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PHYSIQUE-CHIMIE ème 3 er 1 trimestre v.3.1 programme 2015 édition 2016 ______________________________________________________________________________________________________ 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). __________ © Cours Pi 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. __________ © Cours Pi Physique-Chimie 3ème Unité 2 : solutions aqueuses Unité 1 : la conduction électrique 1. Les métaux et alliages dans la vie quotidienne A) Les principaux métaux B) Quelques alliages C) Propriétés des métaux et alliages usuels 2. La conduction électrique des métaux A) Conducteurs et isolants B) Structure de la matière : atomes et électrons C) La conduction dans un métal Devoir n°1 3. La conduction électrique des solutions aqueuses A) Solutions conductrices et non conductrices B) Les ions C) La conduction électrique des solutions aqueuses Devoirs n°2 & n°3 1. Reconnaitre les ions A) Les ions Chlorure (Cl-) B) Les ions des métaux usuels : cuivre, fer… C) Les ions Sodium (NA+) 2. Solutions acides et basiques A) Solutions acides et basiques, pH B) Effets de la concentration sur le pH Devoir n°4 3. Réactions du fer avec l’acide chlorhydrique A) Expérience B) Etude des produits de la réaction C) Bilan de la réaction 4. Synthèses d’espèces chimiques A) Différentes sortes de substances et d’espèces chimiques B) Un exemple de synthèse d’une espèce chimique naturelle : l’arôme de banane C) Un exemple de synthèse d’une espèce chimique artificielle : le nylon Devoirs n°5 & n°6 __________ © Cours Pi Unité 4 : tensions continues et variables Unité 3 : la production d’énergie électrique 1. Piles électrochimiques A) Réaction entre le zinc et le cuivre B) Réalisation d’une première pile C) Une pile plus complexe : la pile Daniell 1. Production d’une tension variable A) Rappels sur l’intensité et la tension B) Production d’une tension variable alternative C) Tensions variables, alternatives, périodiques, sinusoïdales 2. Mesures de tensions sinusoïdales A) Utilisation d’un oscilloscope B) Tension efficace d’une tension sinusoïdale Devoir n°7 2. Production de l’énergie électrique A) Comment produire de l’électricité ? B) Les centrales électriques C) Diagramme de conversion d’énergie Devoirs n°8 & n°9 Devoir n°10 3. Modification d’une tension sinusoïdale A) Transformateurs B) L’adaptateur Devoirs n°11 & n°12 Unité 5 : puissance et énergie électrique 1. 2. Rappels et compléments sur les circuits électriques A) Généralités B) Montages en série et en dérivation C) Les lois de l’électrodynamique en courant continu D) Les lois de l’électrodynamique en courant sinusoïdal 1. Puissance électrique A) Puissance d’un appareil électrique B) Protection des installations électriques contre les surintensités 2. Devoir n°13 3. Unité 6 : gravitation, énergie mécanique Energie électrique A) Energie transférée à un appareil électrique B) Etude d’une facture d’électricité Devoirs n°14 & n°15 __________ © Cours Pi Interaction gravitationnelle A) Quelques caractéristiques du système solaire B) Interaction gravitationnelle entre deux masses C) Masse et poids d’un corps Devoir n°16 Les énergies de position, cinétique et mécanique A) Energie de position B) Energie cinétique C) Energie mécanique Devoirs n°17 & n°18 Unité 1 __________ © Cours Pi LA CONDUCTION ÉLECTRIQUE 1. Les métaux et alliages dans la vie quotidienne A) LES PRINCIPAUX METAUX Le fer : métal très abondant sur Terre et pas très cher mais avec un sérieux inconvénient : il est oxydable, il rouille ! On l’utilise sous forme d’alliages tels que l’acier. Ce dernier est utilisé principalement dans la construction. o Le cuivre : utilisé essentiellement dans le matériel électrique. Le cuivre est très bon conducteur du courant électrique. o L’aluminium : son principal avantage est d’être très léger. C’est pourquoi il est de plus en plus utilisé pour remplacer l’acier dans les automobiles. Les fuselages d’avion sont faits d’un mélange à base d’aluminium et de fibres de verre. o o Le zinc : utilisé dans le procédé de galvanisation, procédé anticorrosion du fer. o L’argent et l’or : utilisés en joaillerie (bijoux et médailles) ne sont