Physique

Poids d'un corps : relation poids masse - 4e

Classe: 
Quatrième
 

I- Texte introductif

1. Se promenant dans un verger, Moussa voit tomber des fruits mûrs. Il se pose alors les questions suivantes :
 
Qu'est ce qui fait tomber ces fruits ?
 
$\centerdot\ $ Pourquoi ces fruits ne s'envolent-ils pas ?
 
2. Vous disposez d'un aimant et d'un clou. Placez le clou près de l'aimant.
 
$\centerdot\ $ Qu'observez-vous ?
 
$\centerdot\ $ Comment l'expliquez-vous ?
 
$\centerdot\ $ Ces observations peuvent-elles nous permettre de répondre aux questions de Moussa ?

II- Contenus

Les fruits et les feuilles tombent, car ils sont attirés par la terre. 
 
De même le clou placé près de l'aimant est attiré par ce dernier.

1. Le poids d'un objet

1.1. Mise en évidence du poids d'un objet

La photo 1 montre l'allongement du ressort sous l'action du poids de l'objet.
 
La photo 2 montre la déformation de la tige flexible sous l'action du poids de l'objet

I-2. Définition du poids d'un objet

Le poids d'un objet est l'attraction que la terre exerce sur cet objet.

1.3. Caractéristiques du poids

1.3.1. Droite d'action du poids

Le poids agit suivant une droite verticale appelée droite d'action du poids.

1.3.2. Sens du poids

Après la rupture du fil, l'objet tombe en chute libre suivant la direction du fil.
 
L'action du poids a pour direction celle du fil qui définit la verticale. Son sens est vers le bas.
 
Les objets attirés par la terre partent du haut vers le bas : 
 
On dit que le poids a un sens. 
 
Le sens du poids est du haut vers le bas.
 
 

1.3.3. Point d'application du poids

Pour déterminer, par exemple, le point d'application du poids d'une plaque de forme quelconque, on la suspend par un de ses points et on trace la verticale passant par ce point.
 
On recommence l'expérience pour plusieurs autres points.
 
On observe alors que toutes les verticales tracées sont concourantes à un point $G.$ Le point $G$, point de rencontre des verticales, est le point d'application du poids.
 
 
Ce point $G$ est appelé centre de gravité de la plaque.
 
La plaque tombe toujours du coté où se situe le centre de gravité.
 
Le poids de l'objet agit au centre de gravité.
 
Le centre de gravité est appelé point d'application du poids.

1.3.4. Intensité du poids

 
La photo 1 montre un ressort au bout duquel, on a accroché un plateau vide, on repère la position de l'index à une graduation de 20.9 cm.
 
La photo 2 montre une masse $A$ posée sur le plateau, on repère l'index à 24.3 cm, ce qui correspond à un allongement de 3.4 cm du ressort.
 
La photo 3 montre une masse B double de $A$, posée sur le poids, on repère l'index à 27.7 cm, soit un allongement 6.8 cm.
 
L'objet B provoque un allongement plus important du ressort que celui provoqué par l'objet
 
$A$ : le poids de $B$ est plus intense que le poids de $A.$
 
Le poids d'un objet se caractérise par son intensité qui donne sa valeur numérique.

L'intensité du poids d'un objet se mesure à l'aide d'un appareil appelé dynamomètre.

L'intensité du poids est exprimée en newton dans le système international. Son symbole est $N.$

Photo d'un dynamomètre indiquant le poids d'un objet
 
 
Représentation vectorielle
 
Le poids d'un objet possède quatre caractéristiques :
 
$\rhd$ Sa droite d'action qui est verticale
 
$\rhd$ Son sens qui est du haut vers le bas
 
$\rhd$ Un point d'application : le centre de gravité de l'objet
 
$\rhd$ Son intensité, c'est à dire sa valeur numérique en newtons.
 
On peut représenter sur un schéma ces quatre caractéristiques du poids.

N.B. 

L'intensité est représentée alors par un segment dont la longueur est déterminée selon une échelle.
 
 
Le schéma obtenu est appelé vecteur poids noté $\vec{P}$ : 
 
le poids est une grandeur vectorielle.
 
Schéma d'un dynamomètre vertical

II- Relation entre l'intensité du poids et la masse d'un objet

II-1. Tableau de mesures

On dispose de masses marquées $A\;,\ B\;,\ C\text{ et }D$ de masses respectives $m_{A}\;,\ m_{B}\;,\ m_{C}\text{ et }m_{D}.$ 
 
On mesure les intensités respectives des poids de ces objets à l'aide d'un dynamomètre, puis on complète le tableau suivant :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline \text{Corps}&A&B&C&D\\ \hline \text{Masses}& m_{A}=\ldots & m_{B}=\ldots & m_{C}=\ldots & m_{D}=\ldots\\ \hline \text{Intensité du poids}& P_{A}=\ldots & P_{B}=\ldots & P_{C}=\ldots & P_{D}=\ldots\\ \hline \end{array}$$
 
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline \text{Corps}&A&B&C&D\\ \hline \text{Rapport}\dfrac{P}{m}&\ldots &\ldots &\ldots &\ldots\\ \hline \end{array}$$
 
On obtient des résultats sensiblement égaux ; on peut écrire :
 
$\dfrac{P_{A}}{m_{A}}=\dfrac{P_{B}}{m_{B}}=\dfrac{P_{C}}{m_{C}}=\dfrac{P_{D}}{m_{D}}=\text{constante}$
 
La masse et l'intensité du poids sont proportionnelles.
 
Le rapport $\dfrac{P}{m}$ est appelé l'intensité de la pesanteur. 
 
On la note $g.$

II-3. Relation entre le poids et la masse

Le rapport $\dfrac{P}{m}=g$ conduit à la relation suivante : $P=m\,g$
 
L'intensité de la pesanteur $g$ s'exprime en newton par kilogramme $\left( N\cdot kg^{-1}\right)$ dans le système international.

II-4. L'intensité de la pesanteur varie en fonction du lieu.

La masse d'un objet étant constante, l'intensité de son poids dépend du lieu.
 
$\centerdot$ La valeur de $g$ dépend de la latitude et de l'altitude.

Exemple :

$\rhd$ sur la surface de la terre : $g=9.78\,N\cdot kg^{-1}$ à Dakar et $g=9.81\,N\cdot kg^{-1}$ à Paris.

Résumé

Le poids d'un objet est l'attraction exercée par la terre sur cet objet.
 
Le poids possède quatre caractéristiques qui sont :
 
$\rhd$ Sa droite d'action : droite selon laquelle le poids agit. 
 
C'est la verticale du lieu où se trouve l'objet.
 
$\rhd$ Son sens : sens du mouvement que peut provoquer cette attraction. 
 
Son sens est du haut vers le bas
 
$\rhd$ Son point d'application : endroit où le poids s'applique.
 
C'est le centre de gravité de l'objet attiré.
 
$\rhd$ Son intensité : renseigne sur la valeur de cette attraction. 
 
Elle se mesure à l'aide d'un dynamomètre et s'exprime en newton de symbole $N.$
 
Le poids est une grandeur vectorielle. 
 
Il est représenté par un vecteur.
 
L'intensité du poids est proportionnelle à la masse de l'objet.
 
L'intensité du poids est reliée à la masse par la relation : $P=m\,g$

Lecture : La pomme de Newton

Tout le monde connaît l'histoire de la pomme de Newton. 
 
Le jeune savant reçoit sur la tête une pomme, et hop, il en déduit la loi de la Gravitation Universelle !
 
Cette caricature, dont personnellement j'adore la mise en scène sous le crayon de Gotlib, illustre bien le perpétuel éveil de l'esprit scientifique.
 
 
 
En effet, en 1666 et 1667, le jeune bachelier Isaac N. réside à la campagne, loin de Londres où sévit une épidémie de peste entrecoupée d'épisodes de grippe (cette dernière maladie avait déjà tué à Gravesend la jeune Rebecca Rolfe, née Mataoka, plus connue par son surnom amérindien de Pocahontas.
 
Bon, d'accord, ça n'a rien à voir, et c'était en 1616, mais j'avais envie de le dire, c'est tout). 
 
Il découvre les joies des promenades bucoliques et un soir, dans son verger de Woolsthorpe (Lincolnshire), il observe la chute d'une pomme, alors que la Lune brille dans le ciel.
 
Connaissant la nature intrinsèquement proche de ces deux corps, Newton se pose la question :
 
Pourquoi la Lune ne tombe-t-elle pas elle aussi ?
 
La réponse le frappe avec une évidence soudaine : 
 
Bien sûr, la Lune tombe ! Sinon, elle s'éloignerait de la Terre à tout jamais, emportée par sa vitesse.
 
Elle est retenue sur son orbite par une force sans support physique, la gravitation.
 
En quelques instants, la formule est établie, puis peaufinée longuement, pour devenir une phrase bien connue de tous ceux que la physique amuse et de tous ceux que la physique rebute.
 
Cette phrase définissant l'attraction universelle, vous la connaissez ?
 
Mais si, rappelez-vous : "Les autres s'attirent de
façon proportionnelle au produit de leur masse et
inversement proportionnelle au carré de la 
distance qui les sépare."
On peut traduire par une formule donnant la force 
d'attraction mutuelle $F$ qui s'exerce entre les masses
$m_{1}$ et $m_{2}$ séparées de la distance $d.$
 
Dans cette formule, $G$ est une constante universelle, appelée constante de gravitation $\left(\text{valeur }6.672\cdot 10^{-11}N\,m^{2}kg^{-2}\right).$
 
La Terre, masse $5.98\cdot 10^{24}kg$ à une distance (rayon) de 6 378 000 m un terrien moyen, type ascenseur (masse 70 kg) un Airbus, masse 100 000 kg à une distance de 6 000 m
la Lune, masse $7.35\cdot 10^{22}kg$ à une distance de 384 000 000 m Jupiter, masse $1.9\cdot 10^{28}kg$ à une distance de 778 300 000 000 m (demi-grand axe).
 
la formule donne la force exercée sur le terrien par ces différents corps.
 
Terre : $686.572\,N(69.987\,kg)$ « Lâche pas ton béret, Maurice ! »
 
avion : $1.167\cdot 10^{-10}N(0.0000000119\,g)$
 
Lune : $0.00232\,N(0.237\,g)$
 
Jupiter : $1.464\cdot 10^{-4}N(0.0149\,g)$
 

Source: 
irempt.ucad.sn

Série d'exercices sur Grandeurs physiques et mesures - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1

Compléter le tableau suivant :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \text{Grandeurs}&\text{Nom de l'unité}&\text{Symbole de}&\text{Instrument de}\\ \text{physiques}& &\text{l'unité}&\text{mesure}\\ \hline &\text{mètre}& &\\ \hline & & &\text{balance}\\ \hline \text{volume}& & &\\ \hline & &A&\\ \hline \text{temps}& & &\\ \hline & & &\text{thermomètre}\\ \hline \end{array}$$

Exercice 2

1) Compléter le tableau en précisant pour chaque instrument de mesures, la grandeur physique mesurée :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{balance}&\text{chronomètre}&\text{thermomètre}&\text{sablier}&\text{règle}&\text{ampèremètre}\\ & & & &\text{graduée}&\\ \hline & & & & &\\ \hline \end{array}$$
 
2) Indiquer pour chaque instrument de mesure une personne qui a l'habitude de l'utiliser.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{balance}&\text{chronomètre}&\text{thermomètre}&\text{ruban-mètre}&\text{multimètre}&\text{manomètre}\\ & & & & &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 3

Classer les mots soulignés ci-dessous dans un tableau à deux colonnes, une pour les grandeurs physiques et l'autre pour les unités.
 
a) La distance entre deux villes se mesure en kilomètres.
 
b) Le volume d'un litre de lait est 1 $dm^{3}.$
 
c) La masse d'un sac de riz est de $50\;kg.$
 
d) La durée du cours de physique est de 2 heures.
 
e) 37 $^{\circ}$C est la température normale du corps humain.

