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Thème 1 : Organisation et transformations de la matière
Thème 2 : Mouvement et interactions
Thème 3 : L'énergie et ses conversions
Thème 4 : Des signaux pour observer et communiquer
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Dossier d'actualité
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Chapitre 8

La Physique-Chimie autrement

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Histoire des sciences
L'expérience de Joule

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Doc. 1
L'expérience de Joule.

Le matériel expérimental consiste en un cylindre rempli dans lequel tourne une roue à aubes. La roue à aubes est entrainée par la chute d'un poids. En tournant, les palettes de la roue « frottent » sur l'eau, ce qui élève la température de l'eau dans le cylindre. Joule parvient à mesurer cette élévation de température, bien qu'elle soit faible. Il en conclut que « pour chaque degré de chaleur dégagé par la friction sur l'eau, une puissance mécanique égale à celle qui peut soulever un poids de 16 livres à la hauteur d'un pied a été dépensée. »
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Doc. 2
James Prescott Joule.

Placeholder pour Gravure, portrait du physicien britannique James Prescott Joule, cheveux et barbe blancs, regardant vers la droite.Gravure, portrait du physicien britannique James Prescott Joule, cheveux et barbe blancs, regardant vers la droite.
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Doc. 3
La chute du poids entraine la roue à aubes à l'intérieur du cylindre ; on mesure une élévation de la température de l'eau.

Placeholder pour Schéma: expérience montrant l'élévation de température de l'eau par la chute d'un poids actionnant une roue à aubes.Schéma: expérience montrant l'élévation de température de l'eau par la chute d'un poids actionnant une roue à aubes.
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Questions
En 1850, James Prescott Joule présente à Londres les résultats d'une expérience qui va permettre de mieux comprendre que l'énergie peut prendre différentes formes.

1. « Cette expérience montre que l'énergie mécanique est convertie en énergie thermique » : es-tu d'accord avec cette affirmation ? Justifie ta réponse.

2. Pour expliquer les transferts qui sont en jeu ici, tu peux construire la chaine énergétique complète du dispositif de Joule.

3. Connais-tu une situation du quotidien dans laquelle les frottements engendrent de la chaleur ?

4. D'autres travaux de Joule ont montré qu'on pouvait convertir de l'énergie électrique en énergie thermique : c'est l'effet Joule. Sais-tu dans quels appareils du quotidien il est mis à profit ?
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Objet d'étude
Un bateau économe en énergie

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Doc. 1
Stockage de l'énergie après sa conversion.

Placeholder pour Schéma: système électrique bateau voile. Panneaux solaires rechargent batteries alimentant propulseur, ordinateur et communication satellite.Schéma: système électrique bateau voile. Panneaux solaires rechargent batteries alimentant propulseur, ordinateur et communication satellite.
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Doc. 2
100 % Natural Energy : un bateau particulier.

La grand voile de 100 % Natural Energy comporte 12 m2 de panneaux photovoltaïques de puissance théorique 1 kW. Sous l'eau, le module Ocean Volt et son hélice récupèrent l'énergie nécessaire pour 24 heures en à peine 10 minutes. Ce module de 48 kW peut aussi servir de moteur.
D'après J.-L. Goudet, futura-sciences.com, nov. 2016.
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Questions
Le Vendée Globe 2016 a vu arriver un concurrent innovant : Conrad Colman a décidé de rendre son bateau autonome en énergie et n'a pas embarqué de groupe électrogène à essence.

1. Peux-tu identifier le dispositif qui utilise un transfert d'énergie par rayonnement ? Et celui qui utilise un transfert mécanique ?
2. Détermine l'énergie électrique que Conrad Colman utilise en 24 heures.
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La Physique-Chimie au quotidien
Esprit scientifique

Utiliser l'énergie du Soleil pour chauffer de l'eau !

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Doc. 1
Disposition des demi-bouteilles et des thermomètres.

Placeholder pour Schéma : expérience scientifique comparant la rétention de chaleur de deux demi-bouteilles recouvertes de papier noir et d'aluminium, mesurée par thermomètre.Schéma : expérience scientifique comparant la rétention de chaleur de deux demi-bouteilles recouvertes de papier noir et d'aluminium, mesurée par thermomètre.
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Matériel

  • Deux bouteilles plastiques.
  • Du papier noir.
  • Du papier aluminium.
  • Du ruban adhésif.
  • Deux thermomètres (si possible).
  • Des ciseaux pointus.
  • Un jour de beau temps.
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Questions

Étapes de la fabrication :

  • Découpe le goulot des bouteilles en plastique.
  • Entoure une demi-bouteille de papier noir et l'autre de papier aluminium.
  • Fixe le papier à la bouteille avec du ruban adhésif.
  • Place les deux thermomètres sous les demi-bouteilles, au soleil.
  • Attends 10 minutes et observe les températures mesurées.

Des questions à se poser :

1. Qu'obtiens-tu comme mesures de température ? Comment l'expliques-tu ?
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Explication scientifique

La bouteille noire chauffe plus vite car elle absorbe la lumière et donc l'énergie de rayonnement émise par le Soleil. Au contraire, l'aluminium renvoie le rayonnement.
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Le saviez-vous ?

  • En été, on évite souvent de mettre des vêtements foncés : comme les couleurs sombres absorbent l'énergie du soleil, on a vite trop chaud !
  • Dans les pays très ensoleillés, un simple réservoir peint en noir et posé sur le toit permet de fournir l'eau chaude de la maison !
  • En 1747, Buffon est parvenu à faire fondre un morceau d'argent (à plus de 1000°C) grâce à l'énergie solaire.
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