe :

Date :

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

6.2.2

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 15) 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.

Des modèles de résisteurs. FIGURE 15

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. 202

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

6.2

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

6.2.2

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

203

L’univers matériel

6.2

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 ?

204

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

6.2

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

205

Groupe :

6.2

Nom :

6.2.3

Les lois de Kirchhoff

Date :

STE

L’univers matériel

Quand on connaît la différence de potentiel (aussi appelée « tension ») aux bornes de certaines composantes d’un circuit ou quand on connaît le courant qui les traverse, il est possible de calculer les valeurs du courant et de la différence de potentiel ailleurs dans le circuit. Pour ce faire, il est utile de se référer aux lois de Kirchhoff.

La loi des nœuds La première loi de Kirchhoff est connue sous le nom de « loi des nœuds ». Un nœud est un point d’un circuit où plus de deux ls se rejoignent (voir ci-dessous les deux cercles jaunes tracés sur le schéma de l’exemple A). C’est, en quelque sorte, un embranchement dans un circuit. La loi des nœuds stipule que la somme des courants électriques qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent.

La loi des nœuds n’est pas utile pour étudier les circuits en série, puisqu’il n’y a pas de nœuds dans un tel circuit. Dans un circuit en série, le courant est le même partout. La loi des nœuds découle du fait que les charges ne peuvent ni être créées ni disparaître. Si, par exemple, la somme des courants qui sortent d’un nœud pouvait être supérieure à la somme des courants qui y entrent, cela impliquerait que des charges sont créées à l’emplacement du nœud, ce qui est impossible. L’exemple suivant montre comment utiliser la loi de nœuds pour étudier un circuit en parallèle. Exemple A Un résisteur et une ampoule sont branchés en parallèle avec une pile de 6 V. Le courant qui vient de la pile est de 0,3 A. Le courant qui circule dans l’ampoule est de 0,1 A. Quel est le courant qui circule dans le résisteur ? Données : Nœud

Nœud I rés = ? I ampoule = 0,1 A

I pile = 0,3 A

I pile = 0,3 A

I pile = 0,3 A Iampoule = 0,1 A I rés = ? Le circuit compte deux nœuds. Dans le nœud de droite, le courant qui entre est le courant qui vient de la pile (I pile ). Le courant qui sort se dirige en partie vers le résisteur (I rés) et en partie vers l’ampoule (Iampoule). Ientrant = I pile I sortant = I rés + Iampoule

U=6V

206

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

6.2

Nom :

L’univers matériel

Calcul : 1. Appliquer la loi des nœuds sur le nœud de droite. La loi des nœuds stipule que le courant qui entre dans le nœud de droite est égal au courant qui en sort : Ientrant = I sortant Donc : I pile = Irés + I ampoule 2. Isoler la valeur du courant qui circule dans le résisteur :

On trouve ainsi que le courant qui circule dans le résisteur est de 0,2 A. On aurait obtenu le même résultat en s’intéressant au nœud de gauche plutôt qu’au nœud de droite. Dans le cas du nœud de gauche, le courant qui entre correspond à la somme du courant qui circule dans le résisteur et du courant qui circule dans l’ampoule ; le courant qui sort correspond au courant qui retourne vers la pile. Le courant qui circule dans le résisteur est de 0,2 A.

La loi des boucles La deuxième loi de Kirchhoff est connue sous le nom de « loi des boucles ». Une boucle est un parcours fermé que l’on trouve dans un circuit. Il y a une seule boucle dans un circuit en série ; il y en a plusieurs dans un circuit en parallèle. La loi des boucles stipule que, autour d’une même boucle dans un circuit, la différence de potentiel aux bornes de la source d’alimentation (la pile, par exemple) est égale à la somme des différences de potentiel aux bornes de chacune des autres composantes.

La loi des boucles découle du principe de conservation de l’énergie. En effet, la différence de potentiel aux bornes d’une source d’alimentation électrique quantie l’énergie électrique qui est gagnée, par unité de charge, par les particules chargées qui traversent cette source. À l’opposé, la différence de potentiel aux bornes d’un résisteur ou d’une autre composante qui dissipe l’énergie électrique quantie l’énergie électrique qui est perdue, par unité de charge, par les particules chargées qui traversent cette composante. Puisque l’énergie est conservée, il est normal, sur un parcours fermé, que l’énergie gagnée soit égale à l’énergie perdue.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

207

Nom :

Groupe :

La loi des boucles n’est guère utile pour étudier les circuits en parallèle. En effet, chacune des composantes d’un circuit en paral­ lèle étant branchée directement aux deux bornes de la pile, la diffé­ rence de potentiel aux bornes de chacune des composantes est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile.

6.2 L’univers matériel

Date :

L’exemple suivant montre comment utiliser la loi des boucles pour étudier un circuit en série. Exemple B Deux ampoules sont branchées en série avec une pile aux bornes de laquelle la différence de potentiel est de 12 V. La différence de potentiel aux bornes de la première ampoule est de 5 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule ? 1

2

Calcul : La pile et les deux ampoules font partie d’une même boucle ; ce sont les seules composantes autour de cette boucle. La deuxième loi de Kirchhoff dit que la somme des différences de potentiel aux bornes de chacune des ampoules est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile :

Données : Upile = 12 V Uampoule 1 = 5 V Uampoule 2 = ? La différence de potentiel aux bornes de la seconde ampoule est de 7 V.

La résistance équivalente On peut combiner les lois de Kirchhoff et la loi d’Ohm pour obtenir à peu près toutes les informations que l’on veut sur un circuit donné. Cependant, l’analyse des circuits électriques que l’on effectue en combinant ces deux lois est simpliée par l’utilisation du concept de résistance équivalente. La résistance équivalente (Réq) d’un circuit correspond à la résis­ tance d’un résisteur unique qui remplacerait tous les résisteurs d’un circuit et qui ferait en sorte que le courant qui circule dans la pile est le même. Dans un circuit en série, la résistance équivalente (Réq) corres­ pond simplement à la somme des résistances de tous les résisteurs du circuit, comme le montre l’équation suivante :

208

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

6.2

L’exemple suivant montre comment évaluer la résistance équivalente (Réq) d’un circuit en série et comment utiliser le concept de résistance équivalente pour analyser ce type de circuit. Exemple C Un circuit est constitué d’une pile de 3 V et de trois résisteurs, respectivement de 16, de 30 et de 24 Ω, branchés en série. Quel est le courant dans ce circuit ? Calcul : 1. Déterminer la résistance équivalente du circuit :

R 2 = 30 Ω

R1 = 16 Ω

RR33 ==24 24 Ω Ω

U pile = 3 V

Données : R1 = 16 Ω R2 = 30 Ω R 3 = 24 Ω Upile = 3 V I=?

2. Trouver la différence de potentiel aux bornes du résisteur équivalent. Selon la loi des boucles, la différence de potentiel aux bornes du résisteur équivalent du circuit (Uéq ) est la même que la différence de potentiel aux bornes de la pile, soit 3 V. Donc, si on remplaçait tous les résisteurs du circuit par un seul résisteur de 70 Ω branché directement à la pile, comme le montre le schéma ci-dessous, la différence de potentiel aux bornes de ce résisteur serait de 3 V. Réq = 70 Ω

U=3V

3. Appliquer la loi d’Ohm (U = RI ) pour déterminer le courant qui est établi dans le circuit :

Le courant qui est établi dans le circuit est d’environ 0,043 A. (Comme c’est un circuit en série, le courant est le même dans chacun des résisteurs.)

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

209

L’univers matériel

Nom :

Date :

6.2

Groupe :

Dans un circuit en parallèle, on peut calculer la résistance équivalente (Réq) à l’aide de l’équation suivante :

L’univers matériel

Nom :

Cette équation montre que la résistance équivalente d’un circuit en parallèle est plus faible que les résistances des résisteurs d’un circuit. L’équation montre également que la résistance équivalente diminue quand on ajoute un résisteur au circuit. L’exemple suivant montre comment évaluer la résistance équivalente (Réq) d’un circuit en parallèle et comment utiliser le concept de résistance équivalente pour analyser ce type de circuit. Exemple D Un circuit contient trois résisteurs, respectivement de 10, de 20 et de 100 Ω, branchés en parallèle avec une pile. Le courant qui traverse la pile est de 0,48 A. R1 = 10 Ω R2 = 20 Ω R 3 = 100 Ω I pile = 0,48 A

b ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la pile ? Données : Réq = 6,25 Ω I pile = 0,48 A Upile = ?

a ) Quelle est la résistance équivalente du circuit ? Données : R1 = 10 Ω R2 = 20 Ω

Calcul : Selon la loi des boucles, la différence de potentiel aux bornes du résisteur équivalent du circuit (Uéq) est la même que la différence de potentiel aux bornes de la pile. Donc, si l’on remplace tous les résisteurs du circuit par un seul résisteur de 6,25 Ω branché directement à la pile, la différence de potentiel aux bornes de ce résisteur est égale à la différence de potentiel aux bornes de la pile. Réq = 6,25 Ω

R 3 = 100 Ω Réq = ? Calcul : Puisque

, on a :

La résistance équivalente du circuit est de 6,25 Ω. 210

L’univers matériel

I pile = 0,48 A

La différence de potentiel aux bornes de la pile est de 3 V. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

1

6.2.3

STE

Un circuit contient trois ampoules différentes qui sont branchées en série avec une pile de 1,5 V, comme l’illustre le schéma ci-dessous. La différence de potentiel aux bornes de la première ampoule est de 0,75 V. La différence de potentiel aux bornes de la deuxième ampoule est de 0,35 V. Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la troisième ampoule ? 1

2

2

3

Le circuit illustré ci-dessous contient plus d’un nœud. Encerclez ces nœuds sur le schéma.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

211

L’univers matériel

Activités

Date :

6.2

Nom :

3

Groupe :

Date :

Dans le circuit ci-dessous, l’ampèremètre 1 mesure un courant de 0,25 A. L’ampèremètre 2 mesure un courant de 0,15 A. Quel courant l’ampèremètre 3 mesure-t-il ?

L’univers matériel

6.2

Nom :

2 1

3

4

212

Le schéma ci-dessous illustre trois résisteurs branchés en série avec une pile. La différence de potentiel associée à chacun des résisteurs est mesurée au moyen de voltmètres. Ces valeurs sont indiquées sur le schéma. La résistance R1 du résisteur aux bornes duquel la différence de potentiel est de 2,0 V est de 12,5 Ω.

L’univers matériel

2,0 V

1,5 V

1,5 V

R1 = 12,5 Ω

R2

R3

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

6.2

a ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de la pile ?

b ) Quel est le courant mesuré par l’ampèremètre branché dans ce circuit ?

5

Le circuit illustré ci-contre est constitué de trois résisteurs branchés en parallèle avec une pile de 9 V. L’ampèremètre mesure un courant de 0,3 A. Quelle est la résistance équivalente du circuit ?

I pile = 0,3 A

U pile = 9 V

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

213

6

L’univers matériel

6.2

Nom :

Groupe :

Le schéma ci-contre illustre trois résisteurs branchés en parallèle avec une pile de 12 V. Le courant est mesuré à différents endroits dans le circuit à l’aide d’ampèremètres. Les valeurs de courants mesurés sont notées sur le schéma.

Date :

R1 1,1 A

R2

a ) Quel courant est établi dans le résisteur dont la résistance est R1 ?

0,5 A

R3

2,0 A

12 V

b ) Quelle est la différence de potentiel mesurée par le voltmètre branché dans ce circuit ?

c ) Quelles sont les résistances de chacun des trois résisteurs ?

214

L’univers matériel

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Date :

Dans chacun des cas présentés ci-dessous, calculez la résistance équivalente du circuit en sachant que la résistance R1 est de 100 Ω, que la résistance R2 est de 250 Ω et que la résistance R 3 est de 500 Ω. a) R1

R2 R3

b)

R2

R1

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R3

Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

215

6.2

7

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

8

Groupe :

Date :

Deux résisteurs, qui possèdent respectivement des résistances R1 et R2 de 200 Ω et de 300 Ω, sont branchés en série avec une pile de 3 V, comme le montre l’illustration ci-dessous.

L’univers matériel

6.2

Nom :

R1

R2

a ) Quel est le courant dans ce circuit ?

b ) Quelle est la différence de potentiel aux bornes de chacun des résisteurs ?

216

L’univers matériel

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Date :

Le circuit illustré ci-dessous montre un résisteur, qui possède une résistance R1 de 100 Ω, branché en parallèle avec un second résisteur, dont la résistance R2 est inconnue. Les deux résisteurs sont associés à une pile de 6 V qui produit un courant total de 0,1 A. a ) Quelle est la valeur de la résistance R2 ?

R1

R2

b ) Entourez le chiffre correspondant à l’énoncé qui complète correctement la phrase suivante. Si l’on branchait un troisième résisteur, de résistance R3, en parallèle avec les deux résisteurs déjà présents, le courant mesuré par l’ampèremètre… 1) augmenterait. 2) resterait le même. 3) diminuerait.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

217

6.2

9

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Date :

6.2

Groupe :

6.2.4 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 :

Δ

, 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. 218

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

6.2

Nom :

Données :

Calcul : À partir de l’équation de E :

P = 1 500 W

Δt = 3 min = 180 s

Δ

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

Δ

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

6.2.4

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

219

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

6.2

Nom :

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

3

220

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

221

6.2

4

Groupe :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

6.3

Nom :

Date :

L’univers matériel

6.3 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.

6.3.1 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 16

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 16). 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 17 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

Quand on approche deux pôles identiques l’un de l’autre, ils se repoussent. Quand on approche deux pôles différents, ils s’attirent. FIGURE 17

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.

222

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 18 ). 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 :

6.3

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 18

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 19).

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 19

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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

223

Groupe :

L’univers matériel

6.3

Nom :

20 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 20).

6.3.1

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.)

224

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

6.3

Nom :

a)

b)

c)

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

225

5

L’univers matériel

6.3

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 ?

226

L’univers matériel

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Date :

6.3

Groupe :

6.3.2 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 21).

I (sens du courant conventionnel)

Comme l’illustre la gure 21, 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 22).

I

Les lignes de champ créées par un courant qui parcourt un fil rectiligne prennent la forme de cercles concentriques. FIGURE 21

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 22

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 « première 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 23).

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Chapitre 6

La première 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 23

L’électricité et l’électromagnétisme

227

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

6.3

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.

Activités 1

6.3.2

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)

3

228

b)

Antoine fait passer un courant de 3 A dans un très long fil rectiligne. Comment pourrait-il faire pour augmenter l’intensité du champ magnétique créé autour de ce fil ?

L’univers matériel

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5

Date :

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.

6.3

4

Groupe :

a)

L’univers matériel

Nom :

b)

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

6.3.3 Le champ magnétique d’un solénoïde S T E Il est possible d’obtenir des champs magnétiques plus élevés que ce qu’un l rectiligne peut produire, en roulant le l de façon à former un solénoïde. Un solénoïde est une bobine faite de plusieurs enroulements très serrés de fil conducteur. Ces enroulements sont appelés des « spires ».

Lorsqu’un courant électrique parcourt un solénoïde, un champ magnétique est créé, tout comme lorsqu’un courant parcourt un l rectiligne. Par contre, le champ magnétique n’a pas du tout la même forme. À l’intérieur du solénoïde, le champ magnétique est très intense. Les lignes de champ sont parallèles à l’axe du solénoïde et presque rectilignes (voir la gure 24, à la page suivante). À l’extérieur du solénoïde, le champ magnétique est faible et ressemble à celui d’un aimant droit.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

229

Groupe :

Date :

6.3

Nom :

L’univers matériel

N

S

I

a ) Le champ magnétique d’un solénoïde.

b ) Le champ magnétique d’un aimant droit.

Lorsque le courant circule dans un solénoïde, le champ magnétique créé ressemble à celui d’un aimant droit. On peut assimiler chacune des extrémités du solénoïde à l’un des pôles d’un aimant. Les lignes de champ sortent du pôle Nord et entrent au pôle Sud. FIGURE 24

N

S

I

La deuxième règle de la main droite permet de connaître le sens des lignes du champ magnétique créées par un courant qui circule dans un solénoïde. FIGURE 25

Pour connaître le sens des lignes de champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde, on uti­ lise ce qu’on appelle la « deuxième règle de la main droite » : pour ce faire, on enroule les doigts de la main droite dans le sens du courant qui parcourt le solénoïde, et le pouce pointe alors dans le sens des lignes de champ qui sont à l’intérieur du solénoïde (voir la gure 25). On peut dire que le pouce pointe vers le pôle Nord du solénoïde. Les facteurs suivants modient l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde :

• Plus le courant qui parcourt le solénoïde est fort, plus le champ magnétique est intense. • Plus les spires du solénoïde sont denses, plus le champ magnétique est intense. • Une tige de métal ferromagnétique placée à l’intérieur du solénoïde fait augmenter l’intensité du champ magnétique produit. Une telle tige est appelée « noyau ». Quand le courant circule dans le solé­ noïde, le métal s’aimante et son champ magnétique s’ajoute à celui produit par le courant. La nature du métal affecte l’intensité du champ. Un solénoïde qui possède un noyau ferromagnétique est un électroaimant. Bien que le champ magnétique créé par un solénoïde parcouru par un courant ressemble à celui qui est créé par un aimant droit, les solénoïdes présentent un avantage indéniable par rapport aux aimants permanents : en variant l’intensité du courant, on peut modier le champ magnétique.

230

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

1

6.3.3

L’univers matériel

Activités

6.3

Les solénoïdes et les champs magnétiques qu’ils créent ont plusieurs applications technologiques : on en trouve, par exemple, dans les écouteurs, les moteurs électriques et les grues à aimant (qu’on appelle aussi « électroaimant de levage »).

STE

Dans chacun des cas présentés ci-dessous, tracez d’abord quelques-unes des lignes de champ magnétique créées par le courant qui circule dans les solénoïdes. Puis, identifiez les pôles Nord (N) et Sud (S) associés à ces solénoïdes. a)

c)

I

b)

I

d)

I

2

Dans chacune des figures suivantes : . marquez le sens du courant par une flèche ; . identifiez les pôles Nord (N) et Sud (S) associés aux solénoïdes. a)

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b)

Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

231

Groupe :

Date :

3

Le solénoïde illustré ci-dessous est branché à une pile. La force qui agit entre l’aimant et le solénoïde est-elle une force d’attraction ou une force de répulsion ? Expliquez votre réponse.

4

Entourez, dans chaque paire de solénoïdes illustrés ci-dessous, le solénoïde qui produit le champ magnétique le plus intense. Expliquez chacune de vos réponses.

L’univers matériel

6.3

Nom :

a)

I=1A

I=2A

b)

I=1A

232

L’univers matériel

I=1A

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Groupe :

Date :

6.3

Nom :

I=1A

5

I=1A

L’univers matériel

c)

Tige de fer

Dans un dépotoir, on utilise, pour retirer les pièces de ferraille des autres débris, une grue à aimant. On peut considérer qu’une telle grue est composée de deux solénoïdes dans lesquels on fait passer un courant. Ces solénoïdes créent alors un champ magnétique et attirent les matériaux ferromagnétiques qui se trouvent en dessous. L’électroaimant est illustré ci-après de trois façons différentes. a ) Une grue à aimant en action

b ) L’électroaimant d’une grue à aimant

c ) Le schéma de principe de l’électroaimant Interrupteur

Batterie

Noyau

Énoncez trois moyens que l’exploitant du dépotoir pourrait prendre pour augmenter la force avec laquelle sa grue attire les matériaux ferromagnétiques.

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

233

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

6

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)

Les lignes de champ électrique sortent des corps chargés positivement et entrent dans STE les corps chargés négativement.

d)

Placée dans un champ électrique, une particule chargée positivement subit une force STE orientée en sens inverse par rapport aux lignes de champ électrique.

e ) Un circuit en série comporte un seul nœud.

f)

Dans un circuit, la somme des courants électriques qui entrent dans un nœud est égale STE à la somme des courants qui en sortent.

g)

Dans un circuit, la différence de potentiel aux bornes de la source d’alimentation est toujours égale à la somme des différences de potentiel aux bornes de toutes les autres composantes du circuit. STE

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

234

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

2

Deux petites balles de styromousse, placées à 10 cm l’une de l’autre, s’attirent avec une STE force électrique de 1,8 N. L’une de ces balles porte une charge de -5 × 10 -6 C. Quelle charge la deuxième balle porte-t-elle ?

3

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 ?

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

235

L’univers matériel

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel

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)

236

STE

Quelle est la résistance équivalente de ce circuit ?

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

g ) 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 ?

3)

STE

Quelle sera la différence de potentiel aux bornes du résisteur de 500 Ω ?

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Chapitre 6

L’électricité et l’électromagnétisme

237

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

4

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

5

STE

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. — En fait, il y a deux règles de la main droite, ajoutez-vous. Que dites-vous ensuite à votre mère pour lui expliquer ce que sont les deux règles de la main droite et ce à quoi elles servent ?

238

L’univers matériel

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La Terre et l’espace Sommaire CHAPITRE

1

La lithosphère

        

240

CHAPITRE

2

L’hydrosphère

        

257

CHAPITRE

3

L’atmosphère 

        

277

CHAPITRE

4

Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables          293

CHAPITRE

5

Les cycles biogéochimiques 

     

CHAPITRE

6

Les régions climatiques 

CHAPITRE

7

L’espace

309



325

            

335

239

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 tels que la contamination et l’épuisement des sols, et la déforestation.

240

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

241

Groupe :

1.2

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. 242

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

243

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 242. 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 :

244

La Terre et l’espace

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La contamination des sols

1.4

Date :

1.4

Groupe :

STE

La Terre et l’espace

Nom :

Notre mode de vie est en grande partie responsable de la pollution de l’environnement. Cette pollution génère des résidus toxiques dont les sols ne peuvent pas disposer de façon naturelle. La contamination du sol se produit lorsque la concentration d’une subs­ tance toxique dans le sol est supérieure à la normale.

Une fois inltrés dans le sol, les contaminants sont entraînés par les eaux de pluie vers les cours d’eau et la nappe phréatique. Ils peuvent alors être absorbés par les végétaux, se répandre dans les chaînes alimentaires et contaminer l’ensemble des organismes, y compris les êtres humains. Le tableau 1 présente quelques exemples de contamination des sols. Des exemples de contamination des sols

TABLEAU 1

Types de contaminants Organiques

Sources Industrie agroalimentaire

Contaminants Pesticides, insecticides, engrais

Impacts sur l’environnement • Contamination des cours d’eau, des lacs et de la nappe phréatique • Contamination de la faune et de la flore • Eutrophisation des plans d’eau

Inorganiques

• Sites d’enfouis­ sement de déchets • Moteurs à explosion • Industrie minière • Industrie pétrolière • Industrie chimique

• Acides (ou pluies acides), métaux lourds tels que : plomb (Pb), mercure (Hg), zinc (Zn), cadmium (Cd), nickel (Ni), arsenic (As)

• Destruction de la flore et de la faune locales • Contamination des cours d’eau et des réserves souterraines

• Hydrocarbures (pétrole et dérivés) • Solvants

Radioactifs

• Industrie nucléaire • Armes nucléaires (ogives nucléaires, sous­marins nucléaires)

1.4.1

• Déchets nucléaires (substances radioactives)

• En cas d’accident nucléaire : possibilité de malformations, mutations génétiques et cancers

• Eau chaude résiduelle

• Réchauffement des cours d’eau à proximité du site

La capacité tampon des sols

Les acides sont des contaminants importants. Ils proviennent de la transformation de certains minéraux, de sites d’enfouissement ou des pluies acides. Ils peuvent être en partie neutralisés par le sol, qui a la capacité de résister aux variations du pH.

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Chapitre 1

La lithosphère

245

Date :

1.4

Groupe :

La capacité tampon des sols est la capacité qu’ont certains sols à résister, à divers degrés, à de brusques variations du pH.

La Terre et l’espace

Nom :

La capacité tampon du sol est une réponse naturelle à la contamination par les acides. Cette capacité dépend de la nature du sol. En général, un sol sableux neutralise peu les acides provenant des pluies, par exemple. Un sol fertile, riche en végétaux, en humus et en minéraux, a quant à lui une bonne capacité tampon. Les pluies acides y sont neutralisées par certains minéraux, ce qui préserve la richesse du sol, qui peut alors fournir aux végétaux les nutriments qui leur sont essentiels. Les microorganismes peuvent ainsi continuer à jouer leur rôle dans l’écosystème.

1.4.2

La biodégradation des polluants

Certaines activités humaines peuvent entraîner le rejet de polluants dans l’environnement. Le domaine des biotechnologies a donc développé des procédés pour remédier aux dommages causés par divers contaminants. Ces procédés font appel à la biodégradation. La biodégradation est un processus naturel qui met à profit le rôle des décomposeurs. En se nourrissant de déchets organiques ou de minéraux, ceux-ci produisent de la matière inorganique non dommageable pour l’environnement.

Deux procédés de biodégradation sont principalement utilisés par l’industrie de la décontamination : la biorestauration et la phytoremédiation.

La biorestauration Ce procédé consiste à utiliser des microorganismes pour décontaminer un site. Plusieurs bactéries et champignons peuvent vivre dans des conditions extrêmes et se nourrir de substances inusitées, souvent toxiques pour l’environnement (voir la gure 3). Substances dégradées par des décomposeurs (bactéries, champignons)

Solvants

Hydrocarbures Plastiques

FIGURE 3

Produits de la décomposition

CO2 + H2O ou différentes molécules moins toxiques pour l’environnement

Des exemples de substances décomposables à l’aide du procédé de biorestauration.

Lorsque les bactéries ne sont pas présentes naturellement en quantité sufsante pour décontaminer un site de façon efcace et rapide, les scientiques ont recours à la biostimulation ou à la bioaugmentation. 246

La Terre et l’espace

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Groupe :

La Terre et l’espace

Par la biostimulation, on cherche à favoriser la croissance des bactéries et leur activité métabolique en ajoutant au milieu les éléments nécessaires : substances nutritives et dioxygène. La multiplication des bactéries est aussi facilitée par le brassage du sol qui permet un apport supplémentaire en dioxygène, par une humidication ou par un ajout d’engrais approprié (voir la gure 4). La bioaugmentation permet quant à elle un apport supplémentaire de microorganismes sur le terrain, lesquels sont utilisés spéciquement pour la décontamination d’un polluant donné.

Date :

1.4

Nom :

La biostimulation. De l’engrais préalablement mélangé à l’eau est répandu sur le site. Du dioxygène est incorporé à la solution grâce à la puissance des jets d’eau. FIGURE 4

La phytoremédiation Les végétaux peuvent eux aussi servir à la décontamination d’un site. Ils absorbent les contaminants présents dans le sol pour les stocker dans leurs feuilles, leurs tiges et leurs racines. Ces dernières, par leur croissance, peuvent aussi contribuer à stimuler l’activité des microorganismes responsables de la biorestauration. Elles permettent aussi d’empêcher certains métaux lourds (plomb et mercure par exemple) de contaminer les horizons inférieurs du sol ainsi que la nappe phréatique. Parmi les plantes les plus utilisées, on trouve des fougères, le chou, la citrouille, le tournesol, et certains arbres comme le peuplier et le saule (voir la gure 5). Bien entendu, les végétaux utilisés dans la phytoremédiation deviennent impropres à la consommation. Ils doivent être traités, après leur récolte, an de disposer des substances contaminantes qu’ils contiennent.

a ) Des tournesols. FIGURE 5

b ) Un saule (Salix viminalis).

Exemple de végétaux utilisés dans la phytoremédiation.

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Chapitre 1

La lithosphère

247

La Terre et l’espace

1.4

Nom :

Groupe :

Activités

1.4

Date :

STE

1

Vos voisins souhaitent planter un arbre pour souligner la naissance de leur premier enfant. Ils croient cependant que le sol de leur propriété est trop acide, ce qui empêchera l’arbre de grandir. Donnez-leur une solution pour contrer un tel problème.

2

Pour chacune des activités illustrées dans le tableau, nommez un élément qui, s’il se retrouvait dans le sol, deviendrait un contaminant potentiel. Activité

248

Contaminant potentiel

Activité

Jouer avec une voiture téléguidée.

Utiliser un téléphone cellulaire.

Faire la vidange d’huile d’une voiture.

Emballer les emplettes à l’épicerie.

La Terre et l’espace

Contaminant potentiel

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Groupe :

Date :

Pour chacun des éléments nommés en 2, dites de quelle façon il contaminerait l’environnement s’il se retrouvait dans le sol.

4

Les élèves d’un cours de science observent la réaction de différentes substances avec de l’acide sulfurique (H2SO4). À la fin de la période, ils déversent dans des béchers les produits obtenus. Par inadvertance et croyant qu’il s’agit d’eau, le concierge jette le contenu des béchers sur le sol près de l’école. Supposons que cet événement se produise dans deux écoles situées sur des sols différents, quel en sera l’impact sur les sols avoisinants :

La Terre et l’espace

3

1.4

Nom :

a ) l’école LeSieur ?

b ) l’école Fatima ?

École LeSieur Caractéristique du sol avoisinant l’école : terre fertile (riche en minéraux, débris végétaux, etc.)

École Fatima Caractéristique du sol avoisinant l’école : sol sableux

Impact de l’événement sur les sols avoisinants :

Impact de l’événement sur les sols avoisinants :

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Chapitre 1

La lithosphère

249

5

Groupe :

Date :

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite à la question qui l’accompagne.