Exercice 4

1) Donner l'écriture scientifique des nombres suivants :
 
a) $178\;m$ ; 
 
b) $15386\;kg$ ; 
 
c) $6000\;W$ ; 
 
d) $0.000876$
 
2) Quel est l'ordre de grandeur des valeurs numériques suivantes :
 
a) $6370$ ; 
 
b) $1.035\cdot 10^{3}$ 
 
c) $2.876\cdot 10 ^{2}$
 
d) $9.554\cdot 10^{-3}$
 
3) Donner les chiffres significatifs des nombres suivants :
 
a) $0.0041$ ; 
 
b) $0.2075$ ; 
 
c) $6.0532890$ ; 
 
d) $0.0000010$

Exercice 5

1) Convertir les masses suivantes :
 
a) $1\;kg\text{ en }g$ 
 
b) $1\;g\text{ en }kg$ 
 
c) $0.9\;hg\text{ en }mg$ 
 
d) $1.8\;kg\text{ en }g$
 
2) Convertir les volumes suivants :
 
a) $25000\;mL\text{ en }hL$ 
 
b) $0.25\;hL\text{ en }L$ 
 
c) $87\;L\text{ en }dL$ 
 
d) $0.03\;L\text{ en }mL$
 
e) $1250\;cm^{3}\text{ en }dm^{3}$ 
 
f) $1.5\;dm^{3}\text{ en }m^{3}$ 
 
g) $1.5\;dm^{3}\text{ en }mL$ 
 
h) $125\;mL\text{ en }dm^{3}.$

Exercice 6

1) Écrire à l'aide d'une puissance de 10, les nombres suivants :
 
a) $0.000000000001$ 
 
b) $100000000$ 
 
c) $1$ 
 
d) $10000$
 
2) Écrire à l'aide d'une puissance de 10, les nombres suivants :
 
a) un milliard b) un millième c) cent mille d) un millionième.
 
3) Exprimer sous la forme d'une puissance de 10, les nombres suivants :
 
a) $10^{5}\times 10^{7}$
 
b) $10^{-11}\times 10^{3}\times 10^{2}$
 
c) $3.1\times 10^{5}+4.8\times 10^{3}$

Exercice 7

1) Parmi les nombres suivants, quels sont ceux écrits en notation scientifique ?
 
a) $5.23\times 10^{12}$
 
b) $0.251\times 10^{3}$
 
c) $72.43\times 10^{-8}$
 
d) $-1.47\times 10^{6}$
 
2) Écrire les nombres suivants en notation scientifique
 
a) $7283$
 
b) $12.47$
 
c) $0.67\times 10^{2}$
 
d) $0.0058$

Exercice 8

Calculer et donner les résultats sous la forme d'une écriture scientifique :
 
a) $150\times 10^{3}\times 8\times 10^{5}$
 
b) $2\times 10^{9}\times 7\times 10^{6}$
 
c) $2\times 10^{3}\times 5\times 10^{-5}$
 
d) $3\times 10^{2}\times 1.2\times 10^{-5}$

Exercice 9

Notre planète est entourée d'une couche d'air dont la plus grande partie est répartie sur une épaisseur d'une dizaine de kilomètres. 
 
On appelle pression atmosphérique la pression qu'exerce cette couche d'air sur les corps à la surface de la Terre. 
 
Le symbole de la pression est $P.$ 
 
La pression atmosphérique est une donnée précieuse pour la météorologie car les mouvements des masses d'air en altitude sont responsables de l'évolution du climat.
 
La mesure de la pression atmosphérique est donc nécessaire pour prévoir les conditions climatiques. L'unité légale de la pression est le pascal $($symbole : $Pa).$ 
 
La pression atmosphérique est mesurée par un appareil de mesure : le baromètre.
 
Certains baromètres sont gradués en hectopascals $($symbole : $hPa)$ ou en millibars $($ symbole : $mbar).$ 
 
D'autres baromètres sont gradués en hauteur de colonne de mercure $($symbole : $mm\,Hg).$
 
1) Quel instrument de mesure est cité dans ce texte ?
 
2) Que mesure cet instrument ?
 
3) Quel est le symbole de la pression ?
 
4) Quelle est l'unité de pression dans le système international ? 
 
Quel est son symbole ?
 
5) Donner les autres unités de pression citées dans le texte. 
 
Donner le symbole de chacune de ces unités.
 
6) Convertir un hectopascal en pascal.
 
7) A part les laboratoires de météorologie, dans quels lieux trouve-t-on des appareils qui permettent de mesurer la pression ? Qui les utilisent ?

Exercice 10

Complète la phrase ci-dessous
 
L'écriture scientifique d'un nombre est donnée par le ......... d'un nombre décimal compris entre $1$ et $10$ par une ............... entière de $10.$

Exercice 11 Conversion d'unités

Effectuer des conversions suivantes
 
1) $3\;km=\ldots dam=\ldots m=\ldots mm$
 
2) $1.5\;dm=\ldots m=\ldots mm$
 
3) $62\;g=\ldots mg=\ldots kg=\ldots t$
 
4) $4.2\;dm^{3}=\ldots cm^{3}=\ldots ml$
 
5) $0.9\;hl=\ldots m^{3}=\ldots l=\ldots cm^{3}$
 
6) $1.3\cdot 10^{-6}km^{2}=\ldots m^{2}=\ldots dm^{2}=\ldots mm^{2}$

Exercice 12 Chiffres significatifs

1) Cite les critères qui définissent un chiffre significatif.
 
2) Donne le nombre de chiffres significatifs des valeurs suivantes
 
a) $0.08\;m$
 
b) $5.02\;m$
 
c) $0.50\;m$
 
d) $5.00\;m$

Exercice 13 Chiffres significatifs et notation scientifique

Les données ci-dessous correspondent à des résultats de mesure de longueur exprimés en mètre.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline A&B&C&D&E&F\\ \hline 5.43&58.0&1200&0.0005&4804.02&20.300\\ \hline \end{array}$$
 
1) Donne le nombre de chiffres significatifs pour chaque mesure.
 
2) Exprime ces données en notation scientifique.

Exercice 14 Se servir du double-décimètre

Une longueur est mesurée avec une règle graduée en $cm.$
 
1) Choisis l'écriture correcte de la valeur mesurée.
 
a) $13.00\;cm$
 
b) $13.0\;cm$
 
c) $13.000\;cm$
 
d) $13\;cm$
 
2) Donne une explication au rejet de chacune des autres valeurs.

Exercice 15 Précision d'une mesure

Les écritures du résultat de la mesure d'une longueur sont notées ci-dessous.
 
1) Entoure la lettre qui correspond à la mesure la plus précise
 
a) $15.2\;cm$
 
b) $0.152\;m$
 
c) $152\;mm$
 
d) $152.0\;mm$
 
e) $152\cdot 10^{-3} m$
 
2) Sur quoi peut-on s'appuyer pour justifier ce choix ?

Exercice 16 Précision d'un calcul à partir de valeurs mesurées

Les mesures des dimensions de deux champs rectangulaires ont donné les résultats suivants :
 
$\centerdot$ Champ 1 : $L_{1}=121.9\;m\text{ et }l_{1}=65.0\;m$
 
$\centerdot$ Champ 2 : $L_{2}=1.46\;m\text{ et }l_{2}=0.78\;m$
 
1) Calcule les aires $A_{1}\text{ et }A_{2}$ des surfaces correspondantes en respectant le nombre de chiffres significatifs.
 
2) Calcule les périmètres correspondants.

Exercice 17 Disque circulaire

Le périmètre d'un disque circulaire de rayon $R$ est donné par $C=2\pi R$ et l'aire de sa surface a pour l'expression $A=\pi R^{2}.$
 
Un disque circulaire à un diamètre $D=20.0\;cm$
 
1) Détermine son périmètre.
 
2) Calcule l'aire de sa surface.

Exercice 18 Détermination de volume

1) Indique la valeur de chaque volume (en mL) mesuré ci-dessous.
 
 
 
2) Représente dans chaque cas le volume indiqué à l'aide d'un trait horizontal.
 

Source: 
irempt.ucad.sn & adem

Grandeurs physiques et mesures - 4e

Classe: 
Quatrième
 

I- Texte introductif : portrait d'un professeur

M. Fall est un homme élancé, mince, léger, solide, lent dans ses déplacements             
et lucide. Il a des yeux vifs qui peuvent détecter rapidement les élèves turbulents. 
Il est beau et très sympathique. C'est un bon professeur.                                                                                                                                                                              

Questions :

1) Relevez dans le texte les traits physiques et les caractères du professeur.
 
2) Parmi ces éléments de description, indiquer ceux qu'on peut mesurer.
 
3) Préciser alors le nom de l'instrument qu'on peut utiliser pour mesurer chacun des éléments cités à la deuxième question
 
Parmi les caractères et les traits physiques du professeur, certains peuvent être mesurés alors que d'autres relèvent d'une appréciation ou jugement de valeur.

II- Contenus

1. Grandeurs physiques

1.1 Définition

Une grandeur physique est une propriété d'un phénomène qui peut être déterminée par la mesure ou le calcul.

Exemples :

La longueur, la masse, la durée, le volume, la vitesse, les angles ... sont des grandeurs physiques.

1.2 Mesure d'une grandeur physique et unités de mesure

Mesurer une grandeur physique c'est la comparer à une autre de même nature prise comme unité.
 
L'objet ou la grandeur de comparaison, ou de référence, est appelé étalon. 
 
Chaque grandeur possède une unité.
 
Le tableau ci-dessous donne des exemples de grandeurs physiques, leur unité dans le système international ainsi que quelques instruments de mesure.
$$\begin{array}{|l|l|l|} \hline \text{Grandeurs physiques}&\text{Unités du système}&\text{Instruments de mesure}\\ &\text{international}&\\ \hline \text{Nom}&\text{Nom              |  Symbole}&\\ \hline \text{Longueur}&\text{mètre            |  m}&\text{règle graduée}\\ \hline \text{Masse}&\text{kilogramme  |  kg}&\text{balance}\\ \hline \text{Temps}&\text{seconde         |  s}&\text{montre, chronomètre}\\ \hline \text{Intensité d'un courant électrique}&\text{ampère         |  A}&\text{ampèremètre}\\ \hline \text{Volume}&\text{mètre cube} \ \ \ | m^{3}&\text{burette, éprouvette graduée}\\ \hline \end{array}$$
 
On exprime alors la grandeur physique par un nombre généralement accompagné d'une unité de mesure.

Exemple :

On mesure la taille du professeur en la comparant à l'unité de longueur, le mètre.
 
Dire que la taille du professeur est $1.8\,m$ signifie qu'elle est $1.8$ fois le mètre.
 
Les unités ont été choisies selon des accords internationaux et constituent les unités du système international ou unité SI.
 
Une unité SI est parfois trop grande ou trop petite pour être d'une utilisation simple.
 
On a donc créé les multiples et les sous multiples, on les utilise en plaçant des préfixes devant l'unité.
 
Tableau des principaux multiples et sous multiples
$$\begin{array}{|c|c|} \hline \text{multiples}&\text{sous-multiples}\\ \hline \text{kilo (k)|hecto (h)|déca (da)}&\text{déci (d)|centi (c)|milli (m)}\\ \hline \end{array}$$
 
Dans la vie courante, les grandeurs sont parfois exprimées en d'autres unités appelées unités usuelles et qui sont souvent des multiples ou sous multiples de l'unité du système international.
 
Le tableau en donne quelques exemples.
$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \text{Grandeurs physiques}&\text{Nom de l'unité}&\text{Symbole de l'unité}\\ \hline \text{Longueur}&\text{kilomètre}&km\\ \hline \text{Surface}&\text{hectare}&ha\\ \hline \text{Volume}&\text{litre}&L\\ \hline \text{Temps}&\text{heure}&h\\ \hline \text{Angle}&\text{degré}&\circ\\ \hline \text{Masse}&\text{tonne}&t\\ \hline \text{température}&\text{degré Celsius}&^{\circ}C\\ \hline \end{array}$$

1.3 Incertitude d'une mesure

Dans une classe, le professeur choisit dix élèves pour mesurer la longueur du tableau avec le même instrument. 
 
Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau ci dessous.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Nom élève}&\text{Moustapha}&\text{Alioune}&\text{Jean}&\text{Fatou}&\text{Adama}&\text{Awa}&\text{Henry}&\text{Ousmane}&\text{Cheikh}&\text{Karim}\\ \hline \text{Longueur (m)}&5&4.95&5.12&5&4.97&5.05&5&4.98&5.1&5\\ \hline \end{array}$$
 
Avec le même instrument de mesure, les élèves ont obtenu des résultats différents. 
 
La longueur exacte du tableau n'est donc pas connue : on dit qu'il y a une incertitude sur la mesure.
 
Toute mesure en physique est entachée d'incertitudes.

2. Présentation du résultat d'une mesure

2.1 Chiffres significatifs

Les valeurs numériques en Sciences Physiques résultent de mesures et sont donc connues avec une incertitude liée au dispositif expérimental.
 
Le dernier chiffre d'une valeur numérique donne une indication sur la précision avec laquelle cette valeur a été mesurée ou calculée : 
les chiffres utiles qui mesurent la grandeur physique, sont dits significatifs.

Exemple : 

La longueur d'un mur vaut $5.12\,m.$ 
 
La mesure est faite au centième de mètre près :
 
on dit que le résultat est présenté avec $3$ chiffres significatifs Si le résultat est $5.1\,m$, la précision est égale au dixième de mètre : 
 
on dit que le résultat est présenté avec $2$ chiffres significatifs.
 
On appelle chiffres significatifs d'une valeur numérique tous les chiffres autres que les zéros $« 0 »$ placés à gauche du nombre.

Exemples :

$\centerdot\ $ $0.08\,m$ : un seul chiffre significatif, le $8$ : la valeur exacte est comprise entre $0.07\,m$ et $0.09\,m.$
 
$\centerdot\ $ $5.00\,m$ : trois chiffres significatifs : la valeur exacte est comprise entre $4.99\,m$ et $5.01\,m.$
 
$\centerdot\ $ $5.0\,m $: deux chiffres significatifs : la valeur exacte est comprise entre $4.9\,m$ et $5.1\,m.$
 
$\centerdot\ $ $5\,m$ : un chiffre significatif : la valeur exacte est comprise entre $4\,m$ et $6\,m.$

2.2 La notation scientifique

La notation scientifique est la façon la plus satisfaisante de présenter une valeur numérique.
 
On écrit le premier chiffre différent de $« 0 »$, suivi d'une virgule puis des autres chiffres et de la puissance de $10$ convenable de la forme $a\times 10^{n}$
 
Avec « $a$ » : un nombre décimal ayant un seul chiffre non nul avant la virgule. « $a$ » est appelé mantisse.

Exemple :

La salle de classe a une forme rectangulaire. 
 
Sa longueur est $L=0.5\,m$ et sa la largeur est $l=7.2\,m.$
 
Calculer la surface de la salle et exprimer le résultat en notation scientifique.
 
$S=L\times l=10.5\times 7.2=75.6 m^{2}=7.56\cdot 10^{1} m^{2}$

3. Multiplication d'un nombre par une puissance de $10$

3.1 Pour tout nombre entier positif $n$ :

$\centerdot\ 10^{n}=10\times 10\times 10\times\ldots\times 10\ (n\text{ facteurs})=1000\ldots 0\ (n\text{zéros})$ ;
 
$\centerdot\ 10^{-n}=0.00\ldots 01\ (n\text{ zéros en tenant compte du zéro avant la virgule, le dernier chiffre étant 1})$ ;
 
$\centerdot\ 10^{0}=1$ ;

3.2 Multiplier un nombre par $10^{n}$

Revient à décaler la virgule de $n$ rangs vers la droite (on complète par des zéros si nécessaire).

3.3 Multiplier un nombre par $10^{-n}$

Revient à décaler la virgule de $n$ rangs vers la gauche (on complète par des zéros si nécessaire).
 
Source: 
irempt.ucad.sn

Série d'exercices sur l' Introduction aux sciences physiques - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1

Compléter les phrases suivantes :
 
Une transformation qui ne change pas la nature des corps est un phénomène ........
 
Un phénomène chimique est une transformation qui ......... la nature des corps.
 
Les solides, les liquides et les gaz sont les différents ........ de la matière.
 
Les corps qu'on peut saisir sont des ........ les autres sont des ........ ou des ........
 
Lorsqu'un corps passe d'un état physique à un autre état, il subit un ....... d'état.
 
Le passage de l'état solide à l'état liquide est appelé ........
 
La sublimation est le passage de l'état ....... à l'état .......

Exercice 2 

Cocher la bonne réponse.
$$\begin{array}{|l|l|l|} \hline &\text{Phénomène physique}&\text{Phénomène chimique}\\ \hline \text{1. Combustion du bois}& &\\ \hline \text{2. Fusion de la glace}& &\\ \hline \text{3. Cuisson d'un oeuf}& &\\ \hline \text{4. Lumière d'une lampe à}& &\\ \text{incandescence}& &\\ \hline \text{5. Lumière d'une bougie}& &\\ \hline \text{6. Dissolution du sucre}& &\\ \hline \text{7. La digestion d'un aliment}& &\\ \hline \text{8. Le déplacement d'un objet}& &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 3 

L'intrus
 
Dans chacun des groupes suivants, trois éléments correspondent au même phénomène.
 
1) Quel est ce phénomène ?
 
2) Trouver l'intrus dans chaque groupe.
$$\begin{array}{|l|l|} \hline \text{Groupe 1}&\text{Groupe 2}\\ \hline \text{1. Attraction des clous en fer par l’aimant.}&\text{1 .Maturation des fruits}\\ \text{2. Chute d'un fruit mur}&\text{2. Variation de la température d'un corps}\\ \text{3. Changent de couleurs des feuilles vertes des arbres.}&\text{3. Formation de la rouille}\\ \text{4. La dilatation d’un corps chauffé}&\text{4. Cuisson des aliments}\\ \hline \end{array}$$

Exercice 4 

Technique de construction des bâtiments.
 
Écartement entre les murs du bâtiment (photo 1) et entre les barres (photo 2). 
 
Expliquer cette prévision des techniciens.
 
Photo 1                                                                               Photo 2

Exercice 5 

Changements d'état physique
 
$\centerdot$ Le camphre est un insecticide solide blanc utilisé contre les cafards. 
 
Placé dans une armoire, son odeur s'y répand et on constate que son volume diminue progressivement.
 
$\centerdot$ Les désodorisants solides embaument les salles de bain et leur volume diminue aussi.
 
$\centerdot$ Le linge exposé au soleil ainsi que le tableau mouillé deviennent secs.
 
Pour chaque corps cité dans le texte ci-dessus, précisez la transformation qui s'est produite.

Exercice 6

Le cycle de l'eau
 
Commenter les différentes transformations que subit l'eau dans ce cycle.

Exercice 7

Cite les critères qui permettent de distinguer un phénomène physique d'un phénomène chimique.

Exercice 8 phénomènes physiques et phénomènes chimiques.

Classe dans les deux colonnes du tableau ci-dessous les phénomènes ci-dessous en phénomène physique et phénomène chimique.
 
$\centerdot$ L'attraction des morceaux de fer par un aimant
 
$\centerdot$ le pourrissement d'un fruit
 
$\centerdot$ l'action de l'air marin sur les objets en fer
 
$\centerdot$ la transformation du lait frais en lait caillé
 
$\centerdot$ la formation de l'arc-en-ciel
 
$\centerdot$ la dilatation d'une barre de fer
 
$\centerdot$ la combustion du charbon de bois
 
$\centerdot$ l'ébullition de l'eau
 
$\centerdot$ la mise en mouvement d'un ballon de basket
 
$$\begin{array}{|c|c|} \hline \text{Phénomène physique}&\text{Phénomène chimique}\\ \hline &\\ \hline &\\ \hline &\\ \hline &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 9

Relève dans les récits suivants les phénomènes chimiques et les phénomènes physiques.
 
Préparation du café
 
Fatou verse de l'eau dans la casserole placée sur la cuisinière, puis allume le gaz. Elle chauffe l'eau pendant quelques minutes. 
 
Quand l'eau commence à bouillir, elle y dissout quelques morceaux de sucre et du café en poudre.
 
Une ménagère imprudente
 
Une ménagère allume un feu de bois. Elle pose sur le feu une marmite contenant de l'huile et laisse chauffer pendant quelques minutes. 
 
Un peu distraite, l'huile commence à bouillir. 
 
Elle soulève le couvercle et la vapeur d'huile s'enflamme.

Exercice 10 États de la matière

Précise l'état physique de la matière dans chacun des cas ci-dessous.
 
1) La matière est fluide.
 
2) Elle peut fondre.
 
3) Elle coule.
 
4) Elle est expansible.
 
5) Elle se vaporise.
 
6) Elle prend la forme du récipient qui la contient.

Exercice 11

Réponds par vrai (V) ou faux(F) aux affirmations suivantes
 
1) L'ébullition est le passage de l'état liquide à l'état vapeur.
 
2) Au cours d'un changement d'état, la température d'un corps varie.
 
3) La sublimation est le passage de l'état gazeux à l'état liquide.
 
4) Au-dessus de $100^{\circ}C$ tous les corps sont à l'état gazeux.
 
5) Certains corps solides peuvent passer directement de l'état solide à l'état gazeux.
 
6) La buée d'eau correspond à l'état gazeux.
 
7) Aucun corps ne peut bouillir en dessous de $100^{\circ}C.$

Exercice 12 Changements d'état

Recopie les schémas et complète-les en écrivant l'état physique dans la case vide et le changement d'état correspondant à la flèche.
 

Exercice 13 Des phénomènes familiers

1) Dans la chambre froide du réfrigérateur, on trouve du givre.
 
Quelle transformation a eu lieu ?
 
2) Le matin tu observes la rosée sur la vitre de la fenêtre ? 
 
Comment s'est-elle formée ? 
 
Comment disparaît-elle ?
 
3) Ali verse de l'alcool sur sa peau et constate qu'il disparait très vite ; ce qui n'est pas le cas pour l'eau. 
 
Quelle est la nature de la transformation qui a eu lieu. 
 
Propose une explication du phénomène.
 
4) Pendant la pluie, Nafi s'enferme dans sa voiture. 
 
A l'intérieur du véhicule, de la buée se forme sur les vitres. 
 
D'où provient cette buée ? 
 
Comment est-elle apparue ?
 
5) Le camphre est un insecticide solide, de couleur blanche ; il est utilisé contre les cafards. 
 
Placé dans une armoire, son odeur s'y répand et il disparaît totalement au bout de quelques jours.
 
Nomme la transformation subie par le camphre. 
 
Justifie.

                                                     Le schéma ci-dessous représente le cycle de l'eau.

 Décris le trajet suivi par l'eau depuis les océans, en précisant les différentes transformations qu'elle subit.

$\begin{array}{c}\blacktriangleright\,\boxed{\text{Correction des exercices}}\end{array}$


 
 
Source: 
irempt.ucad.sn & ADEM

Introduction aux sciences physiques - 4e

Classe: 
Quatrième
 

I- Texte introductif

1. Pour chacune des photos ci-dessus, donner la signification du mot phénomène.
 
2. Comparer les deux phénomènes : la rouille et la fusion de la glace.
 
3. Quelle différence y-a t-il entre la glace et l'eau ?
 
En Science, un phénomène est un fait observé ou perçu par les sens. 
 
Par contre dans la vie courante, un phénomène est un fait, une situation ou un personnage extraordinaire.

 
 
 
                                         Une façon de voyager par la mer et par la 
                                         pirogue. Ce phénomène est de plus en plus 
                                         visible.

