physique-chimie

PHYSIQUE-CHIMIE
ème
4
er
1 trimestre
v.3.1
programme 2015
édition 2016
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Cours Pi – Etablissement privé hors contrat d’enseignement à distance
SARL au capital de 17 531,86 euros - RCS PARIS B 391 712 122 - APE 8559B
siège social et centre d’expédition : 11-13 rue de l’Épée de Bois, 75 005 Paris – tél. : 01 42 22 39 46
bureaux et accueil du public : 6 rue Saint Denis, 34 000 Montpellier – tél. : 04 67 34 03 00
e-mail : [email protected] – site : http://www.cours-pi.com
L’auteur
Vous disposez d’un support de Cours complet : prenez le temps de bien le lire, de le
comprendre mais surtout de l’assimiler. Vous disposez pour cela d’exemples donnés
dans le Cours et d’« exercices types » corrigés.
Vous pouvez rester un peu plus longtemps sur une Unité
mais travaillez régulièrement.
Bon courage !
Sylvie Lamy
Agrégée de Mathématiques
Diplômée de l’École Polytechnique
Présentation
Ce Cours est divisé en 6 Unités dont le sommaire est donné en début de fascicule.
Chaque Unité comprend :
 le Cours,
 des exercices d’application et d’entraînement,
 les corrigés-types de ces exercices,
 des devoirs soumis à correction (et se trouvant hors fascicule). Le professeur de votre enfant
vous renverra le corrigé-type de chaque devoir après correction de ce dernier.
Pour une manipulation plus facile, les corrigés-types des exercices d’application et d’entraînement sont
regroupés en fin de fascicule et imprimés sur papier de couleur.
Les fournitures
Vous devez posséder :
• une calculatrice scientifique pour le collège (de type CASIO GRAPH 25+). N’utilisez pas de
calculatrice quelconque car elle risque de ne pas fonctionner de la même manière que les calculatrices
scientifiques.
• un tableur comme Excel de Microsoft (payant) ou Calc d’Open Office (gratuit et à télécharger sur
http://fr.openoffice.org/). En effet, certains exercices seront faits de préférence en utilisant un de ces
logiciels, mais vous pourrez également utiliser la calculatrice).
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Les devoirs
Les devoirs constituent le moyen d’évaluer l’acquisition de vos savoirs (Ai-je assimilé les notions
correspondantes ?) et de vos savoir-faire (Est-ce que je sais expliquer, justifier, conclure ?).
Pour cette raison :
N’appelez pas votre professeur si vous ne savez pas faire un exercice !
Cela peut arriver, comme tout élève en classe ! Mais si, après avoir reçu la correction, un exercice continue
à vous poser problème, n’hésitez pas à le faire !
Même si vous avez obtenu une bonne note, lisez attentivement les remarques du professeur et le corrigé
(la correction peut éventuellement proposer une autre méthode que celle que vous avez utilisée).
Il est vivement recommandé d’attendre le retour des devoirs antérieurs avant de faire le suivant : cela
vous permettra d’éviter de faire les mêmes erreurs et de profiter pleinement des remarques qui vous
auront été faites.
Voici maintenant quelques conseils pour composer vos devoirs…
 Utilisez des copies doubles grand format (pour y insérer par la suite l’énoncé et le corrigé).
 Présentez la copie correctement (nom, prénom, classe, matière, numéro de devoir doivent figurer
sur chaque copie pour éviter toute erreur ou perte). Laissez de l’espace pour le correcteur.
 Faites les exercices dans l’ordre. Si une question n’est pas faite, il faut l’indiquer sur la copie. Si la
question est faite directement sur l’énoncé, il faut également l’indiquer.
 Faites attention à l’orthographe !
 Justifiez vos réponses même si l’énoncé ne le précise pas.
 Mettez en valeur vos résultats (ce n’est pas au correcteur de chercher où sont les réponses !) et
répondez dès que possible aux questions en faisant des phrases complètes. Un lecteur n’ayant
pas lu l’énoncé doit pouvoir comprendre votre copie !
 Vérifiez la cohérence de vos résultats.
Cela fait beaucoup de conseils mais cela devrait vite devenir naturel.
Rappelez-vous que la présentation et la rédaction c omptent
dans le s notes d’exame n. Al ors, prenez de bonnes habitude s!
Il est important que votre enfant puisse tenir compte des remarques, appréciations et conseils du
professeur correcteur. Pour cela, il est très important d’envoyer les devoirs au fur et à mesure et non
groupés. C’est ainsi qu’il progressera…
Les Cours Pi
Dès qu’un devoir est rédigé, envoyez-le aux Cours Pi :
6 rue Saint-Denis
34000 MONTPELLIER
Vous prendrez soin de joindre :
 Le texte du devoir.