L’accident du Deepwater Horizon

La Terre et l’espace

1.4

Nom :

Une explosion sur la plateforme de forage flottante Deepwater Horizon, située dans le golfe du Mexique, est survenue en avril 2010, tuant 11 personnes et provoquant une marée noire de 4,9 millions de barils de pétrole. Pour tenter de limiter les impacts de cette catastrophe, 7 millions de litres de disper sants chimiques ont été déversés dans le golfe. Toutefois, cette mesure n’a pas enrayé le problème. La marée noire a atteint les rives du golfe du Mexique. On ignore encore quels seront les effets à long terme d’une telle opération. La marée noire dans le golfe du Mexique en 2011.

Si vous aviez eu à conseiller l’ingénieur de la firme engagée pour nettoyer les rives contaminées : a ) quel procédé de biorestauration lui auriez-vous suggéré ? Biorestauration

Phytoremédiation

b ) Pourquoi ?

6

Au bord de la route, non loin de chez vous, un champ jadis contaminé par des métaux lourds est cultivé depuis un an. Des choux y poussent en abondance. Un ami de la famille arrive chez vous et vous dit : « Regarde-moi ce chou ! Je l’ai cueilli dans un champ, pas loin… au bord de la route. Il me paraissait appétissant et parfait pour concocter ma fameuse soupe aux choux ! » Que pensez-vous de cette proposition : ce chou est-il comestible ? Justifiez votre réponse.

250

La Terre et l’espace

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Date :

La pire catastrophe nucléaire répertoriée a eu lieu à Tchernobyl, en Ukraine, le 26 juin 1986 : un réacteur nucléaire a explosé. L’explosion et la concentration de matières radioactives dans l’atmosphère ont entraîné la mort de centaines de milliers de personnes. En avril 2011, un nouvel accident nucléaire est survenu au Japon. Certains ont qualifié cet accident de « catastrophe comparable à celle de Tchernobyl ».

12 avril 2011

L’accident de Fukushima classé au même niveau que Tchernobyl L’Agence japonaise de sûreté nucléaire a élevé, mardi 12 avril 2011, l’accident nucléaire de la centrale de Fukushima-1 au niveau maximum de 7 sur l’échelle des événements nucléaires et radiologiques (INES), le plaçant au même degré de gravité que la catastrophe de Tchernobyl. Elle a toutefois précisé que le niveau des émissions radioactives enregistré depuis le début de l’accident nucléaire n’équivalait qu’à 10 % de celui mesuré en 1986 après la catastrophe de la centrale située en Ukraine. « Nous n’avons pas déploré les mêmes irradiations de personnes. Il y a eu des rejets à Fukushima de vapeurs et de fumées, mais pas de même ampleur ni de même nature qu’à Tchernobyl », a mis en exergue un porteparole de l’Agence. Les autorités nucléaires japonaises craignent tout de même que les « fuites radioactives » ne « dépassent finalement celles de Tchernobyl ».

Preuve de la gravité de la situation, des traces de strontium, un élément hautement radioactif produit par la fission nucléaire, ont été trouvées pour la pre mière fois dans les sols et dans des plantes près de la centrale. Source : Le Monde.fr, 12 avril 2011 (page consultée le 13 mars 2012). L’article complet est accessible à l’adresse : http://www.lemonde.fr/japon/article/2011/04/12/tokyo-eleve-auniveau-7-l-accident-nucleaire-dans-la-centrale-de-fukushima_ 1506185_1492975.html

L’uranium 234 est un combustible nucléaire couramment utilisé. Or, il faut environ 250 000 ans avant qu’il ne perde la moitié de sa radioactivité. En considérant cette information, croyez-vous que la phytoremédiation soit envisageable pour décontaminer le site de Fukushima ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 1

La lithosphère

251

1.4

7

Groupe :

La Terre et l’espace

Nom :

Groupe :

La Terre et l’espace

1.5

Nom :

1.5

Date :

L’épuisement des sols

STE

L’activité humaine a parfois des impacts négatifs sur les sols. L’épuisement des sols se traduit par une perte d’éléments nutritifs, ce qui rend les sols incapables de soutenir une culture spécifique.

De façon générale, plusieurs pratiques agricoles, forestières et minières favorisent l’épuisement des sols (voir le tableau 2). TABLEAU 2

Des exemples d’activité responsable de l’épuisement des sols Activité

Impact sur le sol

L’agriculture intensive et la monoculture

Elles empêchent le sol de se régénérer, car elles sollicitent constamment les mêmes minéraux. Ces minéraux deviennent de plus en plus rares. Cet appauvrissement du sol rend les cultures plus difficiles et entraîne alors l’utilisation massive d’engrais.

L’utilisation de machineries lourdes par les agriculteurs

Elle entraîne le compactage du sol, ce qui diminue l’aération de celuici et l’absorption de l’eau, et nuit au développement des végétaux.

La contamination chimique (déversements de produits toxiques, accidents écologiques, etc.)

Elle lessive le sol de certains minéraux, tout en rendant ceux qui demeurent en place inutilisables par les végétaux.

L’urbanisation

En plus de la disparition des sols due à l’étalement urbain, l’aménagement des zones urbaines entraîne la coupe massive d’arbres qui soutiennent le sol avec leurs racines et qui le protègent de l’érosion.

La déforestation (coupes à blanc)

Elle prive le sol de la couverture végétale (racines, humus) qui favorise sa porosité et limite le ruissellement. Les sols déboisés subissent alors une érosion plus importante, ce qui entraîne une perte de minéraux et de matières organiques.

Activités 1

1.5

STE

Pour chaque illustration, nommez : a ) l’activité responsable de l’épuisement du sol ; b ) l’impact de cette activité sur le sol.

252

a)

a)

a)

b)

b)

b)

La Terre et l’espace

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Date :

Un fermier cultive du maïs depuis de nombreuses années. Il s’inquiète de ses cultures, car ses récoltes ont baissé de 35 % depuis cinq ans.

1.5

2

Groupe :

a ) Peut-on affirmer que les sols de sa ferme sont épuisés ?

La Terre et l’espace

Nom :

b ) Donnez deux conseils à ce fermier pour que la prochaine saison des récoltes soit plus fructueuse.

3

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite aux questions de la page suivante.

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

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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 présentes.

Une forêt déboisée.

Chapitre 1

La lithosphère

253

Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l’espace

1.5

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

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 2 500 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.

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 culturebétail.

4

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

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).

254

La Terre et l’espace

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Nom :

STE

Date :

Lisez le texte qui suit. Puis, répondez aux questions.

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.

a ) Si un déversement de pétrole survenait dans les Territoires du Nord-Ouest ou au Nunavut, estce que le sol pourrait être contaminé ? Justifiez votre réponse.

b ) Dans l’éventualité d’une contamination du sol dans ces régions, nommez un moyen d’y remédier.

c ) Est-ce que la situation serait la même si la contamination provenait d’un déversement d’acide ? Justifiez votre réponse.

4

Dans une zone de préservation d’un parc national, des panneaux de signalisation informent les visiteurs qu’ils doivent demeurer dans les sentiers balisés lorsqu’ils font de la randonnée. Or, ces dernières années, de plus en plus de randonneurs n’ont pas respecté cette règle. C’est pourquoi cette zone du parc a été fermée. L’affiche ci-contre explique aux visiteurs cette décision. STE

Pour quelle raison cette affiche a-t-elle été posée ?

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AF I N D E P ROT ÉG E R LE S OL D E CE S E CT E UR, L’ACC È S EN E S T IN TE R D IT PO U R UNE DU R É E I N DÉ T ERMI N ÉE.

Chapitre 1

La lithosphère

255

La Terre et l’espace

Nom :

5

Groupe :

Date :

STE La désertification est un phénomène qui se produit sur une longue période. Plusieurs étapes mènent à la disparition des forêts et de certaines couches du sol.

À l’aide du tableau suivant, expliquez, étape par étape, le processus qui mène à la désertification d’un sol. La désertification d’un sol Étape

Observation

1

Explication

La désertification d’un sol Étape

Explication

3

Les végétaux n’ont plus la capacité de pousser dans ce sol.

La croissance des végétaux est normale.

2

4

Quelques végétaux ne poussent plus dans ce sol.

256

Observation

La Terre et l’espace

Les végétaux ayant disparu, les horizons restants sont B, C et R.

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CHAPITRE

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 et la contamination de l’hydros­ phère représentent des risques importants 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 circula­ tion à l’échelle des océans. De plus, vous verrez comment certaines substances peuvent se mélanger à l’eau et en changer la composition, au point de perturber l’équilibre de certains milieux.

257

Groupe :

2.1

Nom :

La Terre et l'espace

2.1

Date :

Les bassins versants

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. 258

La Terre et l’espace

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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 %

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.

Eau 96,5 %

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.

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.

Activités 1

Sels 3,5 %

FIGURE 2

La composition de l’eau

de mer.

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.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

259

2.2

Groupe :

La Terre et l’espace

Nom :

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

260

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.

La Terre et l’espace

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Nom :

5

Date :

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

2.1 et 2.2

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.

La Terre et l’espace

4

Groupe :

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 ?

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Chapitre 2

L’hydrosphère

261

La Terre et l’espace

2.1 et 2.2

Nom :

Groupe :

Date :

Lisez ce texte. Répondez ensuite aux questions.

6

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 ?

262

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

2.3

La Terre et l’espace

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

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

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).

Courants chauds de surface Courants froids et salés de profondeur

OCÉAN ATLANTIQUE OCÉAN PACIFIQUE OCÉAN INDIEN

FIGURE 3

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2.3

Nom :

La circulation thermohaline.

Chapitre 2

L’hydrosphère

263

Nom :

Groupe :

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.

2.4 La Terre et l’espace

Date :

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.

264

La Terre et l’espace

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Groupe :

Activités

Date :

2.3 et 2.4

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

1

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 l Belle A

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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

Chapitre 2

Jim L’Espérance 123 La rue Laville, QC, J1G 1N0

L’hydrosphère

265

4

Groupe :

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

2.3 et 2.4

Nom :

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 ?

266

La Terre et l’espace

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La contamination de l’hydrosphère

Date :

STE

La Terre et l’espace

2.5

Groupe :

2.5

Nom :

De nombreuses substances sont susceptibles de compromettre la qualité de l’eau. Ces polluants peuvent gagner l’hydrosphère de différentes façons. La contamination de l’hydrosphère survient lorsque les propriétés et la composition de cette dernière sont changées de façon durable par diverses substances au point de perturber l’équilibre du milieu.

La contamination de l’hydrosphère est causée par des polluants physiques, chimiques et biologiques. Tous ces types de contaminants perturbent les écosystèmes (voir le tableau 1). TABLEAU 1

Les principaux contaminants de l’hydrosphère

Catégorie de contaminants

Physiques

Chimiques

Biologiques

Types de contaminants

Impacts environnementaux

Sacs de plastique et débris insolubles

Ils sont ingérés ou blessent les animaux marins, qui peuvent en mourir.

Eaux chaudes rejetées par le système de refroidissement des centrales nucléaires

Elles réchauffent les cours d’eau situés à proximité, ce qui provoque un déséquilibre de l’écosystème présent : diminution du dioxygène menant à l’eutrophisation, par exemple.

Acides tels HNO3 et H2SO4 provenant des pluies acides

Ils acidifient les cours d’eau et détruisent la flore.

Engrais provenant de l’industrie agroalimentaire et produits nettoyants d’usage industriel et domestique

Ils apportent un surplus de nitrates (NO3-) et de phosphates (PO43-), et sont responsables de l’eutrophisation des cours d’eau.

Métaux lourds (par exemple, mercure [Hg], plomb [Pb]) provenant des industries minière et métallurgique

Ils créent une accumulation dans la chaîne alimentaire, ce qui entraîne divers troubles du système nerveux, des mutations et des cancers.

Hydrocarbures provenant de l’industrie pétrolière

Ils peuvent provoquer des marées noires responsables de la destruction d’écosystèmes côtiers et marins.

Microorganismes tels les parasites, bactéries et virus produits par les déjections animales (élevages) et humaines (égouts)

Les éléments nutritifs qu’ils apportent favorisent l’eutrophisation des plans d’eau, et contaminent l’eau en provoquant des problèmes digestifs et des maladies parasitaires lorsqu’elle est ingérée.

L’eutrophisation Lorsque certaines conditions sont réunies, un milieu aquatique comme un lac peut être transformé progressivement en tourbière. L’eutrophisation est un processus par lequel un plan d’eau subit une diminution significative de dioxygène à cause d’un apport important en éléments nutritifs comme l’azote et le phosphore.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

267

Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l’espace

2.5

Dans un plan d’eau équilibré, tel un lac, les eaux sont claires et bien oxygénées, les algues sont peu nombreuses et il y a beaucoup d’espèces animales (poissons, crustacés, etc.). Les signes d’eutrophisation sont la prolifération de plantes et d’algues, et l’accumulation de matière organique morte, qui privent les eaux de lumière. L’eutrophisation est un phénomène naturel qui se déroule généralement sur de très longues périodes. Toutefois, l’activité humaine peut contribuer à l’accélérer. En effet, certaines substances comme les engrais, certains nettoyants et certains pesticides contribuent à l’eutrophisation. Le déversement d’eaux usées et le ruissellement des eaux provenant des terres agricoles sont des exemples de facteurs qui accélèrent ce phénomène. Le processus d’eutrophisation accéléré d’un plan d’eau se produit en plusieurs étapes, qui sont présentées dans le tableau 2. TABLEAU 2

L’eutrophisation accélérée d’un plan d’eau 1. Le ruissellement enrichit le plan d’eau en phos­ phore et en azote. Les organismes photosynthé­ tiques (phytoplancton, algues, plantes aquatiques, etc.) se multiplient plus rapidement qu’ils ne sont consommés. Ils bloquent ainsi la lumière aux végé­ taux situés en profondeur et les font mourir.

2. Les végétaux morts se déposent au fond de l’eau où ils sont décomposés par des microorganismes qui en libèrent les nutriments (azote et phosphore).

3. La nourriture maintenant abondante pour ces microorganismes décomposeurs entraîne leur pro­ lifération et une augmentation de la consommation en dioxygène (O2), dissous dans l’eau, nécessaire à leur survie. 4. La raréfaction du dioxygène dans le plan d’eau provoque la disparition progressive de certaines espèces animales (poissons, crustacés, insectes, etc.) et végétales. Ultimement, le plan d’eau n’est plus qu’un terrain recouvert d’une épaisse cou­ che de boue riche en nutriments où pousse une végétation adaptée (sphaignes, quenouilles, canne­ berges, etc.).

En résumé, tout apport supplémentaire de nutriments, particulièrement les nutriments riches en azote et en phosphore, favorise le développement des organismes photosynthétiques (phytoplancton, 268

La Terre et l’espace

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Nom :

Groupe :

Date :

La Terre et l’espace

2.6 Le traitement des eaux usées

2.6

algues, plantes aquatiques, etc.) et amorce ainsi l’eutrophisation. Une température oscillant entre 15 et 25 °C et un milieu stagnant, moins bien oxygéné, contribuent également à l’eutrophisation.

STE

Les eaux usées sont des eaux destinées à être rejetées après leur utilisation. Ces eaux ne peuvent toutefois pas être rejetées sans qu’elles n’aient d’abord subi une série de traitements qui les rendent sans risque pour l’environnement. Le traitement des eaux usées est un processus visant à décontaminer des eaux qui sont rejetées après leur utilisation domestique ou industrielle.

En milieu urbain, les résidences sont généralement reliées à un réseau d’égouts destiné à acheminer les eaux usées vers une usine de traitement. Le traitement des eaux usées comprend plusieurs procédés qu’il est possible de regrouper en trois grandes étapes. Celles-ci sont présentées dans le tableau 3. TABLEAU 3

Le traitement des eaux usées

Étape 1 Le traitement physique ou primaire 1. Le dégrillage : les eaux usées passent à travers un grillage qui retient les plus gros débris (feuilles, sacs de plastique, tissus, etc.).

Arrivée des eaux usées 1 2 3

2. Le dessablage : les eaux cheminent ensuite dans un grand bassin de sédimentation où les particules plus lourdes (sable, gravier, roches) se déposent au fond et sont ainsi facilement retirées. 3. Le déshuilage : à la surface de la partie liquide, les huiles et les graisses forment une mousse blanche flottante qui sera enlevée à l’aide d’un racloir.

4

Vers le traitement biologique Boues primaires

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4. On ajoute aux eaux restantes des substances chimiques capables d’agglomérer les plus petites particules afin qu’elles se déposent au fond plus facilement. Elles forment alors un lit de boues primaires. À la fin de cette étape, les eaux usées doivent être débarrassées de leurs matières organiques par le traitement biologique (étape 2).

Chapitre 2

L’hydrosphère

269

Groupe :

TABLEAU 3

Date :

Le traitement des eaux usées (suite)

Étape 2 Le traitement biologique ou secondaire Arrivée des eaux après le traitement primaire

La Terre et l’espace

2.5 et 2.6

Nom :

5. Les eaux usées arrivent dans une cuve où elles sont mélangées avec des microorganismes et une grande quantité d’air. Ainsi, le milieu est propice à la digestion des matières organiques en suspension par les microorganismes qui les éliminent des eaux en les décomposant.

5

6. Les particules solides formées par l’action des microorganismes ou celles qui sont excédentaires passent dans une seconde cuve où elles sont digérées par d’autres microorganismes, avant de se retrouver dans le fond de cette cuve pour former les boues secondaires.

6

Boues secondaires

Vers le traitement complémentaire

À la fin de cette étape, 75 à 95 % de la matière organique est éliminée des eaux usées qui peuvent maintenant être rejetées dans le réseau hydrographique ou subir d’autres traitements complémentaires (étape 3).

Étape 3 Le traitement complémentaire ou la désinfection Retour des eaux usées dans l’environnement

Activités 1

2.5 et 2.6

7. Les eaux usées qui se retrouvent ici sont celles qui ne peuvent pas rejoindre immédiatement un milieu sensible. Elles doivent donc subir des traitements chimiques qui servent à en éliminer les substances potentiellement nocives pour un tel milieu. Ces procédés incluent la déphosphatation, la filtration et la désinfection. Au cours de la désinfection, des produits tels que des composés chlorés, l’ozone ou les rayons UV sont utilisés.

STE

Complétez chacune des fiches suivantes. a ) Nommez le contaminant de l’eau mis en évidence. b ) Indiquez la catégorie de polluant (physique, chimique ou biologique) à laquelle appartient ce contaminant. c ) Décrivez un impact environnemental que ce contaminant peut provoquer.

270

La Terre et l’espace

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Groupe :

Date :

2.5 et 2.6

Nom :

Fiche 1 Contaminant :

La Terre et l’espace

Catégorie de polluant : Impact environnemental :

Fiche 2 Contaminant : Catégorie de polluant : Impact environnemental :

Fiche 3 Contaminant : Catégorie de polluant : Impact environnemental :

Fiche 4 Contaminant :

Catégorie de polluant : Impact environnemental :

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Chapitre 2

L’hydrosphère

271

2

La Terre et l’espace

2.5 et 2.6

Nom :

Groupe :

Date :

Monsieur Alou se présente à l’animalerie avec une photo de son aquarium (voir cicontre). Au moment où il a pris cette photo, la température de l’eau de l’aquarium était de 23 °C. Monsieur Alou explique à l’employé que lorsqu’il a acheté son aquarium, il a aussi acheté un petit appareil qui filtrait et oxygénait l’eau. a ) Le commis de l’animalerie indique à monsieur Alou des signes apparents d’eutrophisation dans son aquarium. Nommez-en deux.

L’aquarium de monsieur Alou.

b ) Donnez deux causes possibles de l’eutrophisation de l’aquarium de monsieur Alou.

c ) Si monsieur Alou ne rectifie pas la situation, que risque-t-il de se produire ?

3

Monsieur Alou fait appel à vos connaissances afin de traiter l’eau de son aquarium. Décrivez un traitement physique et un traitement complémentaire réalistes qu’il pourrait effectuer afin de traiter l’eau de son aquarium. Type de traitement

Description

Traitement physique

Traitement complémentaire

272

La Terre et l’espace

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Nom :

Date :

Au laboratoire de science, on vous soumet l’énigme ci-contre.

2.5 et 2.6

4

Groupe :

Pour vous aider à résoudre cette énigme, répondez aux questions suivantes.

La Terre et l’espace

a ) Parmi les propriétés caractéristiques des substances que vous connaissez, laquelle pourrait facilement être mesurée en laboratoire ?

b ) Quelles sont les deux données nécessaires pour déterminer la propriété que vous avez nommée en a ?

c ) Quelle est la valeur attendue pour cette propriété ?

d ) Donc, si l’eau est contaminée, le résultat de votre calcul doit être (cochez la bonne réponse) : supérieur à la valeur attendue. le même que la valeur attendue. inférieur à la valeur attendue. e ) Expliquez la réponse que vous avez donnée en d.

f ) Si l’eau est contaminée, nommez ce qui pourrait être responsable de sa contamination.

5

Dans le journal local, vous remarquez l’avis public suivant.

AVIS PUBLIC En vertu du nouveau règlement municipal de la Ville de Lac-aux-Oies, il est dorénavant interdit aux résidents habitant aux abords du lac de faire usage des produits suivants :



Insecticides, pesticides



Produits nettoyants contenant des phosphates



Engrais et fertilisants

Qu’est-ce que les administrateurs de la ville cherchent à éviter avec ce nouveau règlement ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

273

6

Groupe :

Certaines résidences construites en milieu rural ne sont pas reliées à un système d’égouts. Afin d’évacuer leurs eaux usées, leurs propriétaires ont recours aux fosses septiques (voir l’illustration cicontre). Le fonctionnement d’une fosse septique reprend, de façon simplifiée, celui de l’usine d’épuration (voir l’illustration ci-dessous). À l’aide de cette illustration, complétez les étapes des traitements physique et biologique des eaux usées d’une fosse septique avant que celles-ci soient retournées dans l’environnement.

La Terre et l’espace

2.5 et 2.6

Nom :

Date :

Fosse septique

Plateau bactérien

Évent (air)

Tampons de visite (regards)

Arrivée des eaux usées

Drainage vers le plateau bactérien (sol avec présence de décomposeurs)

Flottants (matières organiques) Boues (matières inorganiques) 1re cuve

Matières minérales (matières inorganiques)

2e cuve

Les étapes du traitement physique 1. Tout comme dans le cas d’une usine de traitement des eaux usées, les matières organiques et inorganiques arrivent par un tuyau dans la première cuve de sédimentation de la fosse. 2. Dans la première cuve, la matière organique reste et

.

3. Dans la première cuve, la matière inorganique . Une compagnie spécialisée .

Les étapes du traitement biologique 4. La matière organique qui flotte se déplace de la première cuve vers la seconde cuve pour se diriger vers

. Ce dernier est un sol . Ceux-ci vont se nourrir de cette matière organique

et la

274

La Terre et l’espace

.

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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.

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Chapitre 2

L’hydrosphère

275

La Terre et l’espace

Nom :

La Terre et l’espace

Nom :

2

3

4

Groupe :

Date :

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.

STE

Peut-on affirmer que l’eutrophisation est une forme de contamination ? Justifiez votre réponse.

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

Contamination de l’hydrosphère S T E

Eutrophisation des plans d’eau S T E

276

La Terre et l’espace

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CHAPITRE

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.

277

Groupe :

La Terre et l’espace

3.1

Nom :

Les masses d’air

3.1 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.

TABLEAU 1

Date :

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).

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

278

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.

La Terre et l’espace

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

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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).

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.

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.

3.3

Les vents dominants

STE

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

Chapitre 3

L’atmosphère

279

La Terre et l’espace

3.2

Groupe :

3.2

Nom :

Groupe :

3.3

Nom :

Date :

Pôle Nord Vents d’est polaires

La Terre et l’espace

Cellule polaire

60° N

Cellule de Ferrel

Vents d’ouest dominants

Cellules de Hadley

30° N

Alizés du nord-est

Équateur

Alizés du sud-est

Cellule de Ferrel

Vents d’ouest dominants

30° S

60° S

Cellule polaire Vents d’est polaires Pôle Sud

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

Les vents dominants ont un effet sur la dispersion des polluants dans l’atmosphère. Ainsi, des industries métallurgiques situées aux abords des Grands Lacs, qui consomment beaucoup d’énergie produite à partir de combustibles fossiles, émettent une grande quantité de gaz à effet de serre (CO2, NOx, CH4, etc.), ainsi que des poussières responsables du smog. Ces polluants sont transportés par les vents dominants sur un vaste territoire. D’après un rapport du gouvernement du Canada produit en 2007, entre 30 et 90 % du smog qui envahit certaines régions de l’est du Canada proviendraient de la région des Grands Lacs, du côté des États-Unis.

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

280

La Terre et l’espace

Déviation vers la droite

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

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Date :

Les cyclones et les anticyclones

La Terre et l’espace

3.4

Groupe :

3.4

Nom :

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).

3.4.1

La formation d’un cyclone

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

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

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. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 3

L’atmosphère

281

Nom :

Groupe :

Date :

3.1 à 3.4

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.

La Terre et l’espace

3.4.2

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. Il est important de noter, comme le suggère la gure 4 à la page précédente, 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. 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 3.4

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

Consultez la carte de la page 244 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.

282

La Terre et l’espace

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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.

5

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.

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Chapitre 3

L’atmosphère

283

3.1 à 3.4

4

Groupe :

La Terre et l’espace

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

3.1 à 3.4

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 ?

La Terre et l’espace

e ) Expliquez comment se déroulera ce changement. Puis, faites un schéma pour illustrer vos propos. Explication :

Schéma :

6

Dans plusieurs maisons, on trouve des ventilateurs installés au plafond de certaines pièces. 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.

284

La Terre et l’espace

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Nom :

Date :

Prévisions Samedi

3.1 à 3.4

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

Probabilités de précipitations : 10 %

La Terre et l’espace

7

Groupe :

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 .

a)

b)

Puisque la pluie cessera lundi à Ottawa et à Toronto, à quelles prévisions météoroloSTE giques peut-on s’attendre pour mardi, à Montréal ?

STE

Sur quel phénomène atmosphérique appuyez-vous votre prévision ?

c ) 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. Explication :

Schéma :

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Chapitre 3

L’atmosphère

285

Groupe :

Date :

Dans la région de Québec, on prévoit un indice humidex de 40 et une chaleur accablante pour les prochains jours.

8

a ) Qu’est-ce qui caractérisera la masse d’air durant ces journées ?

La Terre et l’espace

3.5

Nom :

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 ?

3.5

La contamination de l’air STE

Les principales composantes de l’air sont le diazote (N2) et le dioxygène (O2), mais l’atmosphère dans lequel nous vivons contient beaucoup d’autres substances. La contamination atmosphérique survient lorsque la composition de l’air change par l’ajout de substances qui proviennent soit de sources natu­ relles, soit de l’activité humaine, et qui présentent un risque pour la santé.

L’atmosphère contient des particules en suspension, comme des particules de sable, des cendres volcaniques et du pollen. Toutefois, d’autres substances s’ajoutent à cette liste. Ces contaminants atmosphériques ont des effets négatifs sur la santé et l’environnement (voir le tableau 2). TABLEAU 2

Les principaux contaminants atmosphériques

Contaminant

Source principale

Effets sur la santé et l’environnement

Particules en suspension

Activités industrielles (scieries, métallurgie, combustion, etc.)

• Causent des problèmes respiratoires

Dioxyde de soufre (SO2)

Production d’électricité (centrales thermiques au charbon, au pétrole et au gaz naturel), transport, industries métallurgiques

• Contribuent à la formation des précipitations acides

Oxyde d’azote (NO x)

Centrales thermiques, transport et agriculture (engrais)

• Contribuent à la formation des précipitations acides

286

La Terre et l’espace

• Contribuent à la formation du smog

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Date :

Les principaux contaminants atmosphériques (suite)

Contaminant

Source principale

Effets sur la santé et l’environnement

Monoxyde de carbone (CO)

Transport, combustion

• Participe à la formation du smog

Composés organiques volatiles (COV)*

Solvants et peintures, produits nettoyants, aérosols, raffinage du pétrole, etc.

• Toxiques pour les vivants • Participent à la formation de l’ozone troposphérique (constituant du smog)

* Les COV sont formés d’au moins un atome de carbone (C) et un atome d’hydrogène (H). Exemples : l’éther méthylique (CH3OCH3), propulseur de gaz utilisé dans les peintures à aérosols ; l’éthylène (C 2H4) utilisé, à l’état gazeux, pour prévenir la germination des pommes de terre en entrepôts.

3.6 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

Atmosphère

Surface de la Terre

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 5

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. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 3

L’atmosphère

287

La Terre et l’espace

TABLEAU 2

Groupe :

3.6

Nom :

Groupe :

Activités 1

La Terre et l’espace

3.5 et 3.6

Nom :

2

Date :

3.5 et 3.6

Nommez le ou les contaminants de l’air en cause dans chacune des situations représentées dans le tableau. STE

a)

c)

b)

d)

STE

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite à la question.

