Gabriel Soum- Fernando Padilla FLOTTE ou COULE A

Gabriel Soum- Fernando Padilla
FLOTTE ou COULE
Bibliographie
Collection : Construire ses Connaissances en Sciences par l’Expérimentation
 Les Objets Techniques
 La Matière et l’Énergie
 Le Ciel et la Terre
Auteurs : Fernand Padilla, Gabriel Soum, Valérie Frède, Claude Butto
Editeur :
Cépaduès
Gabriel Soum- Fernando Padilla
PLAN
FLOTTE ou COULE
A- NOTIONS FONDAMENTALES
1- Définitions. Hypothèses. Expérimentation
 Définitions
 Hypothèses : facteurs qui interviennent dans le fait de flotter ou couler
 Expérimentation
2- Observer plus précisément et conclure
 Observer tous les objets qui flottent et conclure
 Observer tous les objets qui coulent et conclure
 Distinguer l’objet de sa matière (ou substance)
3- Quelle grandeur caractérise la matière d’un objet flotte ou
coule ?
 Recherche d’une grandeur liant la masse au volume de l’objet ?
 C’est la masse volumique de la matière
 C’est aussi la densité d’un corps par rapport à l’eau
Gabriel Soum- Fernando Padilla
4- Peut-on faire couler ce qui flotte et flotter ce qui coule ?
 Faire couler ce qui flotte
 Faire flotter ce qui coule
5- Rôle de l'eau : Poussée d’Archimède
 Observation de la poussée exercée par l’eau sur les corps qui flottent
 Observation de la poussée exercée par l’eau sur les corps qui coulent
 Estimation de la Poussée d’Archimède avec une bouteille
 La quantité d’eau a-t-elle une influence ?
B- ALLER PLUS LOIN
1- Détermination de la masse volumique et de la densité du verre
 Masse d’un cube de verre
 Volume d’un cube de verre
 Masse volumique et Densité du verre par rapport à l’eau
2- Autre détermination de la densité du verre
3- Vérification expérimentale du Théorème d’Archimède
4- Stabilité de l’équilibre des corps flottants
5- Questions diverses
Gabriel Soum- Fernando Padilla
FLOTTE ou COULE
A- NOTIONS FONDAMENTALES
1- Définitions. Hypothèses. Expérimentation
 Définitions
o Quand un objet coule, il descend au fond du récipient.
o Quand un objet flotte, il reste entièrement ou en partie dans l'eau.
 Hypothèses : facteurs qui interviennent dans le fait qu’un objet flotte ou coule
- la masse ?
- le volume ?
- la matière ?
- la surface ?
 Expérimentation
o Prendre
en
vrac
plusieurs
objets
de
matières
homogènes
différentes, telles que bois, métal, liège, cuir, mousse.
Attention : ces objets ne doivent pas comporter des parties concaves comme
une cuillère, un verre à boire ou un bol !
 Parallélépipèdes :
o Pavé :
en bois
o Règles :
en bois, en aluminium ;
o Plaques :
en liège, en cuir, en pâte à modeler ;
 Cubes :
en bois, en fer, en verre, en mousse ;
 Boules :
en verre : boulard, bille ; en mousse ; en pâte à modeler ;
 Autres :
en fer : clous ; en liège : bouchons.
o Coule ou Flotte ?

Noter dans le Tableau Annexe par une croix au crayon,
avant toute expérience, les objets qui d’après vous vont flotter
ou couler d’après leurs caractéristiques.

Vérifier vos hypothèses en plongeant les objets dans une
bassine pleine d'eau et corriger le cas échéant.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
Tableau Annexe à remplir
Masse
(g)
Volume
(cm3)
Bois
57
65
Règle
Bois
5,0
5,7
Règle
Aluminium
8,0
3,0
Plaque
Liège
5
23
Plaque
Cuir
5
6
Plaque
Pâte à modeler
22
13
Petit cube
Bois
13
15
Gros cube
Fer
210
27
Petit cube
Fer
117
15
Cube
Verre
70
27
Cube
Mousse
3
15
Boulard
Verre
87
33
Bille
Verre
5,0
1,9
Boule
Mousse
1,5
7,5
Boule
Pâte à modeler
47
34
Clou
Fer
25
3,2
Bouchon
Liège
38
154
Forme
Objet
Parallélépipède
Gros pavé
Cube
Boule
Cylindre
Matière
Flotte
Coule
Gabriel Soum- Fernando Padilla
2- Observer plus précisément et conclure
 Reprendre tous les objets qui flottent
Se rendre compte que :
Un petit cube en bois, de petit volume et petite masse, flotte.
Un gros pavé en bois, de grand volume et grande masse, flotte lui aussi.
Conclure.
Quand un objet flotte, c’est dû à sa matière et non à sa masse ou son
volume.
Ainsi, tous les objets en bois, liège, mousse et cuir flottent toujours.