 Une grande enveloppe libellée à vos nom et adresse, et affranchie au tarif en vigueur.
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Physique-Chimie
4ème
Unité 2 : de l’air qui nous entoure
à la molécule (II)
Unité 1 : de l’air qui nous entoure
à la molécule (I)
1.
1.
L’air
A)
B)
C)
D)
2.
Atomes et molécules
A) Les atomes
B) Les molécules
C) Corps purs
La composition de l’air
Air pur et gaz pur
Propriétés de l’air
La pression atmosphérique
Devoir n°1
3.
Interpréter grâce au modèle moléculaire
A) Les états de la matière
B) La conservation de la masse lors d’un
changement d’état
C) La conservation de la masse lors d’une
dissolution
D) Compressibilité d’un gaz, pression
E) Diffusion d’un gaz
Devoirs n°2 & n°3
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La combustion
A) Combustion du carbone
B) Combustion du méthane et du butane
C) Le triangle de feu
D) Combustions complètes et incomplètes
Devoir n°1
2.
Les transformations chimiques
A) Conservation de la masse lors d’une
transformation chimique
B) Equation-bilan
Devoirs n°2 & n°3
Unité 3 : l’électricité (I)
1.
Rappels et compléments sur les circuits
électriques
A) Le courant électrique
B) Composition d’un circuit
C) Montages en série
D) Montages en dérivation
Unité 4 : l’électricité (II)
1.
Devoir n°1
2.
L’intensité d’un courant électrique
A) L’intensité électrique traversant un dipôle
B) Mesurer de l’intensité
C) L’intensité dans un montage en série
D) L’intensité dans un montage en
dérivation : loi d’additivité
Devoir n°1
2.
Devoirs n°2 & n°3
Les lumières colorées
A) La lumière blanche
B) Synthèse additive des couleurs
C) Les filtres colorés
Devoir n°1
2.
Unité 6 : optique (II)
1.
Les propriétés de la lumière
A) La propagation de la lumière
B) La vitesse de la lumière
2.
Les lentilles
A) Les lentilles
B) Lentilles convergentes et divergentes
C) Caractéristiques d’une lentille
convergente
D) Formation d’une image par une lentille
convergente
La couleur des objets
A) La couleur d’un objet éclairé par la
lumière blanche
B) La couleur d’un objet éclairé par une
lumière colorée
Devoirs n°2 & n°3
La résistance électrique
A) Notion de résistance électrique et de
dipôle ohmique
B) Mesures de résistances
C) Caractéristiques d’un dipôle
D) La loi d’Ohm
Devoirs n°2 & n°3
Unité 5 : optique (I)
1.
La tension électrique
A) Notion de tension électrique
B) Mesurer une tension électrique
C) Tensions particulières
D) La tension dans un montage en série
E) La tension dans un montage en
dérivation
Devoir n°1
3.
L’œil
A) Le modèle réduit de l’œil
B) La vision des couleurs
Devoirs n°2 & n°3
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Unité 1
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DE L’AIR QUI NOUS ENTOURE
À LA MOLÉCULE (I)
1. L’air
La couche d’air qui entoure notre planète s'appelle l'atmosphère terrestre. Elle permet la vie sur Terre et
régule la température terrestre : sans elle, la température atteindrait environ 100° C le jour et – 150° C la
nuit.
Remarque : la Lune ne possède pas d'atmosphère. Quant à la planète Mars, son atmosphère contient
essentiellement du dioxyde de carbone (CO2).
A)
LA COMPOSITION DE L’AIR
1.
Les constituants de l’air
L’air est un mélange de gaz constitué de 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1%
d’autres gaz (argon, dioxyde de carbone, ozone, etc.).
 On considérera généralement que l’air est constitué en volume de 80% de diazote et de 20% de
dioxygène. Il y a donc 4 fois plus de diazote que de dioxygène.
Exemple : 1 L d’air contient 0,8 L de diazote et 0,2 L de dioxygène.
2.
Le dioxygène
Le dioxygène, présent en quantité importante, est le gaz que nous consommons lorsque nous respirons.
Si nous nous mettions à respirer un air dépourvu de ce gaz, nous mourrions en quelques minutes.
Le dioxygène est nécessaire à la vie.
B)
AIR PUR ET GAZ PUR
1.
La pollution de l’air
L'atmosphère terrestre est soumise à diverses pollutions dont les conséquences, à long terme, posent des
problèmes :
 Les gaz CFC (chlorofluorocarbures) (composés constitués de fluor, de chlore et de carbone)
détruisent la couche d'ozone. Ces gaz sont utilisés notamment dans les réfrigérateurs et les climatiseurs.