La crise du verglas En janvier 1998, le Québec a connu une importante tempête, aujourd’hui connue sous le nom de « crise du verglas ». De nombreuses personnes ont été privées de courant durant une période allant de quelques jours à plusieurs semaines. Alors que certains citoyens disposaient de génératrices pour s’alimenter en électricité, d’autres ont eu recours à des moyens plus ou moins sécuritaires pour se chauffer et s’éclairer. Cette tempête a entraîné la mort de 28 personnes, dont sept décès sont attribuables à une intoxication au monoxyde de carbone (CO). Ce gaz incolore et inodore est produit au cours de la combustion de combustibles fossiles. Décrivez une méthode peu sécuritaire qui a probablement été utilisée par les sinistrés pour tenter de se chauffer et de s’éclairer. Justifiez votre choix.

288

La Terre et l’espace

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Date :

Lisez le texte ci-dessous. Puis, répondez à la question.

3.5 et 3.6

3

Groupe :

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.

4

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

5

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

289

La Terre et l’espace

Nom :

Groupe :

3.5 et 3.6

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.

290

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 enseignante de science prend un contenant fermé hermétiquement dans lequel elle insère de la fumée. En plaçant un carton noir derrière ce contenant, les élèves sont en mesure d’en visualiser le contenu (voir l’illustration ci‑contre). Par quel moyen l’enseignante pourrait-elle faire en sorte que la fumée circule rapidement à l’intérieur du contenant ?

3

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

4

Peut-on affirmer que l’effet de serre renforcé est le résultat d’une contamination de l’air ? STE Justifiez votre réponse.

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Chapitre 3

L’atmosphère

291

La Terre et l’espace

Nom :

5

Groupe :

Date :

Durant leur voyage en Italie, les parents d’Adelle lui avaient envoyé cette lettre et quelques photos. Lisez la lettre, puis complétez le tableau ci-dessous. STE

Bonjour Adelle, Ici, la saison est magnifique ! Plusieurs fleurs sont en pleine éclosion. Malgré l’inquiétude au sujet d’une possible entrée en éruption de l’Etna, nous restons optimistes, car une légère fumée est venue assombrir le ciel en fin de journée seulement. Nous habitons sur une ferme et les gens y sont très sympathiques. Ton père avait l’air d’un vrai gamin ce matin en conduisant le tracteur durant les opérations d’épandage d’engrais. Pour ma part, je participe à l’entretien des bâtiments, que nous sommes en train de repeindre. Comme tu vois, il y a beaucoup à faire ici chaque jour ! Et toi, comment vas-tu ? Nous avons très hâte de te revoir ! Papa et maman xx

a ) Dans la première colonne du tableau, relevez les contaminants de l’air présents dans les situations évoquées dans le texte. b ) Dans la deuxième colonne, indiquez par un crochet si chaque contaminant relevé a des effets sur la santé ou sur l’atmosphère. c ) Dans la dernière colonne, décrivez au mieux de votre connaissance un de ces effets. Contaminant

292

La Terre et l’espace

Effets sur… La santé

L’atmosphère

Description d’un de ces effets

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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.

293

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.

294

La Terre et l’espace

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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…

295

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 renouvelables (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 ci-contre illustre le nombre de réacteurs nucléaires en chantier dans le monde en 2009. a ) Selon vous, quel avantage y a-t-il à ce que des pays émergents tels que la Chine et l’Inde se tournent vers la production d’électricité provenant de l’énergie nucléaire ? Justifiez votre réponse.

296

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 États-Unis 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…

297

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.

298

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…

299

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.

300

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…

301

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

302

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…

303

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.

304

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 304, 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…

305

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.

306

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…

307

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 cicontre ? 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 %

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.

308

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, l’azote ou encore le phosphore sont tous 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, de l’azote et du phosphore. Vous les étudierez dans différents contextes, ce qui vous permettra de constater leur importance dans nos vies.

309

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).

310

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

311

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 (pages 310 et 311). 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

312

La Terre et l’espace

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Date :

Complétez le tableau suivant à l'aide de la figure 1 (pages 310 et 311). 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

313

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

314

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

315

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.

316

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 les 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

317

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 ? »

318

La Terre et l’espace

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Le cycle du phosphore

5.3

Date :

5.3

Groupe :

STE

La Terre et l’espace

Nom :

Élément essentiel à la survie de nombreux organismes, le phosphore (P) circule principalement sous la forme de phosphates. Le cycle du phosphore comprend tous les échanges de phosphore entre la lithosphère, l’hydrosphère et les organismes.

Le cycle du phosphore (voir la figure 4) ne comprend pas d’échanges avec l’atmosphère, contrairement à ceux du carbone et de l’azote.

Pluie

Formations rocheuses en le m

t

el iss

Ru

Végétaux

1

2

2 Phytoplancton

3 Phosphates dans le sol

1 Lessivage

4

Phosphates en solution

Animaux 3

3

Décomposeurs FIGURE 4

4

Sédimentation = formation de roches

Le cycle du phosphore.

Le cycle du phosphore 1 L’érosion et le transport Le phosphore se trouve essentiellement dans les roches. L’altération et l’érosion des roches par la pluie permet au phosphore de s'en libérer. Le phosphore ruisselle ensuite de la lithosphère vers l'hydrosphère ou est lessivé à travers le sol sous forme de phosphates (PO 43- ) (voir les flèches numérotées 1 sur la figure 4). 2 L’absorption par les organismes Les phosphates dissous dans le sol sont absorbés par les végétaux, afin qu'ils synthétisent leur ADN. Les herbivores, en consommant les végétaux, absorbent le phosphore nécessaire pour constituer leur coquille ou leurs os. À travers leur alimentation, les omnivores absorbent à leur tour le phosphore essentiel à la fabrication de leurs dents et de leur système squelettique (voir les flèches numérotées 2 sur la figure 4). 3 La décomposition des déchets Les phosphates absorbés par les animaux retournent dans le sol à travers l’urine et les excréments. La décomposition des cadavres et des végétaux libère aussi une quantité de phosphates dans le sol, qui sera en partie réabsorbée par les végétaux (voir les flèches numérotées 3 sur la figure 4). 4 La sédimentation et l’alimentation du phytoplancton Une partie des phosphates qui proviennent des déjections animales, des cadavres et des décomposeurs est lessivée et transportée jusqu’aux océans. Le phytoplancton, qui s’en nourrit, sera à son tour ingéré par les consommateurs marins des niveaux supérieurs. Une autre partie des phosphates dissous se retrouve au fond des mers et se mélange aux sédiments pour former, après des millions d’années, de nouvelles roches. Ultimement, ces roches remontent à la surface terrestre par les mouvements tectoniques (voir les flèches numérotées 4 sur la figure 4).

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

319

Groupe :

Date :

Flash science

La Terre et l’espace

5.3

Nom :

Saviez-vous que lorsque vous faites le ménage, vous ajoutez probablement du phosphore dans l’environnement à cause des savons et des détergents que vous utilisez ? En effet, plusieurs produits nettoyants contiennent encore aujourd’hui des phosphates qui sont à l’origine de la prolifération des cyanobactéries (algues bleues), toxiques pour l’être humain et responsables de l’eutrophisation de plusieurs plans d’eau au Québec. Ce phénomène environnemental très préoccupant a entraîné l’adoption de lois pour le contrer. Ainsi, au Canada et aux États-Unis, depuis 2010, les savons de toutes sortes ne peuvent pas contenir plus de 0,5 % de leur poids en phosphates, et ce, afin de protéger l’environnement.

Activités 1

5.3

STE

Complétez le tableau suivant à l'aide de la figure 4 (page 319). a ) Indiquez, par oui ou non, si chacune des activités ci-dessous a un effet sur le cycle du phosphore. b ) Si vous répondez oui, indiquez à quel processus du cycle du phosphore l’activité en question intervient, et expliquez brièvement son effet. Activité

Effet

Processus et explication

Oui Non

Déboiser et ainsi exposer à la pluie une grande surface de terrain. Oui Non

Épandre du fumier. Oui Non

Faire de la planche à neige.

320

La Terre et l’espace

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Nom :

Date :

5.3

Au cours d’un laboratoire en classe, vous assistez à une situation plutôt farfelue. Afin de favoriser la croissance de plants de haricots, un élève propose de les arroser avec la boisson gazeuse ci-contre. Se pourrait-il qu’il ait raison ? Justifiez votre réponse.

La Terre et l’espace

2

Groupe :

Ingrédients : Eau gazéifiée, glucose-fructose et/ou sucre, colorant caramel, acide phosphorique, caféine, acide citrique, arôme.

3

Après avoir lu l'encadré Flash science de la page précédente, prenez connaissance de l'information suivante. Les ingrédients qui figurent sur les étiquettes des produits vendus au Canada sont présentés en ordre décroissant, selon la quantité de chaque ingrédient se trouvant dans le produit. Ainsi, l’ingrédient qui se trouve en plus grande quantité apparaît en tête de liste.

Vous devez acheter du détergent pour le lave-vaisselle. Les trois marques suivantes s'offrent à vous.

Plus brillant que blanc!

Ingrédients : Carbonate de sodium, silicate de sodium, dichloroisocyanurate de sodium et ou pentaoxyde de diphosphore.

RAPIDO Lave vite et bien ! Ingrédients : Carbonate de sodium, silicate de sodium, enzymes.

CRYSTAL

Fait miroiter votre vaisselle ! Contient moins de 0,5 % de phosphates.

Sans phosphates

a ) À l’aide de vos connaissances sur le cycle du phosphore, déterminez laquelle de ces marques de détergent représente le meilleur choix d’un point de vue écologique. Justifiez votre réponse.

b ) L’utilisation de détergents contenant des phosphates interfère avec quel processus du cycle du phosphore ? Expliquez votre réponse.

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

321

4

La Terre et l’espace

5.3

Nom :

Groupe :

Date :

Dans un jardin, on a aménagé un bassin d'eau (voir la photo ci-contre). Un système d'alimentation fait couler de l'eau sur les pierres d'une petite cascade qui irrigue le sol d'une plate-bande. Sur cette platebande, de magnifiques plantes verdissent. Le fond du bassin est en terre et des nénuphars y plongent leurs racines. Afin de retracer la circulation du phosphore dans ce jardin, complétez le tableau cidessous à partir des consignes suivantes. a ) Dans la deuxième colonne, indiquez à quel processus du cycle du phosphore est associé chacun des éléments nommés dans la première colonne. b ) Dans la troisième colonne, décrivez chacun des processus dans le contexte de ce jardin d’eau. Élément du jardin

Processus

Description

L'eau circulant entre les pierres de la cascade

La terre au fond du bassin

Un plant de nénuphar enraciné dans la terre au fond du bassin

Des champignons et des bactéries dans le sol du jardin

322

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

c)

2

STE

Le cycle du phosphore

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

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Chapitre 5

Les cycles biogéochimiques

323

La Terre et l’espace

Nom :

3

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

Cycle(s) biogéochimique(s)

STE

CRYSTAL

Fait miroiter votre vaisselle ! Contient moins de 0,5 % de phosphates.

Processus

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.

325

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

326

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

327

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.

328

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

329

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

330

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

331

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

332

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 332) 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

333

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

334

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. 335

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.

336

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

337

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.

338

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

339

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.

340

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

341

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

Légende : PL = Pleine Lune

a ) Combien de marées, hautes et basses, y aura-t-il le 14 février ?

b ) Quel phénomène lunaire particulier aura lieu à cette même date ?

c ) Qu’est-ce que cela signifie en ce qui a trait aux marées ?

d ) Qu’est-ce qui explique ce phénomène ?

e ) À quelles dates approximatives y aura-t-il des marées de morte-eau ?

342

La Terre et l’espace

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L’univers vivant Sommaire CHAPITRE

1

L’écologie

CHAPITRE

2

La génétique

                     

344 371

343

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.

344

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

345

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

346

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. 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

Individu

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

347

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 ?

348

L’univers vivant

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Date :

3

En sachant que les coraux sont des organismes ultra-sensibles aux changements et qu’ils peuvent en mourir, quel serait l’impact d’un tourisme marin intensif sur la biodiversité d’une communauté de coraux ?

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

349

1.1

Groupe :

L’univers vivant

Nom :

6

L’univers vivant

1.1

Nom :

Groupe :

Date :

a ) Trois voisins possèdent chacun un terrain de grandeur différente. Sur chaque terrain, une espèce de fleurs a poussé. Complétez ce tableau en tenant compte des données fournies. Population (nombre de fleurs) Terrain 1 Terrain 2

90

Terrain 3

600

Aire (m2)

Densité de population (fleurs/m2)

15

4

60

Aléatoire En agrégats

1,5

Uniforme

b ) Comment la densité de population de deux des trois terrains peut-elle être identique si l’aire des terrains est différente ?

c ) Les propriétaires des terrains 2 et 3 arrachent tous les deux les plants de fleurs sur la moitié de leur terrain. Ils s’aperçoivent alors que la densité des plants de fleurs restants est différente sur chaque terrain. Expliquez pourquoi il en est ainsi.

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 ?

350

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

351

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.

352

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

353

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 avantageuses : a ) pour les deux espèces concernées ?

b ) pour l’une, mais nuisibles pour l’autre ?

c ) pour l’une et neutres pour l’autre ?

354

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

355

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

356

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. 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

357

L’univers vivant

Nom :

2

Groupe :

Date :

Répondez aux questions en vous aidant du schéma de l’écosystème suivant. 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 trèfles et de vers de terre. Criquet Renard

b ) La composition du sol et le climat de cet écosystème correspondent à quel type de facteurs écologiques ?

c ) Lequel des niveaux trophiques a un effet direct sur la composition du sol ? Expliquez votre réponse.

358

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

359

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

360

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

361

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 ?

362

L’univers vivant

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L’écotoxicologie

Date :

STE

L’univers vivant

1.4

Groupe :

1.4

Nom :

Les activités humaines perturbent les écosystèmes, entre autres à cause des nombreuses substances toxiques rejetées dans l’environnement. L’écotoxicologie étudie les polluants qui contaminent un écosystème ainsi que les organismes qui le composent.

1.4.1

Les contaminants

La présence d’un contaminant ou la hausse de sa concentration peuvent déséquilibrer l’écosystème en perturbant les relations des êtres vivants entre eux et avec leur milieu. Un contaminant est une substance qui altère les propriétés physiques, chimiques ou biologiques d’un organisme ou d’un écosystème.

Certains contaminants se dégradent naturellement dans l’environnement, alors que d’autres se répandent dans l’air, l’eau et le sol avant de pénétrer dans les organismes. Il y a bioaccumulation quand un organisme absorbe un contaminant plus vite qu’il ne l’élimine. Le contaminant est alors plus concentré dans les tissus de l’organisme que dans l’environnement ambiant.

Il y a plusieurs types de bioaccumulations, dont la bioconcentration et la bioamplication. La bioconcentration est l’accumulation d’un contaminant par contact direct avec le milieu environnant (comme en respirant l’air ou en nageant dans l’eau). La bioamplification est l’accumulation d’un contaminant dans les tissus des organismes vivants lors de l’ingestion de proies contaminées à chaque niveau d’une chaîne alimentaire (voir la figure 13).

1.4.2

Le seuil de toxicité

La toxicité d’un contaminant varie en fonction du contaminant, de sa concentration, du type de milieu dans lequel il est rejeté, de l’organisme qui y est exposé et de la durée de l’exposition. Le seuil de toxicité aide à évaluer l’effet d’un contaminant sur les organismes d’un écosystème. Le seuil de toxicité est la concentration minimale au-delà de laquelle un contaminant produit un effet néfaste sur un organisme.

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Niveaux de contamination

Il y a bioaccumulation et bioamplification lorsqu’en se nourrissant constamment de proies contaminées, un individu concentre le contaminant dans ses tissus. Cela explique pourquoi un organisme qui se trouve en fin de chaîne alimentaire présente la concentration la plus élevée en contaminants (ici l’ours polaire). FIGURE 13

Chapitre 1

L’écologie

363

L’univers vivant

1.4

Nom :

Groupe :

Activités

1.4

Date :

STE

1

Pourquoi un polluant risque-t-il de déséquilibrer l’écosystème dans lequel il est introduit ?

2

On détermine que la chair des poissons contient une plus grande concentration en fer que l’eau du lac qu’ils absorbent et dans lequel ils ont été pêchés. Quel genre de phénomène observe-t-on ici ? Expliquez votre réponse.

3

Au cours d’un repas, une personne consomme en grande quantité un aliment contaminé. a ) Y a-t-il bioconcentration ? Justifiez votre réponse.

b ) Y a-t-il nécessairement bioaccumulation chez cette personne ?

4

Un organisme a un seuil de toxicité très bas à l’égard d’un polluant. Que cela signifie-t-il ?

5

Comme vous savez que la bioamplification du mercure affecte la chaîne alimentaire marine, vous déconseillez à un ami de manger trop de thon et de saumon (poissons prédateurs). Il vous demande de lui expliquer pourquoi. Que lui répondrez-vous ?

6

Un lynx absorbe des pesticides en mangeant des lièvres qui se nourrissent de végétaux contaminés. La santé des lièvres est touchée, mais pas celle du lynx. a ) Comment appelle-t-on ce type particulier d’absorption de contaminants par le lynx ?

b ) Qu’est-ce qui pourrait expliquer le fait que les contaminants ont des effets différents sur les deux espèces ?

364

L’univers vivant

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1.5

L’empreinte écologique

STE

L’être humain, comme tout autre être vivant, a des besoins. Chaque jour, il utilise une partie des ressources de la Terre pour se nourrir, s’habiller, se loger, se déplacer, etc. Ces ressources sont réparties sur une surface évaluée au moyen de l’empreinte écologique. L’empreinte écologique est une estimation du nombre d’hectares (1 ha = 10 000 m2) de surfaces terrestre et aquatique dont a besoin une personne pour maintenir son mode de vie.

Le calcul de l’empreinte écologique se fait à l’aide de l’équation suivante : Empreinte écologique

=

Surfaces* habitées +

Surfaces* utilisées pour produire des biens et services

Date :

1.5

Groupe :

Surfaces* utilisées pour + éliminer les déchets

Flash science Au Canada, l’empreinte écologique moyenne est de 6,43 hectares par personne, soit 2,4 fois plus que la moyenne mondiale. Si tous les humains consom maient comme n o u s , n o u s au r i o n s besoin de trois planètes Terre et demie pour combler nos besoins.

* Le mot « surfaces » désigne ici les surfaces terrestre et aquatique.

La capacité biologique de la Terre correspond à la surface totale que l’humain peut exploiter pour subvenir à ses besoins. La surface exploitable est vaste, mais l’exploitation intensive des ressources due au fort accroissement de la population humaine risque de la diminuer.

Activités 1

1.5

STE

Une famille de paysans indiens est composée de cinq personnes. Ensemble, ils cultivent un champ de maïs de 1,2 hectare (ha), un champ d’arachides de 1 ha, une bananeraie de 1,3 ha et un potager de 0,1 ha. De plus, ils ont une maison entourée d’une cour de 0,2 ha. Au bout de leur terre, ils possèdent un dépotoir de 0,2 ha. Ils vont aussi pêcher et s’approvisionner en eau dans une portion de ruisseau qui mesure 0,6 ha. Enfin, ils possèdent 4 chèvres qui font partie du troupeau de 20 chèvres du village. Les chèvres broutent dans un champ commun de 12 ha. Quelle est l’empreinte écologique de chacun des membres de cette famille ? Laissez des traces de votre démarche.

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Chapitre 1

L’écologie

365

L’univers vivant

Nom :

2

L’univers vivant

1.5

Nom :

Groupe :

Examinez l’illustration ci-dessous. Remplissez ensuite le tableau qui la suit en distinguant les habitudes qui contribuent à augmenter l’empreinte écologique de cette famille de celles qui contribuent à la diminuer.

Habitudes qui augmentent l’empreinte écologique

3

366

Date :

Habitudes qui diminuent l’empreinte écologique

Chaque année, on détermine la date à laquelle la consommation des ressources mondiales dépassera la quantité de ressources naturelles fournies par la planète en un an. On se base sur la consommation moyenne de ressources naturelles dans chaque pays du monde pour estimer cette date. En 1987, la date du dépassement fut fixée au 19 décembre ; en 1995, au 21 novembre ; en 2006, au 9 octobre et en 2011, au 27 septembre. Que peut-on conclure de l’avancement de ces dates dans le calendrier d’année en année ?

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

367

L’univers vivant

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant

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 ?

368

L’univers vivant

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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.

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Chapitre 1

L’écologie

369

L’univers vivant

Nom :

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

STE Dites s’il est question de bioaccumulation, de bioconcentration ou de bioamplification dans chacun des énoncé suivants.

a ) Les algues, qui sont des organismes unicellulaires, sont contaminées par les polluants contenus dans l’eau.

b ) Certains petits herbivores mangent de grandes quantités de végétaux contaminés par des pesticides. Ils sont contaminés parce qu’ils ne parviennent pas à éliminer certains produits toxiques ingérés. Les prédateurs de ces herbivores accumulent davantage de contaminants en consommant ces proies contaminées. Ils sont plus contaminés que les herbivores.

7

La réduction de la consommation de viande et l’augmentation de la consommation d’aliments provenant de la culture maraîchère biologique locale sont de plus en plus des sujets d’actualité. Que répondez-vous à quelqu’un qui vous demande de lui expliquer les avantages d’un tel changement des habitudes du point de vue : a ) du flux de l’énergie ?

370

b)

STE

de l’écotoxicologie ?

c)

STE

de l’empreinte écologique ?

L’univers vivant

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CHAPITRE

2

La génétique

STE

La génétique est la science qui étudie les phénomènes à l'origine de la diversité des êtres vivants. Ces phénomènes expliquent, par exemple, les ressemblances ou les différences entre les parents et leurs enfants, mais aussi entre les individus d'une espèce, ou encore entre les espèces. Au cours du processus de transmission des caractéristiques génétiques, certaines maladies peuvent être transmises ou certaines malformations peuvent survenir. La recherche en génétique tente de mieux comprendre ces processus afin, entre autres, de prévenir les maladies et les malformations congénitales. Dans ce chapitre, vous découvrirez comment l'information génétique est emmagasinée dans les cellules de l'organisme, copiée en vue de la reproduction cellulaire, et utilisée par l'organisme. Vous apprendrez aussi comment la nature et l'être humain modifient parfois cette information.

371

Groupe :

2.1

Nom :

L’univers vivant

2.1

Date :

Les mécanismes génétiques STE

Tous les organismes vivants sont dotés de mécanismes qui permettent de conserver, de transmettre ou d’utiliser l’information génétique.

2.1.1

La structure de l’ADN

L’information génétique est contenue dans l’ADN (acide désoxyribonucléique), une très longue molécule dont la forme condensée s’appelle chromosome. Présentes dans le noyau de toutes les cellules du corps, les molécules d’ADN ont pour fonction, entre autres, de fournir l’information qui sert à fabriquer de nouvelles cellules. L’ADN est constitué de deux brins formant une double hélice. Chaque brin est constitué de segments appelés « nucléotides ». Ceuxci sont composés d’une base azotée, d’un groupement phosphate et d’un sucre (le désoxyribose). Les bases azotées présentes dans l’ADN sont l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Comme les deux brins sont complémentaires, un nucléotide contenant de l’adénine est toujours lié à un nucléotide de l’autre brin contenant de la thymine (A-T ou T-A) ; de même, un nucléotide contenant de la cytosine est toujours lié à un nucléotide de l’autre brin contenant de la guanine (C-G ou G-C). Ces paires de nucléotides se répètent tout le long de la chaîne d’ADN, formant ainsi les deux brins de la double hélice (voir la gure 1). Noyau Chromosome Chromosome

Cellule Nucléotide Groupe phosphate Sucre Double hélice

FIGURE 1

372

Base azotée

La double hélice de l’ADN provenant d’un chromosome et les trois composantes du nucléotide.

L’univers vivant

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2.1.2

Groupe :

Date :

2.1

Nom :

La réplication de l’ADN

L’univers vivant

Les mécanismes génétiques ont notamment pour fonction de doubler l’ADN de la cellule en préparation à sa division. La réplication de l’ADN précède ainsi la mitose, qui permet la formation de nouvelles cellules (voir la gure 2), et la méïose, qui assure la formation des cellules reproductrices (voir la gure 3). Après réplication de l’ADN, chaque chromosome est formé de deux molécules d’ADN identiques attachées ensemble, sous la forme d’un X.

Mitose

Réplication de l’ADN

Méiose Paire de chromosomes répliqués

Paire de chromosomes répliqués

Réplication de l’ADN Accolement des chromosomes et enjambement

Séparation des chromosomes

Séparation de la paire de chromosomes Séparation des cellules Séparation des chromatides

Gamètes

Tous les jours, notre corps produit par mitose de nouvelles cellules qui assurent la croissance et la réparation des tissus. FIGURE 2

2.1.3

La méiose permet de former quatre cellules reproductrices (gamètes) différentes les unes des autres, et possédant la moitié de l’information génétique de la cellule initiale. FIGURE 3

La synthèse des protéines

Une partie de l’information comprise dans l’ADN est utilisée également lors de la fabrication de protéines dans la cellule. Le corps doit en effet constamment synthétiser de nouvelles protéines pour assurer son bon fonctionnement. Par exemple, l’hémoglobine est une protéine qui xe l’oxygène dans les globules rouges et permet son transport grâce à la circulation sanguine. La synthèse des protéines est la fabrication des protéines à partir de l’information contenue dans l’ADN.

Elle comporte deux étapes : la transcription, effectuée à l’intérieur du noyau de la cellule, et la traduction, qui se déroule à l’extérieur du noyau de la cellule, plus particulièrement au niveau des ribosomes.

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Chapitre 2

La génétique

373

Groupe :

2.1

Nom :

Date :

La transcription

L’univers vivant

Les molécules d’ADN ne peuvent pas sortir du noyau à cause de leur trop grande taille. La cellule fabrique donc des messagers qui transporteront chacun, à l’extérieur du noyau, une copie d’une partie de l’information génétique. La fabrication d’un messager, qu’on appelle l’ARNm (acide ribonucléique messager), se nomme « transcription » (voir la gure 4). Au cours de la formation de l’ARNm, seul un court segment d’un des deux brins de l’ADN est transcrit, puis acheminé hors du noyau vers les ribosomes. L’ARNm contient les bases azotées complémentaires du brin d’ADN transcrit, sauf pour la thymine (T), qui est remplacée par l’uracile (U). L’ARNm diffère aussi de l’ADN par le fait qu’il est composé d’un seul brin et que le sucre dans les nucléotides est un ribose. Noyau

Brin d’ADN

ARNm

L’ARNm est le produit de la transcription d’un segment d’un des deux brins d’une molécule d’ADN. FIGURE 4

La traduction La traduction se produit à l’extérieur du noyau, dans les ribosomes. À cette étape, l’information transcrite en ARNm est utilisée par un ribosome pour fabriquer une chaîne d’acides aminés an de former une protéine. Un second type d’ARN, l’ARN de transfert (ARNt), capture des acides aminés en suspension dans la cellule et les amène au ribosome. Ce dernier attache chaque acide aminé à la suite du précédent selon les instructions portées par l’ARNm (voir la gure 5).

Noyau

Protéine

Acides aminés Ribosome

Ribosome

ARNt

ARNm

En vue de la synthèse d’une protéine, le ribosome utilise les informations portées par l’ARNm pour assembler dans le bon ordre les acides aminés (qui sont transportés par les ARNt). FIGURE 5

374

L’univers vivant

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Groupe :

Date :

Flash science Les mutations Les molécules d’ADN contenues dans nos cellules peuvent subir des mutations, et l’information contenue dans l’ADN peut ainsi être modifiée. Il arrive que l’ADN d’un individu soit mal copié (au cours de la réplication) ou soit modifié sous l’effet d’agents extérieurs nommés agents mutagènes. Par exemple, les produits chimiques, les rayons UV ou les rayons gamma qui pénètrent la peau peuvent traverser les cellules, entrer en contact avec les molécules d’ADN et les modifier. Certaines mutations peuvent être mortelles si les cellules ayant de l’ADN endommagé se multiplient, comme c’est le cas des cellules cancéreuses. Parfois, les cellules parviennent à corriger ces mutations néfastes. Il arrive aussi que des mutations aident à la différenciation des populations ou contribuent à l’évolution des espèces.

Activités 1

2.1

STE

Placez les mots suivants aux endroits appropriés sur l’illustration. Adénine

Base azotée

C

Brin d’ADN

Cytosine

Nucléotide

Phosphate

Sucre

G

T

G

C

G

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Chapitre 2

La génétique

375

L’univers vivant

2.1

Nom :

2

Groupe :

Date :

Complétez le tableau suivant. Mécanisme génétique

L’univers vivant

2.1

Nom :

Mitose

Lieux dans la cellule

Description

Partout

Création de (gamètes)

Partout

, qui assure la croissance et la réparation des tissus

Réplication de l’ADN Transcription Formation d’une chaîne d’acides aminés à l’aide de l’information contenue sur l’ARNm

3

Qui suis-je ? a ) Je suis formé dans le noyau de la cellule à partir d’un court segment d’un des deux brins de l’ADN :

b ) Je suis le lieu où les chaînes d’acides aminés sont élaborées :

c ) Je suis le sucre qui relie une base azotée au phosphate dans l’ARNm :

d ) Je me lie uniquement à la cytosine :

e ) Je peux me lier à la thymine ou à l’uracile :

f ) Je suis le mécanisme génétique qui précède toujours la division d’une cellule :

g ) Je suis une base azotée qui se trouve seulement dans l’ARNm :

376

L’univers vivant

h ) Nous sommes constamment synthétisés, afin que le corps fonctionne bien :

i ) Je suis une base azotée qui se trouve seulement dans l’ADN :

j ) Je suis constitué de deux brins complémentaires qui forment une double hélice :

k ) Nous sommes les trois composants du nucléotide :

l ) Je transporte depuis le noyau jusqu’aux ribosomes une partie de l’information contenue dans l’ADN :

m ) Je suis le nom complet correspondant à l’abréviation ADN :

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Date :

Examinez le segment de brin ci-dessous et dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Justifiez vos réponses.

