إلى المعرفة
Physique chimie internationale
رقمنة الفيزياء والكيمياء
force constante et mouvement uniformr
La plupart des élèves pensent que si la force appliquée sur un solide est constante, alors le mouvement sera uniforme. C'est une conception erronée très répandue, héritée de la physique d'Aristote : l'idée que la force fait la vitesse, donc qu'une force constante donne une vitesse constante. En réalité, une force constante agit sur la variation de la vitesse.
Ce que dit la physique :
D'après la deuxième loi de Newton :
ΣF⃗ = m · a⃗
Si la résultante des forces est constante (et non nulle), l'accélération est constante. Le mouvement est alors uniformément varié, et non uniforme : la vitesse change de la même quantité à chaque seconde.
Le mouvement rectiligne uniforme correspond au cas où la somme des forces est nulle (principe d'inertie). Ce qu'il faut retenir :
| Somme des forces | Accélération | Nature du mouvement |
|---|---|---|
| ΣF⃗ = 0⃗ | nulle | repos ou mouvement rectiligne uniforme |
| ΣF⃗ constante ≠ 0⃗ | constante | uniformément varié |
| ΣF⃗ variable | variable | varié (non uniforme) |
Pourquoi les élèves y croient :
Leur expérience quotidienne semble leur donner raison. Pour pousser un carton à vitesse constante, il faut exercer une force constante. Mais ils ne voient pas les frottements : la force qu'ils exercent compense exactement les frottements, donc la résultante est nulle. La confusion vient du fait qu'ils pensent à une force, celle qu'ils appliquent, et non à la somme de toutes les forces.
Pistes pour lever la confusion en classe :
- La chute libre : le poids est constant, pourtant la bille va de plus en plus vite. Une chronophotographie, ou une vidéo analysée avec Avimeca ou Tracker, montre que les écarts entre les positions augmentent ;
- Le mobile autoporteur sur table inclinée : la force est constante et les frottements sont négligeables. Les enregistrements montrent des distances qui augmentent régulièrement ;
- Le palet sur table horizontale : on lance le palet puis on ne le touche plus. Il avance à vitesse constante sans force motrice. Cela casse l'idée qu'il faut une force pour maintenir un mouvement ;
- Raisonner sur le bilan des forces : demander systématiquement « Quelle est la somme des forces ? » plutôt que « Quelle force pousse l'objet ? » ;
- Le conflit cognitif : faire d'abord prédire aux élèves le mouvement d'une bille lâchée sur un plan incliné (« vitesse constante ou croissante ? »), puis faire l'expérience. La surprise ancre mieux la correction.
À retenir : une force constante ne donne pas une vitesse constante, mais une accélération constante. Seule une somme des forces nulle donne un mouvement rectiligne uniforme.
Correction – Test diagnostique – 1re Bac Sc.Exp
Correction – Test diagnostique – 1ʳᵉ Bac Sc.Exp / SM Biof
Exercice 1 :
1) Vrai ou faux :
« La masse est une grandeur fixe qui ne dépend pas du lieu » : Vrai ;
« L'intensité du poids d'un corps est une grandeur qui dépend du lieu » : Vrai ;
« Dans un mouvement rectiligne uniforme, la vitesse est constante » : Vrai.
2) Tableaux des grandeurs physiques et de leurs unités :
| Grandeur physique | Son unité |
|---|---|
| Le temps | seconde (s) |
| La distance | mètre (m) |
| La masse | kilogramme (kg) |
| L'intensité de courant électrique | ampère (A) |
| La température | kelvin (K) |
| L'intensité lumineuse | candela (cd) |
| La quantité de matière | mole (mol) |
| Grandeur physique | Son unité |
|---|---|
| L'intensité d'une force | newton (N) |
| La vitesse | mètre par seconde (m/s) |
| La pression | pascal (Pa) |
| Le moment d'une force | newton-mètre (N·m) |
| La densité | grandeur sans unité |
| La concentration molaire | mole par litre (mol/L) |
| La puissance | watt (W) |
3) Compléments :
A) Caractéristiques du poids d'un solide :
a) Point d'application : le centre de gravité (centre d'inertie) du solide ;
b) L'intensité : P = m×g (exprimée en newton, N) ;
c) Droite d'action : la verticale passant par le centre de gravité ;
d) Le sens : vers le bas (dirigé vers le centre de la Terre).