pas oxydables. Comment obtient-on les métaux ? A partir de minerais: minerais de fer, de cuivre, d’or, etc. Par recyclage : on récupère les métaux contenus dans nos déchets. Cela permet d’économiser les ressources naturelles, de limiter les gaspillages B) QUELQUES ALLIAGES Les alliages sont des mélanges contenant au moins un métal. Les alliages ont été créés afin de disposer d’une plus grande variété de matériaux. Les plus connus sont : • le laiton : alliage de cuivre et de zinc. Son avantage principal est de bien résister à l’eau de mer. • l’inox : alliage de fer, de chrome et de nickel. Il est apprécié car il ne rouille pas. On s’en sert pour la fabrication de couverts de table notamment. • les aciers : qui sont des alliages de fer, de carbone et d’autres métaux comme le nickel, l’aluminium, etc. On a réussi à fabriquer des aciers qui sont très durs (pour les coffres forts et les cadenas par exemple) et d’autres qui ne rouillent pas. Remarques : Il est incorrect de dire que l’acier, l’inox et le laiton sont des métaux : ce sont des alliages. Les aimants sont aussi des alliages de fer et d’autres métaux tels que le titane, le cobalt, le nickel et l’aluminium, par exemple. © Cours Pi PC – 3 – U1 1 C) PROPRIETES DES METAUX ET ALLIAGES USUELS 1. Les propriétés physiques La couleur, les températures de fusion et d’ébullition, la densité, le magnétisme, la dureté, la résistance aux chocs, l’élasticité sont des propriétés physiques. Les propriétés physiques permettent de reconnaître les métaux ou alliages. En voici des exemples : o La couleur : le cuivre est rouge, malléable. Le fer est blanc grisâtre. Le zinc est blanc bleuâtre. L’or est jaune. o La dureté : à 20°C, le cuivre est malléable. Le fer et le zinc sont durs. o La densité : la densité d’un métal est le rapport entre la masse d’un certain volume de ce métal et la masse du même volume d’eau. Le fer et le zinc ont des couleurs voisines mais pas la même densité. Le fer a une densité de 7,8 ; le zinc a une densité de 7,1. o L’attraction par un aimant : le fer et l’acier sont attirés par un aimant, le zinc le cuivre et l’aluminium ne le sont pas. Cette propriété est mise à profit dans le recyclage. 2. Les propriétés chimiques : la corrosion du fer La plupart des métaux sont attaqués par l’air humide : leur surface recouvre d’une couche d’oxydes, c’est la corrosion. La corrosion du fer conduit à une couche poreuse (avec des trous) non protectrice, la corrosion se poursuit à l’intérieur. On peut éviter cela en protégeant par une couche de peinture. Expérience 1 On réalise les 2 montages expérimentaux ci-dessous : un tube à essais au fond duquel on a suspendu de ; la laine de fer est retourné sur un récipient d’eau. o Le premier tube est rempli d’air : il contient donc peu de dioxygène (20 %). o Le deuxième, est rempli de dioxygène pur. Observations : après avoir attendu 8 jours, on remarque, dans les deux tubes, qu’une partie du fer s’est transformée en rouille. Mais, on remarque surtout qu’il y a beaucoup plus de rouille dans le tube du montage 2 que dans celui du montage 1. Conclusion : plus il y a de dioxygène, plus la formation de rouille est rapide. La corrosion est un processus d’oxydation. La rouille est du fer oxydé. © Cours Pi PC – 3 – U1 2 Expérience 2 On répète l’expérience du montage 1 ; on réalise un troisième montage en remplaçant l’eau par de l’huile. Observation : contrairement au montage 1, on ne remarque aucune trace de rouille Conclusion : il ne peut se former de rouille sans présence d’eau. Conclusion générale : La formation de rouille sera d’autant plus rapide que l’échantillon de fer sera exposé : à l’humidité (vapeur d’eau), à une grande quantité de dioxygène. Remarque : en fait, l’eau n’a pas réagi avec le fer (il y a autant d’eau avant et après la réaction). Elle a juste aidé, par sa simple présence, le dioxygène à réagir avec le fer. On dit que la vapeur d’eau est un catalyseur. EXERCICES Exercice 1 Cocher la ou les bonnes réponses. A. La formation de la rouille est due à une réaction sur le fer : de l’eau du dioxygène B. Un objet en fer rouillera rapidement s’il se trouve : dans un marais sur la Lune de l’huile dans un désert C. La couche d’alumine qui recouvre un objet en aluminium oxydé est : poreuse perméable étanche Exercice 2 1. Les aciers sont des alliages à base de fer et de carbone. La masse du carbone peut atteindre 1,5 % de la masse totale de l’alliage. Quelle masse de carbone peut-il y avoir au maximum dans une tonne d’acier ? 