THÈME COMPRENDRE – Lois et modèles
Résolution de problème
►Orage sur le Pic du Midi
L'Observatoire du pic du Midi de Bigorre dans les Hautes-Pyrénées, situé à 2 876 mètres d’altitude, est un centre de recherches pluridisciplinaires. Sa situation géographique, qui le soumet à de nombreux impacts de foudre, a nécessité l’installation d’un réseau de paratonnerres afin de protéger les bâtiments et les personnes.
Déterminer de quel type de nuage provient la foudre frappant le paratonnerre actif installé à l’observatoire du Pic du midi.
Compétences
Notions et contenus Compétences attendues
Champ électrostatique : F E= q
Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de l’espace.
Connaître les caractéristiques des lignes de champ vectoriel, du champ électrostatique dans un condensateur plan.
Crédit photographique : Ph © Dr-Strangelove/iStock
Lois et modèles – Résolution de problème © Hélium 1
reS 2015, Editions Hatier
DOC 1 Foudre et orage
La foudre est un phénomène de décharge électrique. Lors d’un orage, la base des nuages se charge négativement, alors que le sol se charge positivement. Cela revient à la création d'un condensateur géant à l’intérieur duquel un champ électrostatique s’établit. La tension électrique ainsi générée peut atteindre plusieurs millions de volts, causant alors une expansion explosive de l'air, accompagnée d’un éclair de lumière et du tonnerre.
DOC 2 Paratonnerres actifs
Les paratonnerres actifs mesurent en permanence le champ électrique ambiant. Lorsque la décharge est imminente, le champ électrique local et la tension électrique subissent une brusque augmentation. Le paratonnerre déclenche alors une ionisation de l’air qui fait de lui le point d’impact privilégié du coup de foudre. Lors de l’orage au pic du Midi, les ions O2- créés subissent une force électrostatique F
de valeur égale à 4,52.10-14 N.
DOC 3 Tension électrique lors d’un orage au pic du midi
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DOC 4 Types de nuages
Les nuages sont composés de microgouttelettes d’eau et de microcristaux de glace. Il existe quatre familles de nuage. Chaque nuage d'une famille est rattaché à un genre, une espèce et une variété.
Chaque genre de nuage possède ses propres caractéristiques : extensions verticale et horizontale, texture, forme, etc.
Genre de nuages Extension verticale des nuages
par rapport au niveau de la mer (en mètre)
Cumulus De 1 000 à 3 000 Stratocumulus De 1 000 à 2 000 Cumulonimbus De 1 000 à 12 000
Cirrus De 7 000 à 9 000
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Aides à la résolution
Aide 1
Déterminer le paramètre nécessaire à l’identification du nuage.
Aide 2
Donner la relation liant la distance d’ entre la base du nuage et le sol au niveau du pic du Midi, et la tension U présentée.
Aide 3
Déterminer la valeur du champ électrique E .
Aide 4
Exprimer la distance d’ en fonction de la tension U, de la charge q et de la force 𝐹⃗.
Aide 5
Calculer la valeur de la distance d’.
Aide 6
Calculer la distance d entre la base du nuage et le niveau de la mer.
Aide 7
Identifier le nuage.
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Grille d’évaluation du travail écrit de l’élève
COMPÉTENCES Capacités attendues Indicateurs permettant d’attribuer le niveau A NIVEAUX DE
MAÎTRISE
A B C D
S’APPROPRIER APP
Extraire l’information utile Doc 4 : Le type du nuage dépend de son extension verticale, soit la distance d entre le niveau de la mer et le nuage.
Doc 1 : La base des nuages et le sol du pic du Midi se comportent comme un condensateur plan.
Doc 2 : Lors de l’ionisation de l’air, les ions O2- subissent une force électrostatique 𝐹⃗
L’ion O2- porte 2 charges négatives.
Doc 3 : Lors du déclenchement de la foudre, on observe un pic de tension, soit U = 300 x 106 V
Mobiliser ses connaissances - Le champ électrique 𝐸�⃗, la tension électrique U et la distance d entre les armatures sont donc liés par la relation :
ou ' '
U U
E d
d E
= =
- Le champ électrique 𝐸�⃗ et la force 𝐹⃗ sont donc liés par la relation : 𝐹⃗= |𝑞| ×𝐸�⃗ ou F
E= q
ANALYSER
ANA
Exploiter les informations La distance d’ est liée à la tension U, à la charge q de la particule O2- et à la force 𝐹⃗
par la relation :
𝑑′=𝑈× |𝑞|
𝐹
L’observatoire du pic du Midi est situé à 2 876 m du niveau de la mer.
On a donc d = d’+ 2 876 Proposer une stratégie de
résolution de problème
Les étapes de résolution sont clairement exposées.
Exemple :
Pour identifier le nuage, il faut connaître son extension verticale soit la distance d entre le niveau de la mer et le nuage.
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Etablir la relation liant la distance d’ entre la base du nuage et sol au niveau du pic du Midi et la tension U présentée
Déterminer le champ électrique E créé lors de l’ionisation de l’air des ions O2- subissant la force électromagnétique 𝐹⃗.
Exprimer et calculer la distance d’ en fonction de la tension U, de la charge q et de la force 𝐹⃗
Calculer la distance d entre la base du nuage et le niveau de la mer puis identifier le nuage.
RÉALISER REA
Réaliser des calculs
numériques L’ion O2- porte 2 charges négatives. Sa charge globale est donc : q(O2-)= 2 ×−1,602 × 10−19
=−3,204 × 10−19 C
Lors du déclenchement de la foudre, on observe un pic de tension soit U = 300
=
106V𝑑′=300 × 106× 3,204 × 10−19 4,52 × 10−14 d’ = 212 × 101 m
La distance d entre la base du nuage et le niveau de la mer est : d = 2 124+2 876 = 5 000 m
Exprimer le résultat Donner les grandeurs calculées avec un nombre convenable de chiffres significatifs et une unité.
Identifier le nuage : le nuage est un cumulonimbus
COMMUNIQUER
COM
Décrire les étapes de la
résolution. ● Les étapes de résolution sont clairement exposées.
● Les caractéristiques du vecteur force électrostatique s’exerçant sur la particule O2- lors d’un impact de la foudre sont : point d’application, direction, sens, valeur.
● Un vocabulaire scientifique correct est utilisé.
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Attribution d’un niveau de maîtrise pour chaque compétence :
- niveau A : les indicateurs choisis apparaissent pratiquement dans leur totalité - niveau B : les indicateurs choisis apparaissent partiellement
- niveau C : les indicateurs choisis apparaissent de manière insuffisante - niveau D : les indicateurs choisis ne sont pas présents
Attribution d’une note :
- majorité de A : note entre 4 ou 5 (majorité de A et aucun C ou D : 5) - majorité de B : note entre 2 et 4 (uniquement des B : 3)
- majorité de C : entre 1 et 3 (uniquement des C : 2)
- majorité de D : entre 0 et 2 (uniquement des D : 0 ; dès qu’il y a d’autres niveaux que le D : 1 ou 2)