B) Un objet est en mouvement si sa position change par rapport à un référentiel (repère) choisi. On dit alors que le mouvement et le repos sont deux concepts relatifs (ils dépendent du référentiel d'étude).
4) Expressions mathématiques :
a) Équilibre d'un corps soumis à plusieurs forces : la somme vectorielle des forces appliquées est nulle, soit Σ F = 0 ;
b) Moment d'une force : M(F) = F×d, où d est le bras de levier (distance entre l'axe et la droite d'action de la force) ;
c) Équilibre d'un solide en rotation autour d'un axe fixe : la somme algébrique des moments des forces par rapport à l'axe est nulle, soit Σ M(F) = 0.
Exercice 2 :
Un corps (S) de masse m = 8 kg est suspendu par un fil sur un plan incliné d'un angle α ; on donne g = 9,81 N/kg.
1) Bilan des forces appliquées au solide (S) :
Le solide (S), immobile, est soumis à trois forces :
le poids P, vertical, dirigé vers le bas, appliqué au centre de gravité G ;
la tension du fil T, dirigée le long du fil vers le point d'attache ;
la réaction normale du plan incliné N, perpendiculaire au plan incliné et dirigée vers l'extérieur du plan.
Le solide étant en équilibre, ces trois forces (vecteurs) vérifient : P + T + N = 0.
2) Intensité du poids du solide (S) :
P = m×g = 8 × 9,81 = 78,48 N.
Exercice 3 :
a) Loi des nœuds : la somme des intensités des courants qui entrent en un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en sortent.
b) Loi d'Ohm pour un conducteur ohmique : U = R×I.
c) Loi d'Ohm pour un générateur : U = E − r×I.
d) Loi d'Ohm pour un récepteur : U = E′ + r′×I.
Exercice 4 :
L'atome est constitué de : réponse a) noyau et nuage électronique.
Une molécule est : réponse c) elle contient des atomes liés par des liaisons chimiques.
La quantité de matière n(x) s'écrit : réponse c) n(x) = m(x)/M(x).
La relation de la dilution est : réponse b) Ci×Vi = Cf×Vf.
Équations chimiques équilibrées :
2 Al + 3 Cl2 → 2 AlCl3 ;
2 Fe3+ + 3 Zn → 2 Fe + 3 Zn2+ ;
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
Exercice 5 :
On brûle une masse m = 2,43 g de magnésium dans un volume V = 1,5 L de dioxygène. On donne M(Mg) = 24,3 g/mol, M(O) = 16,0 g/mol et Vm = 24,0 L/mol.
1) Équation équilibrée :
2 Mg + O2 → 2 MgO.
2) Quantités de matière initiales des réactifs :
n(Mg)i = m/M(Mg) = 2,43/24,3 = 0,1 mol = 1×10-1 mol ;
n(O2)i = V/Vm = 1,5/24,0 = 0,0625 mol = 6,25×10-2 mol.
3) Tableau d'avancement de la réaction :
| État | Avancement | Mg (mol) | O2 (mol) | MgO (mol) |
|---|---|---|---|---|
| Initial | x = 0 | 1×10-1 | 6,25×10-2 | 0 |
| En cours | x | 1×10-1 − 2x | 6,25×10-2 − x | 2x |
| État final | x = xmax | 1×10-1 − 2xmax | 6,25×10-2 − xmax | 2xmax |
4) Avancement maximal et réactif limitant :
Si Mg est limitant : xmax = n(Mg)i/2 = 0,1/2 = 0,05 mol ;
si O2 est limitant : xmax = n(O2)i/1 = 0,0625 mol.
La plus petite valeur correspond au magnésium : le réactif limitant est donc Mg, avec xmax = 0,05 mol = 5×10-2 mol.
5) Bilan de matière à l'état final :
n(Mg)f = 1×10-1 − 2×5×10-2 = 0 mol (entièrement consommé) ;
n(O2)f = 6,25×10-2 − 5×10-2 = 1,25×10-2 mol (en excès) ;
n(MgO)f = 2×5×10-2 = 1×10-1 mol.
Transformations chimiques rapides et transformations chimiques lentes
On verse une solution de nitrate d'argent (Ag+(aq) + NO3−(aq)) dans un bécher, puis on ajoute un fil de cuivre Cu(s). Après un temps, la solution incolore devient bleue et il se forme un dépôt solide brillant (argent métallique) sur le fil.