Reprendre tous les objets qui coulent
Se rendre compte que :
Un gros cube en fer, de grand volume et grande masse, coule.
Un petit clou en fer, de petit volume et petite masse, coule aussi.
Conclure.
Quand un objet coule, c’est dû à sa matière et non à sa masse ou son volume.
Ainsi, tous les objets en métal, verre, pâte à modeler coulent toujours (quand
ils ne sont pas concaves).
 Il faut bien distinguer l’objet de sa matière (ou substance)
On vient de voir que la masse ou le volume n’interviennent pas seuls dans
le fait qu’un objet coule ou flotte.
On peut donc chercher à introduire une grandeur qui caractériserait la
matière en faisant intervenir simultanément la masse et le volume.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
3- Quelle grandeur caractérise la matière d’un objet qui
flotte ou coule ?
 Recherche d’une grandeur liant la masse au volume de l’objet
Compléter les tableaux suivants pour le fer et pour le bois.
Fer
Gros cube
Petit cube
Masse M (g)
210
117
Volume V (cm3)
27
15
Gros pavé
Petit cube
Masse M (g)
57
13
Volume V (cm3)
65
15
Rapport M/V (g/cm3)
Bois
Rapport M/V (g/cm3)
Gabriel Soum- Fernando Padilla
 C’est la masse volumique de la matière
Le rapport masse/volume est toujours le même pour une matière donnée.
La grandeur qui caractérise la matière d’un objet est le rapport de sa masse à
son volume, appelé masse volumique.
Elle est numériquement égale à la masse de l’unité de volume.
Elle s’exprime avec une unité.
Masse Volumique (kg.m-3) = Masse (kg) / Volume (m3)
Masse Volumique (g.cm-3) = Masse (g) / Volume (cm3)
 Exemples de quelques masses volumiques
 eau :
1 000 kg.m-3
= 1 kg.dm-3 =
1 g.cm-3
 liège :
230 kg.m-3
ou
0,23 g.cm-3
 cuir :
800 kg.m-3
ou
0,80 g.cm-3
 bois :
900 kg.m-3
ou
0,9 g.cm-3
 pâte à modeler : 1 400 kg.m-3
ou
1,4 g.cm-3
 verre :
2 600 kg.m-3
ou
2,6 g.cm-3
 du fer :
7 800 kg.m-3
ou
7,8 g.cm-3
 Rappel
1 m3 = 1000 dm3
et que
1 dm3 = 1000 cm3
Un volume de 1 dm3 correspond à une capacité de 1 L
Un litre d’eau a un volume de 1 dm3 et une masse de 1 kg
Gabriel Soum- Fernando Padilla
 C’est aussi la densité de la matière par rapport à l’eau
On notera la valeur remarquable de la masse volumique de l’eau, d’où
l’idée de comparer facilement la masse volumique d’une matière à celle
de l’eau. On introduit alors leur rapport appelé densité par rapport à
l’eau.
La densité d'une matière par rapport à l’eau est égale au rapport de sa masse
volumique à la masse volumique de l'eau. Elle s’exprime donc sans unité.
Densité par rapport à l’eau =
Masse volumique du corps (kg/m3) / Masse volumique de l’eau (kg/m3)
Exemples de quelques densités
 de l’eau :
1,0
 liège :
0,23
• pâte à modeler :
1,4
 cuir :
0,8
• verre :
2,6
 du bois :
0,9
• fer :
7,8
Compléter le tableau Annexe par ces données de densité à
l’emplacement des croix.
Les corps qui coulent sont faits d’une matière de densité supérieure à 1.
Les corps qui flottent sont faits d’une matière de densité inférieure à 1.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
4- Peut-on faire couler ce qui flotte et flotter ce qui coule ?
 Faire couler ce qui flotte
Il suffit d'alourdir l’objet qui flotte avec une matière plus dense.
Application : Construire un sous-marin.
 Faire flotter ce qui coule
Il suffit d'alléger l’objet qui coule avec une matière moins dense comme l’air.
Application : Prendre un morceau de pâte à modeler : il coule.
Le transformer en un récipient de même masse : il flotte !
Conclure.
On peut faire flotter des objets qui coulent en modifiant leur forme.
La forme est donc aussi importante que la densité du matériau.
Ceci justifie la restriction faite au départ de choisir des objets non concaves.
Donner une explication de ce résultat qui est le principe de
flottaison des coques en fer des bateaux en indiquant le rôle de l’air.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
5- Rôle de l'eau : Poussée d’Archimède
 Observation de la poussée exercée par l’eau sur les corps qui flottent
Enfoncer à la main un objet flottant et le lâcher.
Conclure :
Tous les corps qui flottent subissent une poussée verticale vers le haut, appelée
Poussée d’Archimède.