2. Le duralumin est un alliage à base d’aluminium, qui contient du cuivre (4 % de la masse de l’alliage) et du magnésium (1 % de la masse totale). Quelles sont les masses respectives en grammes des trois métaux dans 4 kg de duralumin ? Exercice 3 Un échantillon de fer de 10 g est laissé aux intempéries quelques mois : il rouille. On le pèse à nouveau (avec sa rouille). La balance indique la masse m. Choisissez et justifiez, parmi les valeurs suivantes, celle qui vous paraît vraisemblable pour m en justifiant la réponse : 8,5 g 10 g 11,5 g © Cours Pi PC – 3 – U1 3 2. La conduction électrique des métaux A) CONDUCTEURS ET ISOLANTS Les matériaux conducteurs laissent passer le courant. Les matériaux isolants ne laissent pas passer le courant. o Le cuivre, le fer, sont des matériaux conducteurs. o Le verre est isolant. o Tester si un matériau est conducteur ou isolant On utilise un circuit électrique dans lequel on insère la matière à tester. Une lampe sert de témoin. Avec un clou en fer, la lampe s’allume. Le fer est conducteur. Avec un morceau de bois, la lampe s’éteint. Le bois est isolant. Tous les métaux sont de bons conducteurs. Nous allons voir pourquoi dans la suite du chapitre. B) STRUCTURE DE LA MATIERE : ATOMES ET ELECTRONS 1) L’atome Toute la matière contenue dans l’Univers est constituée d’atomes. Un atome est formé : • d’un noyau • d’électrons qui gravitent autour de ce noyau. L’atome est généralement assimilé à une sphère (sphère atomique), dont le centre est occupé par le noyau. Atome avec 3 électrons électron noyau Sphère atomique © Cours Pi PC – 3 – U1 4 La taille moyenne d’un atome est d’environ 10−10 m. Le plus petit et le plus léger des atomes existant est l’atome d’hydrogène. Le nombre d’électrons, la taille et la masse du noyau, les dimensions de la sphère atomique sont liés. Exemple : tous les atomes d’oxygène ont 8 électrons (contre un seul pour l’hydrogène) et un noyau plus gros (et plus lourd) que celui des atomes d’hydrogène. électron noyau limite virtuelle de l’atome atome d’oxygène atome d’hydrogène 2) Le noyau Le noyau est très petit par rapport à la sphère atomique (environ 100 000 fois plus petit). La masse d’un atome y est concentrée. Le noyau est constitué 2 sortes de particules : les protons et les neutrons. Les protons portent la même charge électrique élémentaire positive notée +e. Les neutrons ne sont pas chargés (ils sont neutres). La matière est donc essentiellement faite de vide ! Les noyaux étant représentés par des boules d’environ 1 cm de diamètre, la taille des atomes devrait alors être de 100 000 cm, soit... 1 km ! La masse d’un noyau est de 2 000 à 500 000 fois supérieure à celle d’un électron Un noyau comportant Z protons aura une charge électrique totale valant : Z × e. 3) L’électron Les électrons sont beaucoup plus petits et légers que les protons et les neutrons. Les électrons portent la même charge électrique élémentaire négative, opposée à celle des protons notée −e. 4) La charge électrique d’un atome La charge électrique d’un atome est nulle. Un atome possède autant de protons que d’électrons. La charge positive du noyau (Z × e) est exactement compensée par la charge négative des électrons (− Z × e). Exemple : si le noyau d’un atome possède 10 protons, sa charge vaut +10 × e . Cet atome possèdera 10 électrons ayant pour charge total −10 × e . La charge de l’atome vaut alors : +10 × e − 10 × e=0 . © Cours Pi PC – 3 – U1 5 C) LA CONDUCTION DANS UN METAL A) Électrons libres Pourquoi un métal laisse-t-il passer le courant électrique alors que le verre ne le peut pas ? Dans les atomes des métaux, certains électrons qui sont situés en périphérie de l’atome (c’est-à-dire les électrons les plus éloignés des noyaux), ont la possibilité de quitter leur atome pour aller dans l’atome voisin. On dit que ce sont des électrons libres. Ce sont eux qui interviennent dans le passage du