révision sciences

[julie22]

On peut faire comme en histoire et en géo, se faire des résumés pour chaque notion.

Voila ma fiche sur le mesure des longueurs et des superficies

Mesures de longueurs et de superficie

I) Avant le système métrique

Principe de la mesure

Mesurer des longueurs permet d’effectuer des comparaisons de longueur de façon indirecte et objective, et d’exprimer ou de décrire une longueur précisément et sans ambiguïté.

Pour mesurer, il faut convenir d’une unité qui serve de base commune et permette d’obtenir une mesure sous la forme d’un nombre. Il est nécessaire, en outre que l’unité choisie soit concrétisé par un objet caractéristique de cette longueur, l’étalon qui pourra être utilisé soit directement dans l’action de mesurage par report successif, soit servir de référence pour réaliser des instruments gradués dans l’unité correspondante.

Avant le système métrique, on se servait des longueurs caractéristiques du corps humain. En 1766, Louis XV décide de faire fabriquer 80 toises de taille semblable et de les répartir dans tout le royaume afin que l’étalon soit le même partout en France

II) L’avènement du système métrique

En 1790, l’Asemblée nationale constituante prend la décision de créer un nouveau système de mesure qui soit uniforme dans tout le pays et basé sur une échelle décimale.

En 1791, il est décidé que la nouvelle unité de longueur appelée « mètre » serait définie par référence au globe terrestre, et plus précisément à la longueur du méridien. Il est ainsi convenu que le mètre sera égal à la dix millionième partie du quart du méridien terrestre.

Malgré ces dispositions légales établissant l’usage du système métrique décimal dans toute la France, la population fait preuve de beaucoup de réticence face au changement et les anciennes unités continuent d’être couramment employées. Il faut attendre 1840 pour que soit définitivement interdit en France l’usage de toute unité autre que celles du système métrique.

III) Définition actuelle du mètre

La science exacte de pouvoir effectuer des mesures avec une très grande précision, ce qui nécessite que l’unité de mesure soit elle-même définie avec la plus grande précision possible. Or celle-ci autorisée par la règle étalon est limitée et est apparue insuffisante dès le milieu du XX siècle. Il s’est donc avérée nécessaire de donner une nouvelle définition du mètre, plus précise, et basée, si possible, sur une caractéristique invariante. On a choisi la vitesse de la lumière dans le vide, qui est une constante universelle. Ainsi, depuis 1985, le mètre est défini légalement comme la « longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant 1/299 792 458 eme de seconde.

[julie22]

C'est une fiche sur les mesures de quantités de matière

Mesures des quantités de matière

I) Quelles grandeurs mesurer ?

Volume et capacité

Jusqu’à la fin du XVIII siècle, les unités de volume utilisées étaient essentiellement celles de capacité. C’est surtout pour les besoins de la science naissante qu’on a commencé à exprimer les volumes à partir des unités de longueur élevées au cube. Le développement du système métrique a permis d’établir une équivalence totale entre les unités de volume dérivées du mètre et les unités de capacité traditionnelle.

Poids et masse

Pendant longtemps, la grandeur que l’on mesurait avec une balance était appelée poids. Il convient plutôt de l’appeler masse.

Mesurer la masse d’un échantillon de matière est la méthode la plus fiable et la plus significative pour rendre compte de la quantité de la matière dont l’objet est constitué. Le volume peut varier, alors que la masse est invariante.

Quantité d’une substance

Lorsqu’on considère une certaine substance constituée de molécules toutes identiques, on peut rendre de la quantité de cette substance contenue dans un échantillon, en indiquant le nombre de molécules qu’il contient. On a défini une unité correspondant à un certain nombre de molécules : c’est la mole. Ce nombre caractéristique est appelé constance d’avogadro.

II) Mesure des masses

La mesure des masses à l’aide d’une balance est une opération très ancienne.

Depuis l’Antiquité, les unités employées pour étalonner ces masses marquées sont toujours variées et variables selon les époques et les lieux.

Lorsqu’on introduit, en 1793, les unités du système métrique, se pose le problème de la définition d’une nouvelle unité de poids, il est alors décidé de faire référence aux caractéristiques de l’eau en liant l’unité de poids avec l’unité de longueur.