 
 
                                                         Einstein : un phénomène du $19^{\circ}$ siècle ?

 

     La rouille : un phénomène courant. 

 

 
    A l'air libre, la glace fond : cette 
      fusion est un phénomène inévitable.                                                                                                                                                                                           

II- Phénomènes physiques te phénomènes chimiques

II-1. Phénomènes physiques 

Expérience 1 : transformation de l'eau 

On place un tube à essai contenant de l'eau dans un mélange réfrigérant (glace pilée+sel de cuisine). 

Quelques temps après, on constate que l'eau  (liquide) se transforme en glace (solide). (Figure 1).

Inversement, un morceau de glace abandonné à l'air libre fond.


 

 

Expérience 2 : dilatation d'un corps

1. Cas des gaz 

 
 
Les photos montrent un ballon de baudruche qui recouvre le col d'une fiole contenant de l'air. 

La fiole est introduite dans de l'eau chaude et on observe que le ballon de baudruche se gonfle : l'air contenu dans la fiole a augmenté de volume. C'est la dilatation de l'air.
 
Généralement, quand on chauffe un gaz, son volume augmente : on dit qu'il se dilate.                                         

2. Cas des liquides

Un ballon surmonté d'un tube fin, contient de l'eau. Après avoir repéré le niveau de l'eau dans le tube, on plonge le ballon dans l'eau chaude.

On note que le niveau de l'eau dans le tube monte. On peut effectuer la même opération avec un ballon de plus grand volume et utiliser de l'eau chaude de même température. Comparer les dilatations observées

 
 
. 
L'expérience et les comparaisons peuvent être répétées avec de l'eau chaude à des températures différentes de l'air.
 
Lorsqu'un liquide chauffe, il occupe plus de volume : il se dilate.

3. Cas des solides

 
 
Les photos montrent une boule métallique non chauffée que l'on peut introduire à travers un anneau métallique de diamètre légèrement supérieur à celui de la boule : la boule passe à travers l'anneau. La même boule chauffée ne passe plus à travers l'anneau. 

Donc son volume a augmenté au cours du chauffage.
 
Au cours de la dilatation, seuls les volumes des différents corps ont augmenté.

Conclusion 

Les transformations observées dans les expériences 1 et 2 sont des exemples de phénomènes physiques.
 
Un phénomène physique est une transformation au cours de laquelle les corps ne changent pas de nature.

II-2. Phénomènes chimiques

$1^{ère}$ observation

Au contact de l'air, le fer se transforme en rouille

 

 
La rouille est la substance de couleur brun-rouge formée quand des composés contenant du fer sont en contact avec le dioxygène et d'eau.

$2^{ème}$ observation

Un feu de brousse provoque d'importants dégâts. Les flammes ravagent les pâturages et brulent de grands espaces d'arbres.

 
 
 
Pendant cette combustion, la végétation se transforme en cendre.

$3^{ème}$ observation

S'il n'y a pas assez de dioxygène pour brûler tout le butane il se produit une combustion incomplète : il apparaît un composé solide noir : le carbone et un composé gazeux incolore, inodore et surtout très toxique : du monoxyde de carbone

 
 
 

Conclusion 

Les transformations observées : le fer qui rouille, la végétation qui brule, la combustion incomplète du gaz butane sont des exemples de phénomènes chimiques.
 
Un phénomène chimique est une transformation au cours de laquelle les corps changent de nature.

III- Les états de la matière-les changements d'état physique 

III-1. Les états de la matière

On peut grouper les objets en trois catégories : les solides, les liquides et les gaz.
 
Les solides : la craie, la pierre, le clou, la glace, etc..
 
Un corps est solide s'il a de la consistance, s'il est difficile à déformer avec un volume pratiquement invariable.
 
Les liquides : l'eau, l'alcool, l'huile, le lait, etc...
 
Un liquide est un corps qui coule, il occupe le fond du récipient qui le contient et prend la forme de ce dernier : il n'a pas de forme propre.
 
Les gaz : l'air, la vapeur d'eau, le gaz carbonique, le gaz oxygène, le gaz butane, etc...
 
Un gaz n'a pas de forme propre, il occupe tout le volume du récipient qui le contient. Il est compressible et expansible.

III-2. Les changements d'états physiques

Un corps peut passer d'un état physique à un autre : il change d'état physique.

 

 
Schéma des changements d'état physique

Résumé

Au cours d'un phénomène physique, les corps ne changent pas de nature.
 
Au cours d'un phénomène chimique, les corps se transforment en d'autres corps.
 
Les différents changements l'état des corps sont :
 
$-\ \ $ La solidification : passage de l'état liquide à l'état solide.
 
$-\ \ $ La fusion : passage de l'état solide à l'état liquide.
 
$-\ \ $ La liquéfaction : passage de l'état gazeux à l'état liquide.
 
$-\ \ $ La vaporisation : passage de l'état liquide à l'état gazeux.
 
$-\ \ $ La condensation à l'état solide : passage de l'état gazeux à l'état solide.
 
$-\ \ $ La sublimation : passage de l'état solide à l'état gazeux.
 
Source: 
irempt.ucad.sn

Série d'exercices sur les Masses : masse volumique et densité - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1

Compléter le texte ci-dessous par les mots, groupes de mots ou symboles suivants :
 
gramme, masses marquées, le centigramme, quintal, décakilogramme, masse, le kilogramme , $kg$, décroissant, sous multiple, $t\;,\ 1\,000$, hectogramme, décagramme.
 
$\centerdot$ La balance permet de déterminer la $\ldots\ldots$ d'un objet.
 
$\centerdot$ La masse a pour unité internationale $\ldots\ldots$ de symbole $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ Le décigramme est $\ldots\ldots$ du kilogramme alors que la tonne, de symbole $\ldots\ldots$ en est $\ldots\ldots$ et vaut $\ldots\ldots kg.$
 
$\centerdot$ Les autres sous multiples sont : $\ldots\ldots$, $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ Les multiples restant sont : $\ldots\ldots$ et $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ Avec une balance Roberval, lors de la pesée, on utilise des $\ldots\ldots$ $\ldots\ldots$ pour rééquilibrer la balance.
 
$\centerdot$ Les masses marquées sont posées dans l'ordre $\ldots\ldots$

Exercice 2

Encadrer la lettre correspondant à la ou les bonnes réponses dans les questions :
 
1) La masse d'un objet peut s'exprimer en :
 
a) kilogramme ; 
 
b) mètre cube ; 
 
c) kilogramme par mètre cube ; 
 
d) gramme
 
2) La tonne est :
 
a) l'unité du système internationale de masse 
 
b) un multiple du kilogramme
 
c) un sous multiple du kilogramme 
 
d) égale à mille kilogrammes
 
3) Pour déterminer la masse d'une voiture, on utilise :
 
a) une balance Roberval 
 
b) une bascule 
 
c) un pont bascule
 
4) La masse d'un objet à Dakar est $15\;kg.$ 
 
Sa masse au nord de la France sera :
 
a) plus grande ; 
 
b) plus petite ; 
 
c) la même

Exercice 3

1) En utilisant les puissances de 10, convertir puis donner l'écriture scientifique :
 
a) $14\;hg=\ldots g$ ;
 
b) $25\;dag=\ldots kg$ ; 
 
c) $1950\;mg=\ldots g$ ;
 
d) $2.5\;kg=\ldots g$ 
 
e) $150\;g=\ldots mg$ ; 
 
f) $27\;cg=\ldots mg=\ldots hg$
 
2) On a déterminé la masse d'un objet à l'aide d'une balance Roberval. 
 
Sachant que la masse trouvée est de $m=278\;g$ quelles sont les masses marquées qui sont sur le plateau à la fin de la pesée si la boîte de masses marquées contenait :
 
$500\;g-200\;g\ 100\;g-100\;g\ 50g-20\;g-10\;g-10\;g-5\;g-2\;g-2\;g-1\;g$

Exercice 4

Compléter le texte ci-dessous par les mots, groupes de mots ou symboles suivants : 
 
le volume, kilogramme par mètre cube, une constante, masse volumique, variable, $kg\cdot m^{-3}$, la masse.
 
$\centerdot$ La masse de l'unité de volume est appelé $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ La masse volumique s'exprime en $\ldots\ldots$ de symbole $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ Pour calculer la masse volumique d'une substance ou d'un corps, on fait le rapport entre $\ldots\ldots$ et $\ldots\ldots$
 
$\centerdot$ La masse volumique d'un corps pur est $\ldots\ldots$ alors qu'elle est $\ldots\ldots$ pour un mélange.

Exercice 5

Encadrer la lettre correspondant à la (ou les) bonne (s) réponse (s) dans les questions suivantes :
 
1) La masse volumique $\rho\text{(rho)}$ d'une substance de masse $m$ et de volume $V$ a pour expression :
 
a) $\rho=\dfrac{m}{V}$ ;
 
b) $\rho=\dfrac{V}{m}$ ;
 
c) $r=m\;V$
 
2) A partir de l'expression de la masse volumique, la masse s'obtient par :
 
a) $m=\dfrac{\rho}{V}$
 
b) $m=\dfrac{V}{\rho}$
 
c) $m=\rho\;V$
 
3) A partir de l'expression de la masse volumique, le volume s'obtient par :
 
a) $V=m\rho$
 
b) $V=\dfrac{m}{\rho}$
 
c) $V=\dfrac{\rho}{m}$

Exercice 6

1 La masse d'un volume $V=0.5\;L$ d'essence est $0.35\;kg.$
 
a) Donner l'expression de la masse volumique.
 
b) Calculer la masse volumique de l'essence en $kg\cdot L^{-1}$ puis en $kg\cdot m^{-3}$ et en $g\cdot L^{-1}.$
 
2) Calculer le volume en $dm^{3}$ de $58.5\;kg$ de fer si la masse volumique du fer est $7.8\;g\cdot cm^{-3}$
 
3) Quel est la masse de $350\;cm^{3}$ d'aluminium sachant que la masse volumique de l'aluminium est $2700\;g\cdot dm^{-3}.$

Exercice 7

On veut déterminer la masse volumique de l'essence. 
 
Les opérations de pesage $A\;,\ B\text{ et }C$ ci-dessous ont été réalisées :
 
 
Observer bien les schémas puis répondre à cette série de questions en choisissant la bonne réponse dans chaque cas.
 
1) Dans l'opération $A$ on a pesé la masse de :
 
a) Éprouvette ; 
 
b) Essence ; 
 
c) Eau.
 
2) Dans l'opération $B$ on a pesé la masse de :
 
a) Essence 
 
b) Éprouvette plus essence 
 
c) Eau.
 
3) Dans l'opération $C$ on a pesé la masse de :
 
a) Eau ; 
 
b) Éprouvette plus eau ; 
 
c) Éprouvette
 
La masse de l'essence est :
 
a) $m_{ess}=m_{3}-m_{1}$ 
 
b) $m_{ess}=m_{3}-m_{2}$ ; 
 
c) $m_{ess}=m_{2}-m_{1}$
 
5) La masse de l'eau est :
 
a) $m_{eau}=m_{3}-m_{1}$ 
 
b) $m_{eau}=m_{3}-m_{2}$ 
 
c) $m_{eau}=m_{2}-m_{1}$
 
6) La masse volumique de l'eau étant de $1\;g\cdot cm^{-3}$ alors le volume de l'eau est :
 
a) $30\;cm^{3}$ 
 
b) $100\;cm^{3}$ 
 
c) $70\;cm^{3}$
 
7) L'essence et l'eau ont :
 
a) des volumes égaux 
 
b) des volumes différents
 
8) En s'aidant des réponses données dans les différentes questions, calculer la masse volumique de l'essence.

Exercice 8

Le diamant, pierre précieuse très dure, est du carbone pur. 
 
Sa masse volumique est de $3500\;kg\cdot m^{-3}.$ 
 
La densité du diamant par rapport au verre est de 1.4. 
 
Quelle est la masse volumique du verre ?

Exercice 9

La densité du lait est 1.03. 
 
