Fiche TP : Visite guidée du monde de la Physique

Fiche TP : Visite guidée du monde de la Physique
I-
découverte de notre monde : vidéo « les Puissances de 10 »
1234-
II-
indiquer la taille du plus petit objet cité dans la vidéo
indiquer la taille du plus gros objet cité dans la vidéo
combien de fois le « plus gros de ces objets » est il plus gros que « le plus petit » : 10 fois, 100 fois , 1000 fois ?
indiquer comment se structure l’univers de l’infiniment grand vers l’infiniment petit ou inversement.
utilisation de l’outil des puissances de 10
1- rappel des propriétés des puissances de 10
10n.10m = 10(n+m)
10n/10m = 10(n-m)
(10n)m=10(n×m)
2- multiples et sous multiples
1 pm = 10-12 m
1 nm = 10-9 m
1 µm = 10-6 m
1 mm = 10-3 m
1 cm = 10-2 m
1 dm = 10-1 m
1 km = 103 m
1 Mm = 106 m
1 Gm = 109 m
1 Tm = 1012 m
exercice : convertir les grandeurs suivantes en m puis en mm
10 µm ; 100 nm ; 24 cm ; 156 km ; 32 Gm ; 0,12 pm
3- échelle des dimensions
Vous allez utiliser un petit programme sur l’ordinateur . Il vise à compléter une échelle de longueur graduée
régulièrement en puissance de 10 avec des objets dont on vous donne la photo et la taille exprimée dans une unité appropriée
mais qu’il faudra convertir en mètre et en notation scientifique
n
rappel : notation scientifique d’un résultat : a.10 où 1<a<10
Aide : 1 a.l = 1 année lumière = distance parcourue par la lumière en une année sachant que la lumière va à une vitesse
de 300 000 km/s
Attention : vous devez écrire sur votre feuille, chacun des calculs faits pour les conversions.
Ex : 12 km = 12.103 m = 1,2.104 m
III-
Réaliser une mesure en physique
1- l’art de l’ordre de grandeur
a- introduction
• Vous vous trompez souvent en tapant sur votre calculatrice ? Vous ne comprenez pas toujours ce qu’elle affiche ?
Qu’à cela ne tienne : on peut être un excellent physicien sans calculatrice !
La physique est une façon de décrire le monde , le physicien doit donc être capable d’avoir une représentation
approximative de chaque objet appartenant à ce monde et notamment de connaître grossièrement sa taille. Pour cela une
capacité que doit posséder le physicien est celle de savoir déterminer des ordres de grandeur, sans calculatrice , seulement
en utilisant les puissances de 10 et un peu de calcul mental.
Par ex : la distance entre 2 atomes de cuivre voisins dans un morceau de cuivre métallique est de 2,51.10-10 m .
L’ordre de grandeur de cette distance est de 10-10 m soit à peu près la taille d’un atome .
• Vous devez savoir estimer l’ordre de grandeur d’un calcul de tête. Ainsi votre calculatrice ne pourra plus vous
raconter d’histoire.
Par ex : estimer le nombre d’atome de cuivre qu’il faut mettre bout à bout pour obtenir une longueur de 1 mm :
1 mm = 10-3 m soit
nb.atome.de.cuivre =
10 −3
1 10 −3
. −10 ≈ 0,3.10 −3−( −10 ) = 0,3.10 7 = 3.10 6
≈
−10
3 10
2,51.10
L’ordre de grandeur de ce nombre est donc de 106 soit 1 million.
b- à vous de jouer : faites preuve d’imagination !
Problème 1 : sachant qu’il y a 10 millions d’habitants à Paris
Sachant que lorsque on possède un piano, on doit le faire accorder tous les 3 ans,
Trouver un ordre de grandeur réaliste du nombre d’accordeurs de piano nécessaires pour accorder les pianos de la capitale !
Problème 2 : Un fou veut construire un mur de brique d’1 mètre de haut tout autour de la France , estimer
l’ordre de grandeur de la masse de brique nécessaire à ce projet. Sachant qu’une des grandes pyramides de Kéops pèse 1010kg,
cela suffirait il au projet de ce fou ? Et sachant qu’un très gros camion peut transporter 100 tonnes et que ce fou (très riche)
dispose de 100 camions , combien de voyages devra effectuer chaque camion pour acheminer les pierres nécessaires ? Est ce
réaliste ?
2- il est impératif de connaître la précision d’une mesure
a- introduction
• Pour avoir une première idée, une première représentation des choses, l’ordre de grandeur est un outils précieux
du physicien mais pour aller plus loin dans l'explication du monde , le physicien doit aussi savoir faire des mesures précises.