On définit dans un premier temps le gramme comme le poids d’un mililitre d’eau liquide pris à la température de la glace fondante. En 1795, on modifie cette définition pour définir le kilogramme comme le poids d’un litre d’eau liquide pris à sa température de densité maximale (4°C).

[julie22]

La mesure des durées et le repérage dans le temps

Cycle 3 :_la durée du jour et son évolution au cours des saisons ;

_la rotation de la Terre sur elle-même et ses conséquences ;

_mesure des durées, unités.

I) Le calendrier

Origines

L’élaboration d’un calendrier correspond à la nécessité, ressentie par les hommes depuis la haute Antiquité, de se repérer dans le temps qui passe sur de longues périodes afin d’organiser la vie sociale.

Les calendriers sont basés sur l’observation des deux phénomènes astronomiques les plus remarquables : le mouvement apparent du soleil et les phases de la Lune.

Le soleil constitue la référence première par sa course quotidienne, répétée presque à l’identique d’un jour sur l’autre, et qui impose ainsi le jour en tant qu’unité de base du calendrier. Mais ce mouvement apparent du soleil change légèrement au fil des jours, ce qui engendre le phénomène des saisons. Ces changements se répétant de façon cyclique au bout d’un an, l’année est la deuxième unité découlant ainsi du mouvement apparent du soleil.

L’observation prolongée de la Lune, jour après jour, permet de constater que ses changements d’aspects appelés « phases », se répètent au bout d’une période (la lunaison) variant entre 29 et 30 jours, soit pratiquement un mois. Le moins est donc une unité du calendrier ayant pour origine les phases de la lune, tout comme la semaine, qui correspond grossièrement au quart d’une lunaison. Mais il y a un problème : l’incommensurabilité des unités ainsi définies. En effet, les mouvements périodiques qui sont à l’origine de ces unités sont indépendants les uns des autres et leurs périodes, ne sont donc pas liées.

La durée du jour

On définit le jour par référence au mouvement apparent du soleil : le jour solaire est le temps séparant deux passages consécutifs du soleil à son point culminant, donc au plan méridien.

Comme la Terre tourne autour du soleil en même temps, qu’elle tourne sur elle-même, elle doit faire un peu plus d’un tour complet sur elle-même pour que le Soleil repasse au méridien, en un point donné.

Comme le jour solaire a, pour définition, une durée de 24h, la Terre met seulement 23h et 56min pour effectuer un tour sur elle-même dans l’espace, donc pour retrouver une même orientation par rapport aux étoiles.

La durée de l’année

Si l’on veut que le rythme des saisons se reproduise identiquement et aux mêmes dates d’année en année, l’unité « année » doit être définie par rapport aux évènements remarquables, dans le mouvement apparent du soleil. On définit ainsi l’année comme l’intervalle de temps séparant deux équinoxes de printemps successifs. Sa durée est approximativement de 365 jours, 5h et 49 min, ce qui présente environ 11min de moins.

Notre calendrier occidental actuel, dit « grégorien », est basé sur des années civiles de 365 jours. Le quart de jour perdu chaque année est rattrapé par l’introduction d’une année de 366j tous les 4 ans. Mais le rajout de 6h par an conduit, en fait, à un léger excès, de 11min… Pour ajuster au mieux sur une longue période les dates du calendrier avec le soleil, on déclare non bissextiles les années séculaires, sauf celles qui sont multiples de 400. Ce dispositif n’est pas encore parfait car il induit un décalage de 3j environ tous les 10 000 ans.

La durée du moins et la lunaison

La lunaison est l’intervalle de temps séparant deux phases identiques de la Lune, plus précisément 2 nouvelles Lunes consécutives. Comme la Lune tourne autour de la Terre selon une orbite elliptique, la vitesse de la Lune n’est pas constante et la lunaison se trouve avoir une durée variabme de 29j et quelques heures. Dans le calendrier grégorien, l’année de 365 (ou 366) jours est partagée en 12 mois de longueur inégale, de 28 à 31 jours.

