COURS SUR LA MATIÈRE POUR CRPE PREMIÈRE PARTIE

COURS SUR LA MATIÈRE POUR CRPE
PREMIÈRE PARTIE
Jean-Michel ROLANDO (Site de Bonneville)
Les éléments essentiels sont rédigées en police standard (12 points). Certaines parties, plus difficiles, peuvent
être sautées lors d’une première lecture : elles sont rédigées en 10 points.
Généralités
La matière se présente à nous sous des formes très variées et on a coutume de les classer
comme on l’a vu pour l’eau en solides, liquides et gaz. Ainsi, par exemple, un morceau de
bois est un solide et le lait à température ambiante est un liquide Cette distinction commode
est pourtant source de confusion. Car les qualifications adoptées ici de solide ou de liquide ne
possèdent pas les caractéristiques vues dans le cas des corps purs. Par exemple, un morceau
de bois ne change pas d’état. Ainsi, si l’on peut parler de solides, de liquides et de gaz pour un
large éventail de matières (on ne peut pas aller totalement contre le langage courant), on doit
éviter de parler d’état (dire que le bois est un solide mais non que le bois est à l’état solide) et
réserver les termes de changement d’état aux corps purs.
1. Quelques propriétés élémentaires
Forme
Surface
Masse
Volume
Solides
Propre (sauf si état
divisé)
Propre
Invariable
Invariable
(sauf dilatation)
Liquides
Du récipient
Gaz
Du récipient
Plane et horizontale
Invariable
Invariable (en 1ère
approximation)
Du récipient
Invariable
Du récipient, donc
compressible,
extensible
2. Poids et masse
• La première intuition que l’on a en soulevant un objet est liée à l’effort que l’on doit exercer. C’est ici la notion
de poids qui est approchée.
• La notion de masse est plus difficile à cerner. On en a l’intuition lorsqu’on tente de mettre en mouvement un
objet ou au contraire de l’arrêter lorsqu’il est en mouvement. La masse caractérise la « résistance » au
changement de mouvement que les scientifiques appellent l’inertie. Plus un corps est massif, plus son
changement de mouvement requiert une force importante.
• La masse est une grandeur caractéristique d’un échantillon de matière alors que le poids dépend en outre de
l’attraction terrestre (ou de l’attraction de l’astre au voisinage duquel il se trouve). En particulier, le poids d’un
même corps n’est pas le même au sol et en altitude ; il n’est pas le même au pôle et à l’équateur.
• C’est donc la masse qui caractérise le mieux un échantillon de matière et c’est elle que l’on mesure avec une
balance (voir le cours de mécanique).
• Poids et masse sont reliés par la relation P = m g
Unités
• Le newton (N) pour le poids.
• Le kilogramme (kg) pour la masse ainsi que ses multiples et sous multiples.
• l’intensité de la pesanteur, g, s’exprime en N.kg-1 ; sa valeur moyenne sur Terre est 9,8 N.kg-1
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3. Volume
• Caractérise l’espace occupé, l’encombrement. Dans le cas de récipients, on parle de
capacité.
• Unités : le m3, ses multiples et ses sous multiples ; le litre (L) ses multiples et ses sous
multiples.
Il est prudent de connaître les correspondances entre les unités (voir aussi le programme de
maths), ainsi que les transformations d’unités. En particulier : 1 dm3 = 1 L.
4. Masse volumique
C’est la masse d’une unité de volume. Cette unité peut être 1 m3 ou 1 cm3 ou encore 1 L ce qui fait que la mesure
dépend évidemment de l’unité dans laquelle on l’exprime. Il est bon de connaître quelques ordres de grandeur :
voir tableau ci-dessous.
Masse
! =
M
V
Volume
g
UNITÉS LES PLUS FRÉQUENTES
Volume
Masse volumique
3
m
kg/m3 ou kg.m-3
L
g
g/L ou g.L-1
g/cm3 ou g.cm-3
cm3
Tout autre combinaison est possible pourvu qu'elle soit cohérente
Masse volumique
Eau
1000 kg/m3
(1 g/cm3)
Masse
kg
ORDRES DE GRANDEURS À CONNAÎTRE
Air
Fer
1,3 kg/m3
7800 kg/m3
(1,3 g/L)
(7,8 g/cm3)
Métaux usuels
2700 à 22000 kg/m3
(2,7 à 22 g/cm3)
Attention à une confusion fréquente selon laquelle 1 kg serait égal à 1 L. Le litre est une unité
de volume, le kg est une unité de masse, il n’est pas possible d’établir la moindre égalité entre
elles. En revanche, il est vrai que 1 L d’eau a une masse de 1 kg. Mais 1 L d’alcool (par
exemple) a une masse de 790 g.
5. Densité par rapport à l’eau ou par rapport à l’air
• densité par rapport à l' eau =
!
masse d' un volume quelconque du corps considéré
masse du même volume d' eau
Nombre sans unité, indiquant combien de fois tel corps est plus dense que l'eau.
Utilisée essentiellement pour les liquides et les solides.
Si la densité d’un corps est supérieure à 1, alors il est plus dense que l’eau (et réciproquement).
• On définit la densité par rapport à l’air de la même manière : nombre sans unité qui indique combien de fois tel
corps est plus dense que l’air.
Utilisée essentiellement pour les gaz.
6. Le phénomène de dilatation
• La matière se dilate : son volume augmente sous l’effet d’une augmentation de la
température. Inversement, elle se contracte sous l’effet d’un refroidissement. Le phénomène
est très visible pour les gaz, un peu moins pour les liquides (mais, par exemple, la montée du
liquide d’un thermomètre dans son tube est un effet de la dilatation rendu visible grâce à la
finesse du tube) encore moins pour les solides. Toutefois, empêcher la dilatation est souvent
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difficile (voire impossible) et dangereux. Par exemple, les ouvrages comme les ponts ou les
chemins de fer, prévoient des parties non jointives pour laisser se faire la dilatation (joints de
dilatation) faute de quoi les contraintes énormes auraient tôt fait de déformer l’ouvrage.
• C’est le phénomène de dilatation qui explique que les fluides chauds remontent au-dessus
des fluides froids (l’air chaud monte, les eaux de surface sont plus chaudes que les eaux plus
profondes). En effet, une masse donnée de matière reste constante lorsque la température
augmente, mais son volume augmente : sa masse volumique diminue donc.
• Autre exemple actuel : il faut savoir que la montée des eaux océaniques prévue comme
conséquence du réchauffement climatique est due pour moitié à la dilatation de l’eau des
océans. L’autre moitié est due à la fusion des glaces continentales (et non de la banquise).
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