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Physique Chimie Seconde 2014 Hachette .pdf



Nom original: Physique Chimie Seconde 2014 Hachette.PDF
Auteur: mbastarddecrisnay

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Physique I Chimie Livre du professeur
13 5599 9
ISBN : 978-2-01-135599-7

Physique  I  Chimie
Collection Dulaurans - Calafell - Giacino

Livre du
professeur
Édition 2014

9 782011 355997

P001-004-V01-9782011355997.indd 1,3

17/07/14 12:45

Physique  I  Chimie
Livre du professeur
Collection Dulaurans - Calafell - Giacino

Sous la direction de
Thierry DULAURANS

Lycée Fernand-Daguin à Mérignac

Julien CALAFELL

Lycée Bellevue à Toulouse

Michel Barde

Lycée Marcel-Pagnol à Marseille

Magali GIACINO

Lycée Paul-Cézanne à Aix-en-Provence

Maryline DaÏni-D’incan



Nathalie Barde

Lycée Maurice-Janetti
à Saint-Maximin-la-Sainte-Baume

Jean-Philippe Bellier

Lycée Michel-Montaigne à Bordeaux

Stéphane BLAT

Lycée Michel-Montaigne à Bordeaux

Marc Bigorre

Lycée des Graves à Gradignan

Éric DaÏni

Lycée Val-de-Durance à Pertuis

Lycée Saint-Charles à Marseille
Lycée Michel-Montaigne à Bordeaux
Lycée Toulouse-Lautrec à Toulouse
Lycée des Graves à Gradignan
Lycée Paul-Cézanne à Aix-en-Provence

Nicolas Lescure
Vanina Monnet

Bruno Poudens

Isabelle Tarride

Une version couleur de ce livre et des compléments sont disponibles en téléchargement gratuit
sur le site www.hachette-education.com
(espace enseignants > lycée > disciplines générales > Physique-Chimie > 2de > Physique-Chimie 2de Edition 2014)

Couverture : Nicolas Piroux
Maquette intérieure : Pierre-Antoine Rambaud
Composition : PCA/CMB graphic – Bénédicte Souffrant
Schémas : Patrick Hanequand et Jean-Luc Maniouloux

www.hachette-education.com
© Hachette Livre 2014, 43, quai de Grenelle, 75905 Paris Cedex 15.
ISBN : 978-2-01-135599-7

Tous droits de traduction, de reproduction et d’adaptation réservés pour tous pays.
Le Code de la propriété intellectuelle n’autorisant, aux termes des articles L122-4 et L122-5, d’une part,
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à une utilisation collective », et, d’autre part, que « les analyses et les courtes citations » dans un but
d’exemple et d’illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle,
faite sans le consentement des auteurs ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite ».
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ou du Centre français de l’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris),
constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal.

•• Erratum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Univers

Sommaire

Sommaire

1 Dimensions dans l’Univers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 La lumière des étoiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Réfraction et observations astronomiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 L’atome. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Classification périodique des éléments de l’Univers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6 La relativité du mouvement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7 La gravitation universelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Santé
8 De la molécule au médicament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
9 De l’analyse médicale au contrôle qualité : une affaire de solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

10 Les signaux périodiques en médecine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
11 Les ondes au service de la médecine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
12 Espèces chimiques contenues dans les médicaments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
13 L’extraction et la séparation de principes actifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
14 Synthèse de principes actifs et d’excipients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Sport
15 Force et mouvement dans le sport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
16 La quantité de matière et la concentration molaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
17 Transformations accompagnant une activité sportive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
18 Les matériaux et les molécules du sport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
19 Sport et pression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

Les annexes
•• Exercices de synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
•• Évaluations des compétences expérimentales (ECE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
•• Lexique de quelques termes pédagogiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

Sommaire

3

Erratum
Lors de la réimpression de l’ouvrage, certaines erreurs ont été corrigées. Il est donc possible qu’il y ait différentes versions dans votre classe.
Voici la liste des corrections qui nous semblent importantes.

Chapitre 4

Page 223, exercice 19

Page 58

Pour le problème posé, il faut lire « Comment le chimiste doit-il
procéder pour obtenir l’acétanilide ? ».

Page 69, exercice 29

Chapitre 16

Dans la question 3, il faut lire 42He et non 42H.

Page 245

Chapitre 5

Dans le doc. 1, il faut lire « 5,0 ex aquae » au lieu de « 0,56 ex aquae ».

Page 77
Dans les légendes des doc. 6 et 7, il faut lire « possèdent tous 8
électrons externes ».

Page 84, exercice 24
Les questions 5d et 5e sont en fait la question 5d (l’actuelle 5d n’est
pas une question).

Chapitre 8
Page 119
Dans la question 4, on renvoie au doc. 1 et non au doc. 2.

Page 126, exercice 16
Dans la molécule 2, la liaison C–OH du groupe carboxyle est une
liaison simple et non une liaison double.

Chapitre 9
Page 135
La question 3 n’attend pas de réponse écrite. Elle a été transformée
en consigne et les numéros suivants ont été décalés.

Page 150, exercice 40
La question 1b a été supprimée et la question 1a est donc devenue
la question 1.

Chapitre 10
Page 157
Les indications des voies A (en haut) et B (en bas) ont été ajoutées
sur le doc. 2 (indications nécessaires pour répondre à la question 5).

Page 247
Dans le cadre « Matériel et produits disponibles », il faut lire « Une
solution de glucose Sm à 2,00 mol·L–1 ».

Chapitre 18
Page 278
Dans le doc. 2, les températures de fusion des espèces ont été
ajoutées : –30,6 °C pour le styrène ; 101,5 °C pour l’AIBN et –95 °C
pour le toluène.

Page 284
Dans la solution rédigée, il faut lire « On prélève les espèces chimiques
solides… » au lieu de « On préfère… ».

Exercices de synthèse et évaluations
des compétences expérimentales
Page 308
Dans la question 3b, le « 2 » doit être en exposant et on doit lire
« 1,52 ≈ 2 ».

Page 312
Dans la question 2, la deuxième compétence a été changée en
« Analyser » au lieu de « Communiquer ».

Aides et corrigés
Page 336, chapitre 14, exercice 19

Chapitre 12

Dans les pistes de résolution, la question 2 de l’étape 1 a été modifiée
en « De quel matériel a-t-on besoin pour les prélever ? ».

Page 195, exercice23

Page 336, chapitre 1, exercice 25

Des graduations ont été ajoutées en ordonnées.

Dans la question 1a, il faut lire R’ = 550 000 et non R’ = 500 000.

Chapitre 13

Page 341, chapitre 9, exercice 12

Page 198

Dans la dernière têtière du tableau, il faut lire « Concentration
massique en soluté ».

Dans la question 2a, on renvoie au doc. 2 et non au doc. 3.

Page 344, chapitre 17, exercice 23

Chapitre 14

Dans la réponse 2, il faut lire « La solidification cède de l’énergie au
milieu extérieur, qui se réchauffe. »

Page 222, exercice 18
Dans le doc. 1, il faut lire « 1859 » au lieu de « 1874 » pour la
synthèse de l’acide salicylique à partir du phénol par le chimiste
allemand K. Löwig.

4

Dans le cadre « Matériel et produits disponibles », ont été ajoutées
une baguette de verre, une pince en bois et une spatule. De même,
il faut une éprouvette de 50 mL et non de 25 mL.

Erratum

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Les renvois aux documents ont été ajoutés dans les questions.

Chapitre

1

Dimensions dans l’Univers
Programme officiel
Notions et contenus

Compétences attendues

Description de l’Univers : l’atome, la Terre, le système solaire, la Galaxie,
les autres galaxies, exoplanètes et systèmes planétaires extrasolaires.

Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement
lacunaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique.

Propagation rectiligne de la lumière.

Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air).

Vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air.
L’année de lumière.

Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt.
Expliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ».
Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique-chimie 4e Vitesse de la lumière.
Physique chimie 3e Structure lacunaire de la matière ; présentation succincte du système solaire.
Mathématiques 3e Utilisation des puissances de 10 et de la notation scientifique.
SVT 2de La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée. Système solaire, étoile, planète gazeuse, planète rocheuse.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Activités

1

Du très petit au très grand

3 p. 12-13 du manuel

Compléments
Ressources numériques
L’animation interactive « De l’infiniment grand à l’infiniment petit »,
disponible dans le manuel numérique enrichi (enseignant), peut être
utilisée en complément de cette activité. Cette animation propose,
à partir de l’échelle humaine (1 m), un voyage vers l’infiniment petit
ou un voyage vers l’infiniment grand.

Compétences mises en œuvre

aaUtiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de
grandeur.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
À l’aide des objets listés dans le programme officiel et d’une présentation sur deux pages avec illustrations, nous introduisons les
notions de remplissage lacunaire et d’ordre de grandeur de dimensions dans l’Univers.

aaSavoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle
cosmique.

Réponses
1. Les dimensions sont très différentes. Par exemple, le diamètre
d’un atome est 100 000 fois plus grand que celui de son noyau.

b. Le diamètre du système solaire est 104 fois plus grand que celui
du Soleil (1013 m/109 m = 104).

2. a. Les électrons et le noyau d’un atome sont séparés de vide.
b. Les constituants du système solaire sont séparés de vide
interplanétaire.

