Lois et modèles Résolution de problème - Collège

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
Eq =
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 1re S 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
Lois et modèles – Résolution de problème © Hélium 1re S 2015, Editions Hatier

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 
.
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 O
2-
subissent une force électrostatique
L’ion O
2-
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 , la tension électrique U et la distance d entre les armatures
sont donc liés par la relation :
ou '
'
UU
Ed
dE
= =
- Le champ électrique  et la force 
 sont donc liés par la relation :
= ||×
ou
F
Eq
=
ANALYSER
ANA
Exploiter les informations
La distance d’ est liée à la tension U, à la charge q de la particule O
2-
et à la force
par la relation :
 =×||
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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