Est-il plus dense que l'eau ? Calculer la masse de 1.5 L de lait.

Exercice 10

Une bouteille de volume 5 L a une masse de 2.7 kg, lorsqu'elle est à moitié remplie d'eau.
 
Sa masse est de 4.145 kg si elle est remplie d'alcool.
 
1) Calculer la masse de la bouteille vide sachant que la masse volumique de l'eau est de $1000\;kg\cdot m^{-3}.$
 
2) Calculer la masse de l'alcool puis en déduire sa masse volumique.

Exercice 11

La densité de l'or par rapport au mercure est de 1.42. 
 
Calculer la masse volumique de l'or en $kg\cdot dm^{-3}$ sachant que celle du mercure est $13.6\;g\cdot mL^{-1}.$ 
 
L'or, flotte-t-il dans le mercure ?

Exercice

Pour déterminer la masse volumique d'une boule on a effectué les opérations $A\text{ et }B$ suivantes :
 
 
1) A partir du schéma ci-dessus , réduire la masse de la boule ainsi que son volume.
 
2) Calculer la masse volumique de la boule.

Exercice 12

On veut déterminer la nature d'un métal inconnu $X.$ 
 
Pour ce faire, on cherche à déterminer sa masse volumique en réalisant les opérations $A\;,\ B\text{ et }C$ de pesées décrites dans les schémas ci-dessous :
 
 
Après avoir bien observé les schémas, déterminer :
 
1) La masse du métal inconnu $X$
 
2) La masse de l'eau remplacée par le métal $X$ lorsqu'il est introduit dans le bêcher.
 
3) Le volume du métal si $\rho_{e}=1\;g\cdot mL^{-1}$
 
4) Calculer la masse volumique du métal inconnu $X$
 
5) En utilisant le tableau ci-dessous, donner en justifiant la nature du métal inconnu $X.$
$$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \text{Métaux}&\text{Aluminium}&\text{Zinc}&\text{Fer}\\ \hline \text{Masse volumique}&2700\;kg\cdot m^{-3}&7100\;kg\cdot m^{-3}&7800\;kg\cdot m^{-3}\\ \hline \end{array}$$
 
6) Calculer la densité du métal $X$ par rapport à l'huile de masse volumique $920\;g\cdot L^{-1}.$

Exercice 13 Maitrise de connaissances

Recopie et complète les phrases suivantes
 
La $\ldots\ldots$ d'un corps est une grandeur physique qu'on peut mesurer à l'aide d'une balance. 
 
Elle est exprimée en $\ldots\ldots$ dans le Système International d' Unités
 
La masse volumique d'un corps solide est la $\ldots\ldots$ de ce corps par unité de $\ldots\ldots$ dans le Système International d'unités, la masse volumique est exprimée en $\ldots\ldots$ par $\ldots\ldots$ que l'on note $\ldots\ldots$

Exercice 14

Réponds par Vrai (V) ou faux (F)
 
1) Si deux corps ont le même volume, celui qui a la plus grande masse a la plus grande masse volumique.
 
2) Si deux corps ont la même masse, celui ayant la masse volumique la plus faible occupe le plus petit volume.
 
3) Deux objets formés de matériaux différents et qui ont la même masse ont des volumes différents.
 
4) La densité est donnée par le même nombre que la masse volumique exprimée en $g\cdot L^{-1}.$

Exercice 15 Le bon choix

Choisis la réponse correcte.
 
La masse d'un objet est mesurée avec :
 
$\centerdot$ une éprouvette graduée
 
$\centerdot$ une balance,
 
$\centerdot$ un masse-mètre.
 
$\centerdot$ un dynamomètre

Exercice 16 Types de balance

Donne le nom de chacune des balances.
 
Indique un domaine d'activités où est utilisée chacune d'elle.
 
 

Exercice 17 Conversion d'unités

Convertis
 
$12.5\;t=\ldots kg$
 
$3.9\;g=\ldots kg$
 
$97.8\;kg\cdot L^{-1}=\ldots g\cdot cm^{-3}$
 
$0.25\;kg\cdot m^{-3}=\ldots kg\cdot L^{-1}$
 
$3.86\;kg\cdot m^{-3}=\ldots g\cdot cm^{-3}$

Exercice 18 Ordres de grandeurs de masses

Relie, à l'aide d'une flèche, chaque corps à l'ordre de grandeurs masse.
$$\begin{array}{|ll|} \hline \text{Cheveu}&1.3\;g\\ \hline \text{Mouche}&3\;t\\ \hline \text{La Terre}&75\;kg\\ \hline 1\;l\text{ d'air}&0.1\;mg\\ \hline 1\;l\text{ d'eau}&6\cdot 10^{24}kg\\ \hline \text{Homme adulte}&20\;mg\\ \hline \text{Eléphant}&1\;kg\\ \hline \text{Le soleil}&1.989\cdot 10^{30}kg\\ \hline \end{array}$$

Exercice 19 Calcul de masse volumique

1) Le volume occupé par $0.46\;kg$ d'huile est $0.5\;L.$ 
 
Calculer la masse volumique de l'huile en $kg\cdot L^{-1}$ en $kg\cdot m^{-3}\text{ et en }g\cdot L^{-1}$
 
2) Calcule en $dm^{3}$ le volume d'une masse $m=96.5\;kg$ d'or si la masse volumique de l'or est $19.3\;g\cdot cm^{-3}$
 
3) Quelle est la masse de $350\;cm^{3}$ d'aluminium si sa masse volumique est $2700\;g\cdot dm^{-3}$

Exercice 20

Des mesures de masses et de volumes effectuées sur plusieurs corps ont conduit au tableau de mesure suivant.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Corps}&A&B&C&D&E&F\\ \hline m(g)&22.4&46.2&66.8&90.4&114.9&133.0\\ \hline V\left( cm^{3}\right)&2.0&4.1&5.9&8.0&14.7&17.0\\ \hline \end{array}$$
 
Quels sont les corps constitués de la même substance ?

Exercice 21

Pour déterminer la masse d'un solide S on réalise les expériences suivantes à l'aide d'une balance Roberval
 
 
On donne :
 
$m_{1}=100\;g$ ; 
 
$m_{2}=20\;g$ ; 
 
$m_{3}=200\;g$ ; 
 
$m_{4}=10\;g$ ; 
 
$m_{5}=2\;g$
 
1) Quel type de pesée a-t-on ainsi réalisé ?
 
2) Détermine la masse du solide.
 
3) On plonge ce solide dans une éprouvette contenant un volume $V_{1}=55\;cm^{3}$ d'eau ; le niveau de l'eau remonte jusqu'à $215\;cm^{3}.$ Détermine le volume du solide.
 
4) Calcule la masse volumique du solide. 
 
En déduire sa densité par rapport à l'eau

Exercice 22

On mélange dans un bécher de l'huile, du mercure et de l'eau.
 
Indique en justifiant l'ordre dans quel les substances se superposent dans le bécher, du haut vers le bas
 
Données :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \text{corps}&\text{huile}&\text{mercure}&\text{eau}\\ \hline \text{Masse volumique}\left(\text{en }g\cdot cm^{-3}\right)&0.87&13.6&1\\ \hline \end{array}$$

Exercice 23

Une bouteille de contenance $5.0\;L$ pèse $2.7\;kg$ lorsqu'elle est à moitié remplie d'eau alors que sa masse est $4.145\;Kg$ si elle est remplie d'alcool.
 
1) Calculer la masse de la bouteille sachant que la masse volumique de l'eau est $1000\;kg\cdot m^{-3}$
 
2) Calculer la masse de l'alcool puis en déduire la masse volumique de l'alcool.

Exercice 24

Un bijou constitué d'un alliage d'or et de cuivre de masse $150\;g$ porte l'indication 18 carats.
 
1) Calculer la masse de l'or et la masse de cuivre contenue dans ce bijou.
 
2) Calculer le volume de l'or et celui du cuivre dans ce bijou.
 
3) Calculer la masse volumique de l'alliage
 
Données : 
 
masse volumique de l'or : $19.3\;g\cdot cm^{-3}$, masse volumique cuivre : $8.9\;g\cdot cm^{-3}$
 
Un carat correspond à la masse, en gramme d'or pur, dans $24\;g$ d'alliage.

Exercice supplémentaire

1. Ta sœur veut savoir si son collier est fait en or pur.
 
Aide-la à répondre à sa préoccupation en utilisant les acquis de ton cours.
 
2. Le bateau « Aline Sitoé Diatta » flotte sur l'eau malgré toutes les charges qu'il supporte alors qu'un petit clou coule rapidement. 
 
En utilisant les acquis du cours de physique, tente de proposer une explication à ces phénomènes observés.
 

$\begin{array}{c}\blacktriangleright\,\boxed{\text{Correction des exercices}}\end{array}$

 

Source: 
irempt.ucad.sn & ADEM

Masse : masse volumique et densité - 4e

Classe: 
Quatrième
 

I- Texte introductif

Vous disposez d'un sac de mil que vous voulez partager à part égale entre 5 personnes.
 
Question : Proposer une méthode qui vous permet de faire le partage de façon rigoureuse.

II- Contenus

Pour que chacun ait la même quantité de mil, on peut utiliser une balance.
 
La balance est un instrument de mesure.

Elle permet de mesurer la masse d'un corps.

I- La masse d'un objet

I-1. Les types de balance

                                                 
La Balance Roberval est utilisée dans le commerce des denrées alimentaires
 

 


                                          
La Balance mécanique est utilisée dans le commerce des denrées alimentaires

 

                                              
La bascule est utilisée par les grossistes pour mesurer de grandes quantités 
 

 

 
 Le pont bascule détermine la masse des camions chargés ou vides
 
                                                  

 

                                                       
La balance romaine est utilisée par les bouchers    

 

                                                                                             
 La balance numérique est utilisée dans les laboratoires.

 

                                                   
Le trébuchet est utilisé plus couramment par les bijoutiers 
   

 

 
 Le pèse-lettre est utilisé à la   poste
 

I-2. Définition de la masse d'un objet

La masse d'un objet est une grandeur physique constante que l'on mesure à l'aide d'une balance.

I-3. Les unités de masse

L'unité internationale de masse est le kilogramme. Son symbole est $kg.$
 
Le tableau ci-dessous donne les multiples et les sous multiples du kilogramme.
$$\begin{array}{|l|l|l|} \hline &\text{Nom}&\text{Symbole}\\ \hline &\text{tonne}&t\\ \text{Les multiples}&\text{quintal}&q\\ &\text{dizaine de kilogramme}&\\ \hline \text{unité}&\text{kilogramme}&kg\\ \hline &\text{hectogramme}&hg\\ &\text{décagramme}&dag\\ \text{Les sous multiples}&\text{gramme}&g\\ &\text{décigramme}&dg\\ &\text{centigramme}&cg\\ &\text{milligramme}&mg\\ \hline \end{array}$$

II- Détermination de la masse avec une balance Roberval

II-1. La simple pesé

Pour réaliser une simple pesée avec une balance Roberval, on effectue les opérations suivantes :

1) On équilibre la balance

Une balance est en équilibre lorsque l'aiguille est en face du repère.

Les plateaux sont dans ce cas au même niveau. Si la balance n'est pas en équilibre, on établit l'équilibre à l'aide d'objets de masse faible    

                                                                             
 
2) On pose l'objet dont on veut mesurer la masse sur l'un des plateaux : la balance se déséquilibre.
                                         
                                                                                   
                                         
3) On équilibre à nouveau à l'aide de masses marquées placées sur l'autre plateau dans l'ordre décroissant. La masse de l'objet est $m=1.600\;kg$
 
                                                                                              

III- Masse volumique

III-1. Étude expérimentale

III-1.1. Expérience 1

On dispose de trois béchers identiques contenant le même volume d'eau, d'huile et de poudre de fer.
 
Déterminer par la pesé la masse du contenu de chaque bécher. 
 
Comparer ces masses.