4. Au niveau de l’atome comme à l’échelle cosmique, on trouve
du vide entre les différents composants : du vide entre noyaux et
électrons à l’échelle de l’atome, du vide interplanétaire entre les
planètes, du vide interstellaires entre les étoiles d’une galaxie, du
vide intergalactique entre les galaxies à l’échelle cosmique. C’est
pour cela que les scientifiques parlent de structure lacunaire.

3. a. Le diamètre d’un atome d’ordre de grandeur 10 –10 m est
100 000 fois plus grand que celui de son noyau. L’ordre de grandeur
–10
–15
du diamètre du noyau d’un atome est donc 10
= 10 m.
100 000

Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

5

2

Comparaison de dimensions dans l’Univers

3 p. 14 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

L’animation interactive « De l’infiniment grand à l’infiniment petit »,
disponible dans le manuel numérique enrichi (enseignant), peut être
utilisée en complément de cette activité. Cette animation propose,
à partir de l’échelle humaine (1 m), un voyage vers l’infiniment petit
ou un voyage vers l’infiniment grand.

Nous avons choisi de donner les longueurs des diamètres de divers
objets en utilisant différentes notations et différents multiples
et sous-multiples du mètre. La conclusion attendue est que pour
comparer des longueurs il faut les exprimer dans la même unité et
en notation scientifique.

Compétences mises en œuvre

aaUtiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de
grandeur.

Réponses
1. a. Le classement par ordre croissant de taille est : le virus de la
grippe, le cheveu, la Lune et la planète Terre.
b. Le diamètre du virus de la grippe est 0,085 µm ; celui d’un cheveu
est 0,062 mm ; celui de la Lune est 3,4 millions de mètres ; celui de
la Terre est 13 × 103 km.

b. L’ordre de grandeur du diamètre du virus de la grippe est 10 –7 m ;
celui d’un cheveu est 10 –4 m ; celui de la Lune est 106 m ; celui de
la Terre est 107 m.
3. En exprimant les longueurs dans la même unité et en notation
scientifique, il est plus facile de les comparer.

2. a. En notation scientifique et en m, le diamètre du virus de la
grippe est 8,5 × 10 –8 m ; celui d’un cheveu est 6,2 × 10 –5 m ; celui
de la Lune est 3,4 × 106 m ; celui de la Terre est 1,3 × 107 m.

3

Propagation de la lumière

3 p. 15 du manuel

Ressources numériques
L’animation « Mesure historique de la vitesse de la lumière » peut
être utilisée en complément de cette activité, pour expliquer comment ont été effectuées les premières mesures de la valeur de la
vitesse de la lumière.

Compétences mises en œuvre

aaConnaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou
dans l’air).

aaExpliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ».
aaConnaître la définition de l’année de lumière et son intérêt.
Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
À l’aide de divers documents abordant les notions de valeur de la
vitesse de la lumière, de l’année de lumière, l’objectif est de montrer
la nécessité de définir de nouvelles unités de longueur adaptées
aux ordres de grandeur des dimensions à l’échelle cosmique, puis,
à travers un exemple, d’expliquer l’affirmation « voir loin c’est voir
dans le passé ».

Réponses
1. En astronomie, les ordres de grandeur des distances sont incomparables avec ceux à l’échelle humaine ; il est donc nécessaire
de définir de nouvelles unités.
2. a. La relation est d  = c × Δt. d s’exprime en mètre (m) si c est
exprimé en mètre par seconde (m·s–1) et Δt en seconde (s).
b. Une année correspond à 365 jours environ, soit
365 × 24 × 60 × 60 secondes.
La lumière se propage avec une vitesse de l’ordre de 3,00 × 108 m·s–1.
La distance parcourue est donc de l’ordre de :
3,00 × 108 × 365 × 24 × 60 × 60 = 9,46 × 1015 m
On retrouve la valeur du doc. 1.
Remarque : en prenant 365,25 jours et 299 792 458 m·s–1, on obtient
aussi 9,46 × 1015 m.

6

Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

3. a. La nébuleuse du Crabe est située à 6 300 a.l. Or, une année de
lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une
année. Donc, la lumière émise par cette nébuleuse a mis 6 300 ans
pour nous parvenir.
b. L’explosion de la nébuleuse du crabe a eu lieu 6 300 années avant
qu’elle ne puisse être observée sur Terre. Cette observation a eu
lieu en 1054. L’explosion a donc eu lieu en 1 054–6 300 = –5 246,
c’est-à-dire en 5246 av. J.-C.
4. Plus les objets que nous observons sont éloignés, plus la lumière
a mis de temps à nous parvenir. Nous voyons la nébuleuse du Crabe
telle qu’elle était il y a 6 300 ans. Plus un objet céleste est éloigné,
plus nous le voyons tel qu’il était dans un passé lointain. La lumière
émise par les objets lointains témoigne du passé : « voir loin c’est
voir dans le passé ».

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Compléments

Exercices

3 p. 17 à 22 du manuel

QCM

13 1. Dans le vide et dans l’air, la valeur de la vitesse de la lumière
est la même.

Un QCM supplémentaire interactif est disponible dans
le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

3. L’année de lumière est la distance parcourue par la lumière dans
le vide pendant une durée d’un an.

1 1. B ; 2. A ; 3. B.
2 1. A ; 2. A.

14 La lumière de 61 Cygni met 11,4 ans pour nous parvenir.

3 1. B ; 2. A ; 3. C.

15 Étant donnée la définition de l’année de la lumière, on peut
écrire que la distance entre cette étoile et la Terre est 4,2 a.l.

Application immédiate

16 1. La distance étudiée vaut :

Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

5 Pendant la durée Δt  = 500 s, la lumière a parcouru une distance d dans le vide interstellaire avec une vitesse de propagation
de valeur c.
On a d = c × Δt, donc d = 3,00 × 108 × 500 = 1,50 × 1011 m. L’ordre
de grandeur de la distance Soleil-Terre est 1011 m.

d = 265 × 106 × 109 = 2,65 × 1017 km = 2,65 × 1020 m
2. L’ordre de grandeur de cette distance est 1020 m.

17 1. La longueur de Planck vaut 1,62 × 10–35 m.
2. L’ordre de grandeur de cette distance est 10–35 m.

18 1. La valeur de la vitesse de propagation de la lumière dans le
vide est d’environ c ≈ 3,00 × 108 m·s–1.
2. a. Une année compte 365 jours environ. Cette durée correspond à :
Δt = 365 × 24 × 60 × 60 = 365 × 24 × 3600 ≈ 3,15 × 107 s

Corrigés des exercices
Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).

6 Par ordre croissant, on trouve : un électron, un noyau ato© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

2. Dans le vide et dans l’air, la valeur de la vitesse de la lumière vaut
environ 3,00 × 108 m·s–1.

b. Pendant un an, la lumière parcourt dans le vide une distance
d = c × Δt.
d ≈ 3,00 × 108 × 3,15 × 107 = 3,00 × 3,15 × 1015
d ≈ 9,46 × 1015 m
3. Pendant 25,3 ans, la lumière parcourt dans le vide une distance d’
qui est 25,3 fois plus grande que d :

mique, un atome, une étoile.

7 Par ordre décroissant, on trouve : une galaxie, le système solaire, une planète, une molécule.
8 Le remplissage de l’espace par la matière est lacunaire à
l’échelle cosmique. Dans l’espace, entre les étoiles de la Voie lactée,
on trouve essentiellement du vide, ici du vide interstellaire.
9 1. L’expression « la matière a une structure lacunaire » signifie
que la matière ne remplit qu’une petite partie de l’espace, à l’échelle
microscopique comme à l’échelle astronomique.
2. On peut l’illustrer en utilisant l’atome ou le système solaire :
Le noyau et les électrons sont beaucoup plus petits que l’atome.
Or, ce sont ses seuls constituants. Entre ces éléments, il y a du vide.
De même, le Soleil, les planètes et les autres corps qui gravitent
dans le système solaire sont beaucoup plus petits que le système
solaire. Entre ces éléments, il y a le vide interplanétaire.

10 a. L’écriture scientifique du rayon de la Terre est :
RT = 6,380 × 106 m
b. L’écriture scientifique du rayon d’un atome d’argent est :
RAg = 1,65 × 10–10 m

11 L’ordre de grandeur de la distance entre la Terre et le Soleil est
1011 m.
12 1. On calcule le rayon RU d’Uranus :
RU = 4 × RT = 4 × 6 380 = 2,552 × 10  km
4

RU ≈ 2,6 × 104 km
2. L’ordre de grandeur de ce rayon est 104 km.

d’ ≈ 25,3 × 9,46 × 1015 ≈ 2,39 × 1017 m
4. On retrouve la distance de 2,4 × 1017 m annoncée dans le second
article.

19 1. En astronomie, on utilise aussi l’année de lumière, a.l.,
comme unité de longueur. Une année de lumière est la distance
parcourue par la lumière dans le vide en une année.
2. La distance moyenne Soleil-Mercure est inférieure à 1 ua. Puis­
qu’une unité astronomique représente la distance Terre-Soleil, on
peut en déduire que Mercure est plus proche du Soleil que ne l’est
la Terre.
3. On convertit la distance Neptune-Soleil en mètre :
d = 30,11 × 149 597 870 700 ≈ 4,504 × 1012 m
4. L’ordre de grandeur de cette distance est 1012 m.

