Physique-Chimie 3e
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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.

<stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> 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.

<stamp theme='pc-green1'>Doc. 2</stamp> 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.

MatériauPrix (en € par kg)Masse volumiqueConducteurDureté
Fer0,17,9 g/cm3Moyen4
Aluminium22,7 g/cm3Bon1,5
Or30 00019 g/cm3Très bon2,5
Verre2504 g/cm3NonX

Doc. 2
Contraintes imposées par le constructeur pour les différentes parties du téléphone.

 CircuitCoqueÉcran
ConducteurTrès bonÉventuellementNon
RésistantNonTrèsOui
Volume nécessaire10 mm330 cm38 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 centime2 centimes5 centimes
Métaux présentsFer, CuivreFer, CuivreFer, Cuivre


MétalFerCuivre
Masse volumique du métal pur, à 20°C7,87 g/mL8,96 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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