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Physique-Chimie 1re

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Exercices




Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Connaître et utiliser la loi de Boyle-Mariotte
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17
Une bouteille professionnelle

REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

Sur une bouteille d’hélium pour professionnel, plus volumineuse, on peut lire « volume d’hélium : 5,21 m3 ».

1. Calculer la pression de l’hélium dans cette bouteille.


2. Pourquoi cette bouteille présente-t-elle plus de risques ?


Données
  • Volume de la bouteille : V0=V_{0}= 2,98 ×\times 10-2 m3 ;
  • Volume d’hélium à pression atmosphérique : V1=V_{1}= 5,21 m3.
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18
Le ballon stratosphérique

REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

Ballon et hélium


On utilise un ballon gonflé à l’hélium pour sonder la stratosphère. On considére que l’hélium est initialement à la pression atmosphérique. Le ballon éclate à 40 km d’altitude.

Déterminer la pression de l’hélium à 40 km d’altitude.


Données
  • Volume au décollage : V0=V_{0}= 5,70 m3 ;
  • Volume à 40 km d’altitude : V1=V_{1}= 429 m3.

16
Une bouteille, plusieurs volumes 

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REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

Sur une bouteille d’hélium sous pression on peut lire « volume d’hélium : 52 litres », ce qui correspond au volume de l’hélium à pression atmosphérique normale.

1. Rappeler l’expression de la loi de Boyle-Mariotte.


2. En considérant que la loi de Boyle-Mariotte est valide pour cette situation, quelle égalité peut-on écrire ?


3. Calculer la pression PP de l’hélium dans la bouteille.


Données
  • Volume de la bouteille : V0=V_{0}= 9,2 L ;
  • Volume d’hélium à pression atmosphérique : V1=V_{1}= 52 L.

Pourquoi l'hélium change-t-il la voix ?

L’hélium est moins dense que l’air ; ainsi, lorsqu’il remplace l’air dans les voies respiratoires et la cavité buccale, la vitesse du son devient plus élevée. Elle passe de 340 à 1 020 m·s-1. Les cordes vocales vibrent également plus vite et les sons produits se répercutent davantage à l’intérieur des voies respiratoires. Les sons qui sortent de la bouche présentent ainsi une fréquence plus élevée qu’à l’habitude. La voix devient plus aiguë.

D’après futura-sciences.com.

Pression et force pressante


CONSEIL :

Faire un schéma bilan des forces s’exerçant sur la vitre.
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10
Calculer une force pressante

RAI/MOD : Faire un bilan des forces

La vitre de surface S=S= 1 m2 d’une porte vitrée subit une force pressante de l’air ambiant.

1. Quelle est la valeur de l’intensité de la force pressante FF de l’air sur la vitre ?


2. Pourquoi la vitre ne risque-t-elle pas de casser ou de se desceller sous l’effet de cette force pressante ?
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12
Lien entre pression et force pressante

RAI/MOD : Faire un bilan des forces

Un matelas pneumatique est rempli d’air à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.

Pourquoi lorsque l’on s’assoie sur le matelas on touche le sol alors que ce n’est plus le cas quand on s’allonge dessus ?
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11
Calculer une force pressante… dans l’espace !

RAI/MOD : Faire un bilan des forces

Station spatiale


La station spatiale internationale est dotée de hublots. Le plus grand a une surface de 0,13 m2 environ.

Faire un schéma représentant la résultante des forces pressantes sur le hublot. Préciser les échelles choisies.
Couleurs
Formes
Dessinez ici

Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Relier pression et force pressante :
10
20
31

Connaître et utiliser la loi de Boyle-Mariotte :
10
DIFF

Utiliser les caractéristiques microscopiques des fluides :
13
30

Connaître la loi fondamentale de la statique des fluides :
14
20
30

Loi fondamentale de la statique des fluides

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15
Calculer une pression à l’aide de la relation fondamentale de l’hydrostatique

REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

Tube et cristallisoir


On place un tube fermé rempli entièrement de mercure dans un cristallisoir contenant du mercure. Lorsqu’on retourne le tube, une partie du mercure s’écoule du tube dans le cristallisoir, laissant un vide. La situation finale correspond au schéma ci-dessus.

Utiliser la relation fondamentale de l’hydrostatique pour retrouver la hauteur hh de la colonne de mercure.


Donnée
  • Masse volumique du mercure : ρ\rhom == 13,5 kg·m‑3.

Supplément numérique
B
L’effet de la masse volumique

REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

On souhaite refaire l’expérience de l’exercice 15 avec cette fois de l’eau comme fluide.

1. Quelle hauteur minimale devrait avoir le tube ?


2. Pourquoi préfère-t-on utiliser le mercure ?
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14
Calculer une pression à l’aide de la relation fondamentale de l’hydrostatique

REA : Effectuer des calculs littéraux et numériques

En plongeant au fond de la piscine, on peut avoir mal aux oreilles, à cause de la pression exercée par l’eau sur nos tympans.

Que vaut cette pression au fond d’une piscine de 4 m de profondeur ?


Piscine

Pour commencer

Modèle microscopique des fluides

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13
Modéliser en gaz

APP : Extraire l’information utile sur un schéma

La modélisation microscopique de deux volumes identiques d’un même gaz, formé de molécules identiques, est représentée ci-dessous.

Modélisation microscopique

Dans quel volume la pression est-elle la plus forte ?

Supplément numérique
A
Réaliser un schéma

ANA : Faire le lien entre modèle micro et grandeur macro

Soient deux volumes égaux d’un même gaz (composé de molécules identiques) et à même température.

1. Faire un schéma montrant ces deux volumes, et dans lequel la pression est différente.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. Quelle différence microscopique explique la différence macroscopique de pression ?

3. À quelle autre grandeur macroscopique est-elle reliée ?

Pour s'échauffer

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7
Pression

Une paroi subit une force pressante de 1000 N, exercée par l’air ambiant.

Calculer la surface de la paroi.


8
Loi de Boyle-Mariotte

On place 50 cm3 d’air à pression atmosphérique dans une seringue fermée.

Calculer la pression au sein de la seringue quand on comprime l’air à un volume de 30 cm3.


9
Loi de Boyle-Mariotte

On reprend la seringue de l’exercice
8
mais le piston est tiré jusqu’à un volume de 70 cm3.

Calculer la pression dans la seringue.
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5
Pression

Un fluide exerce une pression de 800 pascals. Il est en contact avec une paroi de 4 m2.

Calculer la force pressante exercée sur cette paroi.


6
Pression

Une paroi de 30 m2 subit une force pressante de 3 ×\times 106 N.

Calculer la valeur de cette pression.

Données

  • Masse volumique de l’air à pression atmosphérique : ρair=\rho_{\text{air}} = 1,22 kg·m‑3 ;
  • Masse volumique de l’eau : ρeau=\rho_{\text{eau}}= 1 000 kg·m‑3 ;
  • Intensité de la pesanteur à la surface de la Terre : g=g= 9,81 N·kg-1 ;
  • Pression atmosphérique : P0=P_{0}= 101 325 Pa.
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