20 1. Le rapport vaut 200 millions d’après le texte, c’est-à-dire
200 × 106 = 2,00 × 108.
2. Puisque les vestiges de l’étoile ayant explosé sont situés à
168 000 a.l. de la Terre, l’explosion a eu lieu il y a 168 000 ans (en
négligeant les 27 ans entre l’année d’observation 1987 et l’année
de parution de cet ouvrage 2014).
3. Une année de lumière est la distance parcourue par la lumière
dans le vide pendant une durée d’un an. La distance nous séparant
de l’étoile ayant explosé est :
d = 168 000 × 3,00 × 108 × 365 × 24 × 3 600
d ≈ 1,59 × 1021 m

21 1. a.

PCURIE 2 × 1015
9
=
= 2 × 10
P1960 1 × 106
Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

7

Mars

3,4 cm

2,28 × 105 cm = 2,28 × 103 m =
2,28 km

900 × 2 × 1015 = 18 × 1017 = 1,8 × 1018 flops

Jupiter

71 cm

7,78 × 105 cm =
7,78 × 103 m = 7,78 km

Cette valeur est effectivement supérieure à l’exaflops, c’est-à-dire
à 1018 flops.

Saturne

60 cm

1,43 × 106 cm = 1,43 × 104 m =
14,3 km

2. On trouve des applications dans des domaines divers, tels que
l’étude de la structure de l’Univers depuis sa naissance ou l’étude
de maladies comme celle d’Alzheimer.

Uranus

26 cm

2,87 × 106 cm = 2,87 × 104 m =
28,7 km

Neptune

25 cm

4,50 × 106 cm = 4,50 × 104 m =
45,0 km

b. La vitesse escomptée en 2020 est de :

22 Pour répondre aux deux premières questions, on peut d’abord
établir le tableau suivant :
Planète

Ordre de grandeur
des rayons équatoriaux (m)

Ordre de grandeur
des masses (kg)

Mercure

106

1023

Vénus

10

7

1024

Terre

10

7

10

Mars

106

1024

Jupiter

8

10

1027

Saturne

108

1027

Uranus

10

1026

Neptune

10

7
7

25

1026

1. Les planètes qui ont des masses du même ordre de grandeur
sont :
– Vénus et Mars ;
– Jupiter et Saturne ;
– Uranus et Neptune.
2. Les planètes qui ont des rayons du même ordre de grandeur
sont :
– Mercure et Mars ;
– Vénus, la Terre, Uranus et Neptune ;
– Jupiter et Saturne.
3. L’échelle imposée est 1 cm pour 2 500 km. Dans le schéma, les
rayons des trois planètes sont :
RMe ≈ 1,0 cm ;  RT ≈ 2,6 cm ;  RN ≈ 9,9 cm

Cette échelle convient en ce qui concerne la dimension des planètes, mais ne convient pas en ce qui concerne les distances dans le
système solaire (l’ordre de grandeur d’une salle dans un lycée est de
101 m, voire 102 m pour certains gymnases ou réfectoires).
Remarque : Pour pouvoir exposer la maquette dans une grande salle
ou dans la cour du lycée, il faudrait conserver l’échelle précédente
pour les rayons des planètes et changer l’échelle des distances Soleil-planète, en choisissant par exemple l’échelle un cent milliardième : la distance Soleil-Mercure est alors 0,58 m et la distance
Soleil-Neptune 45 m. Dans tous les cas, on ne peut pas construire
une maquette lisible avec la même échelle pour les rayons des planètes et pour leur distance au Soleil.

Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Pour déterminer s’il est possible de construire une maquette du
système solaire au cent millionième, on recherche les rayons et les
distances Soleil-planète à l’échelle proposée et on les compare aux
dimensions des espaces de vie du lycée.
• Mise en forme de la réponse :
Le projet ne sera réalisable que si les dimensions de la maquette
sont compatibles avec les dimensions de la pièce qui doit l’accueillir.
Une échelle « au cent millionième » signifie qu’un centimètre dans
la maquette correspond à cent millions de centimètres dans la réalité, soit un million de mètres ou mille kilomètres.
Compte tenu de l’échelle choisie, on peut dresser le tableau de correspondance suivant :

23 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)
1. Une échelle « au cent millionième » signifie qu’un centimètre
dans la maquette correspond à cent millions de centimètres dans
la réalité.
Cent millions de centimètres est égal à un million de mètres ou
mille kilomètres. L’indication de l’échelle signifie donc aussi qu’un
centimètre dans la maquette correspond à mille kilomètres dans la
réalité.
2. Le projet sera réalisable si les dimensions de la maquette sont
compatibles avec les dimensions de la pièce qui doit l’accueillir.
3. Les rayons et distances réels sont donnés en kilomètre dans le
tableau. Pour calculer les longueurs correspondantes dans la maquette, il faut diviser par 103.
4. Compte tenu de l’échelle choisie :

Rayon à l’échelle
un cent millionième

Distance Soleil-planète
à l’échelle un cent
millionième

Mercure

2,4 cm

5,79 × 104 cm = 579 m

Vénus

6,1 cm

1,08 × 105 cm = 1,08 × 103 m =
1,08 km

Terre

6,4 cm

1,50 × 105 cm = 1,50 × 103 m =
1,50 km

Mars

3,4 cm

2,28 × 105 cm = 2,28 × 103 m =
2,28 km

Jupiter

71 cm

7,78 × 105 cm = 7,78 × 103 m =
7,78 km

Saturne

60 cm

1,43 × 106 cm = 1,43 × 104 m =
14,3 km

Planète

Rayon équatorial
à l’échelle
un cent millionième

Distance Soleil-planète
à l’échelle un cent
millionième

Uranus

26 cm

2,87 × 106 cm = 2,87 × 104 m =
28,7 km

Mercure

2,4 cm

5,79 × 104 cm = 579 m

Neptune

25 cm

4,50 × 106 cm = 4,50 × 104 m =
45,0 km

Vénus

6,1 cm

1,08 × 105 cm =
1,08 × 103 m = 1,08 km

6,4 cm

1,50 × 105 cm = 1,50 × 103 m =
1,50 km

Terre

8

Planète

Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

• Conclusion revenant sur la problématique :
Cette échelle convient en ce qui concerne la dimension des planètes, mais ne convient pas en ce qui concerne les distances dans le

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

CURIE est environ 2 milliards de fois plus rapide que les supercalculateurs des années 1960 :

système solaire (l’ordre de grandeur d’une salle dans un lycée est de
101 m voire 102 m pour certains gymnases ou réfectoires).

3. a. Le remplissage de l’espace est lacunaire à l’échelle cosmique.
b. On lit dans le texte que le cinquième (20 %) de toute la matière
dans l’Univers n’occupe qu’un minuscule volume.

Remarque :Pour pouvoir exposer la maquette dans une grande salle
ou dans la cour du lycée, il faudrait conserver l’échelle précédente
pour les rayons des planètes et changer l’échelle des distances Soleil-planète, en choisissant par exemple l’échelle un cent milliardième : la distance Soleil-Mercure est alors 0,58 m et la distance
Soleil-Neptune 45 m. Dans tous les cas, on ne peut pas construire
une maquette lisible avec la même échelle pour les rayons des planètes et pour leur distance au Soleil.

Soleil : R =

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 10.

Alors, ceci impliquerait l’égalité entre R et R’ :

24 Traduction : Observation de l’univers
C’est un moment difficile pour les cosmologistes (ou cosmologues).
Il y a seulement une vingtaine d’années, nous pensions avoir compris quelles substances remplissaient l’Univers. C’était une erreur.
Nous savons maintenant que les atomes qui composent la partie
visible du cosmos – des galaxies aux planètes en passant par les
nuages de gaz et de poussières interstellaires – représentent moins
de 20 pour cent de la matière totale et occupent un minuscule volume dans l’Univers. Les 80 pour cent restants sont la mystérieuse
« matière noire », invisible pour les télescopes classiques.

25 1. a Le diamètre de Rhô est 450 fois plus grand que celui du
DRhô
= 450.
DS

LRhô
= 550 000.
LS
b. Si la luminosité d’une étoile était proportionnelle à son diamètre,
on aurait L = k × D.
Le rapport des luminosités est R’ =

R’ =

LRhô k × DRhô DRhô
=
=
=R
LS
DS
k × DS

Les valeurs précédentes montrent que ce n’est pas le cas, donc il
n’y a pas proportionnalité entre la luminosité d’une étoile et son
diamètre.
2. a.l est le symbole de l’année de lumière, unité de longueur utilisée
en astronomie. Une année de lumière est la distance d parcourue
par la lumière, dans le vide, en une année.
d = c × Δt ≈ 3,00 × 108 × 365 × 24 × 60 × 60
d ≈ 9,46 × 1015 m.

2. a. La matière visible est repérée grâce aux télescopes conventionnels.

3. a. La lumière émise par cette étoile a mis 8 150 ans pour nous
parvenir.

b. Les cosmologistes appellent la matière invisible la matière noire
(sombre).

b. On voit cette étoile telle qu’elle était il y a 8 150 ans. Plus une
étoile est éloignée, plus on l’observe telle qu’elle était dans un passé
lointain, d’où la phrase « voir loin, c’est voir dans le passé ».

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

1. Le pourcentage de matière totale visible est 20 %.

Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

9

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues

Indicateurs de réussite permettant d’attribuer
le niveau de maîtrise « A »
• Les informations importantes sont extraites :

Extraire des informations des documents.

S’approprier

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

Reformuler, dégager la problématique principale.

