La solution de «destop ®» peut réagir avec une solution d’acide chlorhydrique H





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Particule chargée dans un champ électrostatique uniforme (à préparer à la maison)

Rappel : Une particule de charge électrique q placée dans un champ électrostatique uniforme est soumise à une force électrostatique telle que : .

est orienté de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement.


III) ETUDE ENERGETIQUE DES OSCILLATIONS LIBRES

III-1) Pendule non amorti

III-1-1) Période du pendule non amorti


O
On considère un pendule pesant assimilé à un pendule simple de longueur l et de masse m.


-m

+m



y

G


La position du pendule à une date t quelconque est repérée par l’angle orienté que fait [ Oy) avec [OG). Cet angle est appelé abscisse angulaire.

L'amplitude m est la valeur absolue de l’abscisse angulaire maximale.

On écarte le pendule d’un angle = m puis on l’abandonne sans vitesse initiale. On enregistre la courbe  = f(t).
Pour une durée de 5s le mouvement du pendule est non amorti (m = Cte= 20º).

Le mouvement du pendule est périodique de période T (T =1,56 s).

On montre que si m < 20º (conditions d’isosynchronisme) la période du pendule ne dépend que de sa longueur l et de l’intensité de la pesanteur g au lieu considéré. Elle est donnée par la relation :



avec T en seconde (s), l en mètre et g intensité de la pesanteur au lieu considéré en mètre par seconde carré (m.s-2).
III-1-2) Transferts énergétiques pour un pendule non amorti

On trace les courbes représentant l’évolution des énergies cinétique(EC), potentielle(EP) et mécanique (EM) au cours du mouvement du pendule (t ≤ 5s).


Lorsque le mouvement du pendule est non amorti on peut considérer que les forces de frottement sont négligeables.

En l’absence de frottement l’énergie mécanique du système (ici pendule pesant) se conserve il y a conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle et vice versa à l’intérieur du système.

EM(t) = EC(t) + EP (t) = Cte

III-2) Pendule amorti

III-2-1) pseudo période du pendule amorti

Le pendule pesant est muni d’un dispositif d’amortissement (voir activité expérimentale 2)

On écarte le pendule d’un angle = m puis on l’abandonne sans vitesse initiale. On enregistre la courbe  = f(t).

T



L’amplitude m du pendule diminue au cours du temps, son mouvement est amorti.

Le mouvement du pendule est dit pseudo-périodique de pseudo période T.

Si le mouvement du pendule n’est pas trop amorti on a

III-2-2) Transferts énergétiques pour le pendule non amorti

On trace les courbes représentant l’évolution des énergies cinétique(EC), potentielle(EP) et mécanique (EM) au cours du mouvement du pendule (t ≤ 5s).

Le mouvement du pendule est amorti. Il est soumis à des forces de frottement.

Lorsque le pendule est soumis à des forces de frottement son énergie mécanique ne se conserve pas, elle diminue progressivement. La diminution de l’énergie mécanique Em du système est égale au travail des forces de frottements :

III-3) Généralisation

L’étude des transferts énergétiques peut aussi être menée pour d’autres systèmes oscillants comme, par exemple, le système solide-ressort de période ou k est la raideur du ressort (en N.m-1). Les résultats obtenus sont analogues.
L’ATOME : UN MODÈLE POUR COMPRENDRE LA CHIMIE.

Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui signifie insécable).

Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu’il faut attendre le début du XIXème siècle pour que cette idée reprenne vie.
 En 1805, John Dalton annonce au monde l’existence des atomes.

 En 1881, J. J.Thomson découvre l’un des composants de l’atome. Il s’agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons.

 Au début du XXème siècle, l’ambition des physiciens est de proposer un modèle de l’atome en précisant la répartition de la charge électrique à l’intérieur de celui-ci.

 En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est électriquement neutre, pense qu’il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d’une sphère) et que les électrons sont parsemés dans cette sphère (« pudding de Thomson »).

 En 1910 Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu’il appelle « noyau ». Après « un petit calcul » il trouve que la majorité de la masse de l’atome est concentrée dans un noyau minuscule par rapport au reste de l’atome. Les dimensions du noyau sont de l’ordre de 10-15m (100 000 fois moins que les dimensions de l’atome) et sa charge totale compense celle des électrons.

 Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l’atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l’essentiel de la masse de l’atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.
Depuis, d’autres modèles plus complexes ont permis d’expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l’atome est l’aboutissement d’une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu’on s’en fait ont profondément évolué.

Nous retiendrons un modèle simple constitué d’un noyau autour duquel gravitent, sans trajectoire particulière, des électrons qui forment un nuage électronique.
De nombreuses réactions chimiques ont un effet thermique.
Un exemple d’utilisation : le café autochauffant


index.jpeg

Le mécanisme qui fait que CALDO CALDO devient chaud n'importe où et n'importe quand est très simple:
La tasse est une cavité qui contient des sels (chlorure de calcium,..) et la base de l'eau.
Après avoir poussé la base, l'eau entre en contact avec les sels.


En agitant le verre, le contenu chauffe naturellement par réaction exothermique.
Le contenu est isolé par une double paroi, le contenu et le contenant n'entrent jamais en contact.

prodouvert.png




  1. Lors de la réaction entre les sels et l’eau le système chimique {sels+eau} absorbe-t-il ou cède-t-il de l’énergie au milieu extérieur ? Définir alors ce qu’est une réaction exothermique.



  1. LES SOLUTIONS D’ACIDE CHLORHYDIQUE ET D’HYDROXYDE DE SODIUM (SOUDE)



  • Le chlorure d’hydrogène HCl est un acide fort, sa réaction avec l’eau est une réaction totale :

HCl (g) + H2O (l)  H3O+ (aq) + Cl- (aq)

On obtient une solution d’acide chlorhydrique de formule (H3O+ (aq) + Cl- (aq)).


eau
L’hydroxyde de sodium (ou soude) est une base forte, sa réaction avec l’eau est une réaction totale :

NaOH(s) Na+(aq) + HO- (aq)

On obtient une solution d’hydroxyde de sodium de formule (Na+(aq) + HO- (aq))


Temps et relativité restreinte

  1. POSTULAT DE LA RELATIVITE RESTREINTE

I-1) Expérience de Michelson et Morley

L’expérience de Michelson et Morley (entre 1881 et 1887) montre que la loi de composition des vitesses de la mécanique classique ne s’applique pas aux ondes lumineuses : la vitesse de propagation (ou célérité) c de la lumière est indépendante de la vitesse de déplacement de la Terre par rapport au Soleil (voir activité 1 page 210).
Postulat d’Einstein

Tenant compte, entre autre, du résultat des expériences de Michelson et Morley, Albert Einstein publia en 1905 une théorie connue sous le nom de relativité restreinte qui allait bouleverser la physique. Un des postulats de cette théorie est le suivant :

La vitesse c de propagation de la lumière est une constante universelle (c = 299 792 458 m.s-1). Elle est la même dans tous les référentiels galiléens (elle ne dépend ni du mouvement de la source, ni de celui de l’observateur).

N.B. Le deuxième postulat sur lequel repose la relativité restreinte est le suivant : Les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels galiléens.

Tests expérimentaux

Depuis l’expérience de Michelson et Morley, de nombreuses autres vérifications expérimentales, s’en inspirant (interféromètre de Georg Joos-1930) ou non (Expérience d’Alväger-1964) ont confirmé l’invariance de la célérité de la lumière dans le vide selon le référentiel.

Le postulat d’Einstein sur l’invariance, dans un référentiel galiléen, de la vitesse propagation de la lumière dans le vide, impose d’abandonner la conception newtonienne selon laquelle le temps est une réalité absolue : la mesure du temps dépend du référentiel de mesure.
La durée propre t0 d’un évènement* concernant un objet est une durée mesurée par une horloge immobile dans le référentiel propre de cet objet.

*Evènement : fait se produisant à un endroit donné. Ses coordonnées (x ;y ;z ;t) dépendent du référentiel.
Soit R’ un référentiel en mouvement par rapport au référentiel propre R0 (R0 est aussi en mouvement par rapport à R’). La durée t’ de l’évènement mesuré dans R’ et la durée propre t0 de cet évènement mesurée dans R0 sont liées par l’expression :
avec où v est la vitesse de R0 par rapport à R’ et le coefficient de dilatation des durées.