II) Les cadrans solaires

L’observation de l’ombre portée d’un bâton vertical (le gnomon) permet de renseigner, par la longueur de celle-ci et par sa direction, sur le moment de la journée et la période de l’année (plus longue le matin et le soir qu’à midi, plus longue l’hiver que l’été). Cela présente un inconvénient, ele ne reprend pas jour après jour, la même direction à la même heure et se décale au fil des saisons.

Un cadran solaire ne présente pas ce défaut : le bâton (le « style »), qui produit l’ombre, doit être orienté dans la même direction que l’axe de rotation de la Terre, donc dans la direction de l’étoile polaire. Comme le mouvement apparent du soleil est centré tout au long de l’année, sur cette direction, l’ombre du bâton reprend chaque jour la même direction à la même heure et il suffit d’établir une seule graduation qui reste valable tous les jours de l’année.

Pour l’orienter correctement, il suffit de le placer dans la direction du nord et de l’incliner par rapport à l’horizontale d’un angle égal à la latitude du lieu où l’on se trouve. La graduation peut être établie sur un plan d’orientation quelconque, et même sur une surface non plane. Dans le cadran solaire installé sur un mur, la table portant la graduation est verticale.

La graduation peut également être tracée sur un plan perpendiculaire au style. On obtient alors un cadran solaire dit « équatorial », car le plan de graduation est alors parallèle au plan équatorial terrestre. La graduation présente la particularité d’être régulière, car l’ombre tourne à vitesse constante : chaque heure correspond donc à un angle de 15°.

Un cadran solaire indique l’heure solaire du lieu où il est placé. Cette heure solaire est la même pour tous les points du méridien dur lequel se trouve le cadran, mais elle est différente pour des points situés à l’ouest, et à l’est.

III) L’heure

Les différentes heures

L’heure solaire n’étant pas la même partout, il a fallu décider d’une heure légale lorsque le besoin s’est fait sentir, pour toute une population, de vivre à la même heure. En 1891, une loi précise que l’heure légale pour tout le pays serait l’heure solaire au méridien de Paris. Puis, en 1911, la France a adopté comme heure légale l’heure solaire sur le mérdien de Greenwich, s’alignant ainsi sur le temps universel qui avait été décidé à Washington en 1884.

Dans un souci d’économie d’énergie, l’heure légale en France a été avancée, en 1946, de 1h sur le temps universel. Depuis 1976, on est sur un système d’heure d’été qui nous donne 2h d’avance sur l’heure du fuseau entre avril et septembre.

Les fuseaux horaires

Les montres sont réglées à partir de l’heure du méridien de Greenwich prise comme référence : c’est l’heure universelle. Les montres doivent décalées d’un certain nombre d’heures par rapport à l’heure de Greenwich en fonction de la longitude. Ce décalage pouvant atteindre +12h vers l’est et -12h vers l’ouest. La Terre est divisé en 24 fuseaux horaires. Les fuseaux théoriques sont délimités par 2 méridiens écartés de 15°, toutefois certains fuseaux ont des limites légèrement déformées pour suivre le contour des pays

IV) Les instruments à écoulement

La clepsydre

Environ 3000 ans av JC, en Egypte, sont apparues les clepsydres, ou horloges à eau.Un récipient rempli d’eau se vide lentement par un petit orifice. A l’intérieur de celui-ci, des graduations indiquent le temps écoulé. La vitesse d’écoulement de l’eau diminuant avec la quantité restante, le débit étant donc variable et la graduation à priori non linéaire. La forme du récipient le plus souvent conique, était censée compenser si la courbure était bien adaptée. En multipliant les clepsydres, on pouvait additionner les durées.

Le sablier

Il a l’avantage d’être utilisable de manière continue par renversements successifs. Il utilise les propriétés du sable qui s’écoule régulièrement comme un fluide.

V) Les horloges

Horloges mécaniques

Elles sont apparues au XIII siècle sous la forme d’horloge à foliots, dans laquelle la régulation du mouvement de l’aiguille se fait par le mouvement oscillant d’une pièce (le foliot), qui laisse échapper, à chaque oscillation, une dent d’une roue dentée. L’énergie nécessaire à son fonctionnement est fournie par un « poids », qui, en descendant, entraîne un tambour. Le poids doit bien sûr être régulièrement remonté.