2.1

4

Groupe :

a ) Ce segment compte quatre nucléo tides.

L’univers vivant

Nom :

b ) Ce segment pourrait faire partie de l’ARNm.

c ) Ce segment se trouve nécessairement dans le noyau d’une cellule.

d ) Le sucre associé à chacune de ces bases azotées est un ribose.

e ) Un ribosome pourrait utiliser cette séquence telle quelle pour fabriquer des chaînes d’acides aminés.

5

Voici un segment d’une molécule d’ADN sur lequel la séquence des bases azotées d’un des deux brins est indiquée. Inscrivez, dans les cases vides, la séquence des bases azotées du second brin de la molécule d’ADN.

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Chapitre 2

La génétique

377

6

L’univers vivant

2.1

Nom :

Groupe :

Date :

Quelle serait la séquence des bases azotées d’un ARNm produit à partir du brin d’ADN suivant ? Inscrivez-la dans les cases vides.

ARNm

Brin d’ADN

7

Répondez aux questions suivantes au sujet de la synthèse des protéines. a ) Décrivez les différentes étapes de la synthèse d’une protéine.

b ) La synthèse des protéines joue un rôle important dans l’organisme. Pourquoi ?

8

Une mutation est une modification de l’information contenue dans l’ADN. a ) À quoi est-elle due ?

b ) Une mutation génétique est-elle toujours néfaste ? Justifiez votre réponse.

378

L’univers vivant

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Groupe :

STE

L’univers vivant

2.2 L’hérédité

Date :

2.2

Nom :

Les individus d’une même famille possèdent habituellement un certain nombre de caractères semblables. Un caractère est une propriété héréditaire observable chez un individu.

C’est l’hérédité qui fait que des individus ayant les mêmes parents ont des traits similaires (voir la gure 6). L’hérédité est la transmission des caractères des parents à leurs descendants.

2.2.1

Les chromosomes et les gènes

Les chromosomes se situent dans le noyau des cellules (voir la gure 1, à la page 372). Ces petits bâtonnets, formés d’une molécule d’ADN liée à des protéines, contiennent l’information génétique. Sur chaque chromosome, on retrouve plusieurs gènes (voir gure 7). Un gène désigne une portion de chromosome qui permet à un caractère héréditaire de s’exprimer.

2.2.2

La forme du visage, la couleur des cheveux ou la forme et la couleur des yeux sont tous des caractères héréditaires. FIGURE 6

Les allèles

Gregor Mendel, considéré comme « le père de la génétique », a expliqué qu’un caractère pouvait s’exprimer de plus d’une façon à cause de la présence des allèles.

Gène de la couleur des yeux Allèle de la couleur des yeux bruns

Un allèle est une des formes que peut prendre un gène.

Pour chacun de nos gènes, on possède deux allèles, l’un sur le chromosome provenant de notre père, et l’autre sur le chromosome provenant de notre mère. Ces deux allèles peuvent être différents ou identiques (dans la gure 7, les allèles d’un même gène sont différents). La plupart du temps, lorsque les deux allèles sont différents, l’un masque l’expression de l’autre.

Allèle de la couleur des yeux bleus

Chromosome reçu du père Chromosome reçu de la mère

Les deux allèles pour un caractère donné sont localisés au même endroit sur les deux chromo­ somes de la paire. FIGURE 7

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Chapitre 2

La génétique

379

Nom :

Groupe :

L’allèle dominant est celui qui s’exprime dès qu’il est présent. L’allèle récessif, quant à lui, est masqué si on le retrouve en présence d’un allèle dominant et s’exprime si on le retrouve en double (voir la figure 8).

2.2 L’univers vivant

Date :

Allèle brun

et

allèle brun

L’allèle dominant s’exprime (individu homozygote dominant).

Allèle brun

et

allèle bleu

L’allèle dominant s’exprime (individu hétérozygote).

Allèle bleu

et

allèle bleu

L’allèle récessif s’exprime (individu homozygote récessif).

Pour le gène de la couleur des yeux, la couleur brune prédomine sur la couleur bleue. Dès qu’une personne possède l’allèle de la couleur brune, cet allèle dominant s’exprime : elle aura donc les yeux bruns. FIGURE 8

Les individus homozygotes et hétérozygotes Un individu est dit homozygote pour un caractère s’il porte deux allèles identiques du gène. S’il porte deux allèles différents, il est dit hétérozygote pour ce caractère.

Par exemple, un individu qui possède deux allèles bruns pour le gène de la couleur des yeux aura les yeux bruns et sera homozygote dominant, alors qu’un individu porteur de deux allèles bleus aura les yeux bleus et sera homozygote récessif. Quant à l’individu qui possède un allèle brun et un allèle bleu pour le gène de la couleur des yeux, il aura les yeux bruns et sera hétérozygote (voir la gure 8).

Le génotype et le phénotype Chez un individu, on fait la distinction entre le phénotype et le génotype. Le génotype représente la paire d’allèles dont est doté un individu, pour un gène donné. Le phénotype, quant à lui, est l’expression observable d’un gène chez un individu.

Au cours de ses expériences sur des plants de pois, Gregor Mendel a déterminé que, pour chaque caractère, il existe deux types d’individus : ceux de lignée pure (homozygotes) dont les allèles sont identiques pour un gène donné, et les hybrides (hétérozygotes) dont les allèles sont différents pour un même gène. Un même phénotype peut donc parfois correspondre à deux génotypes différents. Ainsi, comme le montre le tableau 1 de la page suivante, une eur violette (phénotype) peut posséder un génotype VV (homozygote dominant) ou Vv (hétérozygote). Par convention, on désigne un allèle dominant par une lettre majuscule et un allèle récessif par une lettre minuscule. Ici on a donc « V » pour l’allèle eur violette et « v » pour l’allèle eur blanche.

380

L’univers vivant

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Génotypes et phénotypes possibles pour le gène de la couleur des fleurs des plants de pois TABLEAU 1

Génotypes

scientifique Gregor Johann Mendel (1822‑1884)

Fleur violette Vv (Hétérozygote)

Fleur violette vv (Homozygote récessif) Fleur blanche

1

Communauté

Phénotypes

VV (Homozygote dominant)

Activités

Date :

2.2

Groupe :

2.2

Gregor Mendel, moine autrichien également connu comme le fondateur de la génétique moderne, entra au monastère de Brno en 1843. Passionné de botanique, il effectua des expériences sur les pois dans les jardins du monastère. Les résultats qu’il obtint posèrent les bases des lois de l’hérédité. Ces lois furent confirmées au cours du 20e siècle par la découverte des gènes et des chromosomes.

STE

Pour chacune des définitions suivantes, indiquez le terme désigné. Certaines définitions désignent le même terme. a ) Portion d’un chromosome qui commande l’expression d’un caractère précis : b ) Variantes possibles d’un gène codant pour un caractère : c ) La combinaison de deux allèles d’un même gène : d ) Petit bâtonnet formé d’une molécule ADN liée à des protéines : e ) Individu qui possède deux allèles identiques pour un caractère donné : f ) Allèle qui s’exprime toujours dès qu’il est présent : g ) Allèle représenté par une lettre majuscule lors de l’écriture d’un génotype :

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Chapitre 2

La génétique

381

L’univers vivant

Nom :

Date :

2.2

Groupe :

h ) Expression observable d’un gène à la suite de la combinaison de deux allèles :

L’univers vivant

Nom :

i ) Transmission des caractères d’une génération à la suivante : j ) Propriété héréditaire observable qui est transmise aux enfants par les parents : k ) Individu qui possède deux allèles différents pour un caractère donné : l ) Allèle qui, dans l’expression du caractère, peut être masqué par un autre allèle : m ) Un individu de lignée pure : n ) Terme qui, en génétique, a le même sens que « hétérozygote » :

2

Une amie trouve difficiles certaines notions de génétique et vous demande de l’aider. Que lui direzvous pour lui faire comprendre : a ) la différence entre un chromosome et un gène ?

b ) la différence entre un gène et un allèle ? Donnez un exemple pour chacun des deux termes.

3

382

Identifiez les éléments pointés dans l’illustration suivante.

L’univers vivant

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Nom :

Date :

Dites si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Rectifiez l’énoncé lorsqu’il est faux.

2.2

4

Groupe :

L’univers vivant

a ) Il y a plusieurs gènes sur un chromosome.

b ) On retrouve les deux allèles d’un gène sur un même chromosome.

c ) Un chromosome est constitué d’une molécule d’ADN liée à des protéines.

d ) Un caractère est toujours l’expression de deux allèles dominants.

e ) Si un individu est homozygote pour un caractère donné, les deux allèles associés à ce caractère sont nécessairement identiques.

f ) L’hérédité est présente uniquement chez les êtres humains.

g ) Un individu aux yeux bruns est nécessairement homozygote pour ce caractère.

5

Indiquez en inscrivant un crochet (✓ ) dans les cases appropriées si chacun des énoncés suivants correspond à un génotype, à un phénotype ou aux deux. Énoncé

Génotype

Phénotype

a ) Geneviève est plus grande que sa sœur. b ) Une mère a transmis l’allèle de l’hémophilie à ses enfants hémophiles. c ) Antoine a les cheveux roux, comme son père. d ) Les chatons d’une même portée n’ont pas la même couleur. e ) Le groupe sanguin d’un enfant est déterminé par les deux allèles reçus de ses parents.

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Chapitre 2

La génétique

383

6

L’univers vivant

2.2

Nom :

Groupe :

Date :

Voici quatre paires de chromosomes appartenant à deux enfants, Marie et Camille. Les chromo­ somes A contiennent le gène de la couleur des yeux et les chromosomes B contiennent le gène de la couleur des cheveux. A

B

A

Marie

B

Camille

Si on sait que Camille a les cheveux bruns : a ) Lequel des deux enfants est homozygote pour le gène de la couleur des yeux ?

b ) Les allèles qui déterminent la couleur des cheveux de Marie sont­ils différents de ceux de Camille ? Justifiez votre réponse.

c ) Quelle est la couleur des yeux de Marie ? d ) Quelle est la couleur des yeux de Camille ? e ) Quelle est la couleur des yeux exprimée par l’allèle récessif ? f ) Marie est­elle homozygote dominante ou récessive pour la couleur des cheveux ?

g ) Marie et Camille pourraient­elles être sœurs ? Justifiez votre réponse.

h ) Si Marie a des enfants, ces derniers pourraient­ils être blonds aux yeux bleus ? Justifiez votre réponse.

384

L’univers vivant

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Les croisements

Date :

STE

Dans la nature, bon nombre d’espèces se reproduisent de façon sexuée. Ce mode de reproduction fait appel à la méiose (voir la gure 3 à la page 373), qui permet de produire, par division d’une cellule, quatre gamètes, possédant chacun la moitié des chromo­ somes de la cellule initiale.

Un croisement est le résultat de la combinaison d’un gamète mâle et d’un gamète femelle.

2.3.1

Gamètes mâles

Gamètes femelles

La première cellule d’un nouvel individu sera formée par la ren­ contre d’un gamète mâle et d’un gamète femelle. C’est ce que l’on appelle « la fécondation » ; elle produit un nouvel individu qui pos­ sède la moitié du bagage génétique de chacun de ses parents.

Vv × Vv

Par exemple, si on croise les gamètes de deux eurs violettes hétérozygotes (Vv), on obtient 75 % de eurs violettes (ayant soit un génotype VV ou Vv) et 25 % de eurs blanches (ayant toutes un génotype vv) (voir la gure 9). L’échiquier de Punnett permet aussi de prédire les résultats d’un croisement qui implique deux ou plusieurs caractères. Lorsqu’on fait un échiquier, il faut se rappeler que chaque gamète contient la moitié de l’information génétique du parent, donc la moitié de ses allèles. Les descendants issus de l’union de deux gamètes auront ainsi le même nombre d’allèles que les parents (voir la gure 10).

v

VV

Vv

Vv

vv

V

v

L’échiquier de croisement

Pour connaître les résultats possibles d’un croisement, on peut utiliser un échiquier de croisement, aussi appelé « échiquier de Punnett ». Il s’agit d’un tableau qui indique les résultats possibles d’un croisement et de leurs probabilités.

V

L’échiquier de Punnett d’un croisement entre deux hybrides (hétérozygotes) indique que le quart des des­ cendants seront homozygotes dominants (VV), que la moitié sera hétérozygotes (Vv) et qu’un quart sera homozygotes récessifs (vv). FIGURE 9

JjLl × JjLl Gamètes mâles JL

Jl

jL

jl

JJLL

JJLl

JjLL

JjLl

JJLl

JJll

JjLl

Jjll

JjLL

JjLl

jjLL

jjLl

JjLl

Jjll

jjLl

jjll

Gamètes femelles

JL

Résultats possibles

Jl

jL

jl

L’échiquier de Punnett d’un croisement entre deux pois hétérozygotes pour deux caractères : la couleur (jaune [J] ou verte [j]) et la texture (lisse [L] ou ridée [l]). FIGURE 10

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Chapitre 2

La génétique

385

L’univers vivant

2.3

Groupe :

2.3

Nom :

Groupe :

Activités

2.3

Date :

STE

1

Quel est le rôle de la méiose avant les croisements génétiques ?

2

Quelle est la différence entre un individu hétérozygote et un individu homozygote pour un caractère donné : a ) du point de vue des allèles du gène ?

b ) du point de vue de la méiose ?

3

Répondez aux questions après avoir pris connaissance de la situation suivante. Deux souris, une femelle blanche et un mâle noir, produisent une première génération de quatre souris. On sait que l’allèle régissant la couleur du poil blanc est récessif par rapport à celui qui régit la couleur du poil noir et que le mâle est homozygote pour ce gène.

a ) Complétez l’échiquier de Punnett ci-contre pour le croisement de ces deux souris.

×

b ) Justifiez les allèles que vous avez inscrits dans les cercles de l’échiquier pour désigner les gamètes des parents.

Gamètes mâles

Gamètes femelles

L’univers vivant

2.3

Nom :

386

L’univers vivant

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Date :

c ) Indiquez la fraction de souris noires et la fraction de souris blanches qui seront issues de ce croisement. Expliquez votre réponse.

d ) Entourez les énoncés qui sont vrais parmi les suivants. 1) Les souris de la première génération ont toutes le poil noir, car elles ont chacune reçu un allèle N qui domine sur l’allèle n. 2) Le mâle et deux des souris de la première génération ont le même phénotype (le poil noir). La femelle et deux des souris de la première génération ont le même phénotype (le poil blanc). 3) Le mâle et toutes les souris de la première génération ont le même phénotype (le poil noir). Seule la femelle a un phénotype différent (le poil blanc). 4) Les deux parents ont le même génotype. 5) La femelle, de poil blanc, a un génotype composé de deux allèles récessifs (nn) et le mâle, de poil noir, a un génotype composé de deux allèles dominants (NN). 6) Si un croisement est effectué entre deux souris de la première génération, il y aura des souris blanches en deuxième génération. e ) Les deux parents sont-ils de lignée pure ? Justifiez votre réponse.

f ) Dites si l’énoncé suivant est vrai ou faux. Justifiez votre réponse. Toutes les souris de la première génération ont le même génotype et sont hétérozygotes.

g ) Étant donné les phénotypes des souris de la première génération, le mâle de couleur noire aurait-il pu être hétérozygote ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 2

La génétique

387

2.3

Groupe :

L’univers vivant

Nom :

Groupe :

2.4

Nom :

L’univers vivant

2.4 Le clonage

Date :

STE

La reproduction est essentielle à la survie d’une espèce. Sans elle, aucun nouvel individu ne serait créé, ce qui entraînerait l’extinction de l’espèce. La reproduction d’un organisme peut être sexuée, mais elle peut aussi se faire par clonage. Le clonage est un mode de reproduction qui consiste à créer une copie identique d’un organisme.

2.4.1

Le clonage naturel

Dans la nature, certains organismes se multiplient par reproduction asexuée (sans avoir recours à des gamètes). On parle alors de clonage naturel.

Stolon

Le Chlorophytum, communément appelé « plante araignée », se reproduit à l’aide de stolons (tiges spécialisées dans la reproduction) sur lesquels de jeunes plants se développent. FIGURE 11

Le clonage naturel est la production, sans intervention technologique, d’un organisme génétiquement identique à celui dont il est issu.

Dans un clonage naturel, les descendants sont des copies identiques du parent ; ils ont donc le même ADN que celui-ci. Les bactéries se reproduisent de cette manière, tout comme les cellules de notre corps dans le processus de croissance et de réparation des tissus. Il en va également de même pour certaines plantes (voir la gure 11).

Flash science Les jumeaux monozygotes, communément appelés « jumeaux identiques », résultent d’un clonage naturel. Chacun est le clone non pas de ses parents, mais de l’autre jumeau. Après la fécondation, le zygote en développement se divise en deux petits amas de cellules identiques. Ces deux amas de cellules se développent ensuite pour devenir des embryons, puis des fœtus identiques. On peut donc dire que ces jumeaux sont des clones.

388

L’univers vivant

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2.4.2

Groupe :

Date :

2.4

Nom :

Le clonage articiel

L’univers vivant

Lors de la reproduction sexuée, les croisements génétiques peuvent faire disparaître certains caractères ou en faire apparaître d’autres. Le clonage articiel permet de contrôler en partie ce phénomène. Le clonage artificiel est une biotechnologie qui permet à l’humain de reproduire un organisme (ou une partie de celui-ci) en conservant le bagage génétique intact.

Le clonage articiel permet de reproduire une cellule, un tissu ou même un organisme dont les caractéristiques sont recherchées, par exemple la production d’un lait de qualité ou la résistance aux maladies chez les végétaux et les animaux (voir la gure 12). Il est à noter toutefois que cette méthode diffère selon ce qui est reproduit.

Les manipulations génétiques Depuis longtemps, l’humain sélectionne les plantes et les animaux les plus productifs ou les mieux adaptés à leur environnement en vue de la culture et de l’élevage. Grâce aux manipulations génétiques, il est maintenant possible d’introduire ou de changer des gènes d’un organisme en laboratoire. Il n’est donc plus nécessaire d’attendre que ces modications se produisent naturellement, car on peut cloner articiellement une plante ou un animal. Ainsi, on peut maintenant créer rapidement des plantes plus riches en nutriments ou plus résistantes au gel. On produit également des organes et des tissus qui sont compatibles avec un plus grand nombre d’individus et donc qui risquent moins d’être rejetés à la suite d’une greffe.

Vache donneuse d’ovocyte (ovule non fécondé)

Vache à cloner

Prélèvement d’un ovocyte

Noyau (et son ADN) retiré de l’ovocyte

Prélèvement d’une cellule

Ovocyte dépourvu de noyau

Injection du noyau dans l’ovocyte, puis croissance en milieu de culture jusqu’à formation de l’embryon. Implantation dans l’utérus d’une vache porteuse

Naissance d’une vache génétiquement identique à la vache à cloner

On produit un clone en injectant le noyau d’une cellule de la vache à cloner dans un ovocyte énucléé (duquel on a retiré le noyau) pour ensuite implanter le nouvel embryon dans une vache porteuse. FIGURE 12

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Chapitre 2

La génétique

389

L’univers vivant

2.4

Nom :

Groupe :

Activités 1

2.4

Date :

STE

Indiquez, à l’aide d’un crochet, si chacun des énoncés suivants correspond au clonage naturel ou au clonage artificiel. Énoncé

Clonage naturel

Clonage artificiel

a ) Des jumeaux dits « identiques ». b ) Permet de contrôler le fait que certains caractères disparaissent ou apparaissent lors de la reproduction sexuée. c ) Un fraisier qui se reproduit par stolons. d ) Permet, à l’aide de procédés biotechnologiques, de reproduire un organisme en laissant son bagage génétique intact. e ) Mode de reproduction des bactéries. f ) Clonage d’une vache qui produit une très grande quantité de lait. 2

Si le clonage naturel était le seul mode de reproduction d’une espèce, quelles conséquences cela entraînerait-il ?

3

Le père de votre amie désire se lancer dans la production agricole. Il hésite entre récolter les graines de ses plants puis les semer et faire du bouturage, c’est-à-dire planter une partie d’une plante pour en obtenir une nouvelle. a ) Il vous demande de lui dire quelle est la principale différence entre les deux modes de reproduction de la plante. Expliquez-lui.

b ) Pour l’aider, décrivez-lui les avantages et les inconvénients des deux méthodes de reproduction. Répondez en remplissant le tableau suivant. Méthode de reproduction

390

L’univers vivant

Avantages

Inconvénients

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Date :

4

Le clonage artificiel pourrait être utile en médecine. Donnez un exemple d’application qui concerne les banques de sang.

2.4

Groupe :

5

Lisez le texte qui suit et répondez ensuite à la question.

L’univers vivant

Nom :

Problématique environnementale Les OGM dans la production alimentaire Les OGM sont des organismes génétiquement modifiés afin de leur conférer les caractéristiques souhaitées. Parmi les céréales génétiquement modifiées cultivées aujourd’hui, il y a le maïs, le coton, le riz, le canola et la betterave sucrière. Certaines sont ainsi résis tantes à des insectes ou à des virus qui les mena çaient. D’autres sont tolérantes à un herbicide qui tue les mauvaises herbes sans être toxiques pour les plants cultivés. À court terme, la culture de ces céréales génétiquement modifiées permet donc aux agriculteurs de réduire leur utilisation d’insecticides et d’herbicides.

En 2011, près de 20 cas de mauvaises herbes devenues résistantes à un herbicide étaient dénombrés dans le monde. Au Canada, dès 2010, on comptait deux cas de résistance observés en Ontario chez la grande herbe à poux et la vergerette du Canada. Lorsque des cas de résistance apparaissent, après plusieurs années, les agriculteurs doivent utiliser des herbicides supplémentaires pour éliminer les mauvaises herbes résistantes. Les conséquences à long terme de ces transferts de gènes modifiés sont encore difficiles à évaluer. Cette problématique suscite le questionnement suivant : a-t-on le droit de modifier le vivant ?

Cependant, pour certaines céréales généti quement modifiées, il existe un risque élevé de transfert du gène modifié à d’autres plantes. C’est le cas du canola génétiquement modifié, tolérant à un herbicide. Son pollen peut être transporté par le vent sur au moins quatre kilomètres et féconder des plants de canola non génétiquement modifiés avoisinants ou des plantes apparentées, comme la moutarde des oiseaux, souvent présente dans les régions cultivées. Un champ de canola génétiquement modifié.

Dans le tableau suivant, énumérez les principaux avantages immédiats des OGM et les inconvénients possibles du point de vue environnemental. Avantages

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Inconvénients

Chapitre 2

La génétique

391

L’univers vivant

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

2

STE

Le schéma suivant met en relation les concepts de génétique étudiés au chapitre 2. À l’aide de la banque de mots ci-dessous, complétez-le.

Banque de mots • des chromosomes

• la synthèse des protéines

• dominants

• homozygote

• la transcription

• le phénotype

• ADN

• mutations

• croisements

• le génotype

• les gènes

• l’ARNm

• clonage naturel

• récessifs

• les allèles

• la mitose

• hétérozygote

• nouveaux individus

• l’ARNt

• des gamètes mâles ou femelles

• la méiose

• la traduction

les gènes

dont les différentes formes appelées

sur lesquels se situent

Le noyau cellulaire

contient

des chromosomes qui permet la division des cellules lors de qui sont formés d’ qui permet la reproduction sexuée lors de

dont l’information est utilisée pour

qui peut être modifié lors de 392

L’univers vivant

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Groupe :

c’est-à-dire dont le caractère s’exprime dès qu’un allèle est présent

dominants

les allèles

peuvent être soit

récessifs

c’est-à-dire dont le caractère peut être masqué s’il est en présence de l’allèle dominant

homozygote

si les allèles sont identiques

qui constituent

le génotype

d’un individu qui sera soit si les allèles sont différents

hétérozygote

qui permet d’expliquer

le phénotype

Date :

L’univers vivant

Nom :

qui correspond à l’expression observable du gène donnent lieu à de

qui est une forme de croisements

la mitose

qui produit

des gamètes mâles ou femelles

la méiose

qui, combinés, lors de

pour former de

la transcription

qui comporte deux étapes :

la traduction

à l’aide de Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2

La génétique

393

L’univers vivant

Nom :

2

Groupe :

Date :

Répondez aux questions après avoir pris connaissance de la situation suivante. La couleur brune (B) des cheveux domine la couleur blonde (b), et les cheveux frisés (F) dominent les cheveux raides (f). Un couple, dont l’homme et la femme sont tous les deux hétérozygotes pour ces deux caractères, attend son premier enfant.

a ) Déterminez les résultats possibles pour ce croisement à deux caractères.

b ) Quelle est la probabilité : 1) qu’ils aient un enfant aux cheveux bruns et raides ? 2) que leur enfant soit de lignée pure pour les deux caractères ? c ) Au total, combien de phénotypes différents sont possibles ? Décrivez chacun d’eux.

d ) Combien de génotypes différents pourraient donner des cheveux bruns et frisés ? Indiquez lesquels.

e ) Peut-on dire que l’enfant à naître sera un clone de ses parents ? Justifiez votre réponse.

3

394

On croise deux souris noires issues de la première génération de parents homozygotes. Le mâle est blanc (caractère récessif). Expliquez pourquoi des souris noires de lignée pure ainsi que des souris blanches de lignée pure apparaissent dans la deuxième génération.

L’univers vivant

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L’univers technologique Sommaire CHAPITRE

1

Le langage des lignes

  

396

CHAPITRE

2

Les matériaux

        

405

CHAPITRE

3

L’ingénierie mécanique

CHAPITRE

4

L’ingénierie électrique

CHAPITRE

5

La fabrication

 

421

  

451

        

477

C HAPITRE

1

Le langage des lignes

STE

Quand on conçoit un objet technique, on trace habituellement des dessins pour le représenter visuellement de façon précise. On peut ensuite commencer le processus de fabrication en tant que tel. Or, utiliser une feuille de papier à deux dimensions pour représenter fidèlement un objet à trois dimensions n’est pas nécessairement chose facile. Toutefois, aujourd’hui, les logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) permettent de bien visualiser les objets en trois dimensions. En effet, ces logiciels offrent aux utilisateurs la possibilité de manipuler les représentations des objets et de les faire pivoter à leur guise afin d’en voir toutes les faces. Qu’ils soient réalisés à la main ou à l’ordinateur, ces dessins demeurent ce que l’on appelle des « projections » : des représentations bidimensionnelles d’objets tridimensionnels. Il existe différents types de projection. Dans ce chapitre, vous étudierez la projection orthogonale, que l’on emploie pour les dessins d’ensemble et les dessins de détail, de même que la projection axonométrique. De plus, vous vous familiariserez avec la notion de tolérance dimensionnelle, qui est importante dans la conception d’un objet technique. 396

Groupe :

Date :

1.1

Nom :

L’univers technologique

La projection orthogonale à vues multiples

1.1

STE

Avant toute étape de fabrication d’un objet, on se sert du dessin technique pour valider les solutions technologiques envisagées. À cet effet, le dessin d’ensemble est essentiel. Un dessin d’ensemble permet de se représenter la totalité de l’objet, à l’échelle et sans déformation.

Pour tracer un dessin d’ensemble, on utilise une projection orthogonale à vues multiples. Une projection orthogonale à vues multiples est un dessin sur lequel figure plus d’une vue d’un objet.

Pour effectuer une projection orthogonale à vues multiples, on imagine que l’objet est placé dans un cube transparent appelé « cube de projection » (voir la gure 1). Les projections orthogonales de l’objet sur chacune des six faces du cube correspondent aux six « vues » de l’objet. On considère que la vue qui donne le plus d’informations sur l’objet est la vue de face. Sur le dessin d’ensemble, on doit mettre le nombre minimal de vues pour que les lecteurs aient toute l’information nécessaire sur l’objet. Généralement, deux ou trois vues sufsent. Le plus souvent, lorsque trois vues sont nécessaires, on dispose en L la vue de face, la vue de droite et la vue de dessus (voir la gure 2).

6

Poignée

1

Bois dur

∅ 24 × 115

5

Virole

1

Acier doux

Flanc ∅ 24 Épaisseur 0,75

4

Garde

1

Acier doux

8 × 55 Épaisseur 0,75

3

Chape

1

Acier doux

10 × 112 Épaisseur 1,5

2

Rivet

1

Acier doux

∅4 Longueur 4

1

Molette

1

Acier dur

∅ 65 Épaisseur 0,5

Nbre

Matériau

Dimensions

Repère

FIGURE 2

Désignation

Vue de face

Un coupe-pizza est placé dans un cube de projection, ce qui permet de voir ses six vues. FIGURE 1

COUPE-PIZZA

Dessiné par : Échelle 1 : 2

Un dessin d’ensemble d’un coupe-pizza.