Conclure

III-1.2. Expérience 2 :

On dispose de trois éprouvettes $A\;,\ B\text{ et }C$ contenant des quantités d'eau différentes. 
 
Déterminer le volume et la masse d'eau, contenus dans chaque éprouvette puis compléter le tableau suivant :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline &A&B&C\\ \hline \text{Volume}(V)& & &\\ \hline \text{Masse}(m)& & & \\ \hline \text{Rapport}\left(\dfrac{m}{V}\right)& & & \\ \hline \end{array}$$
 
Comparer les rapports trouvés pour $A,\;\ B\text{ et }C.$

Conclure

III-2. Définition et notation

La masse volumique d'une substance est la masse de l'unité de volume de cette substance. 
 
On la note par $\rho.$

III-3. Expression et unités

III-3.1. Expression

La masse volumique est donnée par la relation : $\rho=\dfrac{m}{V}$ où $m$ est la masse de la substance et et $V$ son volume.

III-3.2. Unités

L'unité internationale de masse volumique est le kilogramme par mètre cube de symbole $kg\cdot m^{-3}.$

Remarque :

il existe des unités usuelles de masse volumique telles que :
 
le $kg\cdot dm^{-3}\;,\text{ le }g\cdot dm^{-3}\;,\text{ le }g\cdot cm^{-3}\;,\text{ le }kg\cdot L^{-1}\ldots$

III-3.3. Exemples

Pour les substances pures, la masse volumique est une constante à une température donnée.
 
Le tableau ci-dessous donne des exemples de masse volumique de certains corps.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Substance}&\text{Plomb}&\text{Fer}&\text{Glace}&\text{Eau}&\text{Alcool}&\text{Huile}&\text{Polystyrène}&\text{Air}\\ \hline \text{Masse}& & & & & & & &1.3\\ \text{volumique}&11300&7800&920&1000&789&920&11&\text{Dans les}\\ \left(kg\cdot m^{-3}\right)& & & & & & & &\text{CNTP}\\ \hline \end{array}$$

IV- La densité

IV-1. Observations

Dans un erlenmeyer contenant quelques millilitres d'huile, ajoutons de l'eau, un clou, un morceau de bois, un fragment de polystyrène, une bille en plomb. 
 
Quelle est la position de chacun de ces objets ou substances par rapport à l'huile.
 
Comment expliquer ces différences de comportement ?
 
En utilisant les masses volumiques de chacun de ces corps, conclure.
 
De combien de fois le fer est-il plus dense que l'huile ? 
 
                                                
                                                

IV-2. Interprétation

$\centerdot\ $ Certains corps (l'eau, le clou, la bille) se trouvent en dessous de l'huile : 
 
leur masse volumique est supérieure à celle de l'huile. 
 
On dit qu'ils sont plus denses que l'huile.
 
$\centerdot\ $ Les autres (polystyrène, le bois) flottent sur l'huile : 
 
leur masse volumique est inférieure à celle de l'huile. 
 
Ils sont moins denses que l'huile.
 
$\centerdot\ $ La bille et le clou sont au fond du récipient : 
 
leur masse volumique est supérieure à celle de l'eau. 
 
Le plomb et le fer sont plus denses que l'eau.

IV-3. Définition et formule

La densité d'un corps $A$ par rapport à un corps $B$ est le rapport de sa masse volumique sur celle de $B.$ 
 
Le corps $B$ est dit corps de référence On utilise la formule suivante pour déterminer la densité : 
$$\boxed{d=\dfrac{\rho_{A}}{\rho_{B}}}$$
 
La densité est une grandeur sans unité

IV-4. Corps de référence

IV-4.1. Pour les liquides et les solides

Pour les liquides et les solides, on choisit en général l'eau comme corps de référence

IV-4.2. Pour les gaz

L'air est le corps de référence pour les corps gazeux

Résumé

La masse d'un objet est une grandeur que l'on mesure à l'aide d'une balance. 
 
Son unité internationale est le kilogramme de symbole $kg.$
 
La masse volumique est la masse de l'unité de volume d'une substance. 
 
Dans des conditions déterminées, la masse volumique d'une substance pure est une constante. 
 
Son unité internationale est le kilogramme par mètre cube de symbole ou $kg\cdot m^{-3}.$ 
 
On calcule la masse volumique en utilisant la formule suivante : 
$$\boxed{\rho=\dfrac{m}{V}}$$
 
où la masse est en $kg$ et le volume en $m^{3}$
 
La densité d'un corps $A$ par rapport à un corps $B$ est le rapport de sa masse volumique sur celle de $B.$ 
 
On a $$\boxed{d=\dfrac{\rho_{A}}{\rho_{B}}}.$$
 
C'est une grandeur sans unité.
 
Le corps $B$ est le corps de référence qui est :
 
$\centerdot\ $ l'eau pour les solides et les liquides,
 
$\centerdot\ $ l'air pour les gaz.
                                                                                                                     
Source: 
irempt.ucad.sn

Série d'exercices sur la Structure de la matière - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1 

Compléter le texte suivant en ajoutant les mots ou groupes de mots manquants.
 
La matière a une structure ....... Parmi les corps purs on note des corps moléculaires dont la particule élémentaire est la ....... qui est constituée d' .........
 
Chaque type d'atome est appelé .......; on le représente par un ....... chimique.
 
Un atome qui perd des électrons est appelé ....... alors que celui qui en gagne est dit......

Exercice 2

La plus petite partie d'un corps pur est appelée :
 
$-\ \ $ Molécule
 
$-\ \ $ Élément
 
$-\ \ $ Symbole

Exercice 3

Soient les formules chimiques suivantes :
 
1) $CH_{4}$
 
2) $O_{2}$
 
3) $NaOH$
 
Donner les noms des éléments chimiques contenus dans chaque corps purs. Donner le nombre d'atomes de chaque élément

Exercice 4

Soient les formules chimiques suivantes :
 
$N_{2}\;;\ CO_{2}\;;\ Al_{4}C_{3}\;;\ Fe\;;\ O_{3}\;;\ HCl$ ;
 
$CaCO_{3}\;;\ H_{2}\;;\ S\;;\ Pb\;;\ H_{2}SO_{4}$ 
 
$CHCl_{3}\;;\ O_{2}\;;\ Cu.$
 
Compléter le tableau ci-dessous en écrivant la formule de chaque corps pur dans la colonne qui convient
$$\begin{array}{|l|l|l|} \hline \text{Corps purs}&\text{Corps purs}&\text{Corps purs}\\ \text{simple}&\text{simple}&\text{Composés}\\ \hline \text{atomiques}&\text{moléculaires}&\\ \hline & &\\ \hline \end{array}$$
 
Donner la composition de chacun des corps purs composés.

Exercice 5

Compléter le tableau suivant où les points représentent des nombres et les tirets, des symboles d'élément chimique :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline\text{Formule}&\text{Noms}&\text{Nombre}&\text{Nombre}\\ \text{chimique}&\text{éléments}&\text{d'atomes}&\text{total}\\ \text{du corps}&\text{chimiques}&\text{de chaque}&\text{d'atome}\\ \text{pur}&\text{présents}&\text{élément}&\text{dans le}\\ &\text{dans le}& &\text{corps}\\ &\text{corps}& &\\ \hline --..&Oxygène&2&...\\ \hline --Cl&Sodium&...&2\\ &---&...&2\\ \hline H..--&--&2&3\\ &Oxygène&...&\\ \hline Fe..--..&Oxygène&4&7\\ &----&...&\\ \hline AlCl_{3}&----&...&...\\ &----&...&\\ \hline Al_{2}(SO_{4})_{3}&----&...&\\ &----&...&...\\ \hline &----&...&\\ \hline Ca(--O...)..&Azote&2&9\\ &----&...&\\ &----&...&\\ \hline \end{array}$$

Exercice 6

Compléter cette grille de mots croisés
 
2 H : Le premier des éléments chimique
 
4 H : Il représente l'élément chimique
 
8 H : l'atome en est la particule de base
 
1 V : Sa formule chimique est NaOH
 
5 V : Gaz dont la molécule n'est formée que d'oxygène.
 
7 V : Corps chimique dont le carbone en est la référence.
 
11 V : Particule formée d'atomes

 
 
 

Exercice 7

Donner la formule chimique de chacun des corps dont la molécule renferme :
 
$\centerdot\ $ Un atome de carbone et quatre atomes d'hydrogène.
 
$\centerdot\ $ Un atome de sodium, un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène
 
$\centerdot\ $ Six atomes de carbone, douze atomes d'hydrogène et six atomes d'oxygène.
 
$\centerdot\ $ Un atome de calcium, deux atomes d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.
 
$\centerdot\ $ Un atome de carbone et deux atomes d'oxygène.

Exercices supplémentaires

Exercice A

Écrire la formule chimique des corps dont les noms sont donnés ci-après
 
$\rhd\ $ dioxyde de soufre
 
$\rhd\ $ trioxyde de soufre
 
$\rhd\ $ dioxygène
 
$\rhd\ $ trioxygène ou ozone
 
$\rhd\ $ monoxyde de carbone

Exercice B

Savoir distinguer un corps pur simple d'un corps pur composé Choisissez la bonne réponse :
 
$\rhd\ $ l'eau est un ....
 
a) corps simple 
 
b) corps composé 
 
c) élément

d) mélange

 
$\rhd\ $ le dihydrogène est un .....
 
a) corps simple
 
b) corps composé 
 
c) élément 
 
d) mélange
 
$\rhd\ $ il existe plusieurs corps simples contenant le même élément
 
a) vrai 
 
b) faux 
 
c) question n'ayant aucun sens

Exercice 8 Maitrise de connaissances

Recopie et complète les phrases suivantes à l'aide de la liste de termes : 
 
composé ; négativement ; $10^{-10}$ $m$ ; neutre ; ion ; simple ; positivement ; noyau ; électrons.
 
Un atome possède un noyau central chargé ........... et des électrons chargés ............... 
 
La charge des .............. compense celle du ...............; l'atome est donc électriquement ...............
 
Un .............. est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. 
 
Les dimensions de l'atome sont de l'ordre de .................
 
Un corps pur ............... est formé d'atomes différents. 
 
Un corps pur ........... est formé d'atomes identiques.

Exercice 9 Symbole d'un élément chimique

1) Donne le nom de l'élément correspondant à chacun des symboles suivants :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Symbole}&Mg&Cl&Al&Ne&Ca&P\\ \hline \text{Nom}& & & & & &\\ \hline \end{array}$$
 
2) Donne le symbole de chacun des éléments chimiques suivants :
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Elément chimique}&\text{oxygène}&\text{hydrogène}&\text{azote}&\text{sodium}&\text{soufre}&\text{potassium}\\ \hline \text{Symbole}& & & & & &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 10 Formule chimique

Écris la formule chimique à partir de la composition de la molécule
$$\begin{array}{|l|c|} \hline \text{Composition de la molécule}&\text{Formule du corps pur}\\ \hline \text{2 atomes de chlore}&\\ \hline \text{1 atome de soufre et 2 atomes d'oxygène}&\\ \hline \text{1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène}&\\ \hline \text{3 atomes d'oxygène}&\\ \hline \text{1 atome d'azote et 3 atomes d'hydrogène}&\\ \hline \end{array}$$

Exercice 11 Signification d'une formule

Le sucre ou saccharose a pour formule moléculaire : $C_{12}H_{22}O_{11}$
 
Indique le nom et le nombre des différents atomes présents dans la molécule.

Exercice 12 Reconnaissance de formule

On considère les écritures suivantes : $O_{3}\;;\ 2O_{2}\;;\ 2O\;;\ O_{2}.$
 
Laquelle de ces quatre écritures représente :
 
1) Une molécule de dioxygène ?