Cette précision dépendra à la fois de l’appareil de meure et du soin apporté par le physicien à la mesure.. Il convient
en fonction de la précision de nos appareils de mesure de ne pas écrire les résultats d’une mesure n’importe comment.
Par exemple, ma main , du pouce à mon index mesure exactement 24,21 cm. Si j’effectue cette mesure avec une règle précise
au millimètre près , je n’ai le droit d’écrire que les 3 premiers chiffres : 24,2 cm , le dernier représentant les millimètres mais je
n’ai pas le droit d’écrire 24,21 cm car en affichant le dernier « 1 » je prétends être capable d’effectuer ma mesure à un dixième
de millimètre près , ce qui n’est pas possible avec ma règle.
Donc d = 24,2 cm =2,42.101 cm en notation scientifique.
On dira alors que j’ai exprimé mon résultat avec 3 chiffres significatifs (le 2, le 4 et le 2).
•
Quand on effectue un calcul à partir de mesures , il faut bien faire attention au nombre de chiffres significatifs du
résultat final .
Par exemple si une voiture roule à 112 km/h =1,12.102 km/h sur une distance de 45 km = 4,5.101 km. Combien de
temps mettra-t-elle pour parcourir cette distance ? Le calcul à effectuer est le suivant :
temps =
45
= 0,401785714286..h
112
(résultat donné par la calculatrice)
L’opération est juste mais l’affichage du résultat final est aberrant car on affiche un résultat avec une dizaine de
chiffres significatifs alors que les données de départ ne contenaient respectivement que 3 et 2 chiffres significatifs.
La règle d’or est la suivante :
le résultat d’une opération ne doit pas avoir plus de chiffres significatifs que la donnée qui en comporte le moins .
Donc ici le résultat doit comporter au mieux 2 chiffres significatifs, soit temps = 4,0.10-1 h . Attention , le zéro est ici
un chiffre significatif et indique la précision de la mesure.
b- à vous de jouer !
Exercice 1 : Exprimer le résultat avec trois chiffres significatifs :
I = 0,031054 A
l = 0,45384 m
U = 1,0095 V
m = 2,115 kg
Exercice 2 : Exprimer le résultat avec des puissances de dix et avec trois chiffres significatifs :
I = 0,0001900 A
l = 0,05439 m
U = 4500 V
m = 2331000 g
Exercice 3 : distance Terre-Lune
Au cours de la mission Apollo XI, en 1969, Aldrin et Amstrong ont déposé un réflecteur de rayons Laser sur la
surface de la Lune. Un tir de rayon Laser, effectué par un télescope, a permis de mesurer la durée d’un allerretour du rayon avec précision.
on donne :
τ = 2,584 450 3 s
c = 299 792 458 m.s-1
a. Calculer la distance entre l’émetteur et le réflecteur : on donne la relation liant la distance terre2.d
lune (d) aux autres données de l’énoncé :
C=
τ
b. Exprimer le résultat avec un nombre correct de chiffres significatifs.
c. Exprimer le résultat en notation scientifique en l’arrondissant à trois chiffres significatifs.
IV-
quelques exercices en attendant le livre …
1- quelques rappels
a.
masse volumique ρ : permet de relier la masse m d'un corps au volume V qu'il occupe :
ρ=
m
V
unité de ρ : kg.m-3 , g.cm-3 ou g.L-1
b. la densité d'un corps (par rapport à un corps de référence O) est égale au quotient de la masse volumique
de ce corps par la masse volumique d'un corps de référence O dans les mêmes conditions de température
et de pression.
ρ corps
d corps =
ρ corps.de.référence.O
Pour les solides et les liquides, le corps de référence est l'eau : ρ (eau) = 1,0 kg.L-1 = 1,0 g.cm-3
Pour les gaz , c'est l'air : ρ (air) = 1,3 g.L-1
2- exercices visant à montrer la structure lacunaire de la matière
Exercice 1
a. si on représente le noyau atomique par une bille de 1 cm de rayon, quelle est la dimension du rayon de la
sphère atomique dans cette échelle ?
b. Comparer les deux volumes. Conclusion.
Exercice 2
a. Quelle est la masse volumique du noyau de l’atome d’hydrogène ? Quelle est sa densité par rapport à
l’eau ?
b. Même question pour l’atome d’hydrogène.
c. Conclusion.
On donne :
m(proton) = 1,67.10-27 kg m(électron) = 9,11.10-31 kg rayon(noyau d’H) = 1,0.10-15 m rayon(atome d’H) = 1,4.10-10 m
Exercice 3
On peut schématiser notre galaxie par un cylindre de rayon 5,0.104 a.l et de hauteur 15.103 a.l . Sa masse
est de 2,0.1041 kg.
Calculer sa masse volumique et sa densité. Conclure.