N.B. on dit qu’il y a dilatation des durées.
Exemple : dans l’exemple du § II-1-a ,  ;
N.B. Dans les cas ou v est petit devant c alors ≈ 1 et t0 t’ : on retrouve les résultats de la mécanique classique.


Etude de mouvements

Evaluation d’une vitesse instantanée à partir d’un chronogramme



Si est suffisamment petit alors on peut considérer que la vitesse instantanée Vi au point Mi est quasiment égale à la vitesse moyenne sur le trajet Mi-1  Mi+1. On fait alors l’approximation suivante :


Tracé du vecteur vitesse

On trace le segment fléché dont les caractéristiques sont les suivantes :

  • origine : le point Mi (en général) ;

  • direction : tangente à la trajectoire au point M;

  • sens : celui du mouvement ;

  • longueur : proportionnelle, après choix d’une échelle pour les vitesse, à la valeur Vi du vecteur vitesse



N.B. Si Vi = 4,0 m.s-1 et que l’échelle de représentation des vitesses est 1 cm représente 2 m.s-1 alors la longueur du segment fléché représentant le vecteur sera de 2 cm.

Evaluation de la valeur d’une accélération à partir d’un chronogramme

  • Etant donné que le vecteur accélération rend compte des variations du vecteur vitesse au cours du temps on fait l’approximation suivante : . Pour déterminer ai il faudra donc, au préalable, tracer le vecteur (attention mais généralement )



  • On mesure, avec un double décimètre, le segment fléché représentant puis à l’aide de l’échelle des vitesses on détermine la valeur Vi de en m.s-1

  • On détermine ai (en m.s-2) en calculant :

Tracé du vecteur accélération

Etant donné que : le vecteur est représenté par un segment fléché ayant les caractéristiques suivantes :

  • origine : le point M(en général);

  • direction et sens : les mêmes que le vecteur  ;

  • longueur : proportionnelle, après choix d’une échelle pour les accélérations, à la valeur ai du vecteur accélération .



  1. ETUDE D’UN MOUVEMENT RECTILIGNE

II-1) Le mouvement étudié

Une balle de masse m est lâchée, sans vitesse initiale  voir vidéo « chutelibre15.avi ».

Le mouvement de la balle est filmé grâce à une webcam fixe par rapport au sol. A l’aide d’un logiciel de pointage (« Aviméca ») on obtient le document figurant en annexe qui représente les positions successives (M0 à M12) de la balle toutes les 33 ms ( = 33 ms).

  1. Dans quel référentiel est étudié le mouvement de la balle ?

  2. Qualifier le mouvement de la balle en choisissant les termes adaptés dans la liste suivante (justifier) : uniforme, rectiligne, curviligne, ralenti, accéléré.

  3. Quelle est l’échelle de représentation du document 1 ?

II-2) Vecteurs vitesse

  1. Evaluer, en m.s-1, les valeurs V6, V8, V9 et V11 des vecteurs vitesses , , et aux points M6, M8, M9 et M11.

  2. En utilisant l’échelle des vitesses 1cm représente 1 m.s-1, représenter sur le document en annexe les vecteur vitesses , , et (on prendra pour origine du segment fléché représentant le vecteur vitesse le point Mi)

  3. Comment évolue la valeur de la vitesse du mobile au cours du temps ? Cela confirme-t-il une partie de la réponse donnée à la question 2 du § II-1 ?

II-3) Vecteurs accélérations

  1. Construire le vecteur , évaluer la valeur v7 du vecteur .

  2. Evaluer la valeur a7 du vecteur accélération au point M7 ()

  3. Tracer le vecteur accélération au point M7 en utilisant l’échelle des accélérations suivantes : 1 cm représente 2 m.s-2.

  4. Reprendre les points 1, 2 et 3 afin de tracer le vecteur accélération au point M10

  5. Que peut-on dire, aux erreurs et aux incertitudes de mesures près, des vecteurs accélérations et .

  6. Justifier que le mouvement du mobile soit qualifié de mouvement rectiligne uniformément accéléré. Quelles sont les caractéristiques (direction, sens, valeur) du vecteur accélération pour le mouvement étudié ?

  7. L’énergie cinétique EC d’un solide de masse m en mouvement de translation avec une vitesse de valeur v est définie par :



Avec EC en Joule (J), m en kilogramme (kg) et v en mètre par seconde (m.s-1)

  1. L’énergie potentielle de pesanteur EPP d’un solide ponctuel de masse m se trouvant à l’altitude z par rapport à la référence des énergies potentielles de pesanteur, est définie par :



Avec EPP en Joule (J), m en kg, g en m.s-2(ou N.kg-1) et z en mètre (m)

  1. L’énergie mécanique d’un système est :

EM= EC + EP



l





Soit un pendule simple de longueur l . L’abscisse angulaire (angle orienté) est notée 

Définition : la vitesse angulaire du pendule notée  est telle que :

avec  en radian par seconde (rad.s-1) , d en radian (rad) et dt en seconde (s)

Approximation : si t petit. On a donc où ti+1 et ti-1 sont deux dates très proches encadrant la date ti.
Relation entre v et  v = l x avec v en m.s-1 ,  en rad.s-1 et l en m.



Exemple :

Le paracétamol, principe actif de nombreux médicaments, est synthétisé grâce à la réaction d’équation :

noname01.bmp

Une CCM est effectuée en réalisant les dépôts suivants :

  • 1 : paraaminophénol ;

  • 2 : chlorure d’éthanoyle ;

  • 3 à 6 : milieu réactionnel aux dates successives de 5, 10, 15 et 20 minutes ;

  • 7 paracétamol pur du commerce.

Après élution, la plaque est révélée par UV. Elle est représentée ci-dessous :


TRANSFERTS MACROSCOPIQUES D’ÉNERGIE

  1. DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUE

I-1) Constante d’Avogadro

La définition de la mole, unité de mesure des quantités de matière du Système International, date de 1971 soit il y a seulement 43 ans ! Le nombre d'entités (atomes, molécules, ions, électrons, etc.) contenues dans une mole est connue sous le nom de constante d'Avogadro, noté NA (NA=6,02214129x1023 mol-1 avec une incertitude relative de 5,0x10-8). Cette constante, d'importance fondamentale en chimie, permet de faire le lien entre l’échelle microscopique (c’est-à-dire l’échelle qui considère les propriétés individuelles de chaque particule) et l’échelle macroscopique (c’est-à-dire l’échelle qui étudie globalement un grand nombre de particules). On peut facilement faire le lien entre la quantité de matière en mol n, grandeur macroscopique, et le nombre d’atomes N, grandeur microscopique, grâce à la relation suivante :  avec NA la constante d’Avogadro.


  1. ÉNERGIE INTERNE D’UN SYSTEME MACROSCOPIQUE

II-1) Système macroscopique

Un système macroscopique est un ensemble constitué d’un grand nombre d’entités microscopiques (atomes, ions, molécules,…). Il est séparé du milieu extérieur par une frontière : une interface où peuvent avoir lieu des transferts d’énergie.



Exemple : Un ballon gonflé à l’hélium est un exemple de système macroscopique. Il contient environ 1024 atomes d’hélium soit environ 1 mol d’hélium. Sa frontière ou interface est matérialisé par l’enveloppe du ballon.

Énergie interne

L’énergie interne U d’un système macroscopique est la somme de toutes les énergies microscopiques des entités constituant ce système : énergie cinétique microscopique (liée à l’agitation thermique) et énergie potentielle microscopique (lié aux interactions gravitationnelles, électromagnétiques, faibles, fortes entre les différentes entités du système).

A un système macroscopique dans un état donné, on peut associer une grandeur macroscopique U, appelée énergie interne du système.

  1. VARIATION D’ÉNERGIE INTERNE D’UN SYSTÈME

On considèrera par la suite un système macroscopique immobile (son énergie mécanique somme de son énergie cinétique macroscopique et de son énergie potentielle macroscopique est constante)

III-1) Système isolé

Un système isolé est un système qui n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur.

L’énergie interne U d’un système isolé est constante.

III-2) Système non isolé

Un système non isolé échange de l’énergie avec le milieu extérieur par travail W et/ou transfert thermique Q (voir paragraphe IV).

Par convention toute énergie (travail W ou transfert thermique Q) reçue par le système est comptée positivement, toute énergie cédée par le système au milieu extérieur sera compté négativement.