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Chapitre 1

Le langage des lignes

397

Nom :

Groupe :

En plus du dessin d’ensemble, on peut effectuer des dessins de détail à l’aide de la projection orthogonale. Un dessin de détail représente une pièce particulière d’un objet technique ; on le trace à l’échelle et on ajoute les cotes, en millimètres (voir la gure 3).

1.2 L’univers technologique

Date :

COUPE-PIZZA

Un dessin de détail est indispensable à la fabrication de la pièce dessinée. On doit fournir un tel dessin pour chaque pièce sauf pour les éléments standard comme les vis, les boulons, etc., à moins qu’on ait besoin d’un organe d’assemblage hors norme.

Dessiné par : Échelle 1 : 3

Un dessin de détail de la poignée d’un coupe-pizza. Les différents nombres qui indiquent les dimensions (en millimètres) s’appellent des « cotes ». FIGURE 3

1.2

La vue éclatée

STE

Dans certaines situations, comme lorsqu’on doit monter un objet vendu en pièces détachées, il est utile de se représenter individuellement chacune des pièces pour visualiser de quelle façon elles s’assemblent. Pour ce faire, on utilise une vue éclatée. Une vue éclatée est une représentation qui dissocie les différentes pièces composant l’objet technique. 3

Chape

6

Poignée

2

Rivet

5

Virole

1

Molette

4

Garde

Repère

Désignation

Repère

Désignation

Une vue éclatée d’un coupe-pizza. Ce dessin est réalisé à partir d’une projection axonométrique. FIGURE 4

On dessine une vue éclatée à partir d’une projection axonométrique (voir la gure 4). Une projection axonométrique est un dessin en perspective (créant une impression de volume et de relief) sans point de fuite.

Flash techno La conception assistée par ordinateur De nos jours, au lieu de tracer des dessins techniques sur papier, on les réalise avec des ordinateurs. Ces dessins virtuels des objets à concevoir peuvent être manipulés à volonté par les concepteurs. Par exemple, ils peuvent aisément les faire pivoter ou en remplacer une partie sans avoir à recommencer au complet. De plus, tout le processus de fabrication de l’objet peut être simulé par ordinateur. On peut même simuler le comportement des objets dans leur Dessin d’une automobile réalisé à l’aide contexte d’utilisation, et connaître les effets qu’auront sur eux d’un ordinateur. les différentes contraintes auxquelles ils seront soumis. C’est pourquoi on ne parle plus seulement de dessin assisté par ordinateur (DAO) mais bien de conception assistée par ordinateur (CAO). Toutefois, les personnes qui utilisent ces logiciels (CAO ou DAO) doivent préalablement apprendre les bases du dessin technique à l’aide des instruments classiques !

398

L’univers technologique

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Activités 1

1.1 et 1.2

Date :

STE

Dans chacun des cas ci-dessous, indiquez quel dessin serait le plus approprié : une vue éclatée ou une projection orthogonale à vues multiples ? Expliquez vos réponses. a ) Une entreprise fabrique des meubles prêts-à-monter. Dans le manuel d’instruction, on veut mettre, en plus des consignes, un dessin destiné à aider les acheteurs à assembler leur meuble.

b ) Une entreprise aimerait fournir aux acheteurs de ses scies mécaniques un dessin qui leur permettrait d’identifier les pièces éventuellement défectueuses afin de les commander.

2

Les dessins techniques permettent de mettre en évidence certains problèmes et de les corriger avant de commencer la fabrication d’un objet. a ) Les projections orthogonales à vues multiples sont entre autres utiles pour prévoir les problèmes qui pourraient survenir pendant le montage ou l’installation d’un objet. Observez le dessin cidessous et relevez le problème qui surviendrait si on tentait d’installer ce porte-serviette mural en le vissant au mur.

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Chapitre 1

Le langage des lignes

399

1.1 et 1.2

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

1.1 et 1.2

b ) Les dessins techniques peuvent également mettre en évidence des problèmes d’encombrement. En effet, puisqu’ils indiquent les dimensions du produit fini, ils permettent de savoir si l’objet aura la taille requise pour remplir ses fonctions. Un problème d’encombrement peut aussi être présent à l’intérieur même d’un objet. Ainsi, la taille d’une pièce particulière peut être mal adaptée à sa fonction, la pièce étant trop grosse ou trop petite pour être intégrée à l’objet.

Comptoir Tabouret

Observez le dessin ci-contre et décelez-y un problème d’encombrement.

c ) Les dessins techniques permettent en outre de repérer des problèmes d’interférence. Ceux-ci se produisent quand une pièce entrave le mouvement d’une autre.

Modèle 1

Observez attentivement les dessins cicontre, qui présentent deux modèles de paires de ciseaux. L’un des modèles serait fonctionnel s’il était fabriqué, mais l’autre révèle un problème d’interférence. Quel est le modèle problématique ? Expliquez votre réponse.

Vue de face

Vue de dessus

Modèle 2

Vue de face

Vue de dessus

400

L’univers technologique

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Les tolérances dimensionnelles

Date :

L’univers technologique

1.3

Groupe :

1.3

Nom :

STE

Sur la gure 3 (voir la page 398), les cotes indiquent les dimensions en millimètres. Idéalement, la ou les personnes qui fabriqueront les pièces de l’objet devront faire en sorte que les dimensions réelles correspondent le mieux possible aux cotes. Cependant, il est difcile de respecter rigoureusement toutes les cotes. Dans certaines situations, un léger écart par rapport aux cotes n’aura pas d’effet négatif alors que, dans d’autres cas, un écart du même ordre de grandeur nuira au fonctionnement de l’objet (voir la gure 5). C’est pour cette raison que l’on dénit des « tolérances dimensionnelles ». La tolérance dimensionnelle correspond aux limites entre lesquelles la dimension d’une pièce peut varier sans compromettre le fonctionnement de l’objet.

Par exemple, on peut indiquer qu’une tige qui entre dans la composition d’un objet technique quelconque doit avoir un diamètre de 16 mm avec une tolérance de 1 mm. Cela signie que le diamètre de la tige devra être de (16 ± 1) mm : il devra donc être compris entre 15 et 17 mm. Une tige ayant un diamètre de 15 mm sera donc acceptable, mais une tige de 14 mm devra être rejetée. Notez que, puisque les coûts de fabrication augmentent lorsque les tolérances diminuent, il faut éviter de déterminer des tolérances trop basses.

La construction de la Station spatiale internationale exige des tolérances dimensionnelles basses. En effet, les dimensions des pièces doivent être très précises pour que les critères de sécurité soient respectés. FIGURE 5

Une fois un objet fabriqué, connaître les tolérances dimensionnelles permet, dans le cas d’un mécanisme, de remplacer des pièces abîmées par des pièces neuves similaires mais pas nécessairement identiques. C’est ce que l’on appelle le « principe d’interchangeabilité des pièces ».

Flash techno L’interchangeabilité des pièces Avant la révolution industrielle, tous les objets techniques étaient uniques, car ils étaient fabriqués un à un par les artisans. Les pièces composant ces objets étaient également uniques : chaque rouage d’une horloge, par exemple, était façonné par un artisan selon ses besoins. Il était alors difficile de remplacer une pièce brisée sans faire appel à la personne qui avait créé l’objet. Au début du 19 e siècle, l’instauration des standards de fabrication et l’utilisation des machinesoutils comme les fraiseuses et les tours ont ouvert la voie au principe d’interchangeabilité des pièces. Ce principe permet aujourd’hui d’éviter le gaspillage et de réaliser des économies considérables.

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Des rouages d’horlogerie.

Chapitre 1

Le langage des lignes

401

L’univers technologique

1.3

Nom :

Groupe :

Activités

1.3

Date :

STE

1

Quelle est la hauteur maximale acceptable pour l’usinage d’une pièce cubique de 10,5 ± 0,1 cm de côté ?

2

Ci-dessous, dans la colonne de gauche, on trouve la longueur et la tolérance dimensionnelle de trois goujons d’assemblage. Dans la colonne de droite, on illustre trois goujons. Associez chaque tolérance avec le ou les goujons qui la respectent.

3

a ) (40 ± 2) mm

1)

b ) (39 ± 1) mm

2)

c ) (45 ± 3) mm

3)

Dans une usine où l’on produit des charnières pour les portes, un designer conçoit un nouveau modèle. Sur ses dessins, il indique que le diamètre de l’œil de la charnière sera de (9,0 ± 0,1) mm, et que le diamètre du gond sera de (8,9 ± 0,1) mm. Si vous dirigiez ce designer, quel commentaire lui feriez-vous ?

Gond Œil

402

L’univers technologique

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

1

Date :

L’univers technologique

Nom :

STE

L'illustration de gauche montre une vue isométrique d’une encoignure (étagère de coin). a ) Sur le quadrillé ci-dessous, complétez le dessin en traçant la vue de droite, à l’échelle. ENCOIGNURE (étagère de coin)

Vue de dessus

Vue de face

Vue de droite

Note : La tablette centrale et celle du bas sont fixées aux pattes par 6 vis. La tablette du dessus est collée aux pattes.

b ) À quel type de dessin technique correspond la représentation que vous avez complétée dans votre réponse à la question a ?

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Chapitre 1

Le langage des lignes

403

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

c ) Comment se nomme le dessin technique ci-dessous ? Cochez la bonne réponse. 1) Une vue de face 2) Une projection isométrique 3) Une vue éclatée 4) Un cube de projection 5) Une projection orthogonale à vues multiples

2

a ) La longueur de l’axe du rotor d’un petit moteur électrique doit mesurer, d’après les spécifications données, (34,1 ± 0,3) mm. Quelles sont les limites de la longueur acceptable pour l’axe de ce rotor ?

b ) Quelles sont les limites des tailles acceptables pour le diamètre du piston d’un moteur qui doit mesurer, d’après les spécifications données, (52,4 ± 0,2) mm ?

3

404

Une tige d’acier creuse faisant partie d’une lampe doit avoir une longueur de (328 ± 2) mm. À l’occasion d’un contrôle de qualité, une technicienne mesure une tige choisie au hasard et obtient 323 mm. La dimension de cette tige est-elle acceptable ? Expliquez votre réponse.

L’univers technologique

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CHAPITRE

2

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.

405

Groupe :

2.1

Nom :

L’univers technologique

2.1

Date :

Les contraintes

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

406

L’univers technologique

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.

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Groupe :

1

2.1

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.

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Chapitre 2

Les matériaux

407

L’univers technologique

Activités

Date :

2.1

Nom :

L’univers technologique

2.1

Nom :

Groupe :

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 ?

408

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

2.2

Nom :

L’univers technologique

2.2 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

Les principales propriétés mécaniques des matériaux

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

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.

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Chapitre 2

Les matériaux

409

Nom :

Groupe :

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.

2.2 L’univers technologique

Date :

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

2.2

À partir de la liste de propriétés mécaniques ci-dessous, complétez chacune des phrases suivantes. (Chaque propriété n’apparaît qu’une fois.) Ductilité

Dureté

a ) La

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 .

410

L’univers technologique

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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 ?

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Chapitre 2

Les matériaux

411

2.2

2

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

L’univers technologique

2.3

Nom :

2.3

Date :

Les types de matériaux et leurs propriétés

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). Une pièce de bois protégée à l’aide d’une solution de cuivre présente une couleur verdâtre. FIGURE 1

TABLEAU 3

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.

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 » ;

Pendant leur fabrication, on peut modifier les propriétés des alliages grâce à un traitement thermique, dont il y a trois principaux types : STE

1. La trempe consiste à refroidir rapidement un alliage après l’avoir chauffé. Cela durcit l’alliage mais le rend plus fragile. 2. Le revenu consiste à chauffer un alliage trempé à une température précise pour le rendre un peu plus ductile. 3. Le recuit consiste à chauffer l’alliage, puis à le laisser refroidir lentement pour lui redonner ses propriétés mécaniques originales lorsqu’il a subi un autre traitement thermique ou qu’il a été altéré (par une soudure, par exemple).

412

L’univers technologique

• 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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Groupe :

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

2.3

TABLEAU 3

Date :

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. Ils sont légers. Ils sont esthétiques.

• un taux d’humidité élevé qui fait gonfler le bois jusqu’à ce qu’il devienne poreux ou se fissure. 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.

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Chapitre 2

Les matériaux

413

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

2.3

Nom :

Groupe :

TABLEAU 3

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

414

Date :

L’univers technologique

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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Groupe :

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

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.

2.3

TABLEAU 3

Date :

Dégradation et protection 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

2.3

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 ?

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Chapitre 2

Les matériaux

415

L’univers technologique

Nom :

3

L’univers technologique

2.3

Nom :

4

Groupe :

Date :

À quel type appartiennent les matériaux suivants ? a ) Le contreplaqué

e ) Le polyéthylène

b ) L’or

f ) La terre cuite

c ) Le bronze

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

416

L’univers technologique

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

2.3

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

STE

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite aux questions.

La fabrication des katanas Les katanas sont les sabres d’acier des samouraïs japonais. Les artisans qui fabriquaient ces sabres utilisaient une technique très raffinée. À une certaine étape du processus de fabrication, le katana était chauffé jusqu’à ce qu’il devienne rouge, puis rapidement refroidi dans un bassin d’eau froide. On répétait ce procédé plusieurs douzaines de fois. Un katana.

a ) Comment se nomme le procédé décrit dans le texte ? À quoi sert-il ?

b ) Formulez deux hypothèses pour expliquer pourquoi les artisans utilisaient de l’acier plutôt que du fer.

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Chapitre 2

Les matériaux

417

L’univers technologique

2.3

Nom :

Groupe :

Date :

8

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. 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

418

L’univers technologique

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

L’univers technologique

Nom :

2

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

Information

Matériau

Information

Acier inoxydable trempé

Dureté élevée Ductilité relativement faible Résistance à la corrosion Conductibilité électrique

Polycarbonate (Lexan®)

Grande transparence Légèreté Durabilité

Aluminium

Légèreté Excellentes ductilité et malléabilité Résistance à la corrosion Conductibilité électrique

Verre borosilicaté (Pyrex®)

Résistance à la chaleur Fragilité Transparence Durabilité

Bois de chêne

Dureté Résilience Coût élevé Sensibilité à l’humidité

Polyéthylène

Légèreté Durabilité Malléabilité Coût faible

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Chapitre 2

Les matériaux

419

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

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)

c)

STE

Que signifie le terme « trempé » dans le nom « acier inoxydable trempé » ?

STE Quelles propriétés de l’acier inoxydable trempé sont modifiées par le fait qu’il a été trempé ? Expliquez votre réponse.

d ) 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 ?

420

L’univers technologique

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CHAPITRE

3

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.

421

Groupe :

3.1

Nom :

L’univers technologique

3.1

Date :

Les caractéristiques des liaisons mécaniques

Quand un objet technique compte plusieurs pièces, celles-ci doivent être liées entre elles. La fonction 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

Directe Une liaison est directe lorsque les pièces tiennent ensemble sans l’intermédiaire d’un organe de liaison. Les pièces liées doivent avoir des formes complémentaires. ou Indirecte Une liaison est indirecte lorsque les pièces ont besoin d’un ou de plusieurs organes de liaison pour tenir ensemble.

Démontable Une liaison est démontable lorsqu’on peut séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison.

Exemples

La liaison entre le culot de l’ampoule et le réceptacle de son socle est directe.

La liaison entre la plaque métallique et le panneau de bois est indirecte : les organes de liaison sont les vis. La liaison entre deux pièces d’un cassetête est démontable.

ou Indémontable Une liaison est indémontable lorsqu’on ne peut pas séparer les pièces sans endommager leur surface ou l’organe de liaison. Rigide Une liaison est rigide lorsque la surface des pièces liées est rigide ou lorsque l’organe de liaison est rigide.

La liaison entre une chaussure et sa semelle est indémontable.

Les liaisons entre les différentes parties de cette bibliothèque sont rigides.

ou Élastique Une liaison est élastique lorsque la surface des pièces liées est déformable ou lorsque l’organe de liaison est déformable.

422

L’univers technologique

La liaison entre les deux branches d’une pince à linge est élastique.

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Nom :

Date :

Caractéristiques

3.2

Les caractéristiques des liaisons (suite) Exemples

L’univers technologique

TABLEAU 1

Groupe :

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.

3.2

Les degrés de liberté

STE

y

Une pièce qui n’est liée à aucune autre pièce peut être déplacée dans tous les sens et de tous les côtés. Toutefois, les liaisons réduisent les possibilités de mouvements indépendants des pièces liées. Néanmoins, lorsque la liaison est partielle, les pièces conservent certaines possibilités de mouvements indépendants les unes par rapport aux autres. Les degrés de liberté, au nombre maximal de six, correspondent aux différents mouvements indépendants possibles pour une pièce dans un objet technique.

Dans un espace vide, une pièce qui n’est liée à aucune autre possède six degrés de liberté (voir la gure 1). En effet, elle peut se déplacer en translation (T) selon chacun des trois axes orthogonaux (x, y, z), et en rotation (R) autour de chacun de ces trois axes. Les liaisons réduisent le nombre de degrés de liberté. La gure 2 montre les degrés de liberté du pêne d’un verrou.

Ry Ty Tx

Tz

x Rx

z

Rz

Les six degrés de liberté possibles. FIGURE 1

y Rx z

x Tx

Le pêne du verrou possède deux degrés de liberté par rapport à la plaque sur laquelle il est fixé : il peut se déplacer en translation le long de l’axe des x, et en rotation autour de l’axe des x. FIGURE 2

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.

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

423

Groupe :

Activités 1

Date :

3.1 et 3.2

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.

L’univers technologique

3.1 et 3.2

Nom :

b ) La liaison entre la tête et le corps d’une flûte traversière.

Tête

Corps

c ) La liaison entre la base métallique de la poignée de la poêle à frire illustrée cicontre et cette poêle.

2

La photo ci-contre illustre une poinçonneuse. a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison entre les deux branches de la poinçonneuse, en justifiant vos réponses.

b)

424

STE Combien de degrés de liberté les branches possèdent-elles l’une par rapport à l’autre ? Justifiez votre réponse.

L’univers technologique

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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.

Date :

Dessus du couvercle Ouverture

Protubérance Charnière

Base du couvercle

a ) Donnez les quatre caractéristiques de la liaison assurée par les charnières.

b)

STE Combien de degrés de liberté la liaison assurée par les charnières fournit-elle au-dessus du couvercle par rapport à sa base ? Justifiez votre réponse.

c ) 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.

d)

STE Combien de degrés de liberté la liaison assurée par la protubérance et le trou fournitelle au-dessus du couvercle par rapport à sa base ? Justifiez votre réponse.

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Chapitre 3

3.1 et 3.2

3

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

L’ingénierie mécanique

425

4

L’univers technologique

3.1 et 3.2

Nom :

Groupe :

Date :

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

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 ».)

6

STE Quels sont les degrés de liberté de l’écran d’ordinateur illustré ci-contre ? Répondez à l’aide de la notation appropriée.

y

z

426

L’univers technologique

x

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Date :

La fonction de guidage

L’univers technologique

3.3

Groupe :

3.3

Nom :

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 et ainsi réduire le nombre de degrés de liberté de cette pièce. 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 3

L’ingénierie mécanique

427

Groupe :

3.4

Nom :

L’univers technologique

3.4

Date :

L’adhérence et le frottement

STE

Quand deux pièces sont mises en contact, dans un système de liaison, de guidage ou ailleurs, et que l’on exerce sur l’une d’elles une force qui tend à la faire glisser sur l’autre, une force de frottement se met alors en action. Le frottement est une force qui s’oppose au glissement d’une surface sur une autre. L’adhérence est un frottement suffisamment important pour empêcher le glissement d’une surface sur une autre.

Quand le frottement nuit au mouvement sans l’empêcher complètement, on parle de frottement cinétique. L’adhérence est parfois appelée « frottement statique ». Même lorsque le frottement n’empêche pas complètement le mouvement des pièces, il entraîne des pertes d’énergie. Le frottement cinétique peut éventuellement ralentir ou arrêter le mouvement, si celui-ci n’est pas entretenu. Il entraîne également l’usure des pièces en contact. Par contre, le frottement et l’adhérence ne sont pas nécessairement nuisibles : dans certaines circonstances, ils sont souhaitables. Par exemple, le frottement entre les plaquettes de freins d’une voiture et les disques attachés aux roues de celle-ci doit être le plus grand possible. L’adhérence entre les pneus d’une voiture et la chaussée doit également être la plus grande possible, pour empêcher le dérapage de la voiture durant les virages. Ainsi, les pneus roulent sans difculté sur la chaussée lorsque la voiture avance (il y a un faible frottement entre les pneus et l’asphalte durant ce mouvement, mais il n’y a pas d’adhérence). Toutefois, les pneus adhèrent à la chaussée plutôt que de glisser latéralement sur celle-ci.

Flash techno Le roulement à billes Le frottement associé à une rotation est moins grand que celui associé à un glissement. Ainsi, pour limiter un frottement indésirable, on peut intégrer un roulement à un mécanisme, un roulement à billes ou à cylindres, par exemple. Les roulements transforment le glissement en une rotation. Sur les planches à roulettes, par exemple, le roulement à billes est utilisé pour réduire le frottement entre les essieux et les roulettes. Le roulement à billes sur une planche à roulettes.

428

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

TABLEAU 3

3.3 et 3.4

La grandeur du frottement ou de l’adhérence entre deux surfaces dépend de quatre facteurs, présentés au tableau 3. Les facteurs qui influent sur le frottement et l’adhérence entre deux surfaces Facteur

Exemple pour l’adhérence entre un pneu et la chaussée

Nature des matériaux mis en contact

L’adhérence entre un pneu de caoutchouc et la glace ou la neige est plus faible que celle entre le même pneu et une chaussée asphaltée sèche.

Température

Les écuries chauffent les pneus des voitures et des motos de course avant le départ parce que cela augmente l’adhérence entre les pneus et la chaussée.

État des surfaces mises en contact

Un pneu usé adhère moins bien à la chaussée qu’un pneu neuf.

Force perpendiculaire (force normale) exercée par une surface sur l’autre

L’adhérence entre un pneu et la chaussée est supérieure pour un camion chargé que pour une moto : le camion est plus lourd, il exerce donc une force plus grande sur le sol.

Le fait que le frottement dépende de la nature des matériaux et de l’état des surfaces en contact explique aussi l’utilisation de lubriants. En effet, les lubriants permettent de limiter le frottement, lorsque celui-ci est indésirable.

Activités 1

3.3 et 3.4

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).

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

429

L’univers technologique

Nom :

2

Groupe :

Date :

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

3

L’univers technologique

3.3 et 3.4

Nom :

1

2

4

Simple et efficace Lorsqu’on veut abaisser le siège d’un vélo stationnaire comme celui de la figure ci-contre, on tourne d’abord la molette (1) qui se trouve dans le cylindre fileté (2) du support de la selle (3). Le 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 donne au tube un degré de liberté et lui permet d’effectuer un mouvement de translation à la verticale. Lorsque la hauteur du siège convient, on ajuste la tige de la molette pour qu’elle coïncide avec le trou le plus proche, parmi ceux dont est percé le tube. On resserre ensuite la molette, pour enfoncer la tige dans le trou choisi et fixer la position verticale du siège.

a ) Quels sont les deux organes 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.

3

430

STE

De façon claire et précise, faites la distinction entre l’adhérence et le frottement.

L’univers technologique

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Nom :

Date :

3.3 et 3.4

Observez la figure ci-dessous, qui montre une bouteille de produit nettoyant.

L’univers technologique

4

Groupe :

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 ? 5

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)

c)

La grandeur du frottement entre deux matériaux dépend de la grandeur de la surface de contact entre eux. Plus la surface de contact entre deux objets est grande, plus le frottement entre eux est grand. STE

STE

L'adhérence est un type particulier de frottement.

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

431

6

Groupe :

Date :

La photo ci-dessous montre un patin à roues alignées.

L’univers technologique

3.3 et 3.4

Nom :

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.

e)

432

Un patineur en mouvement qui souhaite s’arrêter fait basculer légèrement son pied de STE façon à ce que le frein de talon entre en contact avec le sol. Expliquez ce qui se passe à l’aide du concept d’« adhérence » ou du concept de « frottement », ou des deux.

L’univers technologique

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7

8

Groupe :

Date :

STE

D’après vous, pourquoi le frein de talon est-il fait de caoutchouc et non d’acier ?

g)

STE

Pourquoi le freinage est-il plus efficace si le patineur appuie fermement son frein au sol ?

h)

STE

Le freinage sera-t-il efficace par temps chaud ou par temps frais ?

L’univers technologique

f)

Pourquoi, dans les manufactures et les entrepôts, STE utilise-t-on parfois un transporteur à rouleaux plutôt que de simplement faire glisser les caisses sur une surface lisse ?

STE

Les rails de glissières de certains tiroirs sont équipés de roulettes.

a ) Pour assurer un guidage en translation, un simple rail, où deux pièces rectangulaires glissent l’une dans l’autre, suffit. Pourquoi les glissières de certains tiroirs sont-elles équipées de roulettes ?

b ) Vous remarquez que le tiroir dans lequel vous rangez des ustensiles, dont les glissières sont équipées de roulettes, devient de plus en plus difficile à ouvrir et à fermer. Que pouvez-vous faire pour régler ce problème ?

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

3.3 et 3.4

Nom :

433

Groupe :

3.5

Nom :

L’univers technologique

3.5

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 3).

Pignon (organe mené)

Chaîne (organe intermédiaire) Plateau (organe moteur)

FIGURE 3

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 4

434

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 4). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

Date :

TABLEAU 4

3.5

Le tableau 4 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 3

L’ingénierie mécanique

435

L’univers technologique

Nom :

3.5

Nom :

Groupe :

TABLEAU 4

Les principaux types de système de transmission du mouvement (suite) Système

L’univers technologique

Date :

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

3.5

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)

436

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 3

L’ingénierie mécanique

437

3.5

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Nom :

Date :

h ) Les fouets tournent-ils plus vite ou moins vite que le moteur ? Justifiez votre réponse.

3.5 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.

438

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 3

L’ingénierie mécanique

439

3.5

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

6

L’univers technologique

3.5

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 3, page 434). 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

440

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

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Groupe :

Date :

3.6

Nom :

L’univers technologique

3.6 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 5 présente les principaux types de système de transformation du mouvement. TABLEAU 5

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 3

L’ingénierie mécanique

441

L’univers technologique

3.6

Nom :

Groupe :

TABLEAU 5

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

Bielle

STE Une came circulaire est appelée un excentrique lorsque son axe de rotation est décentré par rapport à sa circonférence.

Activités

• Système réversible

Manivelle

• 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

Piston

Roue

1

Date :

• Système non réversible Ressort

Tige

Came

3.6

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. 442

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.

Molette

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 3

L’ingénierie mécanique

443

3.6

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

3.6

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 ?

444

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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.

6

STE

Qu'est-ce qu'un excentrique ?

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

445

3.6

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

3

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 ?

446

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

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)

STE

De combien de degrés de liberté en translation le piston dispose-t-il ?

g)

STE

De combien de degrés de liberté en rotation le piston dispose-t-il ?

h ) Pourquoi, dans un moteur, le piston doit-il être lubrifié ?

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Chapitre 3

L’ingénierie mécanique

447

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

448

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 3

L’ingénierie mécanique

449

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 ?

450

L’univers technologique

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CHAPITRE

4

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.

451

Date :

4.1

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.

4.1

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 Batterie

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.

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.

452

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.

Groupe :

4.1.1

Les condensateurs

Date :

4.1

Nom :

STE

L’univers technologique

Parfois, on souhaite utiliser une très grande quantité de charges électriques à un rythme plus rapide qu’une pile ou une batterie ne pourrait les fournir. Dans de telles situations, on doit employer des appareils qui comportent des composantes dont le rôle est de stocker lentement des charges électriques (on dit alors que l’appareil « se charge »), puis de les libérer rapidement au moment voulu (on dit alors que l’appareil « se décharge »). De telles composantes se nomment « condensateurs » (voir la gure 1). Un condensateur est un dispositif qui a la capacité d’emmagasiner des charges électriques.

Dans plusieurs circuits, les condensateurs ont une fonction d’alimentation différée. Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices séparées par une mince couche isolante. Le symbole désignant un condensateur est le suivant : . Il ne faut pas confondre ce symbole avec celui désignant une pile ( ).

Activités 1

Le défibrillateur portatif. Lorsqu’une personne est victime d’une crise cardiaque, il faut faire passer un courant très intense à travers sa cage thoracique pour stopper la fibrillation du cœur. À cette fin, les ambulanciers utilisent un défibrillateur portatif, qui est alimenté par une batterie. Comme le rythme auquel les charges doivent être débitées par un défibrillateur est beaucoup plus grand que le rythme auquel la batterie peut les fournir, un défibrillateur doit fonctionner à l’aide de condensateurs. FIGURE 1

4.1

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

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

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

453

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

4.1

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

3

Lisez les trois textes suivants. Répondez ensuite à la question qui accompagne chacun d’eux. a)

Les thermo-électrogénérateurs

La sonde spatiale Cassini-Huygens. Cette sonde a pour mission d’étudier la planète Saturne et plusieurs de ses satellites.