– Les données à exploiter sont repérées dans le tableau de valeur.
– L’échelle proposée est relevée.
• L’information sur l’échelle est correctement interprétée : Une
échelle « au cent millionième » signifie qu’un centimètre dans
la maquette correspond à cent millions de centimètres dans la
réalité.
• Les dimensions de la maquette seront à comparer avec celles de
la salle de classe.
• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : Quelles seront les tailles des objets et les distances au Soleil
dans la maquette ?

Conduire un raisonnement :
– proposer une stratégie de réponse ;
Analyser

– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;
– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;

• Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :
– L’unité « km » des données du tableau est prise en compte.
– L’échelle est correctement utilisée pour calculer les dimensions de la
maquette.

– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir.
Réaliser

Conduire les calculs.
Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :

Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;
– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.

• Les dimensions pour la maquette sont correctement calculées et
exprimées dans une unité adaptée.
• La réponse est donnée et revient sur la question de départ :
cette échelle convient pour les rayons des planètes mais pas pour
les distances dans le système solaire.
• Une ouverture est proposée : pour une maquette, il faudrait
utiliser une échelle différente pour les rayons des planètes et leur
distance au Soleil.

Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

10

Chapitre 1 1Dimensions dans l’Univers

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.

Chapitre

2

La lumière des étoiles
Programme officiel
Notions et contenus
Les spectres d’émission et d’absorption : spectres continus d’origine
thermique, spectres de raies.

Compétences attendues
Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion.
Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde.

Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique.
Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption
et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.
Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une
radiation monochromatique.
Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de
surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.
Connaître la composition chimique du Soleil.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique-chimie 5e Le Soleil, les étoiles et les lampes sont des sources primaires de lumière.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Physique chimie 4e La décomposition de la lumière blanche à l’aide d’un prisme ou d’un réseau donne un spectre continu. Ce spectre montre
que la lumière blanche est composée de lumières colorées.

Activités

1

Lumière et température

3 p. 24 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Nous avons choisi dans cette activité de commencer par une analyse
documentaire. Ensuite nous demandons à l’élève de proposer une
expérience permettant de valider les informations qu’il a extraites
des documents.

Les vidéos « Spectre de la lumière émise par une lampe à incandescence » et « Spectre de la lumière émise par un corps chaud », disponibles dans le manuel numérique enrichi, peuvent être utilisées
en complément de cette activité.

Matériel
Matériel

Compétences mises en œuvre

aaSavoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont
les propriétés dépendent de la température.

aaUtiliser un système dispersif.

• Un générateur de tension réglable.
• Une lampe à incandescence.
• Une fente sur support.
• Une lentille convergente sur support.
• Un prisme en verre sur support rotatif.
• Un écran.
• Deux fils de connexion.

Réponses
1. Une étoile se comporte comme un métal chauffé. Elle a donc
une couleur qui dépend de sa température (doc. 1).
2. La température du filament d’une lampe à incandescence dépend
de l’intensité du courant qui le parcourt (doc. 1).

3. a. Pour obtenir le spectre de la lumière émise par une lampe à
incandescence, on éclaire une fente à l’aide d’une lumière blanche
et on place ensuite une lentille de projection de manière à obtenir
une image nette de la fente sur un écran placé à environ 2 m de la
Chapitre 2 1La lumière des étoiles

11

fente. On place un prisme sur le trajet de la lumière, entre la lentille
et l’écran.
Afin de montrer l’influence de la température, la source de lumière
blanche est alimentée à l’aide d’un générateur de tension réglable.
b. On observe sur l’écran, un spectre continu qui s’étend du violet au rouge et qui comporte toutes les couleurs visibles par l’œil
humain (les couleurs de l’arc en ciel). Voir les doc. 6a et 6c, p. 29,
pour la schématisation des spectres d’émissions obtenus pour deux
températures du filament différentes.

2

4. On constate que plus la température du filament augmente, plus
le spectre s’enrichit en radiations vers le bleu et le violet. La couleur
observée dépend donc de la température, ce qui est en accord avec
la réponse à la question 1.
5. La température d’une source lumineuse peut être évaluée en
observant son spectre d’émission. La source lumineuse est d’autant
plus chaude que son spectre s’enrichit vers le violet.

Lumière et composition chimique

3 p. 25 du manuel

Compléments
Ressources numériques
Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.
La vidéo « Spectre de la lumière émise par un gaz », disponible dans
le manuel numérique enrichi, peut être utilisée en complément de
cette activité.

Compétences mises en œuvre

aaUtiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et
d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

aaSavoir que la longueur d’onde caractérise, dans l’air et dans le
vide, une radiation monochromatique.

aaRepérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou
d’absorption, une radiation caractéristique d’une entité chimique.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Dans cette activité, nous avons choisi de travailler avec une animation informatique pour « visualiser »  les spectres d’absorption
et d’émission de différentes entités chimiques. Ce choix s’explique
par les difficultés à réaliser en classe le spectre d’absorption d’une
entité chimique.

Conseils
On peut travailler avec l’animation proposée sur le site
http://www.ostralo.net/

1. Deux lumières qui semblent identiques peuvent être différenciées
grâce à leurs spectres.

3. Les longueurs d’onde des radiations émises par une entité chimique
sont les mêmes que celles des radiations qu’elle absorbe.

2. Suivant la lampe spectrale utilisée, on observe différentes raies
parallèles et fines sur fond noir. Les spectres des lampes spectrales
diffèrent du spectre de la lumière blanche, dont les couleurs s’étendent
du violet au rouge sans discontinuité.

4. Des entités chimiques peuvent être identifiées à partir des longueurs d’onde des radiations qu’elles émettent (raies colorées dans
le spectre d’émission) ou qu’elles absorbent (raies noires dans le
spectre d’absorption).

3

La lumière des étoiles

3 p. 26-27 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

L’animation proposée par le CEA (http://www.cea.fr/jeunes/
mediatheque/animations-flash/physique-chimie/spectres-etcomposition-chimique-du-soleil) peut être utilisée en complément
de cette activité.

Dans cette activité documentaire, nous avons choisi de montrer
comment interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile.
Cette activité nous a également servi de support pour présenter le
profil spectral d’une étoile et la manière dont il peut être exploité
par les astrophysiciens.

Compétence mise en œuvre

aaInterpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

Réponses

12

1. Les raies noires du spectre solaire n’ont pas pu être observées
avant J. Fraunhofer, car c’est lui qui a inventé un spectroscope suffisamment dispersif pour les mettre en évidence.

gaz donné, les raies colorées du spectre d’émission ont exactement
les mêmes longueurs d’ondes que les raies noires du spectre de ce
même gaz en combustion.

2. Pour identifier les entités chimiques présentent dans l’atmosphère
du Soleil, G. Kirchhoff et R. Bunsen proposent de réaliser les spectres
d’émission de différents « gaz en combustion » et de comparer les
longueurs d’ondes des raies colorées observées à celles des raies
noires du spectre du Soleil. En effet, ils ont montré que, pour un

3. D’après le doc. 3, la longueur d’onde du maximum d’émission
d’un corps chauffé augmente quand la température diminue. La
longueur d’onde de la radiation correspondant à la plus grande
intensité lumineuse émise diminue lorsque la température de la
source augmente.

Chapitre 2 1La lumière des étoiles

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Réponses

4. D’après le doc. 4, les raies noires du spectre du Soleil se traduisent
par des baisses d’intensité lumineuse (absorption) sur son profil
spectral.
5. La température de surface d’une étoile est reliée à la longueur
d’onde de la radiation correspondant à la plus grande intensité de

Exercices
QCM
Un QCM supplémentaire interactif est disponible dans
le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

1 1. A ; 2. A et C ; 3. B ; 4. B ; 5. A et C.
2 1. A et B ; 2. A ; 3. B ; 4. A.

Application immédiate

3 p. 31 à 38 du manuel
2. Le chrome émet peu dans le rouge, donc il absorbe peu dans le
rouge. On en déduit que son spectre comporte peu de raies dans le
rouge : c’est le spectre b.

13 1. Les spectres a, b et c sont des spectres de raies d’émission
(raies colorées sur fond noir).
2. Un élément émet les radiations qu’il absorbe. Seul le spectre a
présente des raies d’émission dans le domaine du rouge et du jaune
orangé. Le spectre a est susceptible de correspondre à celui de l’hélium.

Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

14 Les radiations dans le vert ont des longueurs d’onde que l’on
peut évaluer à 518 nm et 531 nm.

4 Les radiations émises par l’hydrogène ont des longueurs

15 1. Les radiations émises ou absorbées par une entité chimique
sont caractérisées par la même longueur d’onde dans le vide ou
dans l’air.

d’onde que l’on peut évaluer à 410 nm, 434 nm, 486 nm et 656 nm.
L’hydrogène peut absorber des radiations de même longueur
d’onde que celles qu’il émet.

Corrigés des exercices
© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

la lumière émise : plus la température est grande, plus la longueur
d’onde de la radiation la plus intense est petite. La composition
chimique de l’atmosphère d’une étoile peut être connue en comparant les longueurs d’ondes des raies noires du spectre de la lumière
de cette étoile aux longueurs d’onde caractéristiques de diverses
entités chimiques.

Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).

5 1. La longueur d’onde (dans le vide ou dans l’air) est utilisée
pour caractériser une radiation.
2. La longueur d’onde est habituellement exprimée en nanomètre
(nm).

