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Juin 2005 - Spirale Numéro 15
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Trois mises en évidence en Sciences Physiques
Niveau et objectifs. Nous proposons ici trois mises en évidence portant sur la viscosité, la vaporisation
et la pile électrochimique. L’objectif est de mettre en valeur un phénomène physique nouveau pour l’élève
pour l’expliquer ensuite en cours. Les mises en évidence proposées peuvent être utilisées pour illustrer
un cours en baccalauréat professionnel (unité spécifique M5 pour la viscosité, T1 pour le changement
d’état et C2 pour la pile). La démonstration sur la pile est aussi utile en BEP (Métiers du bâtiment, de
l’électricité, etc.).
Pré-requis :
Démonstration sur la viscosité : poussée d’Archimède dans un liquide, poids, mouvement rectiligne
uniforme, système soumis à deux forces.
Démonstration sur la vaporisation : pression d’un fluide et température, changement d’état.
Pile électrochimique : électron, ion, demi-équation d’un couple redox et équation-bilan d’une réaction
d’oxydoréduction, classification électrochimique.
Matériel et prix : cloche à vide 70 € ; ampoules 90 mA-1,5 V : 8,6 € le lot de 25.
Bibliographie : le professeur pourra se plonger dans la thermodynamique et la mécanique des fluides en
consultant "Toute la Thermodynamique, la Mécanique des fluides et les ondes mécaniques" – Classes
préparatoires – Bocquet, Faroux, Renault aux éditions Dunod.
Quelques conseils pour la mise en place des ces expériences
Viscosité : une perle en bois dont l’ouverture est comblée par un cylindre métallique (par exemple un
morceau de clou) chute assez lentement dans l’eau salée ou dans l’huile contenue dans une éprouvette de
100 mL (voire 500 mL) si l’on choisit judicieusement le diamètre de la perle et le clou. Pour la bille,
système composé de la perle et du cylindre, nous avons choisi un diamètre de 1,38 cm (mesuré au pied à
coulisse) et une masse de 1,60 gramme. Il faut veiller à lâcher la bille lorsqu’elle est immergée et
immobile. Le diamètre de l’éprouvette doit être suffisamment grand devant celui de la bille. Nous avons
utilisé de l’huile de tournesol assez âgée.
Vaporisation : il faut un thermomètre assez petit pour entrer dans la cloche à vide, il faut ensuite
pouvoir lire la pression de l’air dans la cloche : si la cloche ne possède pas de manomètre incorporé on
peut en placer un à l’intérieur. Il faut veiller à déposer l’eau dans la cloche lorsque sa température vaut
85 °C car à température plus élevée, la vapeur qui se dégage dans la cloche et se dépose sur les parois,
empêche toute lecture de la température de l’eau lorsque l’on fait le vide. On observe l’ébullition lorsque
la pression a été environ divisée par deux et que la température vaut 70 °C.
Pile électrochimique : pour l’électrode en magnésium on pourra utiliser un taille-crayon métallique
monobloc à un ou deux trous sans réservoir disponible dans le commerce (enlever la lame). Il est
important de choisir une ampoule très sensible 1,5 V – 90 mA disponible dans des catalogues reçus au
lycée. Pour le reste utiliser une électrode en graphite pour électrolyse et une solution d’acide sulfurique
à 1 mol/L. L’ampoule brille assez bien mais un court instant : la pile se polarise. Il faut donc mieux
procéder dans une salle sombre et plonger et ressortir l’électrode en magnésium rapidement et plusieurs
fois. Pour remédier à ce problème et donc augmenter l’efficacité de la pile, il faut empêcher la réaction
chimique de polarisation et ajouter une substance oxydante. On verse goutte à goutte près de
l’électrode de carbone, un peu d’eau oxygénée
dépolarisant, placé au voisinage de la cathode, est souvent le bioxyde de manganèse MnO2 (la réaction
chimique ne produit pas de dihydrogène : MnO2 + 4H+ + 2e- -----> Mn 2+ + 2 H2O). Un autre dépolarisant
fréquemment utilisé est l’oxyde mercurique HgO (polluant et toxique).

