LES TRANSPORTS 5 (T5) : COMMENT PEUT-ON SE DEPLACER DANS UN FLUIDE ? TP2 : Pourquoi les hublots des sous-marins sont-ils épais ? Durée : 45 min. Noté sur 10.

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FICHE PROF

Matériel :

• Voir fiche laboratoire.

• Photocopier la fiche de correction 15 fois en couleur.

Objectif prof (AVANT DE DONNER LA FEUILLE DE TP AUX ELEVES) :

•

Objectif élève (une fois l'objectif prof ci-dessus énoncé par les élèves ou l'enseignant) :

• Réaliser le TP. 4 Tps eau du robinet, 4 Tps eau salée 20%.

• Relation fondamentale : les élèves peuvent trouver ρ de la façon qu'ils veulent. Avec a et b du 2) ou avec les valeurs expérimentales trouvées.

Objectif prof à la fin du TP :

• COURS.

◦ Remplir une bouteille d'eau. Puis la percer de 2 trous. Observer l'écoulement des jets. Ils sont horizontaux, perpendiculaires à la bouteille.

◦ Donc

◦ Dans la pratique, on utilise le bar et l'hectopascal. 1 bar = 105 Pa ; 1hPa = 100 Pa = 1 mbar

◦ La pression augmente avec la profondeur.

• Page 35, QCM 5 + 6 et exercices 2+3+4+5+6 pages 35+36 Objectif pour la prochaine fois :

• Interrogation sur ce qui a été vu aujourd'hui (cours et exercices).

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FICHE LABORATOIRE

Matériel sur les paillasses élèves (8 paillasses en tout) :

• 1 pressiomètre avec son tuyau d'au moins 60 cm de long, réglé et scotché sur 30 cm sur une règle.

• 1 éprouvette graduée 250 mL (il n'y a que le tuyau, pas la sonde).

• 1 ordinateur avec LibreOffice classeur.

• De l'eau du robinet.

• Du scotch.

Matériel sur la paillasse professeur:

• 8 bouteilles contenant 300 ml d'eau salée à 20% afin de faire 4 Tps avec eau du robinet et 4 Tps avec eau salée.

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FICHE DE CORRECTION

Appel n°1, Préparation de la partie "Ordinateur" + "Physique" du TP : NOTE SUR 2,5 :

Ouvrir classeur Colonne 1 Colonne 2 Colonne 3 Colonne 4

Profondeur en cm 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30

Profondeur en m conversion 1ère colonne

Pression en Pa Pression en hPa 1ère valeur : 1020 env

0,25 0,25 + 0,25 0,25 + 0,25 0,25 0,25 + 0,25

Éprouvette remplie d'eau à 250 mL : 0,25

Pressiomètre avec tuyau scotché sur règle et réglé à 0 : 0,25

Appel n°2, Exécution du TP et Tracé des points : NOTE SUR 2 (TP) + 1,75 :

Tableur rempli Diagramme

7 points Abscisses

= 0 à 0,3

Ordonnées

= P

Titre abs = Profondeur en m

Titre ord =

Pression Pa Titre graphique 7 points

0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Appel n°3, Questions : (SUR 1,25) 1. Allure de la courbe : Droite 0,25 2. Modélisation de la courbe :

a) -0,25 / question : b) a = 9800 environ 0,25

c) b = 102000 environ (valeur du 0 du tableau) 0,25 d) Valeur de b = valeur du 0 du tableau 0,5

Appel n°4, Question et Application : (SUR 2,5)

3. Autour de la relation fondamentale de l'hydrostatique : a) ρ eau = 1000 kg/m³ ou ρ eau salée = 1100 kg/m³ 0,5 b) Justification / calculs pour l'eau : 9800/9,81 = 1000 1

Remarque : on ne trouve pas vraiment ces valeurs. Problème de pressiomètre.

Hauteur de mercure :

1013,5 hPa = 101350 Pa 0,25 donc 101350 = 13545,88*9,81*h 0,25

donc h = 0,762 m 0,25

soit 762 mm 0,25

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FICHE ELEVE

Capacités visées :

• Mesurer la pression d'un liquide en un point.

• Déterminer expérimentalement les variations de pression au sein d'un fluide.

• Utiliser la formule PB - PA = ρgh Connaissances visées :

Matériel :

• 1 pressiomètre relié à un tuyau lui-même scotché à une règle de 30 cm.

• 1 éprouvette graduée 250 mL.

• 1 ordinateur avec LibreOffice.

I) Préparation de la partie "Ordinateur" du TP : (SUR 1,75)

• Allumer l'ordinateur et ouvrir un nouveau fichier "Classeur" LibreOffice.

• Dans la première colonne du tableau, écrire "Profondeur en cm" puis 0 puis 5 puis 10, 15, 20, 25, 30.

• Dans la deuxième colonne du tableau, écrire "Profondeur en m" et convertir la première colonne.

• Dans la troisième colonne du tableau, écrire "Pression en Pa" (Pascal).

• Dans la quatrième colonne du tableau, écrire "Pression en hPa" (hectoPascal).

• Ajuster la taille des colonnes.

II) Préparation de la partie "Physique" du TP : (SUR 0,75)

• Remplir l'éprouvette graduée d'eau du robinet (jusqu'au bec verseur).

• Vérifier que le tuyau est relié au Pressiomètre et qu'il est correctement scotché sur la règle (le bout du tuyau devant être au 0 de la règle).