C’est au XVII siècle, qu’a été mise au point l’horloge à pendule, beaucoup plus précise et plus fiable. Ce type d’horloge utilise la particularité d’un pendule d’osciller toujours au même ryhtme, donc avec la même période, quelle que soit l’amplitude de son mouvement. Le mouvement divise le temps en intervalles égaux, que l’on peut ajuster pour qu’ils soient égaux à une seconde près. Un mécanisme « d’échappement », constitué d’une ancre laissant échapper une dent d’une roue dentée à chaque oscillation, permet de réguler l’avancée de l’aiguille, qui s’effectue donc à un rythme constant. L’énergie nécessaire à l’entretien du mouvement du balancier est assurée par un poids qui descend, ou c’est un ressort.

Horloges électroniques

L’énergie est fournie par une pile. Sous l’effet de la tension électrique, un oscillateur à quartz vibre régulièrement avec une fréquence choisie à l’avance et déterminée par la forme et les dimensions du cristal de quartz. Une puce électronique divise ensuite cette fréquence pour produire, en sortie des impulsions à un ryhtme très régulier. Ces impulsions servent à indiquer l’heure.

VI) Définition légale de l’unité de temps

Pendant longtemps, les unités de temps ont été définies par référence aux phénomènes astronomiques, en particulier, par rapport aux mouvements apparents du soleil. La seconde était définie comme la fraction 1/ 86 400 du jour solaire moyen. La durée du jour est variable, la durée de référence fut ensuite l’année tropique. Aujourd’hui, le temps est définie par rapport à l’absorption/ émission d’une radiation lumineuse d’une fréquence extrêmement précise par un atôme de césium.

[orion144]

A partir de quoi fais-tu ces fiches, j'ai l'impression de na pas avoir vu tout cela et certaines choses me semble un peu superflues.

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Je suis partante, je vais m'y mettre !

[julie22]

Je l'ai fait à partir du hachette, il y a beaucoup de choses, mais cela permet de bien comprendre. Et il vaut mieux en savoir plus que pas assez

[orion144]

C'est pas une fiche mais une référence : j'ai trouvé à la bibliothèque une collection CROQ'Sciences chez nathan qui donne des expériences à réaliser avec les enfants, très utile pour avoir des idées.

Voici les thèmes touvés chez amaz... croq'sciences

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Mesures et Unités

Cycle III :

-> Savoir que la durée de la rotation de la Terre sur elle-même et celle de la révolution autour du Soleil ont depuis longtemps servi d'unités à la mesure des durées

-> Connaître la correspondance entre la durée de la rotation de la Terre sur elle-même et les unités heure, minute et seconde

-> Principe de quelques méthodes de mesure des durées

-> Fabriquer et manipuler quelques dispositifs présentant un intérêt historique : gnomon, sablier, clepsydre, pendule ...

1/ Les unités du SI (Système International) ainsi que les 7 grandeurs fondamentales

Depuis l’Antiquité, les hommes ont éprouvé le besoin de mesurer des longueurs ainsi que des quantités de matière.

Mesurer des longueurs permet d’effectuer une comparaison de longueurs de façon indirecte (sans juxtaposition des objets) et objective, et d’exprimer ou de décrire une longueur précisément et sans ambiguïté. Pour mesurer, il faut convenir d’une unité qui serve de base commune et permette d’obtenir une mesure sous forme de nombre.

Les 1ères unités se réfèrent au corps : le pouce, le pied, la coudée

En 1960, la XIème Conférence des Poids et Mesures a défini les 7 unités de base du Système International d'unités fondé sur le système métrique décimal.

- longueur : le mètre (m)

- masse : le kilogramme (kg)

- temps : la seconde (s)

- courant électrique : l'ampère (A)

- température : le kelvin (K)

- quantité de matière : la mole (mol)

- intensité lumineuse : la candela (cd)

2/ Quelques méthodes de mesure

On peut mesurer le temps en repérant l’écoulement d’un liquide.

Dans une horloge à eau (clepsydre), quand le niveau baisse dans le réservoir, l’eau coule moins vite.

