[Cours de Sciences]

**Mr.adamo** Confirmé 9878

Support de cours en sciences - Patrick Adamo

Année 2019-2020 : Moyenne

Tous les liens des cours et exercices faits en classe seront postés ici désormais.

L'idée qu'on certains professeurs de tout réunir dans une catégorie me semble assez bonne, j'applique donc à mon tour cette méthode. ça me permettra, ainsi qu'à vous, d'avoir une vision plus globale sur mes cours.

Patrick Adamo - Professeur de mathématiques et de physique

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Physique | Dynamique - le poids apparent :

1. Masse et poids :

La relation entre masse et poids est donc celle qui lie une quantité de matière à la force exercée sur elle par un autre corps (la Terre par exemple). Or, déterminer une quantité de matière n'est pas simple, alors que mesurer une force l'est : Un simple ressort comprimé le permet. D'où l'idée de rapporter la force exercée sur un objet à sa quantité de matière, c'est-à-dire sa masse, via l'équation :

m = F / a

Il est alors un appareil dont la mesure peut prêter à confusion : La balance. Et même si le langage est précis, on dit "je vais mesurer mon poids sur balance", il est nécessaire d'insister sur le fait qu'une balance mesure le poids et non la masse. Car il faut bien comprendre que la mesure du poids à l'aide d'une balance passe nécessairement par l'utilisation d'un ressort (ou un mécanisme du même type) dont la force de réaction qui est mesurée par la balance et non la masse de la personne comme pourrait le faire croire l'indication donnée en kilogramme.

On peut s'en convaincre en mesurant la masse d'un objet à l'aide d'une balance alternativement placée sur Terre et sur la Lune. Même si la masse est la même dans les deux cas, la balance va donner des indications différentes. Elle est en effet simplement calibrée pour indiquer la masse à partir d'un poids mesuré sur la Terre. L'opération revient à écrire :

m = Fp / g

Où g est l'accélération à la surface de la Terre. Ainsi, si la balance est utilisée sur la Lune, son indication sera erronée, car c'est alors l'accélération lunaire qu'il faudrait utiliser. Donc, si une balance indique la masse, c'est en réalité le poids qu'elle mesure.

2. Poids apparent :

Le poids n'est donc rien d'autre que la force de gravitation qui s'exerce sur une personne à la surface d'un corps donné. Selon la loi de la gravitation universelle, il est notamment fonction de la masse de ce corps et de celle de la personne (d'où l'usage d'une balance pour le mesurer et le rapporter à cette masse). Mais, selon cette loi, il n'est pas fonction de l'état de mouvement de la personne. Comment comprendre alors que le poids mesuré par une balance dans un ascenseur en mouvement puisse varier, comment comprendre qu'un astronaute puisse s'entraîner à l'état d'apesanteur dans un avion au voisinage de la Terre, où ce poids n'a certainement pas disparu ?

Pour le comprendre, il faut faire appel à l'idée d'un poids apparent. Car, en réalité, une balance placée dans un ascenseur qui se déplace ne mesure pas le poids réel de la personne, mais ce qu'on appelle son poids apparent. De quoi s'agit-il ? Considérons tout d'abord la personne placée sur une balance dans un ascenseur immobile. A l'arrêt, la force du ressort R est égale au poids de la personne. Dans cette situation, on peut écrire la deuxième loi de Newton ainsi : R = m * g = m * 0 <=> R = m * g.

On constate bien que la mesure R faite par la balance marque le poids.

Considérons maintenant un cas ou l'ascenseur monte. Par rapport au cas statique, aucune force supplémentaire ne s'est ajoutée. Par contre, comme l'ascenseur accélère vers le haut, on doit maintenant écrire l'équation du mouvement ainsi :

R - m * g = m * a <=> R = m * g + m * a

La mesure R de la balance ne marque alors plus le poids, mais celui-ci augmenté du terme m * a. On peut facilement le comprendre : la réaction R doit non seulement compenser le poids mais aussi lui permettre d'accélérer. Maintenant, considérons le problème depuis l'ascenseur en mouvement. En constatant l'augmentation du poids, on pourrait croire à l'apparition d'une nouvelle force qui l'augmente. Ce qui, bien évidemment n'est pas le cas. Mais force est de constater que la balance marque à travers sa réaction R une autre valeur. Or, depuis l'ascenseur, le mouvement d'accélération de la personne n'existe pas. Elle se trouve en équilibre sur une balance et une personne non avertie pourrait penser que l'équation du mouvement est simplement celle donnée ultérieurement (R = m * g) ce qui est faux et montre une limite dans l'utilisation de la deuxième loi de Newton. En effet, dans sa version la plus simple, elle n'est pas valable pour des référentiels accélérés, comme c'est le cas de notre ascenseur. Mais pour ne pas renoncer à utiliser cette loi dans ce cadre élargi, on peut faire une modification formelle qui consiste à admettre l'existence d'une fausse force supplémentaire F(in) uniquement dans le cas de référentiels accélérés. Vue depuis l'ascenseur, on écrit alors :

R - m * - F(in) = 0 <=> R = m * g + F(in).

