Physique-Chimie1ère

Mise en évidence expérimentale
Exercices corrigés

Maîtrisez la mise en évidence expérimentale : expériences de Torricelli, Pascal, Archimède, tubes en U, pressiomètres, applications pratiques grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(P = \rho gh\)
Loi de la statique des fluides
Torricelli
\(P_{atm} = \rho_{Hg}gh_{Hg}\)
Baromètre de mercure
Pascal
\(\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}\)
Transfert de pression
Archimède
\(\vec{F}_A = -\rho V \vec{g}\)
Poussée sur un objet immergé
🔬
Expérience de Torricelli : Mesure de la pression atmosphérique avec un baromètre à mercure
⚖️
Loi de Pascal : Transmission de la pression dans un fluide incompressible
🌊
Poussée d'Archimède : Force exercée par un fluide sur un objet immergé
Exercice 1
Expliquer comment reproduire l'expérience de Torricelli pour mesurer la pression atmosphérique.
Exercice 2
Comment démontrer la loi de Pascal à l'aide d'une presse hydraulique ?
Exercice 3
Comment mesurer la poussée d'Archimède exercée sur un objet immergé ?
Exercice 4
Représenter l'évolution de la pression en fonction de la profondeur dans un tube en U.
Exercice 5
Comment utiliser un tube en U pour comparer la densité de deux liquides ?
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Expérience de Torricelli
Définition :

Expérience de Torricelli : Expérience historique permettant de mesurer la pression atmosphérique en utilisant une colonne de mercure dans un tube fermé.

Méthode de réalisation :
  1. Remplir complètement un tube de verre de mercure
  2. Boucher l'extrémité du tube et le retourner
  3. Immerger l'extrémité ouverte dans un récipient contenant également du mercure
  4. Observer la hauteur de la colonne de mercure dans le tube
Données
ρ_Hg = 13600 kg/m³, h = 0.76 m
Formule
P_atm = ρgh
Résultat
P_atm ≈ 101325 Pa
Étape 1 : Matériel nécessaire

Tube de verre d'environ 1 m de long, mercure, récipient large, bouchon temporaire.

Étape 2 : Remplissage du tube

Remplir complètement le tube de mercure pour éviter toute bulle d'air.

Étape 3 : Inversion du tube

Boucher l'extrémité du tube avec le doigt ou un bouchon, le retourner rapidement.

Étape 4 : Immersion dans le mercure

Plonger l'extrémité ouverte dans un récipient de mercure, puis retirer le bouchon.

Étape 5 : Observation

La colonne de mercure descend et se stabilise à environ 760 mm (0.76 m).

Étape 6 : Calcul de la pression

\(P_{atm} = \rho_{Hg} \cdot g \cdot h = 13600 \times 9.81 \times 0.76 = 101295.36\) Pa ≈ 101.3 kPa

\(P_{atm} \approx 101.3\) kPa
Réponse finale :

L'expérience de Torricelli permet de mesurer la pression atmosphérique à environ 101.3 kPa.

Règles appliquées :

• Équilibre : La pression atmosphérique équilibre la pression exercée par la colonne de mercure

• Hauteur standard : 760 mm de mercure correspond à 1 atm

• Matériau : Le mercure est choisi pour sa grande densité

2 Démonstration de la loi de Pascal
Définition :

Loi de Pascal : La pression exercée en un point d'un fluide incompressible est transmise intégralement à tous les points du fluide.

Principe
P₁ = P₂
Formule
F₁/S₁ = F₂/S₂
Expérience
Presse hydraulique
Étape 1 : Matériel nécessaire

Deux cylindres de sections différentes reliés par un tuyau, piston mobile, fluide incompressible.

Étape 2 : Principe de la presse hydraulique

Appliquer une force F₁ sur le petit piston de section S₁.

Étape 3 : Transmission de la pression

La pression P₁ = F₁/S₁ est transmise intégralement dans le fluide.

Étape 4 : Force sur le grand piston

Sur le grand piston de section S₂, la force est F₂ = P₁ × S₂ = (F₁/S₁) × S₂

Étape 5 : Avantage mécanique

Si S₂ > S₁, alors F₂ > F₁. Le rapport des forces égale le rapport des surfaces.

Étape 6 : Application pratique

Freins hydrauliques, ponts élévateurs, presse hydraulique.

\(\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}\)
Réponse finale :

La loi de Pascal est démontrée par la transmission de la pression dans un fluide incompressible, permettant d'obtenir un avantage mécanique.

Règles appliquées :

• Transmission : La pression est transmise intégralement dans le fluide

• Avantage mécanique : Le rapport des forces égale le rapport des surfaces

• Conservation : Le volume de fluide déplacé est conservé

3 Mesure de la poussée d'Archimède
Définition :

Poussée d'Archimède : Tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée vers le haut, égale au poids du fluide déplacé.

Formule
F_A = ρgV
Mesure
Poids dans l'air - Poids dans le fluide
Expérience
Dynamomètre
Étape 1 : Matériel nécessaire

Objet solide, dynamomètre, récipient avec fluide (eau), fil solide.

Étape 2 : Mesure du poids dans l'air

Suspendre l'objet au dynamomètre et noter la valeur : P_air = mg.

Étape 3 : Immerger l'objet

Plonger complètement l'objet dans le fluide tout en le maintenant suspendu.

Étape 4 : Mesure du poids apparent

Lire la nouvelle valeur sur le dynamomètre : P_apparent.