C’est pourquoi les traits de graduation se resserrent quand ce niveau baisse.

On peut aussi mesurer une durée en repérant l’écoulement d’un solide en grains (principe du sablier).

La durée d’écoulement dépend de la taille du trou, de la grosseur des grains, de la nature et de la quantité du solide utilisé (sable, sucre, semoule, riz, sel, …).

On peut également compter les aller-retour d’un pendule ; mais la durée des oscillations dépend de la longueur du pendule : plus il est long, plus la durée est longue

=> Métrologie : science de la mesure

Sources :

http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites/

http://www.metrodiff.org/yacs/articles/view.php?id=48

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3/Le calendrier

Les calendriers sont basés sur l’observation des deux phénomènes astronomiques les plus remarquables : le mouvement apparent du Soleil et les phases de la Lune.

Le soleil : constitue la référence première par sa course quotidienne, répétée à l’identique d’un jour sur l’autre, et qui impose ainsi le jour en tant qu’unité de base du calendrier. Mais ce mouvement apparent du soleil change légèrement au fil des jours (heures de lever et de coucher, hauteur de culmination…) ce qui engendre le phénomène des saisons. Ces changements se répétant de façon cyclique au bout d’un an, l’année est la deuxième unité découlant ainsi du mouvement apparent du soleil.

La lune : ses changements d’aspect, appelés « phases », se répètent au bout d’une période : la lunaison, qui varie entre 29 et 30 jours, soit pratiquement un mois. Le mois est donc une unité du calendrier ayant pour origine les phases de la lune, tout comme la semaine, qui correspond grossièrement au quart d’une lunaison.

A partir de ces références astronomiques, l’élaboration d’un calendrier se heurte à un obstacle majeur : l’incommensurabilité des unités ainsi définies.

En effet, les mouvements périodiques qui sont à l’origine de ces unités sont indépendants les uns des autres et leurs périodes ne sont donc pas liées :

- Jour : mouvement de rotation de la Terre sur elle-même

- Année : révolution de la Terre autour du Soleil

- Mois et semaine : révolution de la Lune autour de la Terre

-> La durée du jour, de l'année, du mois

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3/ Le cadran solaire

L’observation de l’ombre portée d’un bâton vertical (le « gnomon » en grec) permet de renseigner, par la longueur de celle-ci et par sa direction, sur le moment de la journée et la période de l’année (plus longue le matin et le soir qu’à midi, plus longue l’hiver que l’été).

En Egypte, les obélisques servaient de gnomon.

L’ombre donnée par le gnomon présente toutefois un inconvénient : elle ne reprend pas, jour après jour, la même direction à la même heure et se décale au fil des saisons.

Un cadran solaire ne présente pas ce défaut grâce à une caractéristique particulière : le bâton (le « style ») qui produit l’ombre doit être orienté dans la même direction que l’axe de rotation de la Terre, donc pratiquement dans la direction que l’étoile Polaire.

-> L'heure légale : heure solaire sur le méridien de Greenwich > fuseaux horaires en fonction de la longitude

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Matière

Cycle II

- Utilisation de thermomètres dans quelques situations de la vie courante

- L'eau dans la vie quotidienne : glace, eau liquide, observation des processus de fusion et de solidification, mise en relation avec des mesures de température

- Prise de conscience de l'existence de l'air

Cycle III

- Etats et changements d'état de l'eau : fusion, solidification, ébullition, état gazeux de l'eau, évaporation, condensation, facteurs agissant sur la vitesse d'évaporation

- L'air, son caractère pesant

Etats et changements d'état

3 états de la matière :

- état solide : état ordonné de la matière, le solide a une forme propre

- état liquide : état désordonné de la matière, le liquide coule et prend la forme du récipient qui le contient

- état gazeux : état désordonné et dispersé de la matière, un gaz occupe tout l'espace disponible (Température T en Kelvin K, Volume V en m3, Pression p en Pascal Pa, Quantité de matière n en mole mol )

Changements d'état des corps purs :

Un changement d'état est causé par un transfert de chaleur : un apport de chaleur est nécessaire pour la fusion et la vaporisation ; une perte de chaleur est nécessaire pour la solidification et la condensation :