courant. Les matériaux conducteurs possèdent des électrons libres. Les métaux possèdent des électrons libres : ils sont conducteurs de courant électrique. Les atomes du verre et de tous les isolants ne possèdent pas d’électrons libres. B) Mouvement des électrons libres dans un bloc de métal On dispose d’un bloc de métal. En l’absence de courant, tous les électrons libres d’un métal passent d’un atome à l’autre. Leur mouvement est complètement désordonné. On décide de relier les extrémités du bloc de métal aux bornes d’un générateur (on a inséré dans le circuit une lampe pour ne pas faire court-circuit !). Que se passe-t-il, au niveau des électrons, à l’intérieur du métal ? Les électrons libres ne se déplacent plus de façon totalement désordonnée dans le bloc de métal et dans les fils électriques (également constitués de métal). Les électrons libres cherchent à atteindre la borne positive du générateur. C’est le courant électrique. Mais si tous les électrons libres cherchent à atteindre la borne positive, il arrivera un moment où ils auront tous atteint cette borne. Le bloc de métal et les fils électriques, alors dépourvus d’électrons libres, ne pourraient plus laisser passer le courant ? Faux ! ! ! Car, à chaque fois qu’il y a un électron libre qui atteint la borne positive de la pile, celle-ci expulse par la borne négative un électron. © Cours Pi PC – 3 – U1 6 C) Sens conventionnel du courant Par convention, à l’extérieur d’un générateur, le courant circule de sa borne positive vers sa borne négative. Il s’agit d’un sens conventionnel dans la mesure où les électrons circulent en fait dans l’autre sens. Autrefois, on connaissait l’existence du courant électrique mais pas celle des électrons. On a choisi un sens arbitraire, mais qui s’avère être opposé au sens de déplacement réel des électrons. Le sens du courant peut être indiqué sur les connecteurs d'un circuit en plaçant par des flèches (de préférence rouges). On ne met les flèches que si le courant circule réellement ! EXERCICES Exercice 4 Cocher la ou les bonnes réponses. A. Les atomes sont : chargés positivement neutres chargés négativement B. Le courant électrique dans un métal est dû au déplacement : des atomes des molécules des électrons C. Si un atome est constitué de 8 électrons, la charge du noyau vaut : +8e 0 −8e dans le sens inverse du courant vers la borne positive du générateur D. Les électrons se déplacent : dans le sens du courant E. Si un matériau est isolant, on peut affirmer qu’il est constitué d’atomes qui n’ont pas : d'électrons © Cours Pi de protons PC – 3 – U1 d'électrons libres 7 Exercice 5 Le diamètre du noyau de l’atome d’hydrogène est environ 100 000 fois plus petit que le diamètre de cet atome. 1. Si on représente l’atome par une sphère de 100 mètres de diamètre, quel serait le diamètre de la bille représentant le noyau ? 2. De quoi est donc constitué l’essentiel du volume occupé par un atome ? Exercice 6 La masse d’un atome de fer est de 9,3 × 10−26 kg. La masse volumique du fer est de 7,9 g / cm3 (cela signifie que 1 cm3 de fer a une masse de 7,9 g). Combien y a-t-il d’atomes de fer dans un cm3 ? Exercice 7 Une feuille d’aluminium a une épaisseur de 0,015 mm. Les atomes de ce métal ont un diamètre de 0,3 nm. S’ils sont disposés en couches, combien de ces couches y a-t-il dans une feuille d’aluminium ? Indication : 1 nm = 10−9 m Exercice 8 Lorsqu’un ampèremètre indique une intensité d’un ampère, cela veut dire qu’il y a, chaque seconde, 6, 25 × 1018 (6,25 milliards de milliards) électrons qui le traversent. 1. Déterminez le nombre d’électrons qui passent chaque seconde si l’intensité est de 10 mA. 2. Si une résistance est traversée par un courant de 10 mA pendant une heure, combien d’électrons passent alors dans cette résistance ? Exercice 9 La vitesse moyenne du déplacement d’un électron dans un circuit est de 0,5mm/s. Combien de temps metil pour parcourir une portion de fil de connexion de 10 cm de long ? Exercice 10 Indiquer sur le circuit suivant le sens conventionnel du courant (sur les fils de connexion) et le sens de déplacement des électrons (à côté des fils de connexion). Composez maintenant le devoir n°1 © Cours Pi PC – 3 – U1 8