Étape 5 : Calcul de la poussée

\(F_A = P_{air} - P_{apparent}\)

Étape 6 : Vérification du principe

La poussée d'Archimède doit être égale à : \(\rho_{fluide} \cdot V_{objet} \cdot g\)

Étape 7 : Calcul du volume

\(V_{objet} = \frac{F_A}{\rho_{fluide} \cdot g}\)

\(F_A = P_{air} - P_{apparent}\)
Réponse finale :

La poussée d'Archimède est mesurée comme la différence entre le poids dans l'air et le poids apparent dans le fluide.

Règles appliquées :

• Direction : La poussée est toujours verticale et vers le haut

• Point d'application : Centre de gravité du volume de fluide déplacé

• Indépendance : La poussée ne dépend pas de la profondeur de l'objet

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Tube en U et pression
Définition :

Tube en U : Dispositif permettant de visualiser la variation de pression dans un fluide en fonction de la profondeur. La pression est la même aux points situés à la même hauteur.

Formule
P = P₀ + ρgh
Équilibre
P₁ = P₂ aux mêmes hauteurs
Courbe
Linéaire
Étape 1 : Description du dispositif

Un tube en U contient un fluide homogène. Les deux branches sont à la même hauteur.

Étape 2 : Équilibre initial

Au repos, les niveaux dans les deux branches sont identiques.

Étape 3 : Application d'une pression

Appliquer une pression supplémentaire sur une branche fait monter le fluide dans l'autre branche.

Étape 4 : Relation pression-hauteur

\(P = P_0 + \rho g h\), où h est la profondeur par rapport à la surface libre.

Étape 5 : Visualisation graphique

La pression varie linéairement avec la profondeur dans chaque branche.

Étape 6 : Points à la même hauteur

Les points situés à la même hauteur dans les deux branches sont à la même pression.

Relation linéaire P(h) = P₀ + ρgh
Réponse finale :

Le tube en U permet de visualiser que la pression varie linéairement avec la profondeur, et que les points à la même hauteur sont à la même pression.

Règles appliquées :

• Équilibre hydrostatique : Pression égale aux points de même hauteur

• Linéarité : La pression varie linéairement avec la profondeur

• Transmission : La pression est transmise uniformément dans le fluide

5 Comparaison de densités avec tube en U
Définition :

Comparaison de densités : Dans un tube en U contenant deux liquides non miscibles, la hauteur des colonnes est inversement proportionnelle à leur densité.

Données
ρ₁, ρ₂, h₁, h₂
Équilibre
ρ₁h₁ = ρ₂h₂
Rapport
ρ₁/ρ₂ = h₂/h₁
Étape 1 : Préparation du tube

Remplir une branche du tube en U avec un liquide de densité connue ρ₁.

Étape 2 : Ajout du second liquide

Verser lentement le second liquide de densité inconnue ρ₂ dans l'autre branche.

Étape 3 : Observation de l'équilibre

Les deux liquides ne se mélangent pas et atteignent des hauteurs différentes.

Étape 4 : Repérage du point de séparation

Identifier le point où les deux liquides se touchent.

Étape 5 : Mesure des hauteurs

Mesurer h₁ (hauteur du liquide 1 par rapport à la surface de séparation) et h₂ (hauteur du liquide 2).

Étape 6 : Application du principe d'équilibre

La pression est la même aux points situés à la surface de séparation :
\(\rho_1 g h_1 = \rho_2 g h_2\)

Étape 7 : Calcul de la densité inconnue

\(\rho_2 = \rho_1 \times \frac{h_1}{h_2}\)

\(\rho_2 = \rho_1 \times \frac{h_1}{h_2}\)
Réponse finale :

La densité du liquide inconnu est déterminée par le rapport inverse des hauteurs : \(\rho_2 = \rho_1 \times \frac{h_1}{h_2}\).

Règles appliquées :

• Non miscibilité : Les liquides doivent être non miscibles

• Équilibre : Pression égale aux points de même hauteur

• Proportionnalité inverse : Plus le liquide est dense, plus la colonne est courte

Cours bien détaillé
\(P = \rho gh\)
Loi fondamentale de la statique des fluides
🔬
Expérience de Torricelli : Mesure de la pression atmosphérique avec une colonne de mercure de 760 mm.
⚖️
Loi de Pascal : La pression est transmise intégralement dans un fluide incompressible.
🌊
Poussée d'Archimède : Force exercée vers le haut égale au poids du fluide déplacé.
🔍
Tube en U : Permet de comparer les densités de liquides ou de mesurer des différences de pression.
💡
Conseil : Toujours s'assurer que les fluides sont incompressibles pour appliquer la loi de Pascal.
🔍
Attention : La poussée d'Archimède ne dépend que du volume immergé, pas de la forme.
⚡
Astuce : Dans un tube en U, les hauteurs de colonne sont inversement proportionnelles aux densités.
📋
Méthode : Toujours identifier le fluide dans lequel l'objet est immergé pour la poussée d'Archimède.
✅
Vérification : S'assurer que les unités sont cohérentes dans les calculs.
Méthodes expérimentales :
  • Torricelli : Mesure de la pression atmosphérique avec colonne de mercure
  • Pascal : Démonstration avec presse hydraulique ou tube de Pascal
  • Archimède : Mesure avec dynamomètre et immersion dans fluide
  • Tube en U : Comparaison de densités ou mesure de différence de pression
Règles importantes :
  • La pression dans un fluide au repos dépend de la profondeur mais pas de la forme du récipient
  • La pression est la même en tous points situés à la même hauteur dans un fluide au repos
  • La poussée d'Archimède s'exerce toujours verticalement vers le haut
  • La loi de Pascal ne s'applique qu'aux fluides incompressibles
  • Les fluides miscibles ne peuvent pas être utilisés dans un tube en U pour comparer les densités
Mise en évidence expérimentale Statique des fluides