état solide -> fusion -> état liquide -> évaporation, vaporisation, ébullition -> état vapeur

état vapeur -> liquéfaction, condensation -> état liquide -> solidification -> état solide

état vapeur -> désublimation -> état solide

Pour l'eau pure (constituée exclusivement de molécules H2O), le palier de fusion/solidification est à 0°C et le palier de vaporisation/condensation est à 100°C

Lorsque l'on chauffe de l'eau dans un récipient, on observe avant l'ébullition de petites bulles d'air qui s'échappent de l'eau. Ce n'est qu'en poursuivant le chauffage que l'on voit apparaître de grosses bulles de vapeur d'eau qui caractérisent l'ébullition.

Lorsque l'eau bout, on voit en général un brouillard au-dessu du récipient : il est constitué de fines goutelettes d'eau résultant de la condensation de la vapeur d'eau dans l'air froid.

La vapeur d'eau présente dans l'air ambiant (état gazeux de l'eau) est imperceptible à nos sens. L'eau ne disparaît pas au cours de l'évaporation (elle est en permanence présente dans l'air).

Si l'eau n'est pas pure ou si la pression est différente de la pression atmosphérique normale, la température d'ébullition de l'eau peut être différente

Attention : eau salée, eau en altitude

Les nuages sont constitués de vapeur d'eau, de fines goutelettes d'eau liquide et/ou de petits cristaux de glace

Lors d'un changement d'état, la masse est conservée mais il y a variation du volume.

Les changements d'état sont réversibles.

Mélanges et solutions

-> Mélanges hétérogènes constitués de matières à l'état solide en suspension dans une matière à l'état liquide et on peut séparer les constituants par :

- Décantation : au repos, sous l’action de la pesanteur, les deux produits vont se séparer en deux phases : la phase ayant la densité la plus grande allant vers le bas, et la phase la plus légère (la densité la plus faible) étant au dessus

- Filtration : les particules solides sont retenues par le filtre qui laisse passer le liquide. Toutefois, le filtre n’arrête pas les éléments dissous dans le liquide : le filtrat est constitué d’un mélange homogène.

-> Mélanges homogènes, liquide qui contient des matières dissoutes constitué d'une matière à l'état liquide qui joue le rôle de solvant et de matières à l'état dissous appelées soluté. Deux liquides qui forment un mélange homogène sont dits miscibles entre eux.

Des liquides non miscibles ne peuvent pas former de mélange homogène : on parle d'émulsion (exple : huile + vinaigre).

- Distillation > Mener une distillation n'est pas réaliste à l'école, cette méthode est au programme du collège.

Propriétés physiques des gaz

L'air est de la matière au même titre que les liquides et les solides puisque l'air est pesant (sous la pression atmosphérique normale et à une température voisine des 20°C, la masse d'un litre d'air est comprise entre 1,2g et 1,3g par litre).

Pour peser l'air, il est nécessaire de l'enfermer dans un récipient.

L'air atmosphérique est un mélange de gaz.

Les gaz sont compressibles ou expansibles : on peut diminuer ou augmenter le volume qu'ils occupent en réduisant ou en augmentant celui du récipient qui les contient. Un gaz occupe tout le volume disponible.

[julie22]

Etats de la matière et température

Cycle 2 :

_utilisation de thermomètre dans quelques occasions de la vie courante

_l’eau dans la vie quotidienne : glace, eau, liquide,…

Cycle 3 :

Le principal objectif est de consolider la connaissance de la matière et de sa conservation :

_états et changements d’état de l’eau…

I) Les 3 états de la matière

Propriétés familières

Un échantillon de matière est dit solide s’il conserve une certaine forme propre et une certaine consistante qui fait qu’il résiste plus ou moins à sa déformation. Un liquide, au contraire, n’a pas de forme propre : il prend celle du récipient qui le contient. Il se déforme donc très facilement et coule vers le bas sous l’action de son poids.

Les solides en grains (sable) présentent une certaine fluidité qui les rapproche, de ce point de vue des liquides, sauf que leur surface libre n’est pas régulière, contrairement à celle d’un liquide qui est parfaitement plane et horizontale lorsque celle-ci est au repos. Les solides comme les liquides sont quasiment incompressible.