Et on identifie cette pseudo-force F(in) au terme m * a de l'équation du mouvement. En effet, celle-ci peut être écrite comme :

R - m * g - m * a = 0

Ainsi, on constate, dans ce second exemple où le référentiel est accéléré, que le poids donné par une balance n'est pas le poids réel dû à la force de gravitation. Ce poids est dit poids apparent et est composé de la force de gravitation, à laquelle il faut adjoindre une pseudo-force d'inertie. Mais, il faut relever que cette force est fictive. En effet, rien n'exerce de force supplémentaire au poids vers le bas. Au contraire, c'est la force de réaction de la balance, qui est vers le haut et est nécessaire pour accélérer la personne, qui est à l'origine de la force d'inertie. Nous verrons par la suite que ce problème se retrouve dans les mouvements circulaires où une vraie force, la force centripète, est à l'origine d'une fausse force, la force centrifuge, et cela pour les mêmes raisons.

Considérons enfin un cas où l'ascenseur descend. Pour cela, dans l'équation du mouvement, il faut relever que nous avons précédemment compté positivement les termes orientés vers le haut, comme la réaction R, et négativement ceux dont le sens est vers le bas, comme le poids. Par là, nous avons choisir un axe pointant vers le haut. Ainsi, dans le cas d'une accélération vers le haut, le terme m * a étant compté positivement. Dans le cas qui nous occupe maintenant, il est vers le bas et doit être compté négativement. L'équation du mouvement devient alors :

R - m * g = - m * a <=> R = m * g - m * a

Et le poids apparent R noté par la balance est plus faible que le poids réel puisqu'il est diminué de m 3 a qui peut considéré comme une pseudo-force d'inertie.

L'exemple de la relation entre poids et poids apparent montre donc que le mouvement d'un objet n'est pas sans incidence sur la mesure de son poids.

Vidéo YouTube (à regarder)

Patrick Adamo - Professeur de mathématiques et de physique

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Chimie | Cours :

1. Introduction à la chimie :

On sait que lorsqu'on parle de chimie on ne peut s’empêcher de l’associer au mot “atome” ou “mélange”. Effectivement la plus petite entité chimique que l’on connaisse est l’atome. Celui-ci vient du mot “atomos”, qui signifie en grec “qu’on ne peut pas couper”. Evidemment on sait actuellement que l’atome n’est pas si insécable que ça et qu’il est en fait composé lui-même de trois particules. Finalement c’est la variation de leurs quantités qui génère autant de diversité dans la matière. Les atomes sont tous composés des mêmes briques élémentaires mais l’apparence physique de la matière n’est régit uniquement par les distinctions qu’il y a dans la composition des atomes. C’est assez fou de se dire que la cause de la variété dans les perceptions que l’on peut octroyer à la matière tous les jours ne dépend que de petits facteurs comme ceux-ci.

Les particules qui composent l’atome sont l’électron, le proton et le neutron.

la charge d’un atome est toujours nulle car il possède autant d’électrons que de protons. Les protons sont chargés positivement et les électrons négativement. L’équilibre électrique règne alors dans chaque atomes peu importe la quantité de neutron. Les neutrons n’ont pas de charge, ils sont plutôt là pour influer sur la masse de l’atome en général.

Si l’on devait schématiser vite fait l’atome, on pourrait parler d’un noyau qui se situerait au centre de chaque atome. Celui-ci serait composé de protons et de neutrons, et comme sa charge résultante est positive, les électrons “graviteraient” autour du noyau. Dans la réalité la plus stricte les choses sont beaucoup plus complexes que la manière dont on essaie de les modéliser. On ne peut pas comparer l’attraction d’un nuage électronique sur le noyau avec l’attraction des planètes autour du soleil.

Pour modéliser, et donc pour mieux se représenter les phénomènes complexes on s’inspire d’autres phénomènes plus familiers qui ont des similitudes avec ceux du phénomène afin d’avoir une idée d’ensemble du phénomène.