6 Le spectre a est correctement légendé, car le domaine du
visible commence vers 400 nm dans le violet et se termine vers
800 nm dans le rouge. Il est limité par les ultraviolets (longueur
d’onde inférieure à 400 nm) et par les infrarouges (longueurs
d’onde supérieures à 800 nm).
7 Ce spectre est un spectre d’émission. Il est continu.
8 Ce spectre est un spectre d’émission. Il s’agit d’un spectre de raies.
9 Ce spectre est un spectre d’absorption. Il s’agit d’un spectre de
raies.
10 Toutes les raies colorées du spectre d’émission correspondent
aux raies sombres du spectre d’absorption. Les deux spectres correspondent donc à la même entité chimique.
11 Les raies colorées du spectre d’émission ne correspondent pas
aux raies sombres du spectre d’absorption. Les deux spectres ne
peuvent donc pas correspondre à la même entité chimique.

12 1. Il s’agit de spectres d’absorption (raies sombres sur fond
coloré).

2. L’atome de zinc, d’après son spectre d’absorption, peut émettre
cinq radiations dont les longueurs d’onde, comprises entre 450 nm
et 500 nm, peuvent être évaluées à 463 nm, 468 nm, 472 nm,
481 nm et 491 nm.

16 La température d’un filament d’une lampe à incandescence
est d’autant plus élevée que le spectre de la lumière qu’il émet s’enrichit dans les radiations bleues et violettes. Le spectre b est moins
lumineux dans le bleu et le violet que le spectre a. La température
du filament est plus faible lors de l’expérience b que lors de l’expérience a.
17 La température d’une étoile est d’autant plus élevée que sa
couleur se rapproche du bleu. L’étoile bleue est plus chaude que
l’étoile blanche.
18 La température d’une étoile est d’autant plus élevée que sa
couleur se rapproche du bleu. On peut en déduire que, des trois
étoiles proposées, Rigel a la température la plus grande et Bételgeuse a la température la plus faible. Donc :
– Rigel a une température moyenne de surface égale à 11 000 °C ;
– le Soleil a une température moyenne de surface égale à 5 800 °C ;
– Bételgeuse a une température moyenne de surface égale à 3 100°C.
19 Certaines radiations de la lumière blanche, émises par le Soleil,
sont absorbées par les entités chimiques de l’atmosphère du Soleil.
Les raies noires observées sur le spectre correspondent à l’absorption de ces radiations par les constituants de l’atmosphère du Soleil,
qui sont principalement l’hydrogène et l’hélium.
20 1. La radiation émise avec le maximum d’intensité lumineuse
par l’étoile la plus chaude a la longueur d’onde λmax la plus faible. Graphiquement, λmaxB < λmaxA, donc l’étoile la plus chaude est l’étoile B.
2. On retrouve plusieurs pics dont les longueurs d’onde correspondent à celles des radiations caractéristiques de l’hydrogène sur
le spectre de l’étoile B : l’atmosphère de l’étoile B contient de l’hydrogène.
Chapitre 2 1La lumière des étoiles

13

2. On sait que 1 nm = 1 × 10–9 m ; on a donc :
λ = 6,328 × 10–7 m = 6,328 × 10–7 × 109 nm
λ  = 6,328 × 102 nm, soit 632,8 nm pour la radiation émise par ce
laser.
3. On n’observe pas de raie colorée à 632,8 nm sur le spectre
d’émission de l’atome d’hélium (a). En revanche, on l’observe sur
le spectre de l’atome de néon (b). Seuls les atomes de néon sont
responsables de l’émission de lumière par ce type de laser.

22 1. a. Les raies colorées correspondent aux radiations émises
par l’entité chimique.
b. La longueur d’onde dans le vide ou dans l’air permet de caractériser une radiation.
2. a. Le spectre de la lampe 2 est le seul qui ne fait pas apparaître de
raies entre 500 et 650 nm.
b. L’hélium ne peut pas être présent dans cette lampe, car on n’observe pas de radiation à 587,6 nm dans le spectre la lumière émise par
la lampe 2. Le cadmium ne peut pas non plus être présent dans cette
lampe car on n’observe pas de radiation à 480,0 nm, ni à 643,9 nm.
c. D’après la réponse à la question 2b, le spectre 2 correspond à
une lampe à hydrogène (les deux radiations citées dans le texte
sont effectivement observées). Le spectre de la lampe 1 ne peut
être celui d’une lampe à cadmium, car on n’observe pas la radiation
à 480,0 nm ou celle à 643,9 nm. Il s’agit du spectre d’une lampe à
hélium (présence de la radiation à 587,6 nm). Par élimination, la
lampe 3 est une lampe à cadmium (présence des deux radiations
citées, à 480,0 et 643,9 nm).

23 1. Dans le profil spectral d’une étoile, les pics vers le bas correspondent aux radiations absorbées par l’atmosphère de l’étoile.
2. a. Sur le profil spectral de Véga, on ne repère pas d’absorption à
498 nm ni à 568 nm et 589 nm.
b. Ce profil spectral ne permet donc pas de détecter du sodium
dans l’atmosphère de Véga.

24 1. Il s’agit d’un spectre de raies et d’émission.
2. La lampe émet plusieurs radiations. La lumière émise peut être
qualifiée de polychromatique.
3. a. Les raies observées sur le spectre correspondent à des radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 × 10–9 m
et 700 × 10–9 m.
b. Les longueurs d’onde de ces radiations peuvent être évaluées à
436 nm, 546 nm, 579 nm, 581 nm et 615 nm.
c. D’après les données et les longueurs d’onde mesurées, le mercure est l’entité chimique responsable de cette émission de lumière.

25 Traduction : Un regard plus acéré des étoiles
Il y a environ 20 ans, un des auteurs de cet article a pris les jumelles de son
père et est sorti sur la pointe des pieds de la maison, la nuit. Bien que les
plus grandes étoiles puissent engloutir notre système solaire entier dans
leurs diamètres lumineux, chaque étoile (à part le Soleil) est simplement
trop éloignée pour être distinguée avec des jumelles. Deux décennies plus
tard le même enfant peut voir un disque circulaire, au moins pour les plus
brillantes d’entre elles. Cette résolution stellaire utilise l’interférométrie.
L’interférométrie dans le domaine des ondes radio a réussi brillamment
à dresser la carte des structures de galaxies éloignées et des quasars grâce
à leurs émissions d’ondes radio. Cependant, seulement depuis les 15 dernières années, la technologie a permis à l’interférométrie dans le domaine
de l’infrarouge et du visible de décoller. Les interféromètres optiques basés
au sol peuvent voir, pour les étoiles les plus brillantes, des détails 100 fois
plus précis que ne le peut Hubble.
14

Chapitre 2 1La lumière des étoiles

1. Les instruments d’observation cités sont des jumelles (basse résolution), le télescope spatial Hubble et des interféromètres (résolution la plus élevée).
2. En interférométrie, on utilise des radiations appartenant aux domaines des ondes radio, de l’infrarouge et du visible.
3. L’amélioration des instruments au fil des années permet une observation plus précise dans l’espace.

26 1. On observe sur le profil spectral des intensités lumineuses
élevées pour plusieurs longueurs d’onde. Il y a donc émission de
plusieurs radiations. La lumière solaire est polychromatique.
2. Les minima d’intensité lumineuse sont dus à l’absorption, par
l’atmosphère solaire, de certaines radiations émises par la surface
chaude du Soleil.
3. a. Le Soleil est principalement constitué d’hydrogène et d’hélium.
b. Un spectre d’absorption est caractéristique d’une entité
chimique. Les quatre raies les plus visibles apparaissant sur leurs
spectres sont à environ 435 nm, 485 nm, 520 nm et 660 nm.
4. Si des raies n’apparaissent pas dans les spectres de l’hydrogène
et de l’hélium, on peut en déduire la présence d’autres éléments
chimiques dans l’atmosphère du Soleil.

27 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)
1. La température de surface d’une étoile peut être évaluée à partir
de l’allure globale de son profil spectral. La longueur d’onde la radiation émise avec la plus grande intensité permet cette évaluation.
2. La composition de l’atmosphère d’une étoile est déterminée par
les longueurs d’onde des radiations absorbées.
3. L’atmosphère du Soleil contient principalement l’hydrogène et
l’hélium.
4. L’intensité est maximale pour λmax ≈ 550 nm.
5. Cette longueur d’onde est supérieure à celle du Soleil qui est de
480 nm.
6. λmax diminue quand la température augmente.
7. Les entités sont présentes si les longueurs d’ondes caractéristiques correspondent à des pics sur le profil spectral.
8. λmax > λmax Soleil : l’étoile étudiée est donc moins chaude que le Soleil.
9. Les longueurs d’onde caractéristiques de l’hydrogène correspondent à des pics du profil spectral. On conclut à la présence d’hydrogène dans l’atmosphère de cette étoile. La présence d’hélium ne
peut pas être prouvée, car les longueurs d’onde caractéristiques de
l’hélium ne sont pas données.

Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Le Soleil possède une température de surface de 5 700 °C et
contient principalement, dans son atmosphère, de l’hydrogène et
de l’hélium. On cherche à comparer les caractéristiques d’une étoile
à celles du Soleil en déterminant sa température de surface ainsi
que les entités présentes dans son atmosphère.
• Mise en forme de la réponse :
Le profil spectral de l’étoile présente un maximum d’intensité lumineuse pour une longueur d’onde λmax de l’ordre de 550 nm. Cette
longueur d’onde est supérieure à celle du Soleil, qui est de 480 nm ;
elle est donc située davantage dans le rouge. On en conclut que la
température de surface de l’étoile est plus petite que celle du Soleil.
Le profil spectral de l’étoile fait également apparaître des pics d’absorption de longueurs d’onde pouvant être évaluées à 430 nm,
490 nm, 655 nm et 760 nm. Ces longueurs d’ondes, à l’exception
de la dernière, sont caractéristiques de l’hydrogène. L’atmosphère
de l’étoile semble donc contenir de l’hydrogène.