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Difficultés théoriques :
Viscosité : les difficultés tiennent au fait que les notions ne se comprennent entièrement qu’après le
baccalauréat. Le professeur pourra garder en mémoire certains passages du cours de mécanique des
fluides (voir ouvrage conseillé) dont voici les plus importants :
La force de viscosité n’apparaît que s’il y a mouvement. C’est la résistance qu’offre un fluide à son
écoulement : les forces de viscosité correspondent à des forces de frottement. Si on adopte le point de
vue Eulérien en observant un fluide incompressible en un point fixe d’un référentiel d’étude il existe une
densité volumique de forces de viscosité notée
f
. Si
v
est la vitesse de la particule (macroscopique)
fluide modélisant le fluide incompressible et située en ce point, on a
vf 
. Donnons une
interprétation microscopique de ces forces dans le cas d’un écoulement parallèle. Dans un tel écoulement
la direction de la vitesse est la même en tout point et le frottement entre une couche fluide et celle du
dessus correspond à un transfert de quantité de mouvement par l’intermédiaire de l’agitation
moléculaire. La couche la plus rapide tend à augmenter la vitesse de la plus lente, et inversement la plus
lente à ralentir la plus rapide. L’échange de molécules entre les couches tend à égaliser leurs vitesses.
Pour aller plus loin : la viscosité d’un liquide est une fonction décroissante de la température (penser à
l’huile chauffée dans une poêle qui s’écoule plus facilement) et celle d’un gaz une fonction croissante de
la température. Les verres sont des matériaux obtenus par refroidissement d’un liquide, sans
discontinuité telle que celle résultant de la cristallisation et qui deviennent rigides par augmentation
notable de leur viscosité. Un bon critère pour différencier l’état solide des autres états est le fait que
la distance entre ses constituants microscopiques reste constante avec le temps. On sait que le verre
des vitraux de cathédrales est un peu plus épais en bas qu’en haut car il subit une déformation lente sous
l’effet de son propre poids : le verre est donc soit un solide soit un liquide selon l’échelle de temps
considérée.
Chute d’une bille dans un liquide : la force de frottement visqueux d’intensité F dépend du régime
d’écoulement du fluide autour de la bille et F = Cd πR2 v2/2 (R rayon de la bille). Lorsque la vitesse v de
la bille est constante on a (mb – mf)g = F où mf est la masse de fluide déplacée par la bille et mb celle de la
bille.
Lorsque le nombre de Reynolds Re est petit, l’écoulement est laminaire et Cd = Re/24 : on obtient la loi de
Stockes. En bonne approximation on peut appliquer cette relation lorsque Re est inférieur à 1,5 (Re =
ρvD/η ). Loi de stockes : 6πη Rv = (mb -mf)g. Dans le cas de l’huile qui possède une forte viscosité et où la
chute est lente on se situe aisément dans ce cas de figure.
Lorsque 1000  Re  200 000, l’écoulement est turbulent, Cd est de l’ordre de 0,4 et F ne dépend plus de
la viscosité du fluide. C’est le cas ici lorsque la bille chute dans l’eau et que sa vitesse est constante.
Données de cours :
Corps pur
masse volumique en
kg/m3
viscosité dynamique η
en N.s/m2 à 20 °C
viscosité cinématique ν
en m2/s
Fioul lourd
960
1,460
1520.10-6
Glycérine
1260
1,071
850.10-6
Huile lubrification
920
0,092
100.10-6
Eau
1000
0,001
1,01.10-6
Réactions des élèves
Les élèves apprécient les mises en évidence car elles permettent une interruption momentanée du travail
écrit du cours. Elles lui permettent de se poser des questions et de voir apparaître concrètement un
phénomène nouveau.