Le modèle de Bohr et de Lewis parlent par exemple des électrons comme s’ils étaient comparables à de petites billes situable en un point de l’espace. On sait désormais que la réalité est plus complexe et qu’il s’agit en fait d’un nuage électronique, soit plutôt d’une sorte d’onde. Le diamètre d’un atome peut varier en fonction de la quantité d’électrons, qui définissent les limites de ce dernier. On peut dire que le diamètre se situe aux alentours de 10^-10 m.

Comme dit plus haut un atome est toujours électriquement nul, car si lors d’une interaction entre deux atomes un électron est gagné ou perdu on ne parle déjà plus d’atome mais de ion. Un ion peut se définir alors comme un atome qui a soit gagné ou perdu des électrons en s’associant à un autre atome quelconque.

Il faut savoir que les électrons vont “graviter” sur différents orbites plus ou moins proches du noyau. Les électrons peuvent passer d’une couche à l’autre lorsqu’ils gagnent de l’énergie. C’est en fait leurs niveaux d’énergies qui définit leurs emplacements sur les différents orbites.

Voici à chaque fois le nombre d’électrons maximum que peut atteindre une couche.

Première couche : 2

Deuxième couche : 8

Troisième couche : 18

Quatrième couche : 32

Cinquième couche : 50

Sixième couche : 72

les électrons forment ce qu’on appelle des paires libres. Lorsqu’on localise un électron célibataire sur la couche de valence (couche externe) on peut déduire que celui-ci aura tendance à s’associer à d’autres atomes ceci pour se stabiliser.

La règle de l’octet prévoit le nombre de liaisons que va pouvoir créer un atome en fonction du nombre d’électrons de valence et du nombre d’électrons célibataires.

Effectivement les atomes recherchent une position la plus stable possible, pour ça il faut que leurs dernières couches aient la même structure que les gaz parfaits.

Les gaz parfaits ne possèdent aucun électron célibataire, ce qui leurs confèrent une stabilité bien caractéristique de leurs familles.

En s’associant les atomes vont former des ensembles plus gros qui vont leurs permettre à chacun une stabilité plus grande.

2. Electronégativité :

La règle de l’octet nous suggère que tous les atomes n’attirent pas les électrons avec la même force. On peut avoir une idée de cette force par des mesures calorimétriques.

En effet, il est facile de comprendre que, plus l’énergie dégagée par la formation d’une liaison est importante, plus les éléments qui se sont associés, gagnent en stabilité. Dans cette idée, Linus Pauling a mesuré les chaleurs dégagées lors de la formation de liaisons atomiques telles que :

- H-H : 436 kJ/mol

- F-F : 159 kJ/mol

- H-F : 570 kJ/mol

Contrairement à ce qu’il pensait obtenir, l’énergie de liaison H-F ne correspondait pas à une valeur moyenne des énergies de liaisons H-H et F-F mais était bien plus élevée. Il en déduit que ce gain de stabilité était dû au fait que l’atome de fluor attirait plus fortement les électrons de liaisons que l’atome d’hydrogène à l’intérieur de la liaison H-F.

Pour des raisons pratiques, il proposa de caractériser ce gain de stabilité avec des nombres simples. Il donna arbitrairement une valeur de 4 à l’élément fluor (élément le plus attracteur d’électrons) et calcula ensuite le pouvoir d’attraction des autres éléments en fonction du gain de stabilité obtenu après de liaison chimique. Grâce à ces mesures, il a pu établir une échelle appelée électronégativité (EN).

Exemple :

Voici l’énergie de formation de quelques liaisons :

- H-F : 570 kJ/mol

- H-O : 464 kJ/mol

- H-N : 389 kJ/mol

L’atome d’hydrogène étant commun dans les trois cas, on peut attribuer la différence des énergies mesurées, à la différence de capacité de l’élément voisin à attirer l’électron de la liaison.

Ainsi, le fluor est le plus fort attracteur, vient ensuite l’oxygène et enfin l’azote. Ces valeurs sont indiquées sur le tableau périodique. Elles sont maintenant données avec deux décimales.

La comparaison de ces valeurs permet de déterminer l’élément le plus fort attracteur d’électrons. Elle permet également de savoir si la formation de liaison dégagera beaucoup d’énergies ou pas. Plus la différence d’électronégativité est grande plus la réaction sera violente.

On peut donc définir l'électronégativité comme étant la capacité qu’à un atome à attirer plus ou moins fortement les électrons d’un autres atomes quelconque.

L’électronégativité est symbolisé par un coefficient dans le tableau périodique. On peut donc dire que, plus la capacité d’attraction est grande, plus le coefficient sera grand sur le tableau périodique.

Patrick Adamo - Professeur de mathématiques et de physique
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