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21 1. L’adjectif « monochromatique » signifie composé d’une
seule radiation lumineuse.

• Conclusion revenant sur la problématique :
L’étoile étudiée possède une température de surface inférieure à
celle du Soleil. Son atmosphère contient de l’hydrogène. Les documents ne permettent pas de conclure sur la présence ou l’absence
d’hélium.

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 16.

3. Les raies d’émission sont dues à la présence de gaz (notamment
monoxyde de carbone et eau) éjectés par l’étoile.
4. Par comparaison des longueurs d’onde des raies d’émission à
celles d’entités connues, on identifie la nature des entités chimiques
présentes dans le gaz éjecté par l’astre. On a donc des informations
sur la composition de l’astre.

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28 1. Les radiations repérées sur le profil spectral appartiennent
au domaine infrarouge, car elles sont caractérisées par des longueurs d’onde supérieures à celles des radiations du domaine du
visible (supérieures à 800 nm).

2. Sur le profil spectral, les pics qui apparaissent correspondent à
des raies d’émission.

Chapitre 2 1La lumière des étoiles

15

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues

Indicateurs de réussite permettant d’attribuer le niveau
de maîtrise « A »
• Les informations importantes sont extraites :
– Le profil spectral permet de déterminer la longueur d’onde de la
radiation rayonnée avec le maximum d’intensité.

Extraire des informations des documents.

Reformuler, dégager la problématique principale.

Conduire un raisonnement :
– proposer une stratégie de réponse ;
– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;
– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;
– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir.

Exploiter un graphique et des données.
Résoudre le problème.

• Les connaissance nécessaires à la résolution sont maîtrisées et
restituées :
– Les longueurs d’onde des radiations violettes sont de l’ordre de
400 nm, celles des radiations rouges sont de l’ordre de 800 nm.
– L’atmosphère du Soleil contient principalement de l’hydrogène
et de l’hélium.
• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : L’étoile étudiée est-elle plus chaude ou moins chaude que le
Soleil et la composition de son atmosphère est-elle la même que celle du
Soleil ?
• Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :
– La radiation émise avec le maximum d’intensité est repérée et sa
longueur d’onde est déterminée ;
– Cette longueur d’onde est comparée à celle du Soleil pour comparer
leurs températures de surface ;
– Les longueurs d’onde des radiations absorbées sont repérées ;
– Ces longueurs d’onde sont comparées à celles des radiations caractéristiques pour identifier les entités présentes dans l’atmosphère de l’étoile.
• Les longueurs d’onde sont correctement déterminées par lecture graphique sur l’axe horizontal du profil spectral.
• Ces longueurs d’onde sont correctement exploitées pour :
– comparer la température ;
– identifier les entités chimiques.

Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :
Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;
– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.

• La réponse est donnée et revient sur la question de départ :
l’étoile étudiée possède une température de surface inférieure à
celle du Soleil. Son atmosphère contient de l’hydrogène.
• L’absence d’information sur l’hélium est relevée.
• Les difficultés de détermination précise des longueurs d’onde
sont relevées.
• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.

Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

16

Chapitre 2 1La lumière des étoiles

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

Réaliser

– Le profil spectral de l’étoile permet de déterminer la longueur
d’onde de la radiation émise avec la plus grande intensité, ainsi
que les longueurs d’onde des radiations absorbées par les entités
présentes dans son atmosphère.
– Les longueurs d’onde caractéristiques de certaines entités sont
repérées.

S’approprier

Analyser

– Plus la longueur d’onde de cette radiation est décalée vers le
rouge, moins l’étoile est chaude et notamment moins chaude
qu’une étoile dont cette longueur d’onde se situe vers le violet.

Chapitre

3

Réfraction et observations astronomiques
Programme officiel
Notions et contenus
Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Compétences attendues

Réfraction.

Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour
déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.

Lois de Snell-Descartes.

Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Observation de la Terre et des planètes.

Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique chimie 5e La lumière se propage de façon rectiligne. Le trajet rectiligne de la lumière est modélisé par le rayon lumineux. La lumière
blanche est composée de lumières colorées. Suivre un protocole pour obtenir un spectre continu par décomposition de la lumière blanche
en utilisant un prisme ou un réseau.
Mathématiques 3e Lire et interpréter graphiquement le coefficient d’une fonction linéaire représentée par une droite. Déterminer, à l’aide
de la calculatrice, des valeurs approchées : du sinus, du cosinus et de la tangente d’un angle aigu donné; de l’angle aigu dont on connaît le
cosinus, le sinus ou la tangente.

Activités
© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

1

Réfraction de la lumière

3 p. 40 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Matériel et consommables

Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Compétence mise en œuvre

aaPratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir
d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un
milieu.

Matériel
• Un disque optique.
• Une source de lumière monochromatique.
• Une cuve hémicylindrique.
• De l’eau liquide.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

Conseils

À l’aide des documents proposés, l’élève est amené à s’approprier
les définitions et notations liées au phénomène de réfraction. Puis,
à partir d’une série de mesures, il valide un modèle, l’exploite pour
déterminer un indice de réfraction.

• Il faut vérifier la compatibilité entre tout autre liquide que l’eau
et le matériau dans lequel est fabriquée la cuve.
• Il faut que la cuve soit bien centrée sur le disque.
• La diffusion du faisceau lumineux sur les bords du disque et de la
cuve interdit une trop grande précision dans la lecture des angles
et dans la détermination de l’indice de réfraction.

Compléments
Le tableau suivant peut être distribué aux élèves :
i1 (en °)
i2 (en °)
i2/i1
sin i1
sin i2
Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

17

Réponses
1.

4. a.
Normale
0

Disque gradué
pivotant
Rayon

1

t

inciden

2
90°

Source
monochromatique

Surface
de séparation
Rayon ré
fracté

I

i1

0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1

90°

i2
0

① : milieu transparent 1 (l’air)
② : milieu transparent 2 (l’eau)
I : point d’incidence
i1 : angle d’incidence (angle entre le rayon lumineux se propageant
dans le milieu ① et la normale)
i2 : angle de réfraction (angle entre le rayon lumineux se propageant
dans le milieu ② et la normale)

sin i2

sin i2 = 0,732 × sin i1

sin i1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

On constate que les points sont sur une droite et que cette droite
passe par l’origine du repère, ce qui valide le modèle sin i2 = k × sin i1.
b. k est le coefficient directeur de la droite : k ≈ 0,732.
Ici k est le résultat du rapport de deux sinus ; il n’a donc pas d’unité.
n
c. D’après le doc. 1, k = 1 avec n1 l’indice de réfraction de l’air et
n
2
n2 celui de l’eau.
1,00
n1
Donc n2 =   soit  n2 ≈
≈ 1,37.
0,732
k
La valeur de référence est 1,33. Aux erreurs expérimentales près,
la détermination peut être validée.

2. Voir tableau ci-dessous.
3. Les mesures montrent que lorsque l’angle d’incidence i1 croît,
l’angle de réfraction croît. Cela confirme les idées de Ptolémée.
Les mesures montrent que le rapport des deux angles n’est pas
constant, donc que l’on ne peut pas écrire i2  = k  × i1. Il n’y a pas
proportionnalité entre ces deux angles. Cela ne confirme pas les
idées de Kepler.

5. On peut calculer un indice de réfraction grâce à des mesures d’angles
d’incidence et de réfraction et à la loi de Snell-Descartes relative aux
angles. Pour cela, on exploite une mesure ou une série de mesures,
l’indice de réfraction d’un des deux milieux étant déjà connu.

i1 (en °)

0

10

20

30

40

50

60

70

i2 (en °)

0

8

15

23

29

34

41

44

i2/i1

-

0,8

0,75

0,73

0,73

0,70

0,68

0,63

sin i1

0

0,17

0,34

0,50

0,64

0,77

0,87

0,94

sin i2

0

0,14

0,26

0,39

0,48

0,56

0,66

0,69

2

Dispersion de la lumière

3 p. 41 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Compléments

Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Le verre du prisme est un milieu dispersif : son indice de réfraction
n’est pas le même pour les différentes radiations de la lumière
b
qui le traverse. La loi de Cauchy n(λ0) = a + montre que plus la
λ20
longueur d’onde de la radiation est grande, plus l’indice de réfraction
est petit. Grâce aux quatre relations du prisme, on montre que les
radiations bleues sont plus déviées que les rouges.

Compétence mise en œuvre

aaInterpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche
par un prisme.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Nous avons choisi de mêler une approche historique et une approche
expérimentale pour travailler dans le cadre de la compétence « extraire l’information utile ».

Matériel et consommables
Matériel
• Une lampe à incandescence.
• Un générateur continu (6 ou 12 V selon la lampe à incandescence).
• Une fente.
• Une lentille convergente.
• Un prisme.
• Un écran de projection.