 La combustion des hydrocarbures (essence, fioul, gaz, kérosène…), du charbon, rejette du
dioxyde de carbone qui contribue à l’effet de serre, ce qui provoque, le réchauffement de la planète, la
montée du niveau des mers et océans et la désertification de certaines zones.
 Lorsque l’on brûle du charbon ou du fioul, il se produit, en plus du dioxyde de carbone, du
dioxyde de soufre qui forme de l'acide sulfurique lorsqu'il entre en contact avec l'eau des nuages. Cela
provoque des pluies acides qui détruisent notamment les forêts et certains monuments fabriqués à partir
de roches calcaires.
Pour réduire la pollution, on cherche à limiter la consommation d’hydrocarbures (fioul, essence, kérosène,
gaz…) en développant les transports en commun, en améliorant l’isolation thermique des habitations, en
fabriquant des moteurs peu consommateurs en carburants…
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1
2.
L’air pur est-il un corps pur ?
Un corps (solide, liquide ou gazeux) est un corps pur s’il est constitué d’une seule
espèce chimique.
On dit qu’un air est pur lorsqu’il ne contient pas de polluants.

D’après ces deux définitions, on peut dire que l’air pur n’est pas un gaz pur. En effet, l’air pur n’est
pas constitué d’un seul gaz, mais d’un grand nombre de gaz, dont le diazote, le dioxygène, le dioxyde de
carbone…
C)
PROPRIETES DE L’AIR
1.
L’air est un gaz
On se place dans des conditions habituelles. A de très basses températures, l’air devient liquide !
L’air est un gaz. Il tend à occuper tout l’espace disponible.
Il est compressible et expansible.
Rappel : à l’état gazeux, la matière :
 n’a pas de forme propre.
 n’a pas de volume propre.
pompe remplie d’air
pompe remplie d’air comprimé
Rappel : l’eau à l’état gazeux prend le nom de vapeur d’eau. L’air contient une petite proportion de vapeur
d’eau.
2.

Masse de l’air
Comme les solides et les liquides, les gaz ont une masse.
A 0°C, la masse d’1 L d’air vaut environ 1,3 g.
 La masse d’un litre d’air dépend, entre autres, de la température. Elle tend à diminuer quand la
température augmente.
Température (°C)
Masse d’un litre d’air
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0
20
50
120
1,3 g
1,2 g
1,1 g
0,9 g
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2
D)
LA PRESSION ATMOSPHERIQUE
On a vu que l’air avait une certaine masse.
La pression atmosphérique en un point est liée au poids de la colonne d’air qui
surplombe ce point.

L’unité de pression est le pascal (symbole Pa).





On mesure la pression atmosphérique avec un baromètre.
En météorologie on utilise généralement comme unité l’hectopascal : 1 hPa=100 Pa .
On utilise également pour la pression atmosphérique le bar. 1 bar=1000 hPa
La pression atmosphérique normale vaut donc environ 1 bar.
La pression atmosphérique normale est de 1013 hPa au niveau de la mer. Elle varie en fonction :
 des conditions météorologiques : la pression atmosphérique varie légèrement (de 950 à 1050 hPa
environ). Ces variations permettent des prévisions météorologiques. Une élévation de la pression
atmosphérique indique une amélioration du temps (anticyclone). Une baisse de la pression atmosphérique
indique une dégradation du temps (dépression).
 de l’altitude : la pression atmosphérique diminue quand l’altitude augmente. Plus on s’élève,
moins il y a d’air.
EXERCICES
Exercice 1
Cocher la ou les bonnes réponses :
L’air pur est :
A 25°C, l’air est :
 un corps pur
 un mélange
 non pollué
 solide
 liquide
 gazeux
Dans l’air, il y a :
La pression atmosphérique :
 plus de dioxygène que de diazote
 plus de diazote que de dioxygène
 de la vapeur d’eau
 vaut toujours 1013 hPa
 augmente quand l’altitude augmente
 diminue quand l’altitude augmente
Exercice 2
On a une cuve de 1 m3 remplie d’air. Quels sont les volumes exprimés en litres de dioxygène et de diazote ?
Exercice 3
L’air contient, en plus du diazote et du dioxygène, un grand nombre de gaz. Parmi ceux-ci : l’argon et le
méthane.
3
1) L’argon est présent à raison de 0,93 L par m d’air. Quel est le pourcentage d’argon dans l’air ?
3
2) Le méthane est présent à raison de 5 mL par m d’air. Quel est le pourcentage de méthane dans l’air ?
