chap4bis-poussee_d_archimede_tp

1
2S
TP-cours Physique
Interactions entre objets : poussée d’Archimède et corps flottants
Chap4bis :
1.



OBJECTIF
Définir la masse volumique et la densité d’un corps.
Comprendre la poussée d’Archimède.
Appliquer les résultats précédents à l’étude des corps flottants.
2.
MATERIEL NECESSAIRE : voir sur place
3.
MASSE VOLUMIQUE ET DENSITÉ
a) Masse volumique (ou )
a.1) Définition
La masse volumique  (prononcer « ro ») ou  (prononcer « müh ») d’un corps est égale au quotient de la …………………..… m
 corps 
de ce corps par son ……………………….. V :
a.2) Unités
m corps
Vcorps
Exo1 : trouver l’unité légale des masses volumiques :
Compléter : 1
kg
kg
g
g
= ………. = ……….. = ……….. = ………
= ……….. = ……….. = …………. 3
3
L
L
m
cm
a.3) Détermination de  (TP- partie 1)

 Liquides et solides
Vous disposez d’une balance, d’éprouvettes graduées et d’eau… pour déterminer les masses volumiques de différents corps.
Schématiser les expériences qui vous permettent de compléter le tableau suivant :
Schémas :
Résultats :
Corps
eau
huile
caoutchouc
bois
métal 1
métal 2
métal 3
caillou
Masse (g)
Volume (L)
Masse
volumique (g/L)
Nature métaux inconnus 1, 2 et 3 et du caillou
Trouver la nature des métaux 1, 2 et 3 et du caillou à l’aide de Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_volumique
2
 Application aux gaz
Il n’est pas facile de mesurer la masse d’un gaz pour déterminer sa masse volumique mais on peut la calculer à partir de données
chimiques.
Exo2 :
* Ecrire la relation entre la masse m d’une substance, sa
masse molaire M et le nombre de mol n de cette
substance :
* Ecrire la relation entre le volume V d’un gaz, son
volume molaire Vm et le nombre de mol n de ce gaz :
* En déduire une relation entre la masse volumique d’un
gaz, sa masse molaire et son volume molaire :
* Calculer les masses volumiques du dihydrogène, du dioxygène, du diazote, du dioxyde de carbone et de l’air (tableau).
Données :
Masses molaires en g/mol : M(H) = 1,0 / M(C) = 12,0 / M(O) = 16,0 / M(N) = 14,0 et volume molaire à 20°C : Vm = 24,5 L/mol
gaz
H2
O2
N2
CO2
air
Masse volumique (g/L)
b) Densité (d)
b.1) Définition
La densité d
d’un corps est égale au quotient de la …………………..…………..…………. de ce corps par la
d corps 
……………………………………………… d’un autre corps pris comme référence :
 corps
 ref
b.2) Unité : trouver l’unité légale des densités :
Rem : la densité n’est donc pas la même chose que la masse volumique même si toutes les deux caractérisent une réalité
physique très proche (et même s’il n’y a qu’un seul mot utilisé en allemand : Dichte).
b.3) Corps de référence
 Pour les solides et les liquides, le corps de référence est l’……………………. : ref = eau =