Pour réduire la consommation d’essence des automobiles, on se servira peut-être un jour des thermo-électrogénérateurs. En effet, étant donné qu’une grande partie de l’énergie consommée par un moteur à explosion est perdue sous forme de chaleur, il serait intéressant qu’un appareil puisse récupérer cette chaleur pour produire de l’électricité. C’est ce que fait un thermo-électrogénérateur. Ce dispositif convertit directement l’énergie thermique en énergie électrique. Son fonctionnement est basé sur l’effet thermoélectrique, grâce auquel un courant électrique apparaît à la jonction de deux semi-conducteurs qui sont à des températures différentes.

À l’heure actuelle, les générateurs thermoélectriques sont trop coûteux pour être introduits dans les produits de consommation de masse. On les utilise donc seulement dans certaines technologies de pointe comme les sondes spatiales, où la chaleur provient de la désintégration d’isotopes radioactifs (voir la photo ci-dessus).

Le dispositif décrit peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

454

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

4.1

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 peut-il remplir une fonction d’alimentation dans un circuit ? Expliquez votre réponse.

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.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

455

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

4.2

Nom :

Groupe :

4

STE

Quel est le principe de fonctionnement d’un condensateur ?

5

STE

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

Date :

Le condensateur L’utilisation du flash d’un appareil photo nécessite de transformer rapidement une quantité importante d’énergie électrique en énergie lumineuse. L’énergie doit être libérée beaucoup plus rapidement que la pile de l’appareil ne peut le faire. Pour cette raison, le flash d’un appareil photo est muni d’un condensateur. Ce condensateur est branché en série avec une pile (voir ci-contre). Quand Le circuit (simplifié) qui permet au flash d'un on appuie sur le déclencheur de l’appareil pour appareil photo de fonctionner. prendre une photo avec le flash, un interrupteur bascule, débranchant le condensateur de la pile et le branchant plutôt à l’ampoule du flash. Le condensateur se décharge alors rapidement à travers l’ampoule.

Un élève veut photographier ses amis en utilisant le flash de son appareil. Il prend une première photo, puis tente immédiatement d’en prendre une seconde, mais le flash ne se déclenche pas. Pourquoi doit-il attendre un moment avant de prendre une autre photo avec le flash ? Cochez l’énoncé qui répond le mieux à la question. a ) Parce que si l’élève pouvait prendre une deuxième photo sans attendre, l’énergie, qui circulerait très vite dans le circuit, entraînerait une surchauffe, ce qui ne serait pas sécuritaire. b ) Parce que le condensateur emmagasine l’énergie électrique seulement au rythme où la pile la lui transfère. Ainsi, l’accumulation d’une quantité suffisante d’énergie dans le condensateur prend un certain temps. c ) Parce que les personnes qui seraient photographiées seraient éblouies et que cela empêcherait de prendre de bonnes photos.

4.2 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. 456

L’univers technologique

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Groupe :

4.2.1

Date :

4.2

Nom :

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

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

4.2.2

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.

Un fil électrique entouré d’une gaine isolante. Cette gaine permet de manipuler les fils en toute sécurité. FIGURE 2

La fonction d’isolation

Les composantes qui assurent la fonction d’isolation, les isolants, sont de très mauvais conducteurs d’électricité. Les isolants sont souvent en plastique ou en céramique. La fonction d’isolation est assurée par toute composante d’un circuit qui empêche le passage du courant.

Les 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 2). Elle évite également les courts-circuits en empêchant le courant de passer entre deux ls qui se touchent (voir la gure 3). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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 3

Chapitre 4

L’ingénierie électrique

457

Groupe :

4.2

Nom :

4.2.3

Date :

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.

Deux fusibles. Celui de gauche est grillé, mais celui de droite est intact. FIGURE 4

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.

Disjoncteur principal

Disjoncteur secondaire

Il y a deux principaux types de système de protection : les fusibles et les disjoncteurs.

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 5

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.

Les fusibles les plus courants sont constitués d'une lamelle de métal insérée dans un petit tube de verre (voir la gure 4). 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 5). On trouve cependant toujours des fusibles dans certains appareils (comme des cuisinières) et dans les voitures.

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.

458

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

4.2

Nom :

L’univers technologique

Flash techno 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.

4.2

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.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

459

Groupe :

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.

L’univers technologique

4.2

Nom :

Date :

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.

460

L’univers technologique

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STE

Date :

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

4.2

4

Groupe :

Le circuit imprimé Pour fabriquer des appareils électroniques, on assemble de nombreuses composantes dans un espace restreint, puis on les connecte les unes aux autres par des branchements. Dans ce contexte, le branchement à l’aide de fils électriques serait inapproprié. En effet, cela compliquerait la fabrication en série des circuits, et certains très petits fils se débrancheraient inévitablement à l’occasion. Pour résoudre ce problème, Les composantes électroniques on remplace les fils par de minces pistes de cuivre, fixes et soudées au verso de la plaque d'un rigides, qui sont imprimées par photogravure sur une carte circuit imprimé. de plastique. Les composantes électroniques sont soudées au verso de la plaque (voir ci-dessus). Le circuit ainsi obtenu est appelé « circuit imprimé ». Les cartes sur lesquelles sont imprimés les circuits sont généralement fixées dans des boîtiers de plastiques. On trouve des circuits imprimés dans tous les appareils électroniques : les calculatrices, les baladeurs numériques, les téléphones, les ordinateurs, etc.

a ) Dans un circuit imprimé, qu’est-ce qui assure la fonction de conduction ?

b ) Dans un circuit imprimé, qu’est-ce qui assure la fonction d’isolation ?

5

Une bricoleuse possède une vieille maison dont les circuits électriques sont munis de fusibles. a ) Après une surcharge, l’un de ces fusibles grille et elle décide de le remplacer. Pour retirer l’ancien fusible, elle utilise une paire de pinces métalliques. Pourquoi est-ce une très mauvaise idée ?

b ) Plus tard la même année, un autre fusible fond. Comme la bricoleuse n’a plus de fusible de rechange, elle met à la place un simple morceau de papier d’aluminium de même taille. Le circuit fonctionne ensuite normalement. Pourquoi cette solution est-elle malgré tout très mauvaise ?

c ) Nommez au moins un avantage qu'il y aurait à faire remplacer le panneau de distribution à fusibles par un panneau à disjoncteurs.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

461

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

4.3

Nom :

L’univers technologique

4.3

Date :

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 6 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 6

b ) Un circuit dont l’interrupteur est ouvert (arrêt).

Dans un circuit, l’interrupteur remplit la fonction de commande.

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.

462

L’univers technologique

Une tablette électronique munie d’un écran tactile.

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4.3.1

Date :

4.3

Groupe :

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 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.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

463

L’univers technologique

Nom :

Date :

4.3

Groupe :

4.3.2 La structure et le rôle des différents interrupteurs S T E

L’univers technologique

Nom :

On peut classer les interrupteurs en fonction de leur mécanisme, mais également en fonction de leur structure et de leur rôle. Ainsi, les interrupteurs peuvent être unidirectionnels ou bidirectionnels, et unipolaires ou bipolaires. Un interrupteur unidirectionnel peut ouvrir ou fermer un circuit, mais, lorsqu’il est fermé, il dirige toujours les charges dans la même direction. Un interrupteur bidirectionnel peut également ouvrir ou fermer un circuit, mais, lorsqu’il est fermé, il peut diriger les charges vers deux circuits différents, selon l’effet qu’on veut obtenir. Un interrupteur unipolaire contrôle un seul circuit à la fois, alors qu’un interrupteur bipolaire contrôle deux circuits à la fois.

Le tableau 4 présente différents interrupteurs à levier classés selon leur structure et le rôle qu’ils peuvent remplir. TABLEAU 4

La structure et le rôle de différents interrupteurs

Type d’interrupteur

Symboles Position fermée (marche)

Exemple de circuit Position ouverte (arrêt)

Unidirectionnel unipolaire

A

Bidirectionnel unipolaire Position 1

Position 2

Note : Certains interrupteurs bidirectionnels ne peuvent être mis en position ouverte.

B L’ampoule A est allumée, alors que l’ampoule B est éteinte.

Unidirectionnel bipolaire

464

L’univers technologique

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Groupe :

4.3

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 ».

3

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

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.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

465

L’univers technologique

Activités

Date :

4.3

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers technologique

4.3

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

STE Quel type d’interrupteur choisiriez-vous dans chacun des cas suivants ? Unidirectionnel ou bidirectionnel ? Unipolaire ou bipolaire ?

a ) Selon la situation, l’interrupteur doit permettre d’alimenter soit une ampoule rouge, soit une ampoule verte, lesquelles se trouvent dans le même circuit.

b ) L’interrupteur doit permettre d’allumer ou d’éteindre une ampoule qui se trouve dans un premier circuit en même temps qu’un élément chauffant qui se trouve dans un second circuit.

5

466

STE Dans l’encadré ci-dessous, dessinez un schéma représentant des circuits munis d’un interrupteur bidirectionnel bipolaire. Utilisez les symboles appropriés.

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

4.4

Nom :

L’univers technologique

4.4 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.

4.4.1 La transformation de l’énergie électrique en énergie lumineuse

Les écrans à cristaux liquides produisent de la lumière à partir d’énergie électrique. FIGURE 7

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 7.

4.4.2 La transformation de l’énergie électrique en énergie thermique 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 8), de même que dans les grille-pain, les bouilloires et les chauffe-eau électriques.

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 8

4.4.3 La transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique

Diaphragme

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 9). Dans ce cas, on pourrait également parler de transformation de l’énergie électrique en énergie sonore.

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Aimant

Une vue en coupe d’un haut-parleur. FIGURE 9

Chapitre 4

L’ingénierie électrique

467

L’univers technologique

4.4

Nom :

Groupe :

Activités 1

Date :

4.4

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.

468

L’univers technologique

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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 qui suivent.

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 ?

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

469

4.4

3

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

Nom :

Date :

b ) En quel type d’énergie les pièces que vous avez nommées en réponse à la question a transforment-elles l’énergie électrique ?

4.5 L’univers technologique

Groupe :

Lisez le texte suivant. Répondez ensuite à la question.

6

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.

4.5 La fonction de régulation

STE

Les résisteurs et les diodes remplissent souvent une fonction de régulation de la tension dans un circuit. La fonction de régulation est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à maintenir le fonctionnement de ce circuit.

470

L’univers technologique

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Groupe :

4.5.1

Date :

4.5

Nom :

Les résisteurs

L’univers technologique

Sous certaines conditions, le courant qui passe dans un circuit rencontre de la résistance. La résistance est la propriété physique des composantes d’un circuit qui dissipent l’énergie électrique, ce qui limite le passage du courant tout en produisant de l’énergie thermique. Un résisteur est une composante conçue pour limiter le passage du courant dans un circuit.

Dans le schéma d’un circuit, les résisteurs sont désignés par le symbole normalisé . Un résisteur se caractérise par la grandeur de sa résistance, que l’on mesure en ohms (Ω). Plus la résistance est grande, plus le courant qui circule dans le résisteur, pour une différence de potentiel donnée, est faible. Sur un résisteur, la valeur de la résistance est souvent codée avec quatre ou cinq anneaux de couleur (voir la gure 10). 76 × 103 Ω ± 5 %, soit 76 000 Ω ± 5 % 7 6 103

5%

Un résisteur dont la résistance a une tolérance supérieure ou égale à 2 % est codé avec quatre anneaux.

Couleur

1er anneau

2e anneau

3e anneau

Multiplicateur

Tolérance

Noir

0

0

0

100

Brun

1

1

1

101

±1%

2

2

±2%

Rouge

2

2

10

3

Orange

3

3

3

10

Jaune

4

4

4

104

Vert

5

5

5

105

6

6

± 0,25 %

7

± 0,10 %

Bleu

6

6

Violet

7

7

7

Gris

8

8

8

Blanc

9

9

9

10

10

± 0,5 %

± 0,05 %

Or

10–1

±5%

Argent

10–2

± 10 %

Un résisteur dont la résistance a une tolérance inférieure ou égale à 1 % est codé avec cinq anneaux. 4 3 2

10 0 ± 1 %

432 × 100 Ω ± 1 %, soit 432 Ω ± 1 % FIGURE 10

Le code des couleurs utilisé sur les résisteurs.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

471

Nom :

Groupe :

Puisqu’ils dissipent une partie de l’énergie des charges qui les traversent, les résisteurs assurent une fonction de régulation. Par exemple, un résisteur pourra limiter le courant qui circule dans la branche d’un circuit où se trouve une diode qui ne peut être traversée par un fort courant.

4.5 L’univers technologique

Date :

a ) Dans ce circuit, la pile est branchée avec une polarité telle que la diode laisse passer le courant. Ainsi, tout le circuit est alimenté en énergie électrique.

b ) Dans ce circuit, la pile est branchée avec une polarité telle que la diode bloque le courant. Il n’y a donc aucun courant qui circule dans le circuit.

4.5.2

Les diodes

Une diode est une composante électronique qui permet le passage du courant dans un seul sens.

Le symbole normalisé utilisé pour désigner une diode est le suivant : . Les diodes ont des applications très variées, mais plusieurs remplissent une fonction de régulation. On emploie les diodes pour protéger les composantes électroniques fragiles d’un courant qui y circulerait dans le mauvais sens, par exemple si une personne plaçait les piles à l’envers. En effet, comme les diodes laissent passer le courant dans une seule direction, l’énergie électrique ne circulera pas si les piles sont à l’envers (voir la gure 11). Par ailleurs, certains appareils électroniques alimentés par des piles comportent une protection mécanique : on ne peut insérer les piles à l’envers dans leur logement à moins d’exercer une force excessive. Dans ce cas, les diodes ne sont pas nécessaires.

Les diodes assurent la régulation du courant dans un circuit. FIGURE 11

Activités 1

4.5

STE

La figure ci-dessous illustre deux résisteurs. 1)

2)

a ) Donnez les valeurs de résistance des deux résisteurs ainsi que les tolérances de ces valeurs. 1) 2) b ) Lequel des deux résisteurs laissera passer le plus de courant si on branche chacun d’eux à une pile de 9 V ?

472

L’univers technologique

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2

Une technicienne conçoit un petit appareil. L’un des circuits comporte un résisteur dont la résistance doit absolument être supérieure à 950 Ω, sans quoi il risque d’y avoir surcharge. La technicienne dispose du résisteur illustré ci-contre. Peut-elle utiliser ce résisteur ou doit-elle en commander un autre ? Expliquez votre réponse.

3

Qu’est-ce qu’une diode ?

4

Lisez le texte ci-dessous. Répondez ensuite à la question.

Date :

4.5

Groupe :

L’univers technologique

Nom :

La diode électroluminescente Toutes les diodes permettent le passage du courant dans un seul sens. Toutefois, certaines diodes ont également la propriété d’émettre de la lumière. Ces diodes sont appelées « diodes électroluminescentes » (DEL) [voir ci-contre]. Ces petites ampoules consomment beaucoup moins d’énergie électrique par quantité d’énergie lumineuse produite que les ampoules à incandescence ou les tubes fluorescents. Cela est dû au fait que la lumière dégagée par une DEL s’accompagne seulement de très faibles pertes sous forme d’énergie thermique. En outre, les DEL sont plus durables Une diode électroluminescente. que les ampoules à incandescence ou fluorescentes, et la lumière est produite dès que le courant passe dans la diode, ce qui n’est pas le cas des tubes fluorescents. Depuis quelques années, on emploie les DEL pour fabriquer des écrans de téléviseur très minces et de grande qualité.

Nommez au moins deux avantages des écrans éclairés par les DEL sur les écrans éclairés par des tubes fluorescents.

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Chapitre 4

L’ingénierie électrique

473

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

4

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 • bipolaire

STE

• contrôler le passage du courant par l’ouverture ou la fermeture du circuit • des fils électriques

Fournir l’énergie nécessaire à la circulation du courant

est remplie par

Fonction de conduction

est généralement remplie par

• énergie lumineuse • énergie mécanique • fonction d’alimentation • fonction de protection • fonction de régulation

STE

Empêcher le courant de passer

est généralement remplie par

• fonction d’isolation • interrupteur bidirectionnel

STE

• laisser passer le courant • la longueur

Protéger les autres composantes du circuit en cas d’anomalie

est remplie par

• la température • le matériau

Fonction de commande

• transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie • un condensateur

est remplie par

STE

• un disjoncteur • une batterie • une diode

STE

Fonction de transformation de l’énergie

• une génératrice • une prise de courant

transforme l’énergie électrique en

• un fusible • un interrupteur • unipolaire • un résisteur 474

STE STE

L’univers technologique

Maintenir le circuit en état de fonctionnement

est remplie par

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Groupe :

Date :

une pile : appareil transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique : appareil transformant l’énergie mécanique en énergie électrique : dispositif pouvant emmagasiner de l’énergie électrique pour la libérer ensuite : 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

de bloquer le courant ou de le diriger vers un seul parcours (interrupteur unidirectionnel) S T E dont le rôle est

de bloquer le courant ou de le diriger vers l’un ou l’autre de deux parcours (

) (interrupteur contrôlant

dont la structure est

un seul circuit) (interrupteur contrôlant deux circuits)

énergie thermique

qui limite le passage du courant qui permet le passage du courant dans un seul sens Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4

L’ingénierie électrique

475

L’univers technologique

Nom :

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

STE

Identifiez chacune des composantes du circuit schématisé ci-dessous.

4

STE

Dans l’encadré ci-dessous, dessinez un résisteur de 700 Ω avec une tolérance de 5 %.

476

L’univers technologique

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CHAPITRE

5

La fabrication

STE

Dans les chapitres précédents, vous avez étudié le dessin technique, la science des matériaux et certains principes d’ingénierie, ce qui vous a permis d’aborder la conception d’un objet technique. Pour concevoir de tels objets, on doit suivre des étapes qui comprennent généralement le choix des formes, des dimensions, des matériaux et des liaisons, de même que la réalisation des dessins et la création d’un prototype fonctionnel. Dans le présent chapitre, vous apprendrez comment créer un prototype, c’est-à-dire comment façonner des pièces. Le façonnage, qui s’effectue au moyen d’outils et de machines-outils, comporte des étapes d’usinage et de formage, puis d’assemblage et de finition. Pour réaliser le prototype, on doit définir chacune des pièces dans un dessin et établir la séquence des opérations permettant de fabriquer ces pièces, soit la gamme de fabrication. Il s’agit alors de dessins et de gammes préliminaires. Une fois que le prototype a été testé, modifié et accepté, on retouche les dessins ainsi que les gammes de fabrication et de montage de façon à pouvoir fabriquer l’objet en un seul exemplaire ou en plusieurs milliers. Dans ce chapitre, vous étudierez entre autres quelques outils et techniques de fabrication parmi les plus répandus. 477

Groupe :

L’univers technologique

5.1

Nom :

Flash techno À Paris, on a construit la tour Eiffel à partir de 18 038 pièces différentes assemblées à l’aide de 2 500 000 rivets, dont 1 050 846 ont été posés sur le chantier même.

5.1

Date :

Les outils utiles à la fabrication

STE

Les diverses techniques de fabrication nécessitent l’utilisation de différents outils et machines-outils. Un outil est un instrument qui permet de fabriquer un objet au moyen d’une action mécanique. La force nécessaire à cette action est souvent générée par la personne qui utilise l’outil. Une machine-outil est un outil qui tire d’un moteur la force nécessaire à son action.

Les techniques de fabrication sont très nombreuses et chacune emploie des outils particuliers. Par exemple, on utilise des scies pour le sciage, des perceuses ou des chignoles pour le perçage, des moules pour le moulage, des tarauds pour le taraudage.

5.2

Les techniques de fabrication

STE

Le tableau 1 présente quelques techniques usuelles qu’on trouve dans beaucoup de gammes de fabrication. Quelques techniques de fabrication usuelles

TABLEAU 1

Technique Le mesurage

Le traçage

Description

Exemples d’outil

Le mesurage consiste à vérifier les dimensions des pièces entrant dans la fabrication d’un objet technique avant, pendant et après leur usinage.

Règle, ruban à mesurer, pied à coulisse (voir l’Outil, à la page 480)

Le traçage consiste à dessiner le contour d’une pièce pour la tailler ou l’usiner. Il nécessite habituellement des opérations de mesurage permettant de situer le contour à tracer.

Crayon et pointeau

Rapporteur d’angles

Règle et ruban à mesurer Équerre Compas et pointe à tracer

On peut l’effectuer sur un morceau de papier, par exemple, qui sera posé sur le matériau et qu’on pourra ensuite réutiliser. Un traçage adéquat permet l'économie de matériaux.

478

L’univers technologique

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Groupe :

Date :

5.2

Nom :

Quelques techniques de fabrication usuelles (suite) Technique

Le perçage

Description

Exemples d’outil

Le perçage consiste à percer un trou dans une pièce.

Perceuse

Le diamètre et la longueur du foret doivent être adaptés aux dimensions du trou.

Chignole

L’univers technologique

TABLEAU 1

Perceuse sensitive Vilebrequin

Le matériau dont est fait le foret doit être plus dur que le matériau à percer. L’angle de coupe (l’angle de la pointe du foret) doit aussi être choisi selon la dureté du matériau à percer ; un matériau plus dur doit généralement être percé avec un foret ayant un angle plus grand.

Foret

La vitesse de rotation du foret doit être adaptée à la dureté du matériau et à la taille du trou ; on doit généralement percer plus lentement un matériau plus dur ou un trou plus grand, et on doit parfois employer un lubrifiant. Le taraudage

Le taraudage consiste à créer des filets à l’intérieur d’un trou. Le profil des filets du trou (écrou) doit correspondre à celui de la tige (vis) qui y sera insérée.

Angle de coupe faible pour les matériaux assez mous

Grand angle de coupe pour les matériaux plus durs

Tarauds

Il est complémentaire du filetage. Il doit être précédé d’une opération de perçage.

Le filetage

Le filetage consiste à créer des filets autour d’une tige.

Filière et porte-filière

Il est complémentaire du taraudage.

Plusieurs autres techniques peuvent être présentes dans une gamme de fabrication, par exemple le soudage, le clouage, le moulage et le polissage.

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Chapitre 5

La fabrication

479

L’univers technologique

5.2

Nom :

Groupe :

OUTIL

Utiliser un pied à coulisse

Date :

STE

Quand il faut mesurer avec une grande précision une ou plusieurs des dimensions d’un objet, par exemple lorsque les tolérances dimensionnelles sont faibles, on doit se servir d’un pied à coulisse (voir la figure 1).

Sonde de profondeur

Règle (partie fixe)

Vernier (partie coulissante) Vis de fixation Becs extérieurs Objet à mesurer a ) Comment mesurer la distance entre deux des faces externes d’un objet.

Objet à mesurer Becs intérieurs Objet à mesurer

c ) Comment mesurer la hauteur d’un objet ou la profondeur d’un trou.

b ) Comment mesurer la distance entre deux des faces internes d’un objet creux. FIGURE 1

L’utilisation d’un pied à coulisse.

Voici la marche à suivre pour prendre des mesures à l’aide d’un pied à coulisse. 1. S’assurer que le pied à coulisse indique bien « 0 » quand les becs qu’on emploiera (selon la mesure à effectuer) sont bien fermés, sans être serrés. Si c’est nécessaire, calibrer le pied à coulisse. 2. Faire glisser les becs ou la sonde contre l’objet à mesurer. 3. Serrer la vis de fixation pour empêcher le vernier de se déplacer pendant la lecture. 4. Sur la règle, lire la graduation alignée avec le « 0 » du vernier. Cette valeur correspond à la mesure en centimètres et en millimètres. Ensuite, déterminer quelle ligne du vernier est la mieux alignée avec l’un ou l’autre des traits de la règle. Cette mesure correspond à la deuxième décimale de la mesure en centimètres (voir la figure 2).

480

L’univers technologique

FIGURE 2

La lecture d’une mesure sur un pied

à coulisse.

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Groupe :

Activités

STE

a ) Associez chaque technique de fabrication à l’outil ou à la machine-outil que l’on peut utiliser pour l’exécuter. Techniques de fabrication 1) Le forgeage correspond à la mise en forme d’un métal ou d’un alliage porté à une température où il est suffisamment malléable.

L’univers technologique

1

5.1 et 5.2

Date :

Outils ou machines-outils I) Une cisaille

II) Un tour 2) Le découpage est l’action de découper une feuille ou une barre métallique.

3) Dans le pliage, on rabat une partie d’une plaque de métal à un certain angle pour lui donner une forme déterminée.

III) Une plieuse

4) Dans le tournage, on enlève à une pièce de la matière sous forme de copeaux, en faisant tourner cette pièce sur un outil qui comporte généralement une arête de coupe.

IV) Une fraiseuse

5) Le fraisage consiste à enlever à une pièce des copeaux à l’aide d’un outil tournant à plusieurs tranchants. L’outil tourne pendant que la pièce avance en dessous.

V) Un marteau-pilon

b ) Parmi les éléments présentés dans la colonne de droite ci-dessus, lesquels sont des machinesoutils ?

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Chapitre 5

La fabrication

5.1 et 5.2

Nom :

481

L’univers technologique

5.1 et 5.2

Nom :

2

Groupe :

Date :

De nos jours, les machines-outils peuvent être dotées de systèmes de guidage assistés par ordinateur. Parmi les deux énoncés suivants, entourez celui qui est exact. a ) Quand on se sert d’un système de guidage assisté par ordinateur, on peut respecter des tolérances plus faibles (donc plus précises) que si l'on utilise une machine contrôlée manuellement. b ) Quand on se sert d’un système de guidage assisté par ordinateur, on ne peut respecter que des tolérances plus élevées (donc moins précises) que si l'on utilise une machine contrôlée manuellement.

3

a ) Quelle technique de fabrication a permis d'obtenir les filets dans chacun des cas suivants ?

b ) Quelle est la différence entre ces deux techniques de fabrication ?

. 4

Quand vient le temps d’effectuer un perçage, la nature du matériau à percer et le diamètre du trou à pratiquer influencent le choix du foret. Doit-on ajuster les variables ci-dessous en fonction du matériau à percer, du diamètre du trou ou des deux ? Expliquez aussi de quelle façon on doit ajuster ces variables. a ) La vitesse de rotation du foret

b ) Le diamètre du foret

c ) L’angle de coupe

482

L’univers technologique

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Nom :

Groupe :

Date :

Complétez les encadrés de la figure ci-dessous en inscrivant les procédés énumérés dans la liste suivante. (Vous devez inscrire certains procédés plus d’une fois.) Filetage

Mesurage

Perçage

Taraudage

Traçage

La fabrication de quelques pièces d’une planche à roulettes

Fabriquer des boulons à partir de tiges métalliques et des écrous à partir de tôles épaisses : Boulons

• Mesurage

Écrous

• Coupage

• Poinçonnage et emboutissage





Situer des trous dans le rehausseur et les percer : • • •

Créer des filets sur la tige de façon à pouvoir y visser des écrous pour retenir les roues : • •

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Chapitre 5

La fabrication

483

L’univers technologique

5

5.1 et 5.2

d ) Le matériau dont est fait le foret

6

Groupe :

Date :

Dans chacun des cas suivants, inscrivez la mesure prise par le pied à coulisse. a)

c)

Mesure :

Mesure :

b)

d)

Mesure :

Mesure :

L’univers technologique

5.1 et 5.2

Nom :

7

484

Nommez la machine-outil qui a été utilisée pour donner la forme caractéristique à ces pattes de table.

L’univers technologique

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Groupe :

Consolidation du chapitre 1

Date :

5

STE

Le schéma ci-dessous permet de faire la synthèse de certains des concepts étudiés dans ce chapitre. Complétez-le en révisant les sections 5.1 et 5.2.

La fabrication d’un objet technique La conception • Choix des formes, des dimensions, des matériaux et des liaisons • Réalisation de dessins techniques • Réalisation d’un prototype fonctionnel

• Opération consistant à dessiner sur un matériau les contours qui permettront d’usiner une pièce • Perçage

• Règle • •

• •

Usinage et formage

• • • Opération consistant à créer des filets à l’intérieur d’un trou • Filetage



• Filière • Porte-filière

Autres techniques

Assemblage et finition

Clouage, vissage, collage, soudage

Clous, marteau, vis, tournevis

Peinture, polissage, vernissage

Pinceaux, papier d’émeri

• Retouche des dessins techniques Usinage et formage Assemblage et finition Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 5

La fabrication

485

L’univers technologique

Nom :

L’univers technologique

Nom :

Groupe :

Date :

2

Quelle distinction y a-t-il entre un outil et une machine-outil ?

3

Quel est le nom du ou des procédés illustrés sur chacune des photos suivantes ?

4

a)

c)

b)

d)

Pour percer un matériau dur, il faut choisir le bon angle de coupe et bien régler la vitesse de rotation du foret. Parmi les combinaisons suivantes, laquelle est la meilleure ? a ) Un foret avec un grand angle de coupe, que l’on fait tourner à basse vitesse. b ) Un foret avec un grand angle de coupe, que l’on fait tourner à haute vitesse. c ) Un foret avec un angle de coupe faible, que l’on fait tourner à haute vitesse. d ) Un foret avec un angle de coupe faible, que l’on fait tourner à basse vitesse.

5

486

Vous êtes technicienne ou technicien en génie industriel et vous devez vérifier si la taille d’une tige métallique est conforme aux tolérances précisées par l’ingénieur responsable du projet. La cotation est de 30,00 ± 0,2 mm. Pour mesurer la tige, utiliserez-vous une règle graduée en millimètres ou un pied à coulisse ? Expliquez votre réponse.