18

Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

Des compléments d’informations sur le prisme et les relations entre
les angles dans un prisme peuvent être trouvés aux adresse suivantes :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Prisme_%28optique%29
http://physique.coursgratuits.net/optique-geometrique/prisme.php

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Réponse à la question 2 :

Réponses
1. I. Newton a montré que la lumière est un mélange de lumières
colorées. Le prisme dévie différemment ces lumières colorées.
2. a. À la place du mot dispersion, J.-P. Maury utilise le verbe
« dévier ».
b.
Mur opposé
(écran de
projection)

Volets percés

3. a. On observe sur l’écran de projection un spectre constitué de
bandes colorées verticales (si la fente est en position verticale). Des
bandes rouge et violette délimitent le spectre à ses extrémités.
b. On observe que la partie bleue est effectivement plus déviée
que la partie rouge.
4. a. Le phénomène de réfraction permet d’expliquer la déviation
de la lumière lorsqu’elle traverse le prisme.
b. Quand les diverses radiations de la lumière blanche rencontrent
la première face du prisme, elles ont le même angle d’incidence.
On considère que l’indice de réfraction de l’air est le même pour
toutes ces radiations. Ces radiations sont réfractées avec des angles
différents selon leur longueur d’onde et sont ainsi séparées les unes
des autres. La seconde réfraction, à la sortie du prisme, accentue
le phénomène.

Prisme

3

Un phénomène atmosphérique

3 p. 42 du manuel

Compléments
Compétence mise en œuvre

aaAnalyser des documents scientifiques portant sur l’observation
du système solaire.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Le phénomène physique mis en jeu étant la réfraction de la lumière,
nous avons choisi de travailler la compétence « Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire. »

proposée dans le programme officiel, dans le thème « L’Univers »
(partie « Le système solaire »).
À travers l’exemple d’une situation concrète et spectaculaire, nous
avons voulu illustrer l’influence de l’atmosphère sur la propagation
de la lumière pour faire s’interroger les élèves sur les conséquences
en termes d’observations astronomiques.
Bien que le phénomène de réflexion totale (voir chapitre 11) apparaisse au point D du doc. 2, le questionnement cible l’absence de
réfraction en ce point, ce qui ne gêne pas la compréhension globale.

Compléments
Le site http://canigou.allauch.free.fr présente le phénomène et de nombreuses photographies.
Le schéma suivant peut être distribué aux élèves :
Mer Méditerranée

Mont
Canigou

Marseille

Ouest

Est

Réponses
1. a. Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne
droite.
b.
Mont
Canigou
Ouest

Mer Méditerranée

c.
Mont
Canigou
Ouest

Mer Méditerranée

Marseille
Est

Marseille
Est

Un rayon lumineux rectiligne émis par le sommet du mont Canigou
ne peut pas atteindre Marseille.
2. a. Les segments en pointillés violets représentent les normales
aux surfaces de séparation des différentes couches d’air.
b. Il y a réfraction en tous les points repérés sauf au point D.

Grâce aux multiples phénomènes de réfraction et grâce au phénomène de réflexion, un rayon lumineux émis par le sommet du mont
Canigou se courbe progressivement et peut atteindre Marseille.
3. La lumière peut être réfractée lorsqu’elle traverse les diverses
couches de l’atmosphère.
Ce phénomène peut gêner l’observation des astres depuis la Terre,
comme le montre l’activité : on croit voir des objets là où ils ne sont
pas (phénomènes de mirages).
Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

19

4

Observations astronomiques

3 p. 43 du manuel

Compléments
Compétences mises en œuvre

aaAnalyser des documents scientifiques portant sur l’observation
du système solaire.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Le phénomène physique mis en jeu étant la réfraction de la lumière,
nous avons choisi de travailler la compétence « Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire. »
proposée dans le programme officiel dans le thème Univers, partie
système solaire.

À travers l’exemple d’une situation concrète, nous avons voulu
illustrer l’influence de l’atmosphère sur la propagation de la lumière
pour faire s’interroger les élèves sur les conséquences en termes
d’observations astronomiques.
Bien que le phénomène d’absorption ne soit pas explicitement au
programme officiel de Seconde, le doc. 2 proposé permet de travailler
la compétence « extraire l’information utile sur divers supports »
(ces supports sont un texte et une représentation graphique).

Réponses

Étape 2 • Lire et comprendre les documents
1. On peut observer le système solaire depuis le sol en captant la
lumière émise par les astres (doc. 1).
2. L’indice de réfraction de l’air varie dans l’atmosphère, ce qui
entraîne des réfractions sur les diverses couches atmosphériques
(doc. 1). L’absorption par l’atmosphère de certains rayonnements
empêche ces rayonnements de parvenir jusqu’à la Terre (doc. 2).
Étape 3 • Dégager la problématique
Quels phénomènes physiques la lumière émise par les astres subit-elle
lorsqu’elle traverse l’atmosphère terrestre jusqu’à l’observatoire ?
Étape 4 • Construire la réponse
Les mots importants dans les doc. 1 et 2 sont : « indice de réfraction », « l’indice de réfraction de l’air augmente », « de multiples
réfractions », « toujours plus hauts dans le ciel qu’ils ne sont en
réalité », « émettent des rayonnements », « invisibles », « absorbés
par l’atmosphère ».

Ces mots importants permettent d’organiser les idées :
– L‘indice de réfraction de l’air n’est pas constant, il augmente quand
on se rapproche du sol.
– Les variations de l’indice de réfraction provoquent des réfractions.
– Ces réfractions conduisent à observer les astres plus haut dans le
ciel que leur position réelle.
– Certains rayonnements ne sont pas visibles. Il faut des instruments
adaptés pour les détecter (nécessité de progrès technologiques).
– Certains rayonnements ne parviennent pas au sol car ils sont
absorbés par l’atmosphère.
Étape 5 • Répondre
On pourrait penser que, jusqu’au début du xxe siècle, seule la
non-connaissance des rayonnements invisibles empêchait les astronomes d’observer correctement le système solaire. Cependant,
l’atmosphère terrestre gêne l’observation des astres même en
utilisant les rayonnements découverts :
– La lumière ne se propage pas en ligne de droite à cause de la
variation de l’indice de réfraction des différentes couches d’air (les
astres sont vus là où ils ne sont pas).
– De plus, certaines radiations sont absorbées par l’atmosphère et
ne peuvent pas être détectées sur Terre.
En conclusion, on ne perçoit pas tous les rayonnements émis par les
astres et la position de ces astres n’est qu’apparente et non réelle.

Exercices
QCM

3 p. 47 à 54 du manuel
Application immédiate

Un QCM supplémentaire interactif est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

1 1. B et C ; 2. B ; 3. A et C ; 4. A ; 5. C.
2 1. B ; 2. A.
3 1. B et C.

Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

5 Soit i1 l’angle d’incidence et i2 l’angle de réfraction pour un
rayon lumineux arrivant au niveau de la surface de séparation en I.
D’après la loi de Snell-Descartes, on a :
n1 × sin i1 = n2 × sin i2
Il vient :

n2 × sin i2
n1
1,00 × sin 45
sin i1 ≈

1,30
sin 
i1 ≈ 
0,54   donc i1 ≈ 33°.


sin i1 =

L’angle d’incidence i1 mesure approximativement 33°.
20

Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Pour la démarche suivie, voir la fiche 1, p. 320-323 du manuel.
Étape 1 • S’approprier la consigne où la question posée
1. Comment observe-t-on le système solaire ?
2. Quelle propriété de l’atmosphère terrestre peut faire obstacle
aux observations ?

Corrigés des exercices
Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).

15 La dispersion est le phénomène de séparation des radiations
d’une lumière polychromatique. Or, le schéma montre une radiation monochromatique. Il ne peut pas y avoir de séparation. Le
schéma est hors sujet.

6 1. La réfraction est le changement de direction de propagation
d’un faisceau lumineux passant d’un milieu de propagation transparent à un autre.

16 Le fait que l’indice de réfraction d’un milieu dépende de la longueur d’onde de la radiation qui le traverse est à l’origine du phénomène de dispersion de la lumière blanche.

2. a. n1 et n2 sont les indices de réfraction respectifs des milieux 1 et
2. Si le milieu 1 est le milieu incident, i1 est l’angle d’incidence et i2
l’angle de réfraction.
b. n1 et n2 n’ont pas d’unité ; les angles i1 et i2 doivent être exprimés
dans la même unité : le degré (ou le radian).

7 L’indice de réfraction est responsable du phénomène de réfraction de la lumière.
8 La lumière passe du verre à l’air.
iv2 est l’angle d’incidence et ia2 est l’angle de réfraction.

9 La schématisation suivante peut être proposée :
Normale
Air (1)
i1
I

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

i2

Eau (2)

avec i1 l’angle d’incidence et i2 l’angle de réfraction.

10 D’après la relation de Snell-Descartes :




n1 × sin i1
n2
1,00 × sin 25,0
sin i2 ≈
1,39
sin i2 ≈ 0,304 donc i2 ≈ 17,7°

17 L’utilisation d’instruments embarqués dans des satellites permet de s’affranchir des effets de l’atmosphère terrestre sur la lumière provenant des astres (par exemple, la réfraction).
18 L’absorption et la réfraction par les couches atmosphériques
sont deux effets de l’atmosphère pouvant gêner l’observation de
l’espace depuis la Terre.
19 1. Le caractère dispersif des lentilles est à l’origine d’aberrations chromatiques. Un prisme est aussi un système dispersif.
2. L’indice de réfraction d’une lentille dépend de la longueur d’onde
de la radiation qui la traverse. Or, l’indice détermine les propriétés
convergentes ou divergentes des lentilles. Chaque radiation lumineuse est réfractée différemment par la lentille, d’où l’apparition
des irisations colorées.

