Le matériel pédagogique relatif à la loi d'Archimède comprend des compétences de base et des indicateurs de réussite des compétences, du matériel d'apprentissage, des exemples de questions, des questions d'entraînement et des tests formatifs.
A. Compétences de base
3.1 Appliquer les lois des fluides statiques dans la vie quotidienne
4.1 Concevoir et réaliser des expériences qui utilisent les propriétés des fluides statiques, y compris une présentation des résultats expérimentaux et leur utilisation.
B. Indicateurs d'acquisition des compétences
1. Se souvenir (C1), comprendre (C2), appliquer (C3), analyser (C4) et conclure (C5) sur le concept de flottabilité, la loi d'Archimède et les concepts de flottaison, de stationnaire et de submersion.
2. Résolvez les questions (C4) et corrigez les questions (C6) concernant la poussée d'Archimède et la loi d'Archimède.
3. Réalisez (P2) l'expérience sur la loi d'Archimède
4. Démontrer (P3) et déterminer (P5) la poussée d'Archimède et la loi d'Archimède
LOI D'ARCHIMÈDE
I. INTRODUCTION
Avez-vous déjà été sur un bateau ? Un navire très massif ne coule pas, contrairement à un petit caillou léger. Pourquoi ?
Sais-tu ce que représente l'image de gauche ? Un sous-marin est un navire qui peut flotter à la surface de la mer et plonger sous l'eau. Comment un sous-marin flotte-t-il et plonge-t-il ?
Que voyez-vous sur l'image de droite ? Les montgolfières peuvent voler à haute altitude. Pourquoi les ballons volent-ils et comment fait-on voler une montgolfière ?
Les navires peuvent flotter à la surface de la mer et plonger sous l'eau, tout comme les ballons flottent dans l'atmosphère, c'est-à-dire dans l'air. Pour comprendre cela, il faut d'abord comprendre la loi d'Archimède . Pour comprendre la loi d'Archimède, il faut d'abord comprendre le concept de poussée d'Archimède.
Source de l'image : Google.com
II. FORCE DE POUSSÉE D'ÉQUILIBRE
Qu'est-ce qui paraît plus léger : une pierre soulevée sur la terre ferme ou la même pierre soulevée dans l'eau ? Si vous n'avez jamais fait l'expérience, essayez pour répondre à cette question. Soulever une pierre sur la terre ferme est plus lourd, tandis que la même pierre est plus légère dans l'eau. Cela est dû à la poussée d'Archimède.
Lorsqu'un objet est immergé dans un fluide, une différence de pression apparaît entre le fluide situé au-dessus de l'objet et celui situé en dessous. Le fluide sous l'objet exerce une pression supérieure à celle du fluide situé au-dessus . La poussée d'Archimède est due à cette différence de pression.
Sur l'image, un objet flotte dans un liquide. La pression du liquide situé sous l'objet est supérieure à celle du liquide situé au-dessus, car le liquide sous l'objet est plus profond (h2 > h1).
Description : FA = poussée d'Archimède, ρ = masse volumique du liquide, g = accélération due à la gravité, V = volume de l'objet immergé dans le liquide
Remplacez ρV dans la formule de la force de flottabilité par m dans la formule de la densité :
Description : m = masse, g = accélération gravitationnelle, w = gravité.
D'après l'équation 2, la poussée d'Archimède (FA ) est égale au poids (w) du fluide déplacé. Le volume du fluide déplacé est égal au volume de l'objet immergé dans ce fluide.
III. LA LOI D'ARCHIMÈDE
Lorsqu'un objet est totalement ou partiellement immergé dans un fluide, ce dernier exerce sur lui une force ascendante (poussée d'Archimède), dont l'intensité est égale au poids du fluide déplacé. Le volume de ce fluide déplacé est égal au volume de l'objet immergé.
IV. FLOTTANT, FLOTTANT, COULANT
4.1 FLOTTANT
Un objet flotte à la surface d'un fluide si :
1. La gravité de l'objet est inférieure à la force de poussée d'Archimède (w < F A ), ou
2. La densité de l'objet est inférieure à la densité du fluide ( )
Si la poussée d'Archimède est supérieure à la force de gravité, la force résultante n'est pas nulle ; selon les lois du mouvement de Newton, l'objet se déplacerait vers le haut. Mais en réalité, l'objet est immobile à la surface du liquide. Selon la première loi de Newton, si un objet est immobile…
ΣFy = 0
F A – w – F a = 0
F A = w + F a
F A = force de flottabilité exercée par le liquide sur l'objet, Fa = poussée atmosphérique , w = poids de l'objet.
4.2 FLOTTANT
Un objet flotte à la surface d'un fluide si :
1. La gravité de l'objet est la même que la force de poussée d'Archimède (w = F A ), ou
2. La densité de l'objet est la même que la densité du fluide ( )
Selon la première loi de Newton, si un objet est au repos, alors
Σ F y = 0
F A – w = 0
F A = w
4.3 COULAGE
1. La gravité de l'objet est supérieure à la force de poussée d'Archimède (w > F A ), ou
2. La densité de l'objet est supérieure à la densité du fluide ( )
Selon la première loi de Newton, si un objet est au repos, alors
Σ F y = 0
w – F A – N = 0
w = FA + N
F A = force de flottabilité exercée par le liquide sur l'objet, N = force normale exercée par la base sur l'objet , w = gravité de l'objet.
Pourquoi les navires flottent-ils ?