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Viscosité d’un fluide
Tout corps plongé dans un liquide reçoit de la part de ce
liquide une poussée verticale de bas en haut égale au poids du
volume de liquide déplacé (c'est la poussée d'Archimède). Une
perle en bois dont l’ouverture est comblée par un cylindre
métallique (par exemple un morceau de clou) est initialement
maintenue immobile et immergée sous la surface d’un liquide
contenu dans une éprouvette de 100 mL (le diamètre de
l’éprouvette doit être suffisamment grand par rapport à celui
de la bille, voir schéma ci-contre). La bille est lâchée : elle
chute si l’éprouvette est remplie d’eau salée. De même dans
une seconde éprouvette remplie d’eau et enfin dans la
troisième remplie d’huile de table. On chronomètre le temps
mis par la bille pour toucher le fond de l’éprouvette :
je note la hauteur de chute h = ……….. et la température de
la salle  = ….
Observations : compléter le tableau ci-dessous.
Liquide
eau salée
eau
huile
temps de chute t
comparer la masse
volumique des liquides
à celle de l’eau.
masse volumique plus ………
que celle de l’eau.
1 g/cm3
masse volumique plus ………
que celle de l’eau.
comparer les poussées
d’Archimède à celle
existant dans l’eau.
poussée d’Archimède plus
……… que celle existant
dans l’eau.
poussée d’Archimède plus
……… que celle existant
dans l’eau.
En admettant que le temps de chute de la bille soumise à ces deux forces est d’autant plus grand que la poussée
d’Archimède est grande peut-on expliquer les résultats observés ?
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Conclusion : compléter le texte suivant.
D'autres forces s'exercent sur la bille et ralentissent davantage sa chute dans l'huile que dans l'eau.
Nous venons en effet de montrer qu’une bille tombe plus ………………….. dans l’huile que dans l’eau, l’huile
étant pourtant moins ……….. que l’eau (elle "flotte" sur l’eau).
Cours : ces forces sont appelées forces de viscosité. Il existe des frottements entre particules de
fluide en mouvement (résistance qu’oppose un fluide à tout glissement de ses particules les unes par
rapport aux autres). Plus la résistance au mouvement est grande plus le liquide est visqueux. Dans un
fluide réel en mouvement des frottements existent donc dans le fluide mais aussi contre tout objet en
déplacement relatif par rapport au fluide : les parois d’un conduit, une bille, etc.
On peut faire une mesure de la viscosité grâce au viscosimètre. Une poise = 0,1 Pl.
Eprouvette Eprouvette
au temps t =0 au temps t
Chaque fluide est ainsi caractérisé par un coefficient de viscosité
dynamique , qui se mesure en poiseuille (Pl) ou encore en Pascal.seconde
( Pa.s ou N.s/m2.). Un fluide parfait a une viscosité nulle. Le fluide
s’écoulera donc plus difficilement si sa viscosité
est grande.

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Changement d’état d’un fluide
Chauffer de l’eau dans un bécher de 500 mL jusqu'à ébullition. Interrompre le chauffage et placer un thermomètre
dans le bécher. Placer l’ensemble dans la cloche à vide lorsque la température de l’eau vaut 85 °C (le thermomètre
doit être assez petit).
Qu’observe-t-on lorsqu’on enlève suffisamment d’air ?
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………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………….…..
Quel paramètre d’état influence la température de
vaporisation de l’eau ?
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Pile électrochimique
La pile ci-contre est comparable dans son principe à celui d’une pile Leclanché.
Quel est le pôle négatif de la pile ?
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Ecrire la réaction électrochimique qui s’y produit :
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Quel est le pôle positif de la pile ?
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Ecrire la réaction électrochimique se produisant à ce pôle :
……………………………………………………………………………………..……………………
………………………………………………………………………..…………………………………
Ecrire l’équation bilan de la réaction d’oxydoréduction :
……………………………………………………………………………………………….…………
……………………………………………………………………………………………………..…
Remarque : la pile Leclanché inventée en 1866 n’utilise pas une anode en magnésium mais en zinc. Les bulles de
dihydrogène forment très rapidement une gaine autour de l’électrode en graphite : la pile est polarisée. Dans les
piles du commerce, on introduit un dépolarisant qui s’oppose à la formation d’une gaine gazeuse.
TROADEC Gaël - LP philibert de l’Orme - LUCE.
Cloche à vide
Electrode en
graphite
Electrode en
magnésium
H2SO4 (aq)
1 mol/L