20 1. Si les yeux du poisson sont à la verticale de la proie, les
rayons lumineux issus de la proie arrivent avec une un angle d’incidence nul sur la surface de séparation air/eau. Le sinus de l’angle
d’incidence est nul. D’après la relation de Snell-Descartes, le sinus
de l’angle de réfraction est nul, donc l’angle de réfraction l’est aussi.
En conclusion, le rayon lumineux incident n’est pas dévié lorsqu’il
pénètre dans l’eau et le poisson voit la proie dans sa position réelle.
2. a. D’après le texte, les yeux du poisson sont sous l’eau, la proie
est au-dessus de l’eau. Les rayons lumineux provenant de la proie
sont réfractés avant de parvenir aux yeux du poisson.
Normale

Proie

sin i2 =

i1
I

Air
Eau

11 On cherche n1. D’après la relation de Snell-Descartes :


n × sin i2
n1 = 2
sin i1



1,21 × sin 30,6
n1 =
≈ 1,36
sin 27,0

12 1. La loi de Snell-Descartes pour la réfraction s’écrit :
n1 × sin i1 = n2 × sin i2
Pour i1 = 0°, sin i1 = 0, ce qui entraîne sin i2 = 0, car n2 est non nul.
Ainsi, l’angle de réfraction i2 mesure 0°.
2. Les angles i1 et i2 sont mesurés par rapport à la même direction,
la normale. Puisqu’ils sont égaux, les rayons incident et réfracté ont
la même direction ; la lumière n’a pas été déviée.

13 Un prisme est dispersif, car son indice de réfraction dépend de la
longueur d’onde de la radiation lumineuse qui le traverse. Cela a pour
conséquence de séparer les radiations d’une lumière polychromatique.

14 La dispersion est le phénomène de séparation des radiations
d’une lumière polychromatique à la suite de réfractions. Les radiations rouges ne sont pas réfractées en sortie du prisme ; le schéma
est faux.

i2
Œil du
poisson

b. On applique la relation de Snell-Descartes avec i1 = 20°.
n
1,00

sin i2 = air × sin i1 =
× sin 20
neau
1,33

sin i2 ≈ 0,26 donc i2 ≈ 15°
L’angle de réfraction mesure environ 15°.
3. La proie ne se trouve pas là où le poisson la voit d’où la difficulté
pour viser.

21 Traduction : Capturez des effets photographiques étonnants avec
un verre d’eau
La réfraction de la lumière est un des phénomènes les plus couramment
observés et depuis longtemps l’un des préférés des photographes. […] C’est
en fait un effet photographique plutôt simple que vous pouvez reproduire
partout. […]
Pour ce projet, vous aurez besoin de fabriquer un simple fond. Nous avons
fait des bandes diagonales noires et blanches […] vous pouvez même utiliser de la couleur. Placez des verres très propres devant l’arrière-plan et
Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

21

remplissez-les avec de l’eau sur différentes hauteurs. […] Utilisez un trépied
puisque de faibles variations d’angle de prise de vue auront un effet sur […]
les motifs. La lumière du jour convient très bien, mais nous utiliserons ici un
flash car nous travaillons sous faible luminosité.
1. La réfraction, à l’origine de l’effet visuel décrit dans le texte, est
le changement de direction de propagation d’un faisceau lumineux
passant d’un milieu de propagation transparent à un autre.
2. Le fond strié au-dessus des verres (C) sert de témoin : la lumière
ne subit aucune réfraction entre le fond et l’appareil photographique. Les bandes ne sont pas déformées.
Pour les deux autres portions encadrées (A) et (B), on observe une
déformation des bandes. Il y a donc eu réfraction. Pour la portion
(A), il y a réfraction quand la lumière pénètre dans le verre, puis
quand elle repasse du verre à l’air ; cela se produit à deux reprises
sur les faces avant et arrière du verre. Pour la portion (B), il y a
réfraction quand la lumière pénètre dans le verre, puis quand elle
passe du verre à l’eau, puis de l’eau au verre et enfin du verre à l’air.

nair × sin i1 = nR × sin i2R. De même, pour un rayon violet arrivant sur
la pierre avec le même angle d’incidence : nair × sin i1 = nV × sin i2V.
b. D’après la question précédente :
n
n
sin i2R = air × sin i1  et  sin i2V = air × sin i1
nR
nV
Puisque nR < nV, il vient :
n
1
1
  et   air
>
nR
nR nV

× sin i1 >

nair
× sin i1
nV

donc sin i2R > sin i2V
Ceci entraîne i2R > i2V.
De plus, comme nR > nair, il vient sin i2V < sini1 et donc i2V < i1.
De même, on montre que i2R < i1.
Lors de la réfraction, les rayons lumineux se rapprochent donc de la
normale à la surface de séparation.
Finalement, on a i1 > i2R > i2V.

3. Le phénomène de réfraction fait intervenir les angles d’incidence
et de réfraction. Si on bouge l’appareil photographique, il ne recevra pas les mêmes rayons réfractés et les motifs observés ne seront
pas les mêmes.

Les déviations de ces rayons lumineux s’écrivent i1 – i2R et i1 – i2V,
d’où i1 – i2R < i1 – i2V.

22 1. On complète la dernière colonne avec les valeurs issues de
la lecture du schéma :

Schématiquement et sans souci d’échelle :

i1 = 60°



Pour une même incidence, le rayon rouge sera moins dévié en pénétrant dans la pierre que le rayon violet.

i2 = 40°

et du calcul des sinus :
sin i1 ≈ 0,87

i1

sin i2 ≈ 0,64

i1

2.
sin i1
sin i1 = 1,36 × sin i2

3. En notant Cd le coefficient de dispersion, la définition permet
d’écrire Cd = nV – nR.

0,6
0,4

0,2

0,4

0,6

0,8
sin i2

Voir fiche 7, p.328-329 du manuel, pour la représentation graphique avec un tableur et la modélisation.
3. La représentation graphique est une droite passant par l’origine
du repère, sin i1 est donc une fonction linéaire de sin i2 : il y a proportionnalité entre sin i1 et sin i2.

soit

nR = 2,453 – 0,044 = 2,409

24 1. a. La dispersion est le phénomène de séparation des radiations d’une lumière polychromatique. Une radiation monochromatique est caractérisée par une longueur d’onde unique ; son spectre
ne comporte qu’une seule raie colorée. Une radiation polychromatique est la superposition de radiations monochromatiques.
b. L’indice de réfraction du prisme est plus faible pour la radiation
dans le domaine du rouge que pour celle dans le domaine du bleu.
2. a. Pour la première réfraction, la loi de Snell-Descartes relative
aux angles s’écrit :
nair × sin i1 = n × sin i2

Cela est bien en accord avec la loi de Snell-Descartes relative
aux angles pour la réfraction qui s’écrit n1  × sin i1 = n2  × sin i2 ou
n
sin i1 = 2 × sin i2. Les sinus des angles i1 et i2 sont bien proportionnels.
n1

où n est l’indice de réfraction du prisme. Il vient :
n
sin i2 = air × sin i1
n

4. Le coefficient directeur de la droite obtenue est égal à 1,36, donc
n2
1,36.
n1 =

L’indice de réfraction n dépend de la longueur d’onde de la radiation (cf. 1b). Comme il est au dénominateur de l’expression précédente, plus n est petit et plus sin i2 est grand, donc plus i2 est grand.

On a donc n2 = n1 × 1,36, soit n2 = 1,00 × 1,36 = 1,36.

L’angle de réfraction i2 est donc plus grand pour la radiation dans le
domaine du rouge que pour celle dans le domaine du bleu : i2R > i2B.

L’indice de réfraction du liquide étudié est 1,36.
5. Il s’agit de l’éthanol.

23 1. Le phénomène observé est la dispersion, qui trouve son origine dans le phénomène de réfraction.
2. a. On étudie la réfraction lorsque les rayons lumineux passent de
l’air au diamant. La loi de Snell-Descartes pour un rayon rouge s’écrit
22

nR = nV – Cd

L’indice de réfraction nR du diamant est 2,409.

0,2

0

On obtient

Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

La déviation d’une radiation correspond à i1 – i2. Les angles i1 étant les
mêmes pour toutes les radiations incidentes, il vient i1 – i2R < i1 – i2B.
La radiation bleue est la plus déviée lors de la première réfraction.
b. Après la première réfraction, les rayons lumineux rencontrent la
seconde face du prisme avec un angle d’incidence i3 d’autant plus
faible que le premier angle de réfraction est grand : i3R < i3B.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

0,8

La grandeur représentée en abscisse est le sinus de l’angle d’incidence i1. Celle représentée en ordonnée est le sinus de l’angle de
réfraction i2.

Pour la radiation du domaine du rouge :
nR × sini3R = sin i4R
Pour la radiation du domaine du bleu :
nB × sini3B = sin i4B
Avec i3R < i3B et nR < nB, on obtient i4R < i4B pour les angles de réfraction en sortie du prisme.
La déviation correspond à i4R – i3R et i4B – i3B. Avec les inégalités
précédentes, on peut écrire que :
i4R – i3R < i4B – i3B
La radiation bleue est la plus déviée lors de la seconde réfraction.
3. Le spectre est discontinu, il est constitué de deux raies, une bleue
et l’autre rouge.
4. Sur l’écran, on voit séparément les deux raies, la rouge est la
moins déviée et la bleue est la plus déviée.

La droite obtenue passant par l’origine traