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Dossier Brevet
Thème 1 : Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
De l'Univers aux atomes
Ch. 2
Les ions dans notre quotidien
Ch. 3
Quand les acides et les bases réagissent
Ch. 4
La masse volumique
Thème 2 : Mouvement et interactions
Ch. 5
Vitesse et mouvement
Ch. 6
Les forces
Ch. 7
Le poids
Thème 3 : L'énergie et ses conversions
Ch. 8
La conservation de l'énergie
Ch. 9
Résistance et loi d'Ohm
Ch. 10
Puissance et énergie en électricité
Thème 4 : Des signaux pour observer et communiquer
Ch. 11
Des signaux au-delà de la perception humaine
Chapitre 4
La Physique-Chimie autrement
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Histoire des sciences
Pourquoi la masse volumique varie-t-elle ?
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Doc. 1La structure cristalline cubique simple.
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À gauche : disposition schématique des atomes dans le motif cubique.
À droite‑: occupation réelle des atomes dans le motif cubique.
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Doc. 2Taches obtenues après projection d'un faisceau de rayons X sur un cristal de béryl.
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Crédits : Photo Researchers Inc/Alamy
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Doc. 3Lien entre la structure cristalline et la masse volumique.
Avec l'amélioration des techniques de microscopie, on parvient à observer précisément l'organisation des atomes, et notamment le fait qu'ils sont disposés selon des motifs très réguliers. Chaque métal a une organisation différente : motif plus ou moins grand, atome plus ou moins lourd, etc. Tout cela influe sur la masse volumique !
Le motif le plus simple est appelé « cubique simple ». C'est celui que l'on étudie ici.
La masse volumique du métal est égale au rapport de la masse m d'un cube motif par son volume V = a3. Il faut donc connaitre le nombre d'atomes entiers d'un motif.
Le motif le plus simple est appelé « cubique simple ». C'est celui que l'on étudie ici.
La masse volumique du métal est égale au rapport de la masse m d'un cube motif par son volume V = a3. Il faut donc connaitre le nombre d'atomes entiers d'un motif.
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Questions
En 1848, l'observation méthodique des cristaux amène Auguste Bravais à faire l'hypothèse que la matière est organisée symétriquement à très petite échelle. En 1912, les rayons X (découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen), permettent à Max Von Laue de valider cette hypothèse, grâce à l'étrange image ci-dessous.
1. Doc. 1 Combien de huitièmes d'atome contient le motif cubique ? À quel nombre entier d'atome(s) cela correspond-il ?
2. Quel est le volume du cube ?
2. Quel est le volume du cube ?
3. Quelle est l'expression de la masse volumique en fonction de m et a ? La masse volumique dépend-elle de l'organisation microscopique du solide ?
4. Peux-tu imaginer d'autres manières de répartir les atomes dans le cube ?
4. Peux-tu imaginer d'autres manières de répartir les atomes dans le cube ?
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Objet d'étude
Un téléphone portable à 15 € ?
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Doc. 1Caractéristiques techniques de certains matériaux.
| Matériau | Prix (en € par kg) | Masse volumique | Conducteur | Dureté |
| Fer | 0,1 | 7,9 g/cm3 | Moyen | 4 |
| Aluminium | 2 | 2,7 g/cm3 | Bon | 1,5 |
| Or | 30 000 | 19 g/cm3 | Très bon | 2,5 |
| Verre | 250 | 4 g/cm3 | Non | X |
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Doc. 2Contraintes imposées par le constructeur pour les différentes parties du téléphone.
| Circuit | Coque | Écran | |
| Conducteur | Très bon | Éventuellement | Non |
| Résistant | Non | Très | Oui |
| Volume nécessaire | 10 mm3 | 30 cm3 | 8 cm3 |
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Questions
Tous les constructeurs de téléphones portables ont le même objectif : construire un téléphone performant, léger et le moins cher possible. Pour y parvenir, le choix des matériaux est crucial !
1. On veut fabriquer un téléphone performant pesant moins de 270 g. Quels matériaux choisir pour chacun des composants ?
2. Quel est alors le prix du téléphone ? Pourquoi ce prix est-il beaucoup plus faible que le prix de vente final ?
1. On veut fabriquer un téléphone performant pesant moins de 270 g. Quels matériaux choisir pour chacun des composants ?
2. Quel est alors le prix du téléphone ? Pourquoi ce prix est-il beaucoup plus faible que le prix de vente final ?
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La Physique-Chimie au quotidienEsprit scientifique
Quels sont les métaux utilisés dans nos petites pièces de monnaie ?
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| Pièces (centimes) | 1 centime | 2 centimes | 5 centimes |
| Métaux présents | Fer, Cuivre | Fer, Cuivre | Fer, Cuivre |
| Métal | Fer | Cuivre |
| Masse volumique du métal pur, à 20°C | 7,87 g/mL | 8,96 g/mL |
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Matériel
- Un aimant.
- 22 pièces de 2 centimes d'euros.
- Une balance de cuisine précise au gramme.
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Questions
Étapes de la fabrication :
Observe si ces pièces sont attirées par l'aimant. Les 22 pièces de 2 centimes ont un volume total d'environ 10 mL. Pèse-les.Des questions à se poser :
1. Quel est le métal à la surface des pièces de 5 centimes d'euros ?
2. Ces pièces contiennent-elles du fer ?
2. Ces pièces contiennent-elles du fer ?
3. Que vaut la masse volumique des pièces de 2 centimes d'euros en g/mL ?
4. Ces pièces ne contiennent-elles que du fer et du cuivre ?
4. Ces pièces ne contiennent-elles que du fer et du cuivre ?
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Explication scientifique
Le métal rouge à la surface des pièces est le cuivre. Ces pièces sont attirées par l'aimant, preuve qu'elles contiennent du fer. Cependant, leur masse volumique est de 65 g pour 10 mL soit 6,5 g/mL : c'est plus faible que les masses volumiques du cuivre et du fer. Un troisième composant les rend moins denses : le carbone. Ces pièces de 2 centimes sont en acier (alliage fer-carbone) recouvertes de cuivre.
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Le saviez-vous ?
- Il n'y a pas que le fer qui est attiré par l'aimant, mais c'est bien lui qui est présent dans les pièces de 5 centimes.
- Le métal de couleur rouge est le cuivre !
- La masse volumique d'une pièce est plus faible que celle du fer et du cuivre : il y a un troisième composant.
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j'ai une idée !
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