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3
2. Atomes et molécules
Dans le chapitre précédent, nous avons utilisé les noms de diazote, dioxygène… Ce chapitre va permettre de
comprendre ce que signifient plus précisément ces termes.
A)
LES ATOMES
1.
Définition
Les gaz, les liquides et les solides sont tous constitués à partir de particules appelées atomes.
 Ceux-ci ont la forme de boules dont le diamètre vaut un peu moins d’un milliardième de mètre
( 10−9 m ), ce qui signifie qu’une chaîne d’un milliard d’atomes mesure moins d’un mètre !
 Il existe une grande variété d’atomes, environ une centaine ; on trouve des atomes de fer, de carbone,
d’oxygène, d’or, etc…
2.
Représentation
 Tous les atomes sont représentés par un symbole (appelé symbole chimique). Les symboles des
atomes sont généralement constitués par la première lettre du nom écrite en majuscule, suivie, dans
certains cas, d’une lettre en minuscule.
 On les représente graphiquement par des sphères de couleurs dont la taille est d’autant plus grande
que l’atome est gros.
Exemples :
Atome
hydrogène
carbone
azote
oxygène
aluminium
or
H
C
N
O
Al
Au
Symbole
Habituellement, on représente l’hydrogène par une sphère blanche, l’oxygène par une sphère rouge,
l’azote par une sphère bleue et le carbone par une sphère noire.
Atome d’oxygène
Vous verrez en 3ème que la matière n’occupe qu’une très petite partie de la sphère. La matière est donc
faite essentiellement…. de vide !
B)
LES MOLECULES
1.
Définition
Les atomes restent rarement seuls. Ils ont tendance à se regrouper.
Les molécules sont des groupes d’atomes liés entre eux.
 Certaines molécules sont formées de 2 atomes. Les plus longues molécules comme les molécules
d’ADN peuvent contenir des milliards d’atomes !
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2.

Représentation des molécules
Une molécule est représentée par une formule indiquant de quels atomes elle est constituée.
Exemple : dans la formule de la molécule d’eau : H2 O , les symboles H et O indiquent que cette molécule
est formée d’atomes d’hydrogène et d’atomes d’oxygène.
Le chiffre 2, placé en bas à droite de H, indique que la molécule H2 O est constituée de 2 atomes
d’hydrogène.
Le symbole O ne comporte pas de chiffre à sa droite : cela signifie que la molécule n’a qu’un seul atome
d’oxygène. On peut donc représenter la molécule H2 O de la manière suivante :
dioxygène
diazote
Pour des raisons d’affichage, on utilisera parfois d’autres représentations des atomes.
atome
d’hydrogène
formule
atome
d’oxygène
atome d’azote
atome de
carbone
O2
N2
H2O
CO2
dioxygène
diazote
eau
dioxyde de carbone
représentation
nom
3.
Nomenclature
 Beaucoup de molécules ont un nom qui rappelle leur composition.
Exemples :
• monoxyde de carbone : un atome d’oxygène et un atome de carbone (« mono » : préfixe signifiant : un).
• dioxygène : molécule constituée de deux atomes d’oxygène (« di » : préfixe signifiant : deux).
• diazote : molécule constituée de deux atomes d’azote.
• dioxyde de carbone : deux atomes d’oxygène et un atome de carbone.
• trichlorure de phosphore : trois atomes de chlore et un atome de phosphore.
C)
CORPS PURS
On peut maintenant donner une définition plus précise des corps purs que celle vue dans le sous-chapitre
« l’air pur est-il un corps pur ? ».
Un corps pur ne contient qu’une seule sorte de molécules (ou d’atomes isolés).
L’eau pure est un corps pur constitué de molécules H2 O .
L’air n’est pas un corps pur (on y trouve des molécules N2 et O 2 ).
Le diamant est un corps pur constitué d’atomes de carbone C.
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EXERCICES
Exercice 4
Cocher la ou les bonnes réponses :
La molécule de méthane CH4 contient :
Les corps purs :
 du carbone
 de l’hydrogène
 de l’oxygène
 contiennent un seul type d’atome.
 contiennent un seul type de molécules.
 contiennent un ou plusieurs types de molécules.
Une molécule contient 1 atome de d’azote et 3 atomes d’hydrogène. Elle s’écrit :
 N1H3
 NH3
 NH3
Exercice 5
atome
d’hydrogène
atome d’azote
atome de chlore
Représenter les molécules de dichlore ( Cl2 ) et d’ammoniac ( NH3 ).
Exercice 6
Donner la formule de cette molécule :
Composez maintenant le devoir n°1
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