Observation de la poussée exercée par l’eau sur les corps qui coulent
Réaliser l’équilibre d’un cube en verre avec des billes grâce à une
balance à plateaux suspendus ;
Immerger le cube en verre dans l’eau d’un récipient en verre, sans
qu’il touche les parois ;
Que se passe-t-il ?
Poussée de l’eau sur
le Cube de verre
La main tient le récipient
La balance est déséquilibrée : elle penche du côté opposé au cube.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
Conclure.
Tous les corps qui sont immergés dans l’eau reçoivent aussi de la part de
l’eau une poussée verticale vers le haut, appelée Poussée d’Archimède.
Lorsque la poussée d’Archimède est :
- inférieure au poids de l’objet, celui-ci coule ;
- égale au poids de l’objet, celui-ci flotte entre deux eaux ;
- supérieure au poids de l’objet, celui-ci flotte.
 Estimation de la Poussée d’Archimède
Prendre une bouteille en plastique de 1 litre et la remplir d'eau
petit à petit.
Observer son enfoncement progressif, et sa position juste sous le
niveau de l'eau quand elle est quasiment pleine d'eau.
Conclure :
La poussée de l’eau sur la bouteille dans ce dernier cas est pratiquement
égale au poids de l’eau contenue dans la bouteille, et donc au poids de
l’eau qu’elle déplace.
Théorème d'Archimède :
Tout corps plongé dans un liquide reçoit de sa part une poussée verticale,
dirigée vers le haut, égale au poids du liquide déplacé.
 La quantité d’eau a-t-elle une influence ?
Modifier la quantité d'eau dans la bassine et observer si elle a
une influence sur les objets qui flottent ou coulent.
La quantité d’eau n’a pas d'influence sur les objets qui flottent ou coulent.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
B- ALLER PLUS LOIN
1- Détermination de la masse volumique et de la densité du verre
 Masse d’un cube de verre
Déterminer la masse du cube à l’aide d’une balance numérique.
Pour le cube de verre, la masse est 65 g.
N.B. : Si l’objet à peser est trop léger, la faible sensibilité de la balance ne
permet pas d’apprécier sa masse. On utilise alors une balance à plateaux
suspendus beaucoup plus sensible (Cf. « Les Objets Techniques »).
 Volume d’un cube de verre
o Par le calcul
Lorsque l’objet a la forme d’un cube, on peut déterminer son
volume par le calcul :
Pour le cube de verre de 3 cm d’arête, le volume est : 3 x 3 x 3 = 27 cm3.
o À l’aide d’une éprouvette graduée en cm 3
Si celle-ci est suffisamment grande pour contenir le cube, on
mesure l’augmentation du volume d’eau qui se produit dans
l’éprouvette graduée lorsqu’on y introduit le cube.
N.B. : Dans le cas contraire, on peut utiliser un vase à déversement
pour recueillir l’eau déplacée quand on introduit le cube. On
mesure le volume de cette eau grâce à l’éprouvette graduée.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
o À l’aide d’un fond de bouteille en plastique et de 2 pesées
On verse une quantité suffisante d’eau.
On pèse l’ensemble.
On introduit le cube dans l’eau.
On repère le niveau atteint par l’eau avec un trait au feutre
noir.
On sort le cube et on verse de l’eau jusqu’au repère.
On pèse à nouveau l’ensemble.
Par différence entre les deux masses, on obtient la masse en g
de l’eau déplacée par le cube.
Comme 1 g d’eau occupe un volume de 1 cm3, on en déduit son
volume en cm3.