La variation d’énergie interne d’un système non isolé U = Ufinale – Uinitiale est égale à l’énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de transfert thermique ou de travail :

U = W + Q


  1. TRANSFERTS THERMIQUES

Lorsque l’ on met en présence un corps chaud et un corps froid il y a transfert d’énergie thermique du corps chaud vers le corps froid . Le transfert d’énergie thermique entre les deux corps cesse lorsque ces deux corps atteignent la même Température Ce transfert est irréversible.



N.B. Les particules constituant la matière du fait de leur mouvement incessant, possèdent de l’énergie cinétique microscopique appelée énergie thermique. La température d’un corps est liée à son énergie thermique. Plus l’agitation des particules constituant un corps est grande, plus son énergie thermique est importante et plus sa température est élevée.
IV-1) Les trois modes de transfert thermique

IV-1-1) Transfert thermique par conduction

Si nous plaçons l’extrémité d’une tige métallique dans une flamme, l’autre extrémité devient rapidement brûlante. Il y transfert d’énergie thermique de l’extrémité chaude de la tige vers l’extrémité froide. Ce mode de transfert d’énergie thermique, qui s’effectue sans transfert de matière, s’appelle …………………….. .

Nous pouvons donner une interprétation de ce phénomène en considérant que la flamme, en élevant la température d’une extrémité de la tige augmente l’énergie cinétique des particules du métal (électrons, ions,…) dans la zone chauffée. Cette agitation ce propage de proche en proche, par chocs successifs, jusqu'à l’autre extrémité.

La conduction est un mode de transfert d’énergie thermique sans transport global de matière.

IV-1-2) Transfert thermique par convection

Dans une pièce où le sol est plus chaud que le plafond, l’air chaud, moins dense que l’air froid, tend à monter alors que l’air froid descend, ce qui permet de réchauffer l’ensemble de la pièce.

La convection est un mode de transfert d’énergie thermique, spécifique aux fluides (liquide, gaz), qui est généré par un mouvement global des entités microscopiques à l’intérieur du système
) Transfert thermique par rayonnement

Tout corps chaud comme le soleil émet un rayonnement constitué d’ondes électromagnétique qui produit l’échauffement des corps qui les reçoivent.

Le mode de transfert par rayonnement est un mode de transfert qui s’effectue par le biais d’ondes électromagnétiques sans transport de matière, et cela, même dans le vide.
IV-1-4) Illustration


Rayonnement
http://faculty.icc.edu/easc111lab/labs/labi/convection.jpg


Transfert thermique et température (voir activité expérimentale 1)

Soit un système de masse m dans un état condensé, c'est-à-dire à l’état solide ou liquide, qui échange de l’énergie avec le milieu extérieur uniquement par transfert thermique. Si au cours de cette échange le système ne change pas d’état physique et passe de la température Ti à la température Tf alors sa variation d’énergie interne U = Uf – Ui est donnée par la relation :

U = m.c.(Tf –Ti) = m.c.T

Avec U en joules (J), m en kilogrammes (kg), T en kelvin (K) ou degré celcius (ºC).

La grandeur c est appelée capacité thermique massique du système exprimée en J.kg-1.K-1 (ou J.kg-1.ºC-1).

N.B. La capacité thermique massique d’un corps est l’énergie qu’il faut fournir à 1 kg de ce corps pour augmenter de 1K (ou 1ºC) sa température.

Transfert thermique à travers une paroi plane

IV-2-1) Flux thermique

Transfert thermiques par conduction à travers une paroi plane, dont deux des faces sont à des températures différentes T1 et T2 (T21)



Le flux thermique , caractérise la vitesse du transfert thermique Q par conduction à travers la paroi plane :



avec Q en joule (J), t en seconde (s) et en watt (W)

IV-2-2) Résistance thermique

La résistance thermique d’un corps traduit sa capacité à s’opposer au transfert thermique.

La résistance thermique de la paroi plane ci-dessus (IV-2-1) est défini par :

Rth s’exprime en K.W-1, T1 – T2 est en K ou ºC et en W.

N.B. La résistance thermique Rth d’une paroi plane dépend de la conductivité thermique du matériau constituant la paroi, de son épaisseur e et de la surface S traversée. : .
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