ENSEIGNER
dimanche 24 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Etude des gaz (Marrakech)
Maroc  -  Première (2ème année)  -  Gaz

Activité 1: Comprimer un gaz à température constante

 
Suivez bien votre professeur qui réalise l’expérience du montage représenté dans la figure 6. Deux tubes reliés entre eux par un long tube en caoutchouc le long d’une règle graduée. Le premier tube, gradué en cm3, se ferme par un robinet et le deuxième tube, non gradué, reste ouvert sur l’air extérieur durant toute l’expérience. Ce dispositif permet d’étudier la variation du volume d’une masse d’air enfermée à l’intérieur du premier tube lorsqu’on fait varier sa pression à température constante.

- On ouvre le robinet et on verse le mercure dans l’un des tubes jusqu’à ce que sa «surface libre» se stabilise au même niveau dans les deux tubes (figure 6-a). Ensuite, on ferme le robinet et on emprisonne ainsi un volume V déterminé d’air dont la pression égale à la pression atmosphérique.

- Lorsqu’on élève le deuxième tube, en gardant le robinet du premier tube fermé, la pression du mercure sur l’air augmente et le volume d’air enfermé baisse ; par conséquent le niveau du mercure monte dans le premier tube.

- l’expérience est répétée plusieurs fois et à chaque fois le volume enfermé est lu puis la différence de hauteur est mesurée et la pression de l’air enfermé est calculée avec la relation : p = p + _µ ;gh

Discutez en dyade avant de donner une réponse commune aux questions suivantes
  1. Remplir le tableau suivant :
    P
           
    V        

  2. Sans faire de calcul, déterminer quelle(s) relation(s) ne peuvent pas convenir parmi celles indiquées ci-dessous, sachant que dans toutes les relations on considère que a est une constante positive :
    P= aV p= aV2 PV=a pV2=a

  3. Interpréter, à l’aide du modèle microscopique, la relation qui lie p et V.

But: Comprimer un gaz à température constante

L’objectif de cette activité est de retrouver empiriquement la relation entre la pression et le volume d’un gaz lors d’une compression à température constante. Les élèves sont amenés aussi à interpréter la relation établie à l’aide au modèle microscopique des gaz, c’est-à-dire expliquer que la variation de la pression suite à la variation du volume est due à l’augmentation ( ou diminution) du nombre de chocs des particules du gaz entre elles et avec les parois.
Cette activité vise donc à ce que les élèves arrivent à :
  • déterminer expérimentalement la relation entre la pression et le volume à température constante;
  • interpréter cette relation à l’aide du modèle microscopiqu

Corrigé: Comprimer un gaz à température constante

En multipliant chaque valeur de la pression par la valeur correspondante du volume, on remarque que les produits p1V1, p2V2, p3V3, p4V4, etc. sont presque égaux, ce qui exprime la loi de Boyle-Mariotte : à température constante, le produit du volume d’une quantité d’un gaz et sa pression reste constante.
On écrit pV = K ; avec K une constante qui ne dépend que de la température.
Interprétation : quand le volume d’un gaz augmente, les particules ont beaucoup plus d’espace à parcourir avant d’entrer en collision entre elles et avec les parois. Par contre, si le volume du gaz diminue, les particules vont prendre moins de temps pour s’entrechoquer; il s’en suit que la pression du gaz subit une augmentation.

Préparation: Comprimer un gaz à température constante

Au départ, les élèves doivent indiquer quelles sont parmi les grandeurs qui décrivent l’état d’un gaz celles qui doivent rester constantes pour mener cette étude ; on considérera que ces conditions sont respectées durant toute la durée de l’expérience.
Le professeur doit choisir les moments opportuns pour intervenir afin d’orienter les élèves vers les bonnes réponses.
Le profeseur attirera l’attention des élèves sur le fait que la constante a dépend de la température et de la quantité de matière du gaz.
Commentaires sur le savoir à enseigner et informations sur le contenu disciplinaire D’après la loi de Boyle-Mariotte, si le volume d’un gaz augmente, la pression diminue et si le volume diminue, la pression augmente. Comment expliquer ce phénomène ? Lorsque le volume est plus grand, les molécules de gaz ont beaucoup plus d’espace à parcourir avant de buter sur les parois. Toutefois, si le volume diminue, les molécules de gaz vont prendre moins de temps à franchir la distance qui les sépare des parois, donc la pression sera plus grande.
la loi de Boyle-Mariotte explique plusieurs phénomènes physiques observables dans la vie de tous les jours ballon de baudruche gonflé est laché, il monte dans le ciel et éclate au bout d’un certain parcours. Son éclatement s’explique par le fait que la pression atmosphérique diminue considérablement en altitude, ce qui provoque l’augmentation progressive du volume du ballon jusqu’à l’éclatement.

Comportement des élèves: Comprimer un gaz à température constante

Les élèves éprouvent de grandes difficultés lors de la recherche de la relation liant la pression et le volume à température constante même si le professeur propose différentes relations liant les deux grandeurs. Dans ce cas il est très difficile d’utiliser la courbe p = f(V) pour déduire la relation liant p et V à température constante.
D’après l’analyse des productions d’élèves qui ont suivi cette unité d’enseignement, on s’attend à ce que les élèves fournissent des réponses qui ressemblent aux suivantes :
  • Chaque fois que le volume diminue, la pression augmente
  • La diminution du volume est équivalente à l’augmentation de la pression
  • La diminution du volume entraîne l’occupation du vide existant et par suite l’augmentation de la pression
  • Les particules sont en mouvement désordonné ; donc, quand le volume diminue, le nombre de chocs avec les parois du récipient augmente, ce qui entraîne l’augmentation de la pression
  • Lorsque le vide entre les molécules diminue, le nombre de chocs entre les molécules augmente et par suite la pression augmente
  • P = ρgh, chaque fois que le volume augmente, la hauteur diminue mg = k donc p = k.h, donc la pression augmente
  • P = patm + ρgh,
    Si h<0, le volume augmente
    Si h >0, le volume diminue
Donc quand le volume augmente, la pression diminue et vice versa.

Sequence 1

Activité n° 1: Comprimer un gaz à température constante

Cette séquence a lieu lors de l’activité1 (« comprimer un gaz à température constante») de la partie4 (« compression d'un gaz»). Les élèves F et G manipulent un dispositif qui permet d'étudier la variation du volume d'une masse d'air enfermée lorsqu'on fait varier sa pression à température constante

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

G Dans le premier cas p=patm, dans le deuxième cas p est plus grande que patm, dans le troisième cas p est plus petite que patm
F J’ai une remarque, comme la pression p a une relation avec la hauteur h et la hauteur h a une relation avec v p=µgh h a une relation avec v et chaque fois que le volume augmente, la hauteur diminue
G Chaque fois que le volume est petit, la hauteur est grande
F Et µg est exprimé par k ce qui signifie k= µg c’est la constante k c’est-à-dire p=kh