Masse volumique et Densité du verre
Déduire des résultats précédents la masse volumique et la densité
du verre.
La masse volumique du verre est égale à 65 / 25 = 2,6 g.cm-3.
La masse volumique de l’eau est 1 g.cm-3.
La densité du verre par rapport à l’eau est donc 2,6.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
2- Autre détermination de la densité du verre
 Nouvelle définition de la densité
On a défini la densité en comparant la masse de l’unité de volume de
l’objet à la masse de l’unité de volume de l’eau (1 g.cm-3).
On peut aussi comparer la masse d’un volume V de l’objet à la masse
du même volume d’eau.
La densité d’un corps par rapport à l’eau est aussi égale au rapport de sa
masse à la masse du même volume d’eau :
Densité par rapport à l’eau =
Masse du corps (kg) / Masse du même volume d’eau (kg)
 Masse du cube de verre
Le cube en verre est équilibré par 13 billes en verre de 5 g chacune.
La masse du cube en verre est donc 13 x 5 = 65 g.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
 Masse du même volume d’eau
Eau recueillie
Le volume du cube est égal au volume de l’eau déplacée par celui-ci
quand on le plonge dans un vase à déversement.
L’eau recueillie est équilibrée par 5 billes.
La masse de l’eau déplacée par le cube est donc de 5 x 5 = 25 g.
 Densité du verre par rapport à l’eau
La densité du verre par rapport à l’eau est donc égale à 65/25, soit 2,6.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
3- Vérification expérimentale du Théorème d’Archimède
 Déséquilibre par la poussée d’Archimède
On a vu dans la partie A- 5 le rôle de l’eau lorsqu’on plonge le cube en verre
dans l’eau sans toucher les parois du récipient : la balance est déséquilibrée par la
Poussée d’Archimède exercée par l’eau sur le cube.
 Rétablissement de l’équilibre avec le poids de l’eau déplacée
Eau déplacée par
le Cube de verre
L’équilibre de la balance est rétabli quand on compense la Poussée
d’Archimède par le Poids de l’eau déplacée.
Gabriel Soum- Fernando Padilla
4- Stabilité de l’équilibre des corps flottants

Faire l’expérience avec un cube en mousse où l'on pique, soit sur
sa face supérieure, soit sur sa face inférieure de grosses punaises.

Faire l’expérience avec deux piluliers :
.l'un dont le bas est occupé par des billes et le haut par du coton,
.l'autre le bas est occupé par du coton et le haut par des billes ;

En déduire à quoi est due la stabilité des bateaux.
5- Questions diverses
 Le corps humain peut-il flotter ?
 Quand doit-on tenir compte de la poussée d’Archimède de l’air ?
 Peut-on faire flotter une épingle en acier ?
Gabriel Soum- Fernando Padilla
Tableau Annexe rempli
Objet
Matière
Masse (g)
Volume (cm3)
Flotte
Gros pavé
Bois
57
65
X
0,9
Règle
Bois
5,0
5,7
X
0,9
Règle
Aluminium
8,0
3,0
Plaque
Liège
5
23
X
0,2
Plaque
Cuir
5
6
X
0,8
Plaque
Pâte à modeler
22
13
Petit cube
Bois
13
15
Gros cube
Fer
210
Petit cube
Fer
Cube
Coule
X
2,7
X
1,7
27
X
7,8
117
15
X
7,8
Verre
70
27
X
2,6
Cube
Mousse
3
15
Boulard
Verre
87
33
X
2,6
Bille
Verre
5,0
1,9
X
2,6
Boule
Mousse
1,5
7,5
Boule
Pâte à modeler
47
34
X
1,4
Clou
Fer
25
3,2
X
7,8
Gros bouchon
Liège
38
154
X
X
X
X
0,9
0,2
0,2
0,2