Les gaz sont au contraire facilement compressibles : on utilise cette propriété quand on gonfle des besoins ou des pneus. A l’état gazeux, la matière est beaucoup moins dense qu’à l’état solide ou liquide. Par exemple, la masse volumique de l’air gazeux est, dans les conditions ordinaires de pression et de température d’environ 1,2g/L alors que celle de l’eau liquide est de 1kg/L. Du fait de sa faible densité, un gaz ne se « ramasse » pas au fond du récipient et occupe tout l’espace qui lui est offert : il est expansible.

Le modèle moléculaire de la matière

Une molécule d’un corps est la plus petite entité constitutive de ce corps. Dans un corps pur, toutes les molécules sont identiques, leur structure caractérise ses propriétés chimiques.

Une molécule est en effet elle-même un édifice formé de plusieurs atomes liés entre eux. Lorsque les molécules d’un corps sont formées de plusieurs types d’atomes différents, il s’agit d’un corps composé. Enfin la plupart des corps familiers sont des mélanges de plusieurs corps purs, donc renferment différents types de molécules.

Dans un solide, les molécules sont empilées les unes sur les autres et chacune occupe une position bien définie. Des forces attractives de nature électrique maintiennent rigidement les molécules voisines les unes contre les autres, assurant ainis la cohésion du solide.

Si l’empilement des molécules est régulier et forme des motifs géométriques répétitifs, le solide est de type cristallin. Si l’empilement des molécules est plus désordonné est irrégulier, le solide est du type amorphe.

Dans un liquide, les molécules sont également « tassés » les unes contre les autres, mais elles ne sont pas rigidement liées entre elles. Elles se déplacent en permanence les unes par rapport aux autres de façon aléatoire, en s’entrechoquant sans cesse. C’est cette liberté de déplacement des molécules qui confère au liquide sa fluidité et sa capacité à se déformer sans résistance. Le tassement des molécules dans les solides et liquides expliquent qu’ils sont quasiment incompressibles.

Pour la quasi-totalité des substances, les molécules sont un peu plus serrées dans le solide que dans le liquide : la masse volumique du solide est un peu plus élevée que celle du liquide, sauf l’eau.

Dans un gaz, les molécules sont éloignées les unes des autres et se déplacent librement dans l’espace. Elles n’interagissent entre elles que lorsqu’elles se rencontrent au hasard de leurs trajectoires. L’éloignement des molécules explique la faible masse volumique d’un gaz. Le grand espace vide entre les molécules explique qu’il est compressible.

II) Chaleur et température

Distinction entre chaleur et température

La température est une grandeur qui rend compte de l’état plus ou moins chaud d’un objet. La chaleur, au contraire, est une forme d’énergie fournie par certains dispositifs ou appareils : plus l’appareil est puissant et plus il fonctionne longtemps, plus la quantité de chaleur qu’il fournit est grande.

Signification au niveau moléculaire

Considérons une casserole d’eau liquide à température ambiante. Si nous pouvions alors voir les molécules, nous les verrions se déplacer et rebondir les unes contre les autres dans un mouvement incessant et désordonné, l’agitation des molécules étant alors caractérisée par une certaine vitesse moyenne.

Chauffons maintenant cette eau à l’aide d’un réchaud, ce qui va entraîner l’augmentation de sa température. Au niveau des molécules, le seul changement « observable » est une plus grande agitation, c’est-à-dire une augmentation de leur vitesse moyenne. Au niveau microscopique, la température d’un corps est donc directement liée à la vitesse moyenne de ses molécules. L’énergie apportée par un réchaud sous forme de chaleur est emmagasinée par les molécules d’eau sous forme d’un surcroît d’énergie de mouvement : chaque molécules est accélérée et voit ainsi son énergie cinétique augmenter. On peut donc considérer que l’énergie de mouvement totale de l’ensemble des molécules d’eau correspond à la quantité de chaleur totale possédée par cette eau.