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, 22, 347 Accélération, 11 Acide, 30, 80-81, 82-83, 95-96, 123, 124, 245, 246, 267, 287, 294, 326, 413 aminé, 374 désoxyribonucléique (voir ADN) ribonucléique (voir ARN) Adénine, 372 Adhérence, 415, 428, 429 ADN (acide désoxyribonucléique), 315, 316, 319, 372, 373, 374, 375, 379, 388, 389 Agriculture Biologique (voir Agroécologie) intensive, 252 Agroécologie, 253 Aimant, 222-224, 227, 230, 231, 465, 469 Alcaline (solution) (voir Base) Alcalino-terreux (famille des), 31, 32 Alcalins (famille des), 31, 32, 33, 40 Alimentation (électrique), 191, 192, 207, 452, 453, 456 Allèle, 379, 380, 385 Alliage (matériau), 222, 412 Alpha (voir Particule alpha, Rayonnement alpha) Altitude, 242, 264, 332 Ampère, 57, 192, 202, 217 Ampèremètre, 191, 194-195 Amplitude (des marées), 338 Ampoule, 76, 80, 174, 190-191, 193-194, 202, 205-208, 210, 218, 421, 463-464, 466, 469 Anion, 46, 71-72 Anticyclone, 281, 282 Arbre (guidage en rotation), 427 Argile, 413 Aristote (384-322 av. J.-C.), 3 ARN (acide ribonucléique), 374 Atmosphère, 128, 263, 277-282, 286-287, 303, 310-311, 315-316, 319, 336 Atome (voir aussi Modèle atomique), 2-6, 11-14, 20-22, 33, 39-40, 45-47, 55, 57-60, 70-72, 76, 82-83, 104, 107-108, 136, 168, 180-181, 287, 295, 336, 361, 457 Autotrophe (organisme), 355 Avogadro, Amadeo (1776-1856), 59 Axe de rotation (de la Terre), 336 Azote (voir aussi Cycle de l’azote), 31, 47, 55, 119, 120, 128, 138, 267-268, 286-287, 294, 315-316, 319

B Balancement d’équations chimiques, 107 Banquise, 262, 264, 287 Barrage, 299 Base, 31, 82, 83, 95, 96, 123 Base azotée, 372, 374

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Bassin versant, 258 Becquerel, Henri (1852-1908), 138 Bêta (voir Particule bêta, Rayonnement bêta) Béton, 139, 415, 416, Bielle, 442 Bioaccumulation, 363 Bioaugmentation, 246-247 Bioamplification, 363 Bioconcentration, 363 Biodégradation des polluants, 246 Biodiversité, 347 Biome aquatique, 329-330, 332 Biome d’eau douce, 329-330 Biome marin, 329-330 Biome terrestre, 326, 330, 332 Biorestauration, 246-247 Biostimulation, 246-247 Biotechnologies, 246, 389 Bohr, Neils (1885-1962), 11, 12, 14 Bois (matériau), 139, 397, 412-413, 422 Boucle (d’un circuit électrique), 191, 192, 193, 207-210, 452, 462 Boues (primaires et secondaires), 268-270 Boussole, 224, 227

C Calcul stœchiométrique, 110, 111 Came, 442 Capacité biologique (de la Terre), 365 Capacité limite du milieu, 352 Capacité tampon du sol, 242, 245, 246 Capacité thermique massique, 168, 169 Caractère, 379, 380, 385, 389 Carbone (voir aussi Cycle du carbone), 21, 55, 57, 58, 60, 104, 105, 111, 125-126, 128, 136, 138, 143, 287, 288, 310-311, 319, 332, 409, 412, 415 Cation, 47, 71-72 Cellule humaine, 372, 388 sexuelle (voir Gamète) végétale, 125 Centrale électrique, 300, 452 à réservoir, 299, 301 au fil de l’eau, 299, 301 géothermique, 295 marémotrice, 338 nucléaire, 144, 251, 267, 295, 301 thermique, 286, 294, 295, 301 Céramique, 413, 415, 457 Chadwick, James (1891-1974), 13 Chaîne alimentaire, 267, 300, 355, 360-361, 363 Chaleur (voir aussi Énergie thermique), 12, 119, 124, 168-169, 173-174, 264, 278, 279, 287, 294-295, 336, 361, 410, 412, 413, 454, 467 Champ électrique, 4, 180, 183 Champignon, 246, 315, 330, 355, 360, 413

Index

487

Changement de vitesse, 435-436, 438 Changements climatiques, 128 Charge électrique, 13, 71, 72, 139, 156, 180, 183 Charge ionique, 29 Chaulage, 123 Chlorophylle, 125 Chromosome, 372-373, 379 Ciment, 413 Circuit électrique, 191, 203, 452, 458, en parallèle, 192-195, 206-207, 210, 452 en série, 192-194, 206-209, 452, 456 Circuit imprimé, 461 Circulation atmosphérique, 279 Circulation océanique, 263 Circulation thermohaline, 263-264 Cisaillement (contrainte de), 406 Clonage, 388-389 Coefficient, 107-108, 111 Comburant, 124, 126 Combustible 119, 124, 126 fossile, 123, 128, 280, 287, 288, 294, 311 Combustion, 104, 107, 111, 112, 123, 124-125, 126, 128, 140, 286, 287, 294, 311 Commande (fonction de), 462, 465 Commensalisme, 352 Communauté, 347, 352 Compétition, 352 Composé, 31, 45, 47, 48, 55, 58, 72 ionique, 70, 76 Composite (voir Matériau composite) Compression (contrainte de), 406, 409, 416 Concentration, en gramme par litre (g/L), 85-86 en parties par million (ppm), 85, 86-87 en pourcentage (%), 85-86 molaire, 80, 81, 87-88, 96 Condensateur, 453, 456 Condensation, 278 Conducteur (électrique), 30, 80, 191, 229, 412, 457, 458, 462 Conductibilité électrique, 39, 76, 78, 80, 410, 413, 457 Conduction (électrique), 456-457 Configuration électronique, 12, 14, 31, 32, 33, 40, 45, 46, 70 Consommateur, 310, 316, 319, 355, 361 Contaminants, 363 atmosphériques, 286-287 de l’hydrosphère biologiques, 267 chimiques, 267 physiques (des sols), 267 inorganiques, 245-246 organiques, 245-246 radioactifs, 245 Contamination atmosphérique, 286, 294-295 Contamination de l’hydrosphère, 267, 300, 329 Contamination des sols, 245, 246, 252, 294-295 Contrainte, 398, 406, 409, 416, 469 Convection, 263, 279, 281, 282 Corail, 329 Coriolis Gaspard-Gustave (1792-1843), 280 effet de, 263, 279, 280, 281 Corrosion, 120, 123-124, 410, 412, 413 Couche d’ozone, 336 Couche électronique, 11-12, 13, 31, 33, 39-40, 45-47, 70-71 Coulisseau, 442 Coulomb (C), 180, 192-193 Loi de, 180, 182 Coupe (dessin technique), 299, 467

488

Index

Courant (électrique), 76, 80, 191-192, 194, 206, 227, 228, 230, 303, 452, 454, 455, 458 Courant de convection, 279 Courants marins, 263, 264, 280, 299, 300 de profondeur, 263 de surface, 263 Courroie (système), 435, 438 Cours d’eau, 245, 258, 262, 267, 299, 300, 301, 330, 356 Court-circuit, 458 COV (composés organiques volatils), 287 Crémaillère, 441 Croisement, 373, 385, 389 Croissance (d’une population), 352 Croûte terrestre, 241, 295 Cube de projection, 397 Curie, Marie (1867-1934), 241 Curie, Pierre (1859-1906), 241 Cycle biogéochimique, 310 Cycle biologique, 351 Cycle de l’azote, 315-316 Cycle du carbone, 310-311 Cycle du phosphore, 319 Cyclone, 281-282 Cytosine, 372

D Dalton, John (1766-1844), 3 Déchets, 241, 245, 246, 311, 316, 319, 329, 365, 406 Déchets radioactifs, 138, 141, 144, 245, 295 Décomposeur, 242, 246, 268, 274, 315, 319, 330, 355, 360 Décomposition, 241, 246, 301, 315, 316, 319 Défi énergétique (voir Énergie) Déforestation, 128, 252-253, 258, 356 Dégradation (d’un matériau), 412-415 Degrés de liberté, 423, 427 Delta, 330 Démocrite (460-370 av. J.-C.), 3 Dénitrification, 316 Densité (d’une population), 346 Déplacement, 149-150, 154, 168 Désert, 326, 352 Désertification, 253 Dessin de détail, 398 d’ensemble, 397-398 d’ensemble éclaté, 398 technique, 398 Détritivore (organisme), 355 Deutérium, 141 Différence de potentiel (voir Tension électrique) Dilution, 85, 88 Diode, 470, 472, 473 Disjoncteur, 458 de fuite à la terre, 459 Dissociation électrolytique, 76, 77, 80, 81, 96, 119 Dissolution, 72, 85, ionique (voir Dissociation électrolytique) moléculaire, 76 Distribution des biomes, 326, 332 d’une population, 346 Division cellulaire, 373, 385 Doublet (d’électrons), 47 Ductilité (des matériaux), 409 Dureté (des matériaux), 409, 410, 479 Dynamique des communautés, 352 Dynamique des écosystèmes, 355 Dynamique des populations, 351

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E Eau douce, 259, 262, 263, 264, 329, 330 Eau potable, 87, 123, 259, 262 Eau saumâtre, 259, 330 Eaux usées, 268-270 Échelle (dessin technique), 397, 398 Échelle pH, 95, 96 Échiquier de croisements, 385 Écologie, 347, 360 Écosystème, 241, 246, 267, 287, 300, 347, 351, 355, 356, 360, 361, 363 Écotoxicologie, 363 Effet de serre, 128, 242, 280, 287, 294, 295, 299, 300, 303, 311, 314 Élasticité (des matériaux), 409 Élastique déformation, 409, 413 liaison, 422 Électricité, 12, 76, 78, 80, 193, 262, 286, 294-295, 299, 300, 303, 338, 412, 454, 455, 457, 467, 469, 470 Électricité statique, 181 Électroaimant, 230, 231, 467 Électrode, 76, 78, 412 Électrolyte, 76-77, 80-81, 82, 83, 96 Électron, 4, 5, 6, 11-14, 20, 21, 31, 33, 39, 45, 70-72, 125, 136, 138, 180, 181, 191, 192, 455, 457, 461 de valence, 31, 32, 40, 45, 47, 70 Électronégativité, 41 Élevage, 128, 267, 389 Empreinte écologique, 365 Énergie, 157 chimique, 119, 126, 157, 361 cinétique, 155, 156, 157, 158, 174, 299, 303, 457 électrique, 191-192, 202, 207, 208, 218-219, 300, 303, 452, 454, 456, 458, 467, 472, 473 éolienne, 303 fossile, 294 géothermique, 294, 295 hydroélectrique, 299 lumineuse, 467, 473, marémotrice, 299, 300 mécanique (voir aussi Énergie cinétique, Énergie potentielle), 146, 154, 157, 158, 174, 303, 467 nucléaire, 138, 139, 140-141, 144, 157, 294, 295 potentielle gravitationnelle, 156, 157, 158 rayonnante (du Soleil), 125, 126, 279, 287, 303, 329, 332, 336, 361, 455 renouvelable, 255, 338 solaire, 119 thermique, 119, 124, 157, 168, 169, 174, 303, 454, 467, 471, 473 Engrais, 245, 247, 252, 262, 267, 268, 286, 316 Engrenage, 435, 438, 441 Éolienne, 255, 300, 303, 452 Épuisement des sols, 252, 253 Équation squelette, 107-108 Érosion, 241, 242, 252, 258, 259, 319 Espèce, 253, 264, 268, 329, 330, 332, 345-347, 351-352, 356, 375, 385, 388 Estuaire, 259, 330 Étalement urbain, 252 Étude des populations, 345-346, 347 Eutrophisation, 245, 267-269 Évaporation, 85 Excentrique, 442 Exothermique (réaction), 119, 120

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F Fabrication, 397, 398, 401, 406, 412, 414, 456, 461, 478-479 Facteur écologique, abiotique, 355 biotique, 355 Facteurs influençant la distribution des biomes, 332 Famille chimique, 31-33, 40, 71-72, 379 Ferromagnétique, 222-223, 230 Fibre de renfort, 415 de carbone, 409, 415 de verre, 415 Filetage, 479 Filière, 479 Fission nucléaire, 140-141, 251, 295 Fixation de l’azote, 315-316 Flexion contrainte de, 406 Flux de matière et d’énergie, 360-361 Flux d’énergie émis par le Soleil (voir aussi Énergie rayonnante), 336 Fonction d’alimentation, 192, 452, 453 de commande, 462 de conduction, 456, 457 de guidage, 427 de protection, 458 de transformation de l’énergie, 467 d’isolation, 456, 457 de liaison, 422, 423, 427, 428 Force (mécanique) (voir aussi Adhérence, Frottement), 299 Force des électrolytes, 80, 81 Force efficace, 150 Force magnétique, (voir aussi Forces d’attraction et de répulsion électriques/magnétiques), 222 Force gravitationnelle, 146, 156, 337 Force nucléaire, 136 Forces d’attraction et de répulsion (électriques, magnétiques), 136, 182, 222 Foret (perçage), 479 Forêt, 124, 128, 253, 311, 356 boréale (voir Taïga) tempérée, 326 tropicale, 326 Formule chimique, 72, 80, 82, 83 Fosse septique, 274 Foudre, 181 Fragilité (des matériaux), 409 Franklin, Benjamin (1706-1790), 181 Front, 278 Frottement, 158, 174, 428-429, 435 Fusible, 458 Fusion nucléaire, 140, 141

G Gamète, 373, 385, 388 Gamma (voir Rayonnement gamma) Gamme de fabrication, 479 Gaz à effet de serre, 128, 280, 287, 294, 295, 299, 300, 303, 314 Gaz inertes (famille des), 31, 33, 40, 45-46, 70 Gène, 379-380, 381, 391 Génératrice, 288, 294-295, 299-300, 303, 452 Génétique, 245, 295, 372, 373-374, 379, 385, 388-389, 391 Génotype, 380-381, 385 Géothermie, 294, 295 GES (voir Gaz à effet de serre) GIEC, 128 Glacier, 262, 264, 287

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Guanine, 372 Guidage en rotation, 427 en translation, 427 hélicoïdal, 427 Gulf Stream, 264

H Habitat, 242, 253, 329, 345 Halogènes (famille des), 31-32, 33 Haut-parleur, 467 Hélicoïdal (guidage), 427 Hérédité, 379 Hétérotrophe (organisme), 355 Hétérozygote, 380, 381, 385 Homozygote, 380, 381, 385 Horizons du sol, 241-242 Hybride, 380, 385 Hydrosphère, 264, 267, 299, 310, 315, 316, 319, 336

I Inclinaison (de la Terre) (voir Axe de rotation de la Terre) Indicateur, 95 Indice Humidex, 278 Industrie agroalimentaire, 245, 267 Insolation, 332, 336, 360 Intensité du courant, 231, 458 Interaction (entre les espèces), 351-352 Interrupteur bidirectionnel, 464 bipolaire, 464 unidirectionnel, 464 unipolaire, 464 Ion, 45, 46, 47, 58, 70-71, 72, 76-77, 80-81, 82, 83, 87, 96-97, 123-124, 259, 315 Ionisation, 71 Ion polyatomique, 72 Irradiation, (voir aussi Radioactivité), 251 Isolant électrique, 191, 413, 414, 415, 457 Isolation (électrique), 456, 457 Isotope, 21, 22, 57, 136, 141, 454

L Lac, 123, 245, 258, 267, 268, 280, 330, 338, 346 Lavoisier, Antoine Laurent de (1743-1794), 104, 360 Liaison chimique, 45, 48, 361 covalente, 47 ionique, 45-46, 47, 70, Liaison mécanique, 422-423, 427, 428 Ligne de crête, 258 Ligne de partage des eaux (voir Ligne de crête) Lignée pure, 380 Lignes de champ, 183, 223-224, 227, 228, 230 Limaille de fer, 223, 224 Lithosphère, 241, 259, 294, 310, 315, 319, 336 Loi de Coulomb, 180, 182 Loi de la conservation de la masse, 104-105, 107, 108 Loi de la conservation de l’énergie, 157, 207 Loi de la gravitation universelle, 337 Loi des boucles, 207 Loi d’Ohm, 202-203, 208 Loi des nœuds, 206 Loi de Kirchhoff, 206-208 Lubrifiant, 429, 479 Lune, 337-338

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M Machine-outil, 478 Malléabilité, 409 Manivelle, 442 Marée, 300, 337-338 Marée noire, 250, 267 Masse, 85, 87, 104-105, 107-108, 112, 120, 138-139, 146, 155, 156-157, 168-169, 180, 337, 361 Masse atomique, 20, 22, 28, 29, 60 Masse atomique relative, 20-21, 22 Masse d’air, 278, 279, 281, 282 Masse molaire, 29, 59-61, 88, 112 Masse volumique, 259, 263, 279, 281, 282, 410 Matériaux, 397, 406, 409, 410, 412-415, 478-479 composites, 415 de construction, 412-413 ferromagnétique, 223 organiques, 331 Matière plastique, 409, 410, 413, 414, 415, 457, 461 Matières résiduelles, 144 Matrice (d’un matériau composite), 415 Méiose, 373, 385 Mélange hétérogène, 415 homogène, 412 Mendel, Gregor Johann (1822-1884), 379, 380 Mendeleïev, Dimitri I. (1834-1907), 28 Métal (matériau), 45, 47-48, 191, 222, 230, 406, 412, 457-458 Métalloïdes (catégorie des), 29, 30, 33 Métaux (catégorie des), 29, 30-31, 33, 82, 120, 123, 124, 125, 241 Métaux lourds, 245, 247, 267, 329 Minerai, 241, 412 Minéraux (voir aussi Sels minéraux), 241, 242, 245, 246, 252, 253, 259, 326 Mitose, 373 Modèle atomique (Antiquité grecque, Dalton, Thomson), 3-4 Modèle atomique de Rutherford-Bohr, 11 Modèle atomique simplifié, 11-14 Modes de reproduction, 385, 388 Mole, 57, 58-60, 87-88, 111, 120 Molécule, 45, 46-47, 58-59, 60, 70, 76-77, 80-81, 104, 107-108, 111, 181, 246, 310, 315, 372-375, 379, 414, 457 Moteur électrique, 469 Mouvement (d’une pièce), 423, 427, 428, 434, 442 Mouvement perpétuel, 174 Moyeu, 427 Mutation, 245, 267, 375 Mutualisme, 352

N Neutralisation acidobasique, 82-83, 105, 123-124 Neutron, 13-14, 20, 21, 22, 136, 138, 140, 141 Nitrate, 72, 87, 119, 267, 315-316 Nitrification, 316 Nitrite, 72, 315-316 Niveau trophique (voir aussi Relation trophique), 355, 361 Nœud (d’un circuit électrique), 206-207 Nombre d’Avogadro (voir aussi Mole), 57, 58, 59 Nombre de masse, 14, 21, 22, 29, 139 Nomenclature chimique, 55, 154 Non-métaux (catégorie des) 29, 30, 33, 47 Notation de Lewis, 40, 47 Noyau atomique (voir aussi Nucléon), 5, 6, 11-14, 20, 21, 39, 70, 136, 138, 139, 140, 141, 295, 336 Noyau cellulaire, 372-374, 379, 389 Nucléon, 13, 14, 21, 136, 140 Nucléotide, 372, 374 Numéro atomique, 12, 13-14, 21, 28, 29, 39, 136, 139

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O OGM (organisme génétiquement modifié), 391 Ohm (voir Loi d’Ohm) Onde électromagnétique, 139, 336 Organe (mécanique) de guidage, 427, de liaison, 422, 427 intermédiaire, 434, moteur, 434, 436, 438, 441 mené, 434, 436, 438, 441 Organisme (autotrophe, hétérotrophe), 355 Ouragan, 282 Oxydation, 120, 123, 125, 126, 412, 414 Oxyde, 55, 125 Ozone stratosphérique, 336 troposphérique, 128, 287

P Parasitisme, 352 Particule alpha, 4, 5, 138, 141, bêta, 138 élémentaire (voir Proton, Neutron, Électron) Perçage, 478, 479 Pergélisol, 242, 326 Période (du tableau périodique), 33, 39 Périodicité des propriétés, 28, 39 Perturbation (des communautés), 287, 356, 363 Pesticide, 245, 268 pH (voir aussi Échelle pH), 95-97, 123, 124 Phénotype, 380, 381 Phosphate, 72, 267, 319, 320, 356, 372 Phosphore (voir aussi Cycle du phosphore) 140, 267, 268, 319, 320 Photosynthèse, 119, 123, 125-126, 310, 311, 332, 360 Photovoltaïque (cellule), 303, 455 Phytoremédiation, 246-247 Pied à coulisse, 194, 427, 478, 480 Pignon, 434, 441 Pile, 191-194, 206-210, 452, 453, 456, 469, 472 Plaques tectoniques, 295, 311, 319 Plastique (façonnage), 410, 414, 415 Plastique (matériau) (voir Matière plastique) Pluies acides, 96, 123, 245, 246, 267 Poids (voir aussi Relation entre la masse et le poids), 146 Point de fusion, 39 Point d’ignition, 124 Polarité, 452, 472 Pôle magnétique, 222-224, 230 Polymère, 414, 415, 423 Population, 253, 262, 345, 346-347, 351-352, 365 Potentiel hydrogène (voir aussi Échelle pH), 96 Poulies, 435, 438 Pouvoir tampon (voir Capacité tampon du sol) Prairie tempérée, 326 Précipitations (climat), 258, 278, 281, 282, 286, 294, 316, 326, 332 Prédation, 352 Presse à plier, 481 Pression atmosphérique, 279, 281 Problématiques environnementales, 128, 144, 253, 262, 391, 470 Processus (du cycle du carbone) biochimiques, 310-311 géochimiques, 311 Producteur, 355, 361 Production alimentaire, 391 Productivité primaire, 360 Profil (des filets), 479 Projection axonométrique, 398

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Projection orthogonale à vues multiples, 397 Propriétés caractéristiques, 78, 82, chimiques, 28, 30-31, 39, 40, des solutions, 76 physiques, 28, 30-31, 39, 76, Propriétés mécaniques (des matériaux), 409 Protection (électrique), 456, 458 (des matériaux), 412-415 Protéine (voir aussi Synthèse des protéines), 315, 316, 373, 374, 379 Protocole de Kyoto, 314 Proton, 6, 13-14, 20, 21, 28, 39, 47, 71, 136, 138, 141, 180 Puissance électrique, 218, 303 Punnett (échiquier de), 385

Q Quartz, 469

R Radiation (voir aussi Radioactivité) 251, 295 Radioactivité (voir aussi Contaminants radioactifs), 4, 6, 138, 144, 241 Rapport (changements de vitesse) d’engrenage, 438 de diamètre, 438 Rapports molaires, 111-112 Rayon atomique, 39-40 Rayonnement alpha, 138-139 bêta, 138-139 gamma, 4, 138-139, 140, 375 Rayonnement solaire (voir Énergie rayonnante) Réacteur nucléaire, 295 Réaction d’oxydation, 125 de combustion, 124 de synthèse (voir Photosynthèse) Réaction à des indicateurs, 95 Réaction en chaîne, 140 Réaction endothermique, 119 Réaction exothermique, 119, 120 Récessivité (allèle récessif) (voir aussi Dominance), 380, 385 Réchauffement climatique, 128, 242, 264, 311, 314 Récifs coralliens (voir aussi Corail), 329 Recuit, 412 Recyclage chimique, 360 Règle de l’octet, 45, 70 Règles d’écriture (des composés binaires), 55 Règle de la main droite, 228, 230 Règles de nomenclature (des composés binaires), 55 Relation entre la masse ( ) et le poids ( ou ), 146 Relation entre l’énergie cinétique ( ), la masse ( ) et la vitesse ( ), 155 Relation entre l’énergie potentielle ( ), la masse ( ), l’accélération ( ) et le déplacement ( ), 156 Relation entre l’énergie thermique ( ), la capacité thermique massique ( ), la masse ( ) et la variation de température (∆ ), 168-169 Relation entre le travail ( ) et l’énergie ( ), 154 Relation entre le travail ( ), la force ( ) et le déplacement ( ), 149 Relation trophique (voir aussi Niveau trophique), 355 Rendement énergétique, 173, 174, 295, 470 Reproduction, 385, 388-389 Résilience, 409 Résistance électrique, 202-203, 208, 209, 210, 471 Résisteur, 191, 194-195, 202-203, 206-210, 218, 470, 471, 472 Respiration, 311, 332

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Respiration cellulaire, 123, 124, 125-126, Ressort, 156, 409, 442 Ressources énergétiques de la lithosphère, 294 de l’atmosphère, 303 de l’hydrosphère, 299 Revenu, 412 Richesse spécifique, 347 Roche calcaire, 311 carbonatée, 311 mère, 241, 242 Rotation (de la Terre), 263, 279, 280, 336, 338 (guidage en), 423, 427 Roue de friction, 435 dentée, 434, 435 motrice, 434, 438 menée, 434, 438 Roue dentée et vis sans fin, 436 Roulements (à billes, à cylindres, à cônes), 428 Rutherford, Ernest (1871-1937), 6

S Sable, 269, 286, 336, 413 Saison, 336 Salinité (de l’eau), 259, 263, 329, 330, 332, 355 Savane tropicale, 326 Sédimentation, 269, 319 Sédiments, 310, 311 Sels, 32, 82, 83, 95 Sels minéraux, 259 Semi-conducteur, 454, 455 Seuil de toxicité, 363 Smog, 280, 286, 287 Sol (voir Horizons du sol, Contamination des sols, Épuisement des sols, Capacité tampon du sol) Soleil (voir aussi Flux d’énergie émis par le Soleil), 125, 126, 141, 279, 287, 303, 329, 332, 336, 337-338, 361, 414 Solénoïde, 229, 230-231, 469 Solstice, 336 Solubilité, 3 Solution aqueuse électrolytique (voir Électrolyte) Sous-bassin versant (voir Bassin versant) Stabilité nucléaire, 136 Stœchiométrie, 110, 111, 112, 120 Succession écologique, 356 Surcharge, 458 Symbiose (voir aussi Photosynthèse), 315, 329, 352 Synthèse des protéines (voir aussi Protéines), 373 Système de transformation du mouvement, 441 à bielle, manivelle, 442 à came et tige guidée, 442 à pignon et crémaillère, 441 à vis et écrou, 441 Système de transmission du mouvement, 434 d’engrenages, 435 de roue dentée et de vis sans fin, 436 de roues de friction, 435 Système Terre-Lune, 337, 338

T

U Usinage, 478, 485 Usine de traitement (des eaux usées), 269

V Vents dominants, 279 Vis et écrou, 441 Vis sans fin, 436 Vitesse, 155, 158, 434-436, 438 Volcanique (irruption, activité), 259, 286, 295, 311, 336, 356 Voltmètre, 191, 195 Vue (dessin technique), 397 Vue éclatée, 398

Z

Tableau périodique, 21, 22, 28, 29, 30-33, 39-40, 45, 48, 57, 60, 70-71 Taïga, 326 Taille (d’une population), 345-346 Taraud, 478, 479

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Taraudage, 478, 479 Tchernobyl, 251 Tectonique des plaques, 311 Température, 119, 124, 141, 168, 169 ambiante, 30, 32, 33, Température (environnement), 242, 263, 264, 278, 279, 287, 303, 326, 332 Tension (forces de), 406 Tension électrique, 192, 202, 206, 218, 299, 300, 406, 469, 470 Terre arable, 242 Terre humide, 330, Thermodurcissables, 414, 415 Thermoplastique, 414 Thomson, Joseph John (1856-1940), 4 Thymine, 372, 374 Tige guidée, 442 Tissu (matériaux) 269 (organisme) 139, 140, 363, 373, 388-389 Tolérance dimensionnelle, 401 Torsion (contrainte), 406 Toundra, 326 Toxicité, 363 Traçage, 478 Traction (contrainte), 406 Traduction (du code génétique), 373-374 Traitement des eaux usées (voir aussi Eaux usées), 269, 270 biologique, 270 physique, 269 complémentaire, 270 Traitement thermique, 412 Transcription (génétique), 373-374 Transformation chimique, 104, 111, 119, 123-126, de l’énergie, 173, 360 de l’énergie électrique, 467 nucléaire, 138 physique, 77, 85, Transistor, 455 Translation (guidage en), 427 Transpiration, 278 Travail, 149-150, 154, 155-156, 168 Trempe, 412 Tropiques, 336 Types de matériaux, 412-415 Types de mouvements, 427 Types de sols, 332

Index

Zone benthique océanique, 329 néritique, 329 Zygote, 388

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Sources Légende h : haut

b : bas

c : centre

g : gauche

d : droite

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Table des matières p. IV : Momatiuk Eastcott/Corbis c p. VI : 1971yes/Shutterstock