Équation globale :
SIMULATION — Échange d'électrons dans une réaction d'oxydoréduction
Couples : Fe3+/Fe2+ et MnO4−/Mn2+
a– Activité. On verse 20 mL de sulfate de cuivre II dans un tube à essai, puis on ajoute 10 mL de soude.
a– Activité. On mélange 50,0 mL de solution d'iodure de potassium (0,20 mol/L) acidifiée, et 50,0 mL d'eau oxygénée (0,01 mol/L).
SIMULATION — Transformation rapide vs lente : observer l'évolution en temps réel
Un facteur cinétique est une grandeur qui influe sur la vitesse d'évolution d'un système chimique.
Acide oxalique H2C2O4 (0,50 mol/L) + solution de permanganate KMnO4 dans deux tubes à 20°C et 40°C.
Thiosulfate de sodium à 0,05 mol/L et 0,10 mol/L avec HCl à 0,10 mol/L. La vitesse est plus grande dans le bécher à 0,10 mol/L.
SIMULATION — Facteurs cinétiques : effet de T et de la concentration sur la vitesse
Le tableau d'avancement permet de suivre l'évolution des quantités de matière au cours d'une transformation. Pour la réaction :
| État | Avancement x | n(A) | n(B) | n(C) | n(D) |
|---|---|---|---|---|---|
| Initial | x = 0 | nA0 | nB0 | 0 | 0 |
| Intermédiaire | x | nA0 − ax | nB0 − bx | cx | dx |
| Final | xmax | nA0 − axmax | nB0 − bxmax | cxmax | dxmax |
Le réactif limitant est celui dont la quantité s'annule en premier : xmax = min(nA0/a , nB0/b).
SIMULATION — Tableau d'avancement interactif (Fe + HCl)
Cours — Transformations chimiques rapides et lentes — 2 Bac SP/SVT/SM · spbiof.blogspot.com
Espèces chimiques
a– Activité. Pour identifier l'existence de quelques espèces chimiques, on utilise les cinq sens. Cocher la case convenable :
| L'ouïe | Le toucher | Le goût | L'odorat | La vue | |
|---|---|---|---|---|---|
| Existence de l'eau | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Existence de sel | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| Existence de couleur | ✓ | ||||
| Existence d'acide | ✓ | ||||
| Existence d'odeur (parfumée) | ✓ |
Une espèce chimique est un ensemble constitué d'un seul type d'entités chimiques, comme : l'eau, l'amidon…
SIMULATION — Les cinq sens et l'identification des espèces chimiques
Exemples : Glucose Eau Fer Sel marin Bois Diamant
Exemples : Caoutchouc synthétique Diamant synthétique Vanilline synthétique
Exemples : Plastique Verre Nylon Aspirine
SIMULATION — Classer les espèces chimiques : naturelle, synthétique ou artificielle ?
| Test | Mise en évidence de l'eau | Mise en évidence du glucose | Mise en évidence de l'acidité |
|---|---|---|---|
| Protocole expérimental | On met quelques cristaux de sulfate de cuivre anhydre sur un morceau d'orange. | On met un morceau d'orange dans un tube à essais, on ajoute la liqueur de Fehling, puis on chauffe le mélange. | On dépose un peu de jus d'orange dans un tube à essais et on mesure son pH. |
| Réactif utilisé | Sulfate de cuivre anhydre (blanc) | Liqueur de Fehling (bleue) | Papier-pH ou pH-mètre |
| Résultat | Le sulfate de cuivre anhydre, qui est blanc, devient bleu | La liqueur de Fehling, qui est bleue, forme un précipité rouge brique après chauffage | pH = 4,11 < 7 → l'orange contient des acides |
| Conclusion | Pour mettre en évidence l'eau, on utilise le sulfate de cuivre anhydre : il devient bleu en présence de l'eau. | Pour mettre en évidence le glucose, on utilise la liqueur de Fehling : elle forme un précipité rouge brique après chauffage. | Si pH < 7 → acide. Si pH > 7 → basique. Si pH = 7 → neutre. |
SIMULATION — Tests chimiques interactifs : choisir un test et observer le résultat
SIMULATION — Échelle de pH : acide, neutre ou basique ?
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