Imaginons maintenant que l’on puisse refroidir cette eau jusqu’à lui retirer toute la chaleur qu’elle possède, c’est-à-dire jusqu’à retirer aux molécules toute leur énergie de mouvement et donc annuler leur vitesse. L’eau serait alors à la température la plus basse qui puisse exister puisqu’on ne pourrait pas la refroidir davantage.

Cette température limité, la plus basse qui puisse exister, est appelée « zéro absolu » et correspond à -273,15…C° dans notre échelle habituelle de température, l’échelle celsius. Exprimé dans une telle échelle, la température d’un corps correspond simplement à l’énergie moyenne d’une molécule de ce corps.

Les échelles de température

L’échelle utilisée en France est le degré celsius, du nom du scientifique suédois qui l’a crée en 1742.

Cette échelle fait correspondre la valeur « 0 » à la température de la glace en train de fondre et la valeur « 100 » à la température de l’eau en train de bouillir (sous la pression atmosphérique normale). En effet, ces deux changements d’état ont lieu à une température fixe et toujours la même, qui peut donc servir de référence.

Le choix d’utiliser les changements d’état de l’eau en tant que phénomènes de référence est tout à fait arbitraire. D’autres références conduiraient à d’autres échelles de température. Les physiciens utilisent l’échelle Kelvin dans laquelle le « 0 » correspond au zéro absolu, elle ne comporte donc pas de valeur négative.

La mesure de la grandeur relative à la réunion de 2 objets doit être égale à la somme des mesures pour chaque objet. La température ne vérifie pas cette condition. Mais il en va de même pour toutes les grandeurs « intensives » : la vitesse, la pression, la masse volumique n’est pas mesurable.

III) Les thermomètres

La dilatation

Quand la température augmente, un quelconque échantillon de matière voit généralement son volume augmenter : c’est le phénomène de dilatation. Ceci est vrai quel que soit son état, solide, liquide, ou gazeux. Chaque molécule s’agite plus, elle repousse plus fortement ses voisines et occupe donc un volume moyen plus important.

Pour une augmentation de température donnée, l’augmentation de volume dépend de l’état physique et de la susbtance. De façon générale, les gaz se dilatent plus que les liquides qui, eux-mêmes, se dilatent plus que les solides. L’alcool se dilate 5 fois plus que l’eau.

Les thermomètres à liquide

Un thermomètre est essentiellement constitué d’un réservoir en verre surmonté d’un tube de très petite section, dit « capillaire ».

Le liquide thermométrique est contenu dans le réservoir et monte jusqu’à un certain niveau dans le tube. L’ensemble est souvent fixé sur un support qui porte aussi la graduation.

Quand le liquide dans le réservoir s’échauffe, il se dilate et augmente donc de volume. Le verre du réservoir se dilate aussi, mais beaucoup moins. Le liquide est donc contraint de monter dans le tube pour « trouver sa place » : son niveau s’élève donc le long de la graduation. Quand ce niveau est stabilisé, cela signifie que le liquide du réservoir est en équilibre thermique avec le milieu dans lequel il est plongé, donc à la même température.

Pour que l’équilibre thermique s’établisse rapidement, la quantité de liquide dans le réservoir doit être la plus petite possible. Mais plus le réservoir est petit, plus les variations de volume du liquide sont petites, d’où la nécessité d’utiliser un tube extrêmement fin pour que les variations de niveau soient tout de même significatives.

La toxicité du mercure lorsqu’il est répandu dans l’environnement, a conduit à une réglementation stricte de son utilisation, il n’est plus présent dans les thermomètres.

Les liquides couramment utilisées sont l’alcool ou divers hydrocarbures, en général colorés en vert, rouge, ou bleu. On choisit ces substances pour leur fort degré de dilatation, en fonction des domaines de température dans lesquels on désire utiliser le thermomètre.

Le réservoir doit être placé dans le milieu dont on veut connaître la température. Pour lire correctement la température :

_attendre que le niveau du liquide dans le tube soit bien stabilisé ;

_laisser le réservoir du thermomètre dans le milieu et ne pas le toucher pendant la lecture, sous peine de fausser la mesure ;

_se placer en face du niveau du liquide pour effectuer la lecture, afin de viser la bonne graduation et éviter les erreurs de lecture, dite de « parallaxe ».