• Mettre le bout du tuyau juste au-dessus de l'eau et remplir la première case de la quatrième colonne.

Appel n°1 : appeler l'enseignant pour lui montrer votre préparation "Ordinateur" et "Physique".

III) Exécution du TP : (SUR 2)

• Tous les 5 cm de profondeur, mesurer la pression de l'eau et la noter dans le tableur dans la bonne colonne.

IV) Tracé des points : (SUR 1,75)

• Sachant que 1 hPa = 100 Pa (= 1 mbar), compléter la colonne libre du tableur.

• Sélectionner les nombres des deuxième et troisième colonnes. A l'aide de l'outil "Diagramme" puis

"XY (dispersion)" placer les points sur un repère d'abscisse, la profondeur, et d'ordonnée, la pression.

Astuce : penser à mettre le titre du graphique et les titres des axes.

Appel n°2 : appeler l'enseignant pour lui montrer votre tableur rempli et vos points tracés dans le repère V) Questions : (SUR 2,75)

1. Quelle est l'allure du résultat obtenu ?

…...

2. On veut modéliser la courbe obtenue par une droite d'équation Pm = ah + b. Pour cela : a) Double cliquer sur le graphique afin qu'il soit encadré en gris (il est alors sélectionné) ; b) Sur un des points, cliquer avec le bouton droit pour insérer une courbe de tendance ; c) Choisir la bonne courbe de tendance et afficher l'équation.

d) Recopier les valeurs obtenues pour a et b : a = …... ; b = …...

e) A quoi correspond la valeur de b ?

…...

Appel n°3 : appeler l'enseignant pour lui montrer votre graphique et vos réponses.

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3. Autour de la relation fondamentale de l'hydrostatique.

La formule qui donne la différence de pression entre deux points A et B du fluide séparé d'une hauteur h est : PB - PA = ρgh où ρ est la masse volumique du fluide ;

g est l'intensité de pesanteur terrestre qui vaut 9,81 m/s²

A l'aide de la valeur de a trouvée sur l'ordinateur, calculer la masse volumique de l'eau ou de l'eau salée selon votre TP (détailler les calculs) :

ρeau = …...kg/m³

VI) Application de la relation fondamentale de l'hydrostatique : (SUR 1)

1. Quelle hauteur de mercure liquide correspondrait à une variation de pression de 1013,5 hPa ? Donner la réponse en mm.

La masse volumique du mercure est : ρmercure = 13545,88 kg/m³.

…...

2. Evangellisata Toricelli ( Physicien et mathématicien italien, 1608-1647) et le vide .

Le nom de Torricelli est resté associé dans l’histoire au premier baromètre à mercure, cette colonne de 76 cm environ dont la hauteur précise nous renseigne sur la pression atmosphérique et donc indirectement sur les caprices du temps à venir.

A Florence, dans les années 1640, les fontainiers ont une unique préoccupation : réussir à aspirer l’eau à plus de dix mètres au dessus du niveau du fleuve Arno et malgré les efforts conjugués des grands ingénieurs de l’époque, on n’y parvient pas ! En désespoir de cause, ils se tournent vers Galilée, déjà reconnu en son temps comme un grand savant, mais qui hélas meurt en 1642 sans avoir résolu le

problème. Torricelli est alors le secrétaire de Galilée, à qui il succèdera comme professeur de philosophie et de mathématiques. Il décide de reprendre à son compte les interrogations du maître Galilée et de nombreux autres savants de l’époque : qu’est ce qui empêche l’eau de monter au-delà d’une certaine

hauteur ? Comprendre, c’est expérimenter ! Mais on ne manipule pas aisément des colonnes d’eau de 10 m. Torricelli a alors l’idée de remplacer l’eau par un liquide beaucoup plus lourd, en l’occurrence le « vif-argent » (le mercure).

Son expérience

Il remplit complètement un tube de mercure, le bouche avec le doigt pour empêcher l’air de rentrer et le renverse sur un bassin, lui aussi rempli de mercure. Il constate alors que le tube ne se vide pas complètement dans le bassin mais qu’une

colonne de mercure - de 76 cm - reste dans le tube. Sur la surface de base du tube

s’exercent deux forces qui se compensent exactement : le poids de la colonne qui tendrait à faire descendre le mercure dans le bassin et la force exercée par l’air qui appuie sur le liquide et qui empêche la colonne de mercure de se vider. Cette force qu’exerce l’air par unité de surface, c’est la pression atmosphérique.

Si le mercure est remplacé par de l’eau, la force exercée par l’air sur la base du tube

équivaut au poids d’une colonne de 10m. D’où la limite physique - et non technologique - à laquelle se heurtaient les fontainiers !

C’est une trentaine d’années plus tard en 1676 que l’Académie des Sciences rendra hommage à Torricelli en baptisant son invention du nom de baromètre de Torricelli. Entre temps, Pascal se sera aussi intéressé à la notion de pression atmosphérique, notamment en faisant des mesures avec le baromètre à différentes altitudes. Tous deux ont donné leur nom à une unité de pression : le torr (correspondant à une élévation de 1 mm de la colonne de mercure) et le Pascal (la pression atmosphérique est proche de 100 000 Pa).

Appel n°4 : ranger votre paillasse et appeler l'enseignant pour lui rendre vos deux feuilles.