2) Deux atomes d'oxygène séparés 

Exercice 13 Classement selon l'atomicité

Indique l'atomicité des molécules suivantes
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline &N_{2}&HCl&Ne&H_{2}O&CO&O_{3}&He&NO_{2}&Cl_{2}\\ \hline \text{atomicité}& & & &  & & & & &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 14 Corps pur simple et corps pur composé

Recopie et mets une croix dans la case correspondant à la bonne réponse.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline &H_{2}O&He&Cl_{2}&H_{2}&SO_{2}&Ne&NH_{3}&HCl&O_{3}\\ \hline \text{Corps pur simple}& & & &  & & & & &\\ \hline \text{Corps pur composé}& & & &  & & & & &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 15 Entité chimique

On considère les entités chimiques suivantes : 
 
$O_{3}\;;\ PO_{4}^{3^{-}}\;;\ SO_{4}^{2^{-}}\;;\ HO^{-}\;;\ NH_{3}\;;\ Fe^{3^{+}}\ \text{ et }\ H_{3}O^{+}.$
 
1) Classe-les en molécules, anions et cations.
 
2) Donne la charge électrique de chaque entité chimique.

Exercice 16 « un collier d'or »

Le diamètre d'un atome d'or est environ $0.144\;nm.$
 
Quel nombre minimal d'atomes d'or pourrait-on placer côte à côte pour obtenir une longueur $40\;cm$ ?

Exercice 17

La masse d'un noyau d'atome de cuivre est de $1.05\times 10^{-25} kg.$ 
 
Celle de l'ensemble de ses électrons est de $2.64\times 10^{-29} kg.$
 
1) Compare la masse du noyau de l'atome de cuivre à celle de ses électrons en calculant le rapport masse noyau/masse des électrons.
 
2) Explique la phrase suivante : « la masse de l'atome est concentrée en son noyau. ».

Exercice 18 Formule statistique d'un composé

Complète le tableau ci-dessous en reliant la formule statistique du composé ionique à celles de ses ions.
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline &Na^{+}&Cu^{2^{+}}& &Fe^{3^{+}}\\ \hline Cl^{-}& & & & \\ \hline SO_{4}^{2^{-}}& & &CaSO_{4}&\\ \hline & &Cu\left(OH\right)_{2}& &\\ \hline NO_{3}^{-}& & & &\\ \hline S^{2^{-}}& & & &\\ \hline \end{array}$$

Exercice 19 Changement d'échelle

Le rayon de l'atome est environ $100 000$ fois plus grand que le rayon du noyau. 
 
Si on représentait le noyau par une orange de $5\;cm$ de rayon,
 
1) Quel serait en $m$, puis en $km$ le rayon de l'atome correspondant ?
 
2) Tire une conclusion.

 

$\begin{array}{c}\blacktriangleright\,\boxed{\text{Correction des exercices}}\end{array}$

 

Source: 
irempt.ucad.sn & ADEM

Structure de la matière - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Situation problème

Cette photographie est celle d'une ville ; on y distingue à priori : 
 
des bâtiments imposants dans un relief boisé au bord d'une mer avec sa belle plage.

 
 

I- Particule de matière

I-2. Expérience et observation

Observation 1

En versant un peu d'alcool dans un récipient, il
s'évapore au bout de quelques minutes et son
odeur envahit la saille. 

 

Observation 2

En mettant un morceau de sucre ou sel dans de 
l'eau et en remuant, le sucre ou le sel se dissout
L'eau est alors sucrée ou salée

Observation 3

En ajoutant quelques millilitres de colorant
dans de l'eau, en remuant, l'eau se colore

I-3. Interprétation

L'alcool, le sel, le sucre et le colorant sont constitués de particules très petites qui se sont dispersées assez rapidement dans leurs milieux respectifs.
 
Toutes ces expériences montrent alors que la matière, qu'elle soit liquide solide ou gaz, est constituée de grains qui peuvent se disperser : la matière est discontinue.

II- Différents types de grains de matière

II-1. Molécules

L'eau et le sucre et l'alcool sont constitués de petites particules électriquement neutres appelées molécules :
 
ce sont des composés moléculaires.
 
La molécule est la plus petite partie d'un corps pur qui puisse exister à l'état individuel et isolé tout en conservant la composition du corps pur.

II-2. Atomes

a) Notion d'atome

L'électrolyse de l'eau permet de la décomposer en deux gaz : 
 
le dioxygène et le dihydrogène. 
 
Ces deux gaz sont constitués respectivement de molécules de dioxygène et de dihydrogène.
 
La molécule d'eau est par conséquent constituée de particules plus petites qui peuvent s'assembler autrement pour donner ces gaz. 
 
Ces particules sont appelées atomes. 
 
Par exemple la molécule de dihydrogène est constituée de deux atomes d'hydrogène comme son nom l'indique ; de même, celle de dioxygène est faite de deux atomes d'oxygène.
 
Illustration par des modèles atomiques et moléculaires : 
 
les atomes sont représentés par des boules sphériques de différentes couleurs et de différents diamètres, les molécules par ...

 
 

b) Structure de l'atome

L'atome comprend deux parties : un noyau central et, autour de ce dernier, un nuage électronique.
 
$\bullet\ $ Le noyau est chargé positivement. 
 
Il concentre l'essentiel de la masse de l'atome bien que sa taille soit très petite par rapport à celle de l'atome.
 
$\bullet\ $ Le nuage électronique, de charge négative, est constitué d'électrons qui gravitent autour du noyau. 
 
Sa masse est très petite par rapport à celle de l'atome ou du noyau.
 
Dans un atome, la charge électrique positive du noyau est égale à la valeur absolue de la charge du nuage électronique : la charge globale de l'atome est nulle. 
 
On dit que l'atome est électriquement neutre.

II-3. Ions

a) Notion d'ion

$\bullet\ $ Expérience et observations
 
Dispositif expérimental
 
 
On réalise un circuit comprenant un générateur, une ampoule
et un électrolyseur contenant de l'eau sucrée
 
 
On réalise un circuit comprenant un générateur, une ampoule
et un électrolyseur contenant de l'eau salée

 

Observations :

on constate que la lampe du circuit comprenant l'eau salée (figure b) s'allume alors que celle du circuit comprenant l'eau sucrée est éteinte.
 
$-\ $ La lampe de la figure (b) s'allume car l'eau salée est traversée par le courant électrique. 
 
Elle contient des grains de matières qui permettent le passage du courant : on les appelle : ions.
 
Ces ions forment le sel appelé chlorure de sodium. 
 
C'est un composé ionique qui a deux ions : l'ion chlorure et l'ion sodium.
 
$-\ $ Par contre la lampe de la figure (a) ne s'allume pas parce que l'eau sucrée n'est pas traversée par le courant électrique : elle contient des grains de matières qui ne permettent pas le passage du courant : 
 
on les appelle molécules.

b) Définition d'un ion

Les ions sont classés en deux groupes : 
 
les ions positifs appelés cations et les ions négatifs appelés anions
 
$\bullet\ $ Les cations : Un cation est un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu un ou plusieurs électrons.

Exemple :

$$\begin{array}{|l|l|l|}\hline\text{Cations}&&\\ \hline&&\text{L'atome de sodium perd un électron}\\ \text{Na}^{+}&\text{Ion sodium}&\text{et donne l’ion sodium qui porte}\\&&\text{une charge positive excédentaire.}\\ \hline&&\text{L'atome d’aluminium perd trois électrons}\\ \text{Al}^{3+}&\text{Ion aluminium}&\text{et donne l’ion aluminium qui porte}\\&&\text{trois charges positives de plus}\\ \hline\text{H}_{3}\text{O}^{+}&\text{Ion hydronium}&\\ \hline \text{NH}^{+}_{4}&\text{Ion ammonium}&\\ \hline\end{array}$$
$\centerdot$ Les anions : Un anion est un atome ou un groupe d'atomes qui a gagné un ou plusieurs électrons.

Exemple :

$$\begin{array}{|l|l|l|}\hline\text{Anions}&&\\ \hline&&\text{L'atome de chlore gagne un électron}\\&&\text{et donne l'ion chlorure qui porte une charge}\\ \text{Cl}^{-}&\text{Ion sodium}&\text{négative excédentaire.}\\&&\text{Cet ion se retrouve dans le sel de cuisine.}\\&&\text{Cet ion est caractéristique du goût salé du sel de cuisine}\\ \hline&&\text{L'atome d'oxygène gagne deux électrons}\\ \text{O}^{2-}&\text{Ion aluminium}&\text{et donne l'ion oxo qui porte}\\&&\text{deux charges négatives de plus}\\ \hline\text{OH}^{-}&\text{Ion hydroxyde}&\\ \hline\text{NO}^{-}_{3}&\text{Ion nitrate}&\\ \hline\text{SO}^{2-}_{4}&\text{Ion sulfate}&\\ \hline\text{CO}^{2-}_{3}&\text{Ion carbonate}&\\ \hline\end{array}$$

III- Élément chimique

III-1. L'élément carbone

a) Combustion du charbon de bois

Expérimentons et observons. 
 
Le charbon de bois est pratiquement formé de carbone.

 

 
Chauffons un morceau de charbon de bois dans la flamme d'un bec de gaz (bec bunsen ou autre) et portons le ainsi à incandescence.
 
Introductions ainsi le ainsi dans un flacon rempli de dioxygène.
 
Il brule avec une très vive incandescence sans produire de flamme.
 
Il ne se forme pas de buée.
 
Une fois la combustion terminée, versons de l'eau de chaux dans le flacon, puis agitons ce dernier.
 
L'eau de chaux initialement limpide se trouble avec l'apparition d'un précipité blanc : le carbonate de calcium

Expliquons : 

Le trouble de l'eau de chaux indique la présence de dioxyde de carbone, unique produit de la combustion du charbon de bois.

Concluons 

du carbone et du dioxygène (gaz incolore) ont disparu ; du dioxyde de carbone (gaz incolore) s'est formé

b) Faisons réapparaitre le carbone

Expérimentons et observons.

 

 
Un ruban de magnésium enflammé à l'air continue à bruler quand on le plonge dans le dioxyde de carbone.
 
Il apparait une fumée noire constitue par du carbone et une poudre blanche appelée magnésie.
 
C'est cette même poudre blanche qui se forme lorsque le ruban de magnésium brule à l'air

Expliquons : 

la matière qui constitue le carbone est restée puisqu'elle a formé la fumée noire observée.

c) L'élément carbone

Nous appellerons élément carbone cette matière qui est présente dans le charbon, le dioxyde de carbone, le carbonate de calcium, la fumée noire et bien d'autres corps.

III-2. Les éléments chimiques et leurs symboles

Il existe environ une centaine d'éléments chimiques. 
 
Certains sont très connus : fer, carbone, oxygène, etc...
 
D'autres le sont moins. Certains éléments comme le plutonium n'existent pas dans la nature : 
 
ils sont fabriqués par l'homme. On dit qu'ils sont artificiels.

a) Symboles des éléments

On représente un élément chimique par un symbole.
 
Généralement c'est la première lettre en majuscule du nom actuel ou ancien d'origine latine.
 
Lorsque plusieurs éléments commencent par la même lettre, on ajoute à certains une deuxième lettre en minuscule.
 
Exemples de symboles avec une lettre
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Nom}&\text{Carbone}&\text{Oxygène}&\text{Phosphore}&\text{Soufre}&\text{Fluor}&\text{Azote}&\text{Potassium}\\ & & & & & &\text{(nitrogène)}&\text{(kalium)}\\ \hline \text{Symbole}&\text{C}&\text{O}&\text{P}&\text{S}&\text{F}&\text{N}&\text{K}\\ \hline \end{array}$$
 
Exemples de symboles d'éléments commençant par la même lettre
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Nom}&\text{Aluminium}&\text{Or (aurium) 1}&\text{Argon}&\text{Calcium}&\text{Chlore}&\text{Cuivre}&\text{Sodium}&\text{Néon}&\text{Nickel}\\ & & & & & & &\text{(natrium)}& &\\ \hline \text{Symbole}&\text{Al}&\text{Au}&\text{Ar}&\text{Ca}&\text{Cl}&\text{Cu}&\text{Na}&\text{Ne}&\text{Ni}\\ \hline \end{array}$$

Remarque : 

Le symbole de l'élément représente l'élément et un atome de l'élément.

b) Formules chimiques

Les corps purs sont représentés par des formules chimiques. 
 
Une formule chimique renseigne sur les éléments et le nombre d'atomes de chaque élément présent dans ce corps.

Exemples :

$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|}\hline\text{Nom}&\text{Dioxygène}&\text{Dihydrogène}&\text{Chlorure}&\text{Eau}&\text{Soude}&\text{Glucose}&\text{Sulfate}\\&&&\text{de sodium}&&&&\text{d'aluminium}\\ \hline\text{Formule}&\text{O}_{2}&\text{H}_{2}&\text{NaCl}&\text{H}_{2}\text{O}&\text{NaOH}&\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}&\text{Al}_{2} (SO_{4})_{3}\\ \hline\end{array}$$

III-3. Corps purs simples et corps purs composés

a) Corps purs simples

Un corps pur est dit simple s'il est constitué à partir d'atomes d'un seul élément.

Exemples : 

Dioxygène $(O_{2})$, Dihydrogène $(H_{2})$, Diazote $N_{2}$, les gaz rares (Néon $(Ne)$, Hélium $(He)$, Argon $(Ar)$...), Ozone $(O_{3})$, fer $(Fe)$...

b) Corps pur composé

Un corps pur est dit composé s'il est constitué à partir d'atomes de plusieurs éléments

Exemples : 

Eau $(H_{2}O)$, Chlorure d'hydrogène $(HCl)$, gaz carbonique $(CO_{2})$, Soude  $(NaOH)$, Glucose $(C_{12}H_{22}O_{11})\ldots$

Conclusion 

La matière a une structure lacunaire, elle est formée de petites particules électriquement neutres appelées molécules. 
 
Les molécules sont constitues d'atomes. 
 
L'atome est formé d'un noyau chargé positivement et d'un nuage électronique chargé négativement. 
 
Les atomes et les molécules peuvent gagner ou perdre des électrons et devenir des ions. 
 
Il existe deux types d'ions : ion positif (cation) ; ion négatif (anion). 
 
Les corps purs simples sont formés d'un seul type d'atomes appelé élément chimique. 
 
L'élément est représenté par un symbole chimique. 
 
Les corps purs composés sont formés de plusieurs éléments chimiques. 
 
Il existe une centaine d'éléments naturels.

 

Source: 
irempt.ucad.sn

Série d'exercices sur Notion de réaction chimique - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1 

Compléter le texte suivant en ajoutant les mots ou groupes de mots manquants.
 
a) La transformation de certains corps purs en d'autres corps purs est appelée $\ldots\ldots$
 
b) Les corps purs qui disparaissent sont les $\ldots\ldots$ alors que ceux qui apparaissent sont les $\ldots\ldots$
 
c) Au cours d'une réaction chimique il y a une $\ldots\ldots$ de la matière.
 
d) Une réaction est représentée par une $\ldots\ldots$

Exercice 2 

Donner les mots permettant de remplir la grille ci-contre.
 
Horizontalement

 

 
1 H : Une réaction l'est quand elle dégage de la chaleur
 
3 H : Il dégage du dihydrogène pendant l'électrolyse de l'eau.
 
6 H : Corps qui subit des transformations pendant la réaction
 
11 H : Borne d'un électrolyseur.
 
Verticalement
 
1 V : Décomposition de l'eau par le courant électrique.
 
3 V : Un des réactifs donnant du dioxyde de carbone
 
5 V : Atome chargé positivement.
 
7 V : Ion négatif
 
9 V : Il est noté H
 
11 V : Un des gaz majoritaires de l'air.

Exercice 3 

Équilibrer chacune des équations chimiques ci-dessous.
 
$NH_{3}+O_{2}\longrightarrow NO+H_{2}O$
 
$C+Al_{2}O_{3}\longrightarrow Al_{4}C_{3}+CO$
 
$C_{2}H_{4}O+O_{2}\longrightarrow CO_{2}+H_{2}O$
 
$Fe_{3}O_{4}+H_{2}\longrightarrow Fe+H_{2}O$
 
$H_{2}S+Cl_{2}\longrightarrow HCl+S$
 
$Cl_{2}+NaOH\longrightarrow NaCl+NaOCl+H_{2}O$
 
$CH_{4}+O_{2}\longrightarrow C+H_{2}O$

Exercice 4

Pour avoir 56 ml de dihydrogène dans les conditions normales, un laborantin fait agir l'acide chlorhydrique dilué sur du zinc. 
 
Trouver :
 
1) La masse de chacun des réactifs.
 
2) La masse de chlorure de zinc $ZnCl_{2}$ obtenu en même temps.

Exercice 5

On brûle un morceau de 1200 mg de carbone de l'air. 
 
On demande de trouver dans les conditions normales :
 
1) Le volume de dioxyde de carbone $CO_{2}$ produit par la réaction.
 
2) Le volume de dioxygène nécessaire à cette combustion et en déduire le volume d'air utilisé.

Exercice 6 Maitrise de connaissance

Compléter les phrases suivantes par les mots ou expressions qui conviennent : 
 
exothermique, disparaissent, réaction chimique, produits, apparaissent, réactifs.
 
Il y'a transformation chimique lorsque des espèces chimiques appelées réactifs $\ldots\ldots$ et que d'autres appelées produits $\ldots\ldots$
 
La transformation chimique limitée aux $\ldots\ldots$ et aux $\ldots\ldots$ s'appelle réaction chimique.
 
Lorsqu'une réaction chimique dégage de la chaleur, on dit qu'elle est $\ldots\ldots$
 
Une équation bilan traduit de façon symbolique une $\ldots\ldots$

Exercice 7 Équilibrage

Équilibre les équations chimiques qui suivent :
$$\begin{array}{|l|l|} \hline 1)\quad Na\quad+\quad O_{2}\quad\longrightarrow\quad Na_{2}O& 7)\quad CO_{2}\quad +\quad H_{2}O\quad \longrightarrow \quad C_{6}H_{12}O_{6}\\ \hline 2)\quad CO\quad+\quad O_{2}\quad\longrightarrow\quad CO_{2}& 8)\quad C_{12}H_{22}O_{11}\quad +\quad O_{2}O\quad \longrightarrow \quad CO_{2}\quad+H_{2}O\\ \hline 3)\quad H_{2}\quad+\quad O_{2}\quad\longrightarrow\quad H_{2}O& 9)\quad N_{2}\quad+H_{2}\quad \longrightarrow \quad NH_{3}\\ \hline 4)\quad CuO\quad+\quad C\quad\longrightarrow\quad Cu\quad+\quad CO_{2}&10)\quad Fe\quad+\quad O_{2}\quad\longrightarrow\quad Fe_{2}O_{3}\\ \hline 5)\quad N_{2}O_{5}\quad\longrightarrow\quad NO_{2}\quad+\quad O_{2}&11)\quad Fe_{2}O_{3}\quad+\quad Al\quad\longrightarrow\quad Fe\\ \hline 6)\quad C_{4}H_{10}\quad+\quad O_{2}\quad\longrightarrow\quad CO_{2}\quad+\quad H_{2}O&\\ \hline \end{array}$$

Exercice 8 Bilan molaire

A chaud, l'aluminium brûle dans le soufre. 
 
L'équation-bilan qui traduit cette réaction s'écrit :
$$Al\quad+\quad S\quad\longrightarrow\quad Al_{2}S_{3}$$
1) Détermine la quantité minimale d'aluminium nécessaire pour faire réagir une mole de soufre ?
 
Quelle serait alors la quantité de sulfure d'aluminium $\left( Al_{2}S_{3}\right)$ formée ?
 
2) On veut former $0.50\;mol$ de sulfure d'aluminium quelle quantité minimale d'aluminium et de soufre faut-il utiliser ?

Exercice 9 Bilan massique

Pour souder des rails de chemin de fer, on utilise l'aluminothermie. 
 
Un mélange d'aluminium et d'oxyde de fer $\left(Fe_{2}O_{3}\right)$, placé entre les deux rails à souder, est enflammé. 
 
Il se forme du fer et de l'oxyde d'aluminium $Al_{2}O_{3}.$
 
1) Écris l'équation bilan de la réaction chimique.
 
2) On veut obtenir $112\;g $de fer. 
 
Quelle masse minimale d'oxyde de fer et d'aluminium doit-on employer ?
 
$M(Fe)=56\;g\cdot mol^{-1}\;;\ M(Al)=27\;g\cdot mol^{-1}\;;\ M(O)=16\;g\cdot mol^{-1}.$

Exercice 10 Bilan massique

Pour l'industrie du bâtiment, on fabrique de l'oxyde de calcium $(CaO)$, ou chaux vive, en chauffant du calcaire ou carbonate de calcium $\left(CaCO_{3}\right)$ dans de grands fours. 
 
L'équation de la réaction est la suivante :
$$CaCO_{3}\quad\longrightarrow\quad CaO\quad+\quad CO_{2}$$
1) Détermine la masse de carbonate de calcium faut-il transformer pour obtenir une tonne de chaux vive ?
 
2) Quelle masse de dioxyde de carbone obtient-on ?
 
3) Quel est l'effet de ce rejet gazeux dans l'atmosphère ?
 
$M(Ca)=40\;g\cdot mol^{-1}\;;\ M(C)=12\;g\cdot mol^{-1}\;;\ M(O)=16\;g\cdot mol^{-1}.$

Exercice 11 Bilan volumique

Le dioxyde de soufre $\left(SO_{2}\right)$ réagit avec le sulfure d'hydrogène $(HS)$ selon l'équation-bilan :
 
$SO_{2}\quad+\quad 2 H_{2}S\quad\longrightarrow\quad 3 S\quad+\quad 2 H_{2}O$

Le dioxyde de soufre et le sulfure d'hydrogène sont à l'état gazeux.
 
1) Détermine le volume de sulfure d'hydrogène nécessaire à la transformation de $1.5\;L$ de dioxyde de soufre.
 
2) Quelle masse de soufre peut-on préparer par ce procédé en faisant réagir $1.25\;m^{3}$ de dioxyde de soufre ?
 
$M(S)=32\;g\cdot mol^{-1}\;;\ V_{M}=24\;L\cdot mol^{-1}$

Exercice 12 Bilan massique et volumique

Le magnésium $(Mg)$ brule dans l'air en donnant de l'oxyde magnésium $(MgO).$
 
1) Écris l'équation bilan de la réaction.
 
2) Calcule le volume de dioxygène nécessaire à la combustion de $2.4\;g$ de magnésium et en déduire le volume d'air utilisé.
 
3) Calcule la masse de l'oxyde de magnésium obtenue.
 
$M(Mg)=24\;g\cdot mol^{-1}\;;\ M(O)=16\;g\cdot mol^{-1}\;;\ V_{M}=24\;L\cdot mol^{-1}$

Exercice supplémentaire

La photosynthèse permet aux plantes d'utiliser l'énergie solaire afin de fabriquer les substances qui leur sont indispensables pour vivre. 
 
Les nutriments nécessaires à la plante sont, entre autres, le dioxyde de carbone et l'eau.
 
C'est une transformation chimique qui conduit à la formation de glucose $\left(C_{6}H_{12}0_{6}\right)$ et de dioxygène.
 
Pendant la nuit, la photosynthèse n'a plus lieu, la plante respire comme toute autre être vivant.
 
1) Pourquoi la photosynthèse est-elle une transformation chimique ?
 
2) Donne les noms et les formules des réactifs mis en jeu dans la photosynthèse ?
 
3) Quels sont les noms et les formules des produits formés ?
 
4) Écris et équilibre l'équation de cette réaction.
 
5) En s'appuyant sur la réaction de photosynthèse, explique en quoi il faut s'inquiéter d'une déforestation massive.
 
 

$\begin{array}{c}\blacktriangleright\,\boxed{\text{Correction des exercices}}\end{array}$

Source: 
irempt.ucad.sn & ADEM

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