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. 6 : Science Photo Library c p. 8 : science photo library c p. 13b : Brian Maudsley | | Dreamstime.com c p. 15 : Antonio Abrignani/Shutterstock c p. 16b : Deosum | Dreamstime.com c p. 18 : Photo25th | Dreamstime.com c p. 20 : Karl Dolenc/ iStockphoto c p. 22 : Gunnar Pippel/Shutterstock c p. 23 : Jefferydixon | Dreamstime.com c p. 25 : Udra11 | Dreamstime. com c p. 26 : Mikhail Olykainen | Dreamstime.com c p. 27 : Mohammed Anwarul Kabir Choudhury | Dreamstime. com c p. 28 : Andreasg | Dreamstime.com c p. 36 : Uros Medved | Dreamstime.com c p. 38 : Brian Chase/ Shutterstock c p. 39 : Denis Vrublevski/Shutterstock c p. 42 : Terhox | Dreamstime.com c p. 45 : Elena Okhremenko Fotolia.com c p. 46 : Krishnacreations | Dreamstime.com c p. 49 : Eteimaging | Dreamstime.com c p. 51 : Marek Redesiuk | Dreamstime.com c p. 52 : Lihua Peng | Dreamstime. com c p. 53 : Nataliia Natykach/Shutterstock c p. 54 : Taily/ Shutterstock c p. 55 : Indos82 | Dreamstime.com c p. 59 : Science photo Library c p. 60 : Kokichs | Dreamstime. com c p. 61 : Raj Creationzs/Shutterstock c p. 62 : Suravid | Dreamstime.com c p. 63 : Jean-Louis Bouzou | Dreamstime.com c p. 64 : Janpietruszka | Dreamstime. com c p. 65 : Marek Uliasz | Dreamstime.com c p. 67 : Kletr/ Shutterstock

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Chapitre 4

La Terre et l’espace Chapitre 1 p. 239 (ouverture de l’Univers) : Marcel Clemens/Shutterstock c p. 240 (ouverture du chapitre) : Morey Milbradt/Getty images c p. 241b : Collection Dupondt/akg-images c p. 243 (pépite d’or) : Dmitriy Norov/iStockphoto c p. 243 (marais salant) : Dariusz Majgier/Shutterstock c p. 243 (broyage) : Ria Novosti/Science Photo Library c p. 243 (chrysotile) : Tom Grundy/Shutterstock c p. 243 (terre enrichie de minéraux) : PhotoFixPics/Shutterstock c p. 243 (compost) : Alison Hancock/Shutterstock c p. 243 (sol couvert de feuilles) : Marcin-Linfernum/Shutterstock c p. 245 : Anthony Brown/iStockphoto c p. 247 (biostimulation) : Natalie Fobes/Getty Images c p. 247 (tournesols) : Kostenko Maxim/ Shutterstock c p. 247 (saule) : blickwinkel/Alamy c p. 248 (plant d’arbre) : stocker1970/Shutterstock c p. 248 (enfant qui joue) : Goh Siok hian | Dreamstime.com c p. 248 (vidange d’huile) : Hemeroskopion/BigStock Photo c p. 248 (jeune femme) : Andrey Arkusha/Shutterstock c p. 248 (emballeur) : Dennis MacDonald/maXx images c p. 250 : AP Photo/Gerald Herbert c p. 251 : Stringer/epa/Corbis c p. 252 (fermier) : kryczka/ iStockphoto c p. 252 (sol érodé) : Don Wilkie/iStockphoto c p. 252 (machinerie lourde) : FLPA/Nick Spurling c p. 253 : Steve

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Chapitre 6 p. 325 (ouverture du chapitre) : Reistlin Magere/ Shutterstock c p. 327 (taïga) : leonid_tit/Shutterstock c p. 327 (prairie) : Gabrielle Hovey/Shutterstock c p. 327 (désert) : Sam Valtenbergs/iStockphoto c p. 327 (forêt) : Jason Kasumovic | Dreamstime.com c p. 328h : Kandelaki/ SHutterstock c p. 328c : Mike Kwok | Dreamstime.com c p. 329 : Marcus Efler/Shutterstock c p. 330 : Gerald A. DeBoer/ Shutterstock c p. 331 (récif) : Richard Carey | Dreamstime. com c p. 331 (lac) : Matt Thompson | Dreamstime.com c p. 331 (terres humides) : Joyfuldesigns | Dreamstime.com c p. 331 (mer) : djgis/Shutterstock c p. 331 (rivière) : Steve Krull/ iStockphoto c p. 331 (bateau) : Martin Lehmann/Shutterstock c p. 333 (ours polaire) : Lanaufoto | Dreamstime.com c p. 333 (thé) : Steven Bourelle/Shutterstock c p. 333 (phytoplancton) : John Walsh/SPL/Publiphto c p. 333 (lynx) : AISPIX by Image Source/Shutterstock c p. 333 (séquoia) : Gary Saxe/ Shutterstock c p. 334 (écureuil) : Jarek2313 | Dreamstime. com c p. 334 (antilope) : Claudio Bocchia | Dreamstime.com c p. 334 (récif corail) : Brian Lasenby | Dreamstime.com c p. 334 (loup) : Holger Karius | Dreamstime.com c p. 334 (buffle) : Steve Degenhardt | Dreamstime.com c p. 334 (requin) : Aquanaut4 | Dreamstime.com c p. 334 (forêt tempérée) : Ralf Broskvar | Dreamstime.com c p. 334 (fond marin) : Rich Carey/ Shutterstock c p. 334 (prairie) : David P. Lewis/Shutterstock

Chapitre 7 p. 335 (ouverture du chapitre) : Paul Paladin/123RF c p. 337 (couche d’ozone) : NASA c p. 337 (usines) : Nickolay Khoroshkov/Shutterstock c p. 337 (soleil d’hiver) : Sébastien Côté iStockphoto c p. 337 (bateau) : Clickos | Dreamstime. com c p. 338 (usine marémotrice) : Jim Sugar/Corbis c p. 341 (maisons pilotis) : Stephen Bures | Dreamstime.com c p. 341 (skieur) : Maksym Gorpenyuk | Dreamstime.com c p. 341 (piste course) : brave rabbit/Shutterstock c p. 341 (maisons chaux) : Jeffrey Banke | Dreamstime.com

L’univers vivant Chapitre 1 p. 343 (ouverture de l’Univers) : Mesquite53 | Dreamstime.com c p. 344 : Chepko Danil Vitalevich/Shutterstock c p. 347 (sapinière) : Charles Mauzy/Corbis c p. 348 (banc de poissons) : Rich Carey/ Shuttestock c p. 348 (coraux identiques) : Harmonia101 | Dreamstime.com c p. 348 (coraux) : Stuart Westmorland/Corbis c p. 348 (fond marin) : Mikhail Markovskiy/Shutterstock c p. 349 : vilainecrevette/Shutterstock c p. 350 : Bas Meelker | Dreamstime. com c p. 352 : Martina Berg | Dreamstime.com c p. 353h : Melinda Fawver | Dreamstime.com c p. 353b : Suemack | Dreamstime.com c p. 354 : Kletr/Shutterstock c

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L’univers technologique Chapitre 1 p. 395 (ouverture de l’Univers) : Yves Gellie/Corbis c p. 396 (ouverture du chapitre) : Mario S Ragma Jr/maXx images c p. 398b : Yakobchuk Vasyl/Shutterstock c p. 401h : NASA c p. 401b : Dvmsimages | Dreamstime.com c p. 402 : Alain Pratte

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Chapitre 5 p. 477 (ouverture du chapitre) : oriontrail/Shutterstock c p. 478 (Tour Eiffel) : Lucia Pitter/Shutterstock c p. 478 (mesurage) : Ballun/iStockphoto c p. 478 (traçage) : Tuja66 | Dreamstime. com c p. 479 (perçage) : Upthebanner | Dreamstime. com c p. 479 (perceuse) : iStockphoto c p. 479 (tarauds) : Jaroslaw Soltysiak/Shutterstock c p. 479 (filière) : Lunamarina | Dreamstime.com c p. 481 (cisaille) : iStockphoto c p. 481 (tour) : ilbusca/iStockphoto c p. 481 (plieuse) : Alain Pratte c p. 481 (fraiseuse) : Josef Bosak/shutterstock c p. 481 (marteau pilon) : iofoto.com/Big Stock Photo c p. 482 (vis) : ownway/Shutterstock c p. 484b : Getty Images c p. 486 (clouer) : nruboc/Big Stock Photo c p. 486 (percer) : Pepieti | Dreamstime.com c p. 486 (mesurer et tracer) : Kuzma | Dreamstime.com c p. 486 (soudage) : Laurentiu Iordache/iStockphoto

Illustrations Denis Fyfe : 397b, 398, 399, 402, 403, 404 Martin Gagnon : p. 380 Late Night Studio : p. 3, 5h, 9, 76, 77, 79, 81, 124c, 125, 126, 191b, 263 Michel Rouleau : p. 4, 5b, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19, 21, 25, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 37, 40, 44, 46, 47, 49, 50, 51, 52, 53, 56, 57, 58, 70, 71, 74, 82, 104, 123, 124h, 136, 138, 141, 149, 150, 152, 153, 154, 158, 161, 162, 163, 164, 165, 180, 181, 183, 186, 187, 191d, 192, 193, 194, 197, 198, 199, 200, 203, 204, 205, 206, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215,

216, 217, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 235, 241, 242, 256, 258, 259b, 266, 268, 269, 270, 274, 278, 279, 280, 281, 283, 287, 289, 290, 291, 294, 295, 299, 300, 302, 303, 304, 310, 315, 316, 336, 338, 339, 342, 345, 346, 347, 351, 355, 357, 358, 360, 361, 363, 366, 368, 369, 372, 373, 374, 375, 377, 378, 379, 380, 381, 384, 385, 386, 389, 397h, 400, 408, 411, 419, 423, 425, 426, 427, 428, 430, 431, 432, 434, 435, 436, 437, 438, 439, 440, 441, 442, 443, 444, 445, 446, 447, 448, 450, 452, 456, 460, 462, 463, 464, 467, 468, 469, 471, 472, 473, 475, 476, 479, 480, 481, 482, 483, 484

Cartes Colpron

496

Sources

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE SCIENCE E T TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

2e cycle du secondaire • 2e année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Guide

Kaléidoscope Science et technologie Science et technologie de l’environnement 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                                                                                                                 501 Planication                                                                                                                 502 Médiagraphie                                                                L’univers matériel



La Terre et l’espace L’univers vivant



507 507



511



514

L’univers technologique                                                                                           515

Banque d’activités supplémentaires

Présentation et sommaire                                                                                               517 L’univers matériel Chapitre 1 – L’organisation de la matière



Chapitre 2 – Les propriétés physiques des solutions Chapitre 3 – Les transformations chimiques

518



530



540

Chapitre 4 – Les transformations nucléaires STE Chapitre 5 – Les transformations de l’énergie



548



551

Chapitre 6 – L’électricité et l’électromagnétisme



559

Chapitre 1 – La lithosphère



569

Chapitre 2 – L’hydrosphère



572

Chapitre 3 – L’atmosphère



575

La Terre et l’espace

Chapitre 4 – Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables                 578 Chapitre 5 – Les cycles biogéochimiques



581



584



586

Chapitre 6 – Les régions climatiques Chapitre 7 – L’espace

499

L’univers vivant Chapitre 1 – L’écologie



Chapitre 2 – La génétique STE



588 593

L’univers technologique Chapitre 1 – Le langage des lignes STE Chapitre 2 – Les matériaux



600



603

Chapitre 3 – L’ingénierie mécanique                                                                          604 Chapitre 4 – L’ingénierie électrique



610

 

615



C-1

Chapitre 5 – La fabrication STE Corrigé

Analyse d’un objet technique

Présentation                                                                                                                619 Documents reproductibles Corrigé

500



620



C-1

Planication et médiagraphie La planification Le cahier d’apprentissage Kaléidoscope, Science et technologie et Science et technologie de l’environnement 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 502 à 506 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 168 des 200 heures prévues aux programmes d’études. Elle intègre la théorie et les activités contenues dans le cahier. Les heures restantes sont réservées aux SAÉ, aux activités supplémentaires ainsi qu’aux tests de connaissances ; elles tiennent aussi compte des imprévus.

La médiagraphie La médiagraphie des pages 507 à 516, 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 et Science et technologie de l’environnement 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. 501

Planification Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

L’univers matériel Chapitre 1 L’organisation de la matière

15

C : 2 ; G : 518

1.1 Les modèles atomiques

225

C: 3

1.2 La masse atomique S TE

150

C : 20

1.3 Le tableau périodique des éléments

225

C : 28

1.4 Les molécules S TE

150

C : 45

1.5 La notion de mole et le nombre d’Avogadro S TE

150

C : 57

Consolidation du chapitre 1

150

C : 65

Chapitre 2 Les propriétés physiques des solutions

15

C : 69 ; G : 530

2.1 Les composés ioniques

150

C : 70

2.2 Les électrolytes

210

C : 76

Outil

15

C : 78

2.3 La concentration

375

C : 85

2.4 Le pH

150

C : 95

Consolidation du chapitre 2

150

C : 99

Chapitre 3 Les transformations chimiques

15

C : 103 ; G : 540

3.1 La loi de la conservation de la masse

120

C : 104

3.2 Le balancement des équations chimiques

150

C : 107

3.3 La stœchiométrie S TE

300

C : 110

3.4 Les réactions endothermiques et exothermiques S TE

120

C : 119

3.5 Des exemples de transformations chimiques

150

C : 123

Problématique environnementale

75

C : 128

150

C : 130

15

C : 135 ; G : 548

4.1 La stabilité nucléaire S TE

30

C : 136

4.2 La radioactivité S TE

60

C : 138

4.3 La ssion et la fusion nucléaires S TE

60

C : 140

Consolidation du chapitre 4 S TE

60

C : 142

30

C : 144

Vérier la conductibilité électrique d'une solution aqueuse

Les changements climatiques

Consolidation du chapitre 3

Chapitre 4 Les transformations nucléaires

Problématique environnementale

502

S TE

Les matières résiduelles S TE

Kaléidoscope • Planification

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

Chapitre 5 Les transformations de l’énergie

15

C : 145 ; G : 551

5.1 La relation entre la masse et le poids S TE

45

C : 146

5.2 Le travail S TE

120

C : 149

5.3 L’énergie mécanique

240

C : 154

5.4 L’énergie thermique

180

C : 168

5.5 Le rendement énergétique

60

C : 173

Consolidation du chapitre 5

60

C : 176

Chapitre 6 L’électricité et l’électromagnétisme

15

C : 179 ; G : 559

6.1 Les phénomènes électriques

180

C : 180

6.2 Les circuits électriques

570

C : 191

Outil

30

C : 194

6.3 Les phénomènes électromagnétiques

300

C : 222

Consolidation du chapitre 6

90

C : 234

Chapitre 1 La lithosphère

15

C : 240 ; G : 569

1.1 Les minéraux

15

C : 241

1.2 Les horizons du sol

30

C : 241

1.3 Le pergélisol

20

C : 242

1.4 La contamination des sols S TE

105

C : 245

1.5 L’épuisement des sols S TE

30

C : 252

50

C : 253

Consolidation du chapitre 1

85

C : 254

Chapitre 2 L’hydrosphère

15

C : 257 ; G : 572

2.1 Les bassins versants

30

C : 258

2.2 La salinité

20

C : 259

30

C : 262

2.3 La circulation océanique

40

C : 263

2.4 Les glaciers et les banquises

20

C : 264

2.5 La contamination de l’hydrosphère S TE

100

C : 267

2.6 Le traitement des eaux usées S TE

75

C : 269

Consolidation du chapitre 2

85

C : 275

Mesurer le courant et la différence de potentiel

La Terre et l’espace

Problématique environnementale

Problématique environnementale

La déforestation

L’eau potable

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Kaléidoscope • Planification

503

Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

Chapitre 3 L’atmosphère

15

C : 277 ; G : 575

3.1 Les masses d’air

50

C : 278

3.2 La circulation atmosphérique

30

C : 279

3.3 Les vents dominants S TE

20

C : 279

3.4 Les cyclones et les anticyclones

40

C : 281

3.5 La contamination de l’air S TE

45

C : 286

3.6 L’effet de serre

55

C : 287

Consolidation du chapitre 3

75

C : 291

Chapitre 4 Les ressources énergétiques renouvelables et non renouvelables

15

C : 293 ; G : 578

4.1 Les ressources énergétiques de la lithosphère

100

C : 294

4.2 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère

75

C : 299

4.3 Les ressources énergétiques de l’atmosphère

85

C : 303

Consolidation du chapitre 4

50

C : 307

Chapitre 5 Les cycles biogéochimiques

15

C : 309 ; G : 581

5.1 Le cycle du carbone

85

C : 310

5.2 Le cycle de l’azote

85

C : 315

5.3 Le cycle du phosphore S TE

70

C : 319

Consolidation du chapitre 5

70

C : 323

Chapitre 6 Les régions climatiques

15

C : 325 ; G : 584

6.1 Les biomes terrestres

70

C : 326

6.2 Les biomes aquatiques

60

C : 329

6.3 Les facteurs inuençant la distribution des biomes

30

C : 332

Consolidation du chapitre 6

20

C : 334

Chapitre 7 L’espace

15

C : 335 ; G : 586

7.1 Le ux d’énergie émis par le Soleil

45

C : 336

7.2 Le système Terre-Lune

60

C : 337

Consolidation du chapitre 7

30

C : 341

504

Kaléidoscope • Planification

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Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

L’univers vivant Chapitre 1 L’écologie

10

C : 344 ; G : 588

1.1 La biosphère

75

C : 345

1.2 Les interactions

100

C : 351

1.3 Les transformations de la matière et de l’énergie

50

C : 360

1.4 L’écotoxicologie S TE

50

C : 363

1.5 L’empreinte écologique S TE

15

C : 365

Consolidation du chapitre 1

35

C : 367

Chapitre 2 La génétique

10

C : 371 ; G : 593

2.1 Les mécanismes génétiques S TE

75

C : 372

2.2 L’hérédité S TE

75

C : 379

2.3 Les croisements S TE

120

C : 385

2.4 Le clonage S TE

25

C : 388

20

C : 391

40

C : 392

15

C : 396 ; G : 600

1.1 La projection orthogonale à vues multiples S TE

75

C : 397

1.2 La vue éclatée S TE

45

C : 398

1.3 Les tolérances dimensionnelles S TE

60

C : 401

Consolidation du chapitre 1 S TE

60

C : 403

Chapitre 2 Les matériaux

15

C : 405 ; G : 603

2.1 Les contraintes

60

C : 406

2.2 Les propriétés mécaniques des matériaux

60

C : 409

2.3 Les types de matériaux et leurs propriétés

135

C : 412

Consolidation du chapitre 2

60

C : 419

S TE

Problématique environnementale

La production alimentaire S TE

Consolidation du chapitre 2 S TE

L’univers technologique1 Chapitre 1 Le langage des lignes

1

S TE

La durée des activités du cahier pour cet univers totalise 32 heures, auxquelles devront s’ajouter 3 heures (180 minutes) pour l’activité d’analyse d’un objet technique (AOT) proposée dans le guide.

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Kaléidoscope • Planification

505

Savoirs et activités

Durée (min)

Pages (C : cahier ; G : guide)

Chapitre 3 L’ingénierie mécanique

15

C : 421 ; G : 604

3.1 Les caractéristiques des liaisons mécaniques

60

C : 422

3.2 Les degrés de liberté S TE

30

C : 423

3.3 La fonction de guidage

75

C : 427

3.4 L’adhérence et le frottement S TE

60

C : 428

3.5 Les systèmes de transmission du mouvement

135

C : 434

3.6 Les systèmes de transformation du mouvement

120

C : 441

Consolidation du chapitre 3

120

C : 446

Chapitre 4 L’ingénierie électrique

15

C : 451 ; G : 610

4.1 La fonction d’alimentation

90

C : 452

4.2 Les fonctions de conduction, d’isolation et de protection

105

C : 456

4.3 La fonction de commande

90

C : 462

4.4 La fonction de transformation de l’énergie

60

C : 467

Problématique environnementale

15

C : 470

4.5 La fonction de régulation S TE

60

C : 470

Consolidation du chapitre 4

90

C : 474

15

C : 477 ; G : 615

5.1 Les outils utiles à la fabrication S TE

30

C : 478

5.2 Les techniques de fabrication S TE

75

C : 478

Outil

15

C : 480

60

C : 485

Chapitre 5 La fabrication

L’énergie

S TE

Utiliser un pied à coulisse S TE

Consolidation du chapitre 5 S TE

Total

506

168 heures (10 080 min)

Kaléidoscope • Planification

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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

S TE

La masse atomique

• Universcience – Atomes et isotopes. Cette vidéo aide à visualiser et à mieux comprendre les particules subatomiques et les isotopes ainsi que l’atome et la radioactivité. ➞ http://www.universcience-vod.fr/media/560/atomes-et-isotopes.html

1.3 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 Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Médiagraphie

507

1.4

S TE

Les molécules

• You Tube – Musée canadien de la nature – Les molécules d’eau (parties 1 et 2). Ces deux courtes animations illustrent la composition d’une molécule d’eau et montrent comment les molécules interagissent et s’organisent à l’état liquide, solide et gazeux. ➞ http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=XHDBdtrfRyo&NR=1 ➞ http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=Ir3OBb13mDY

1.5

S TE

La notion de mole et le nombre d’Avogadro

• Québec science – 3-1 La notion de mole. Cette vidéo qui s’appuie sur un tableau virtuel explique la notion de mole, le nombre d’Avogadro et le calcul de la masse molaire. ➞ http://www.youtube.com/watch?v=0ij4j8mNXGk

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 •

Sciences physiques à Édouard Herriot – La concentration molaire. Cette courte animation permet de visualiser le concept de concentration molaire d’un soluté dans un solvant. S TE

➞ http://www.ac-grenoble.fr/lycee/herriot.voiron/site/Spip/spip.php?article68

• 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

508

Kaléidoscope • Médiagraphie

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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 cœfcients dans une équation. ➞ http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/chimie/reactions_chimiques.htm

3.3

S TE

La stœchiométrie

• Allô prof – La stœchiométrie. Ce site synthétise les points essentiels à retenir. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6014

3.4

S TE

Les réactions endothermiques et exothermiques

• Profmokeur – Dans le menu de gauche, la vidéo La face sombre du sucre présente une réaction exothermique qu’il est possible de visualiser ou de réaliser. ➞ http://profmokeur.ca/chimie/chimie.htm

• Allô prof – Les réactions endothermiques. Les réactions exothermiques. Ces pages synthétisent les caractéristiques essentielles de ces réactions. ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6252 ➞ http://biblio.alloprof.qc.ca/PagesAnonymes/DisplayFiches.aspx?ID=6220#

3.5 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

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

4.1

S TE

Les transformations nucléaires

S TE

La stabilité nucléaire

• Institut de chimie, Université de Neuchâtel – La chimie nucléaire/Bases élémentaires. Voir notamment la stabilité nucléaire. ➞ http://www.scribd.com/doc/6281144/module-12-chimie-nucleaire

4.2

S TE

La radioactivité

• Commissariat à l’énergie atomique (CEA) – La radioactivité. Courte animation interactive qui montre l’exposition quotidienne à la radioactivité. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/la_radioactivite/la_radioactivite

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE Les matières résiduelles dangereuses : les déchets radioactifs • LEDEN et EDP Sciences – Le saviez-vous ? Déchets radioactifs [03]. Cette courte vidéo explique la gestion des déchets dans une centrale nucléaire. Le site aborde aussi la radioactivité naturelle, le traitement des cancers par la radiothérapie… ➞ http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/intro.html Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Médiagraphie

509

CHAPITRE 5

5.1

S TE

Les transformations de l’énergie

La relation entre la masse et le poids

• Commissariat à l’énergie atomique (CEA)/Les Incollables – La gravitation. Cette courte animation fait ressortir la différence entre la masse et le poids. ➞ http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_ash/la_physique-chimie/la_gravitation

5.2

S TE

Le travail

• Physique 30 : La mécanique – Travail et puissance. Le travail. Ces animations interactives permettent à l’élève de revoir et d’appliquer les concepts de base et certains problèmes simples. D’autres activités s’adressent à des élèves plus avancés. ➞ http://www.de.ca/~rocks_dev/modules/1.7_travail_puissance/02travail.html

5.4 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

5.5 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 6

L’électricité et l’électromagnétisme

6.1 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

6.2 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

6.3 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

510

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

1.4

S TE

La contamination des sols

• Géosciences pour une Terre durable BRGM –Tout comprendre sur les sites et sols pollués. Cette animation interactive explique entre autres l’origine des sols, le cycle de l’eau, l’origine et la propagation des pollutions. ➞ http://www.brgm.fr/brgm/Sites_sols_poll/main_content.html

1.5

S TE

L’épuisement des sols

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 Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Médiagraphie

511

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/

2.5

S TE

La contamination de l’hydrosphère

• Vergezgabriel.free – Quand un étang s’asphyxie. Cette animation permet de visualiser le processus d’eutrophisation. ➞ http://vergezgabriel.free.fr/CartablePMF/cinquieme/respoccup/comportement%20respiratoire/eutrophisation.swf

2.6

S TE

Le traitement des eaux usées

• Veolia - L’eau potable : traiter l’eau pour la rendre potable. Cette animation interactive comporte aussi un volet sur le cycle des eaux usées. ➞ http://www.eau-services.fr/metiers-eau/eau-potable.aspx

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

S TE

Les vents dominants

• Cyberscol / InterMet – Les effets de la rotation de la Terre : force de Coriolis. Courtes vidéos et activités interactives pour visualiser les effets du vent. ➞ http://galileo.cyberscol.qc.ca/intermet/vent/p_vent2_corio.htm

3.4 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

3.5

S TE

La contamination de l’air

• Centre de développement pédagogique (CDP) – Les pluies acides. Cette animation explique le lien entre la contamination atmosphérique et les pluies acides. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/previews/pluiesacides_ii.swf

3.6 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

512

Kaléidoscope • Médiagraphie

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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

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

5.3

S TE

Le cycle du phosphore

• Cagira – Le cycle Phosphore Azote. Cette animation décrit plus particulièrement le cycle du phosphore. ➞ http://www.youtube.com/watch?v=lXsAP3G1a5Y

Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Kaléidoscope • Médiagraphie

513

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/

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

1.4

S TE

L’écotoxicologie

• Intellego.fr – Bioaccumulation d’un polluant organique persistant (POP) dans les niveaux trophiques d’une chaîne alimentaire aboutissant aux Inuits. Ce schéma à télécharger illustre le scénario de la bioaccumulation d’un POP et sa toxicité croissante. ➞ http://www.intellego.fr/soutien-scolaire--/aide-scolaire-svt/telechargement-schema-sur-la-bioaccumulationd-un-pop--polluant-organique-persistant--dans-les-niveaux-trophiques-d-une-chaine-alimentaire-aboutissantaux-inuits/37175

1.5

S TE

L’empreinte écologique

• Gouvernement du Québec (MDDEP) – Calcule ton empreinte écologique. Ce questionnaire interactif permet de mesurer l’empreinte que nous laissons sur notre environnement. ➞ http://www.mddep.gouv.qc.ca/jeunesse/jeux/questionnaires/Empreinte/Questionnaire.htm

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Kaléidoscope • Médiagraphie

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CHAPITRE 2

La génétique

S TE

Site général • Le Génie du génome – Tout le site présente une matière vulgarisée d’un grand intérêt, notamment sur l’hérédité. Une série de jeux interactifs permet aussi de tester les connaissances acquises (« Tentez votre chance ! » – jeux en ligne) : test d’ADN, synthèse d’une protéine, cellules souches, OGM, clonage. Le site propose de nombreuses ressources pour les enseignants. ➞ http://nature.ca/genome/index_f.cfm

2.1

S TE

Les mécanismes génétiques

• ADN.wikibis – Synthèse des protéines. Ce site fournit des précisions sur le processus de synthèse des protéines. ➞ http://www.adn.wikibis.com/synthese_des_proteines.php

2.3

S TE

Les croisements

• La Catoire Fantasque – Les lois de Mendel. Ce site présente les lois relatives à la transmission des caractères au cours de la reproduction sexuée. ➞ http://www.catoire-fantasque.be/dossiers/genetique/lois-mendel.html

2.4

S TE

Le clonage

• Universcience – Clonage : une histoire de gènes. Ce site fait une brève synthèse de l’actualité scientique relative au clonage. ➞ http://www.universcience.fr/fr/science-actualites/actualite-as/wl/1248100253198/clonage-une-histoire-de-genes/

PROBLÉMATIQUE ENVIRONNEMENTALE Les OGM dans la production alimentaire • Vigilance OGM – Guide OGM 101. Ce guide aide à mieux comprendre la mise en garde des organismes inquiets de la prolifération des organismes génétiquement modiés. ➞ http://www.infoogm.qc.ca/wp-content/uploads/GU12-03_GuideOGM_v10_web_lecture.pdf

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

Le langage des lignes

S TE

Site général • Centre de développement pédagogique (CDP) – Les types de projections. Petit résumé sur les différents types de projections. ➞ http://www2.cslaval.qc.ca/cdp/UserFiles/File/telechargement/resume_projections.pdf

CHAPITRE 2

Les matériaux

2.2 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

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Kaléidoscope • Médiagraphie

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CHAPITRE 3

L’ingénierie mécanique

Sites généraux • Centre de développement p