Pour les gaz, le corps de référence est l’…………….. : ref = air =
………… g/L
………… g/L
b.4) Applications
Exo3 : calculer la densité des différents corps de la partie a.3) et classer les résultats sur les axes ci-dessous :
1,1
11,9
19,3
d
(solides ou
liquides)
eau
salée
0,17
plomb
or
2,4
d
(gaz)
hélium
butane
3
4.
POUSSÉE D’ARCHIMEDE DANS LES FLUIDES
a) Les fluides
a.1) Définition
Un fluide est une substance capable de s’……………………………… et de
prendre la forme du récipient qui le contient.
a.2) Exemples :
Exo4 : dire si les substances contenues dans leurs récipients sont des fluides ou non (OUI ou NON) :
Remarques :
* Dans les gaz, les atomes (ou molécules) se
déplacent librement les uns par rapport aux
autres.
* Dans les liquides, les atomes (ou molécules)
glissent facilement les uns sur les autres.
hélium dans ballon
fer dans assiette
café dans tasse
sable dans sablier
* Les particules d’un solide en poudre peuvent
plus ou moins facilement glisser les unes sur les
autres.
Conclusion : les ………………… et les ……………………… sont des vrais fluides, mais les ………………………………………
peuvent se comporter comme des fluides dans certaines conditions.
b) La poussée d’Archimède
b.1) Direction et sens
* Dans les deux situations suivantes, reconnaître le fluide et trouver la direction et le sens du mouvement du ballon lorsqu’on les lâche.
Piscine
fluide :
* Quelles sont les forces exercées sur les ballons une fois lâchés ?
* Représenter ces forces.
* Conclusion : entourer les bonnes réponses : la poussée d’Archimède est une force qui s’exerce amicalement /
/
verticalement
/
franco-allemand
de
travers / bas en haut / bonne humeur
horizontalement
4
b.2) Intensité (TP- partie 2)
* Réaliser l’expérience ci-dessous et compléter le tableau :
dynamomètre
eau
corps
éprouvette
graduée
eau
Poids réel du corps
(dans l’air)
Observations :
Poids apparent du corps
(dans l’eau)
Interprétation :
Preél =
Papparent =
* Quelles sont les forces exercées sur le corps dans les 3 cas : représenter ces forces dans les cas 1 et 3.
* On suppose que l’intensité de la force exercée sur le dynamomètre est égale à l’intensité de la force exercée par le fil sur le corps.
* Ecrire la condition d’équilibre du corps :
* Conclusion : trouver une relation entre la poussée d’Archimède A, le poids
réel et le poids apparent :
……….………….……………………
* Application : donner la valeur de
la poussée d’Archimède dans
l’expérience ci-dessus :
A = …………………………
b.3) Formule de l’intensité
* Refaire l’expérience précédente en notant précisément les volumes initial et final de l’eau dans l’éprouvette graduée :
Vinitial = …………………………
Vfinal = …………………………
* En déduire la masse de fluide déplacée au cours de l’expérience en kg :
mfluide déplacé = …………………………
* Calculer le poids du fluide déplacé au cours de l’expérience : Pfluide déplacé =
…………………………
* Conclusion : à quoi correspond l’intensité de la poussée d’Archimède ?
Trouver une relation entre A, fluide, Vcorps et g (= 9,8 N/kg).
b.4) Point d’application
Exo5 : entourer les bonnes réponses : « La poussée d’Archimède est une force : répartie / localisée / intergalactique ;
son point d’application est appelé : centre de gravité / centre de l’univers / centre du référentiel / centre de poussée ;
Il peut être pris comme : le centre de gravité du fluide / le centre de gravité du fluide déplacé / le centre de gravité du corps ».
5
5
2
1
3
Dans chaque cas,
* Dessiner le centre de gravité G des corps supposés homogènes
(sauf le cas 3 où il est déjà dessiné pour un corps non homogène).
4
* Hachurer le volume de fluide déplacé.
G
* Représenter approximativement le point d’application de la
poussée d’Archimède que l’on notera C.
* Entourer les bonnes réponses :
« Le point d’application de la poussée d’Archimède C correspond au centre de gravité G d’un corps
non homogène / homogène /
mouillé totalement immergé (dans l’eau) / émergé (hors de l’eau) / énervé (hors de lui !) ; Ce n’est plus vrai pour un corps
non homogène / homogène
/ déprimé ou immergé (dans l’eau) / émergé (hors de l’eau) / flottant (une partie dans l’eau) ».
* A votre avis quels sont les cas (1,2,3,4, ou 5) où le corps ne peut jamais se renverser (équilibre stable) ? Pourquoi ?
b.5) Récapitulatif
Poussée d’Archimède : force exercée par ………………………… sur ……………………
Point d’application : le centre
de poussée
/ de gravité
Sens :
vers le bas
/
vers le haut
/
du solide. Direction : la verticale
/
l’horizontale /
la diagonale.
ça dépend.
Intensité (Norme du vecteur) : poids du fluide déplacé
avec A : poussée d’Archimède en …….. , fluide = masse volumique du fluide en …………..
A = 
Vcorps immergé = volume de la partie immergée (sous l’eau) du solide en …………..
et g : intensité de la pesanteur g = 9,8 N / kg
5.
FLOTTAISON D’UN OBJET DANS UN FLUIDE
a) Equilibre de flottaison
* Système {……………………….}
* Forces appliquées : ………………………………
Liquide déplacé
* Représenter les forces.
* Ecrire la condition d’équilibre du bateau :
……………………………………………………………
G
C
G = centre de gravité et C = centre de poussée
Conclusion :
pour tout objet qui flotte : …………………………..
* Système {sphère homogène}
b) Corps totalement immergés
Fluide
déplacé
G
eau
* Forces appliquées : ………………………………
* Représenter les forces.
* Que se passe-t-il :
C
Si A = P : l’objet reste ………………………………… dans le fluide.
fluide
Si A < P : l’objet …………………………………… Il coule.
Si A > P : l’objet …………………………………… Il flotte.
G = C dans ce cas là.
6
c)
Cas des corps homogènes
* Exprimer la valeur du poids P du corps en fonction de corps, Vcorps et g :
* Exprimer la valeur de la poussée d’Archimède A du corps en fonction de fluide, Vcorps et g :
* Ecrire la condition d’équilibre du corps :
Conclusion :
Un corps homogène est en équilibre dans un fluide si …………………………………….
Rem : Pour les fluides de référence comme l’eau et l’air, fluide = ref donc la condition d’équilibre s’écrit :
corps / fluide = corps / ref = dcorps = ……………
* Que se passe-t-il :
Si dcorps > 1 :
Si dcorps < 1 :
Conclusion :
Tout corps homogène moins dense que l’eau (air) ……………………… dans l’eau (air) et tout corps homogène plus dense
que l’eau (air) ……………………… dans l’eau (air).
d) Cas des corps creux dans l’eau
* Système {pâte à modeler}
(1)
* Forces appliquées : ………………………………
(2)
* Représenter les forces.
eau
*Comparer A et P dans les 2 cas :
(1)
(2)
Expliquer comment une même quantité (masse) de pâte à modeler peut couler (1) ou flotter (2) suivant sa forme pleine (1) ou creuse
(2)
Conclusion :
Un corps creux, même plus ……………………. que l’eau peut ………….………….. suivant l’importance du creux.