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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
Histoire des sciences
Pourquoi la masse volumique varie-t-elle ?
Doc. 1
La structure cristalline cubique simple.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
À gauche : disposition schématique des atomes dans le motif cubique.
À droite‑: occupation réelle des atomes dans le motif cubique.
Doc. 2
Taches obtenues après projection d'un faisceau de rayons X sur un cristal de béryl.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Crédits : Photo Researchers Inc/Alamy
Doc. 3
Lien 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.
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 ?
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 ?
Objet d'étude
Un téléphone portable à 15 € ?
Doc. 1
Caractéristiques 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
Doc. 2
Contraintes 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
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 ?
La Physique-Chimie au quotidien
Esprit scientifique
Quels sont les métaux utilisés dans nos petites pièces de monnaie ?
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
Matériel
Un aimant.
22 pièces de 2 centimes d'euros.
Une balance de cuisine précise au gramme.
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 ?
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 ?
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.
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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