Après avoir étudié la description ci-dessus, essayez maintenant de répondre à la question : pourquoi un navire, malgré sa masse importante, ne coule-t-il pas alors que du sable léger coule en mer ? Le sable coule car sa densité est supérieure à celle de l’eau de mer. Or, bien que le navire soit composé de fer, matériau dont la densité est également supérieure à celle de l’eau de mer (7874 3 kg/m³ contre 1025 3 kg/m³ pour l’eau de mer ) , son volume est très important. Par conséquent, sa densité, calculée à l’aide de la formule ρ = m/V, est inférieure à celle de l’eau de mer.
Si l'on se base sur les concepts de poussée d'Archimède et de gravité, les navires flottent car la poussée d'Archimède est supérieure à la gravité qui s'exerce sur le navire.
Comment plongent les sous-marins
Pour flotter, la densité d'un sous-marin doit être inférieure à celle de l'eau de mer. Inversement, un sous-marin peut plonger si sa densité est supérieure ou égale à celle de l'eau de mer. Le volume d'un sous-marin étant constant, sa densité peut être modifiée pour qu'il puisse plonger ou flotter, grâce à l'ajout d'eau et d'air dans les ballasts. Pour plonger, on remplit un ballast d'eau ; pour remonter à la surface, on retire l'eau du ballast et on y insère de l'air.
En se basant sur les principes de la poussée d'Archimède et de la gravité, un sous-marin flotte si la force de poussée est supérieure à son poids. Il plonge si son propre poids est supérieur à la force de poussée exercée par l'eau de mer.
Pourquoi et comment les montgolfières peuvent voler
Les ballons s'élèvent dans les airs car ils contiennent un gaz dont la densité est inférieure à celle de l'air ambiant. En revanche, si la densité du gaz à l'intérieur du ballon était identique à celle de l'air ambiant, le ballon retomberait au sol et ne pourrait pas s'élever.
En utilisant le principe de la poussée d'Archimède, une montgolfière s'élève car la force de poussée est supérieure à la gravité. Elle retombe au sol lorsque la gravité de l'air devient supérieure à la poussée d'Archimède exercée par l'air.
V. EXEMPLES DE QUESTIONS
5.1. Le poids de la charge dans l'air est de 5 N, le poids de la charge lorsqu'il est mesuré dans un liquide est de 4 N. Quelle est l'importance de la force de flottabilité ?
Discussion
C'est connu:
Poids de la charge dans l'air (w) = 5 N
Poids de la charge dans l'eau (w F ) = 4 N
Question posée : Force de flottabilité ( FA )
Jawab:
Lorsqu'on mesure le poids d'une charge dans un liquide, une partie de celui-ci est perdue en raison de la poussée d'Archimède. L'intensité de cette poussée d'Archimède correspond à la différence entre le poids de la charge dans l'air et son poids dans le liquide.
F A = 5 – 4 = 1 Newton
5.2. Dans un récipient rempli d'eau, on plonge une pierre de sorte qu'une partie de l'eau déborde. Le volume d'eau déversée est de 0,1 m³ . La masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m³ , et son accélération due à la gravité est de 10 m/s² . Quelle est la poussée d'Archimède exercée par l'eau sur la pierre ?
Discussion
C'est connu:
Volume d'eau déversée (V) = 0,1 m³
Masse volumique de l'eau ( ρ ) = 1000 kg/ m³
Accélération due à la gravité (g) = 10 m/ s²
Question posée : Force de flottabilité ( FA )
Jawab:
F A = ρ g V = (1000)(10)(0,1) = 1000 N
5.3. Lorsqu'un objet est placé dans un récipient rempli d'eau de mer, une partie de l'eau se répand à l'extérieur, jusqu'à un volume de 0,2 m³ . La masse volumique de l'eau de mer est de 1025 kg/m³ . L'accélération de la pesanteur est de 10 m/s² . Calculez le poids de l'eau de mer déplacée/répandue.
Discussion
C'est connu:
Volume (V) = 0,2 m³
La densité de l'eau de mer (ρ) = 1025 kg/m 3.
Accélération due à la gravité (g) = 10 m/ s²
Question : Poids de l’eau de mer déplacée/déversée
Jawab:
La loi d'Archimède stipule que l'intensité de la poussée d'Archimède est égale au poids de l'eau de mer déplacée ou déversée.
F A = ρ g V = (1025)(10)(0,2) = 2050 N
5.4. Un métal pèse 100 N dans l'air et 80 N dans l'eau. Quel est son volume ? Masse volumique de l'eau : 1 000 kg/m³ , accélération de la pesanteur : 10 m/ s².
Discussion
C'est connu:
Poids dans l'air (w) = 100 N
Poids dans l'eau (w f ) = 80 N
Masse volumique de l'eau ( ρ) = 1000 kg/ m³
Accélération due à la gravité (g) = 10 m/ s²
Question posée : Volume de métal
Jawab:
F A = 100 – 80 = 20 N
F A = ρ g V
20 = (1000)(10) V
20 = 10.000 V
5.5. Un objet pesant 20 N est placé dans un liquide. Si la poussée d'Archimède est de 30 N, l'objet coule-t-il, flotte-t-il ou flotte-t-il ?
Discussion
La force de poussée est supérieure au poids de l'objet, F A > w, donc l'objet flotte.
Un objet coule si la force de flottabilité est inférieure au poids de l'objet (F A < w).
VI. EXERCICES ET CORRIGÉS
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VII. QUESTIONS D'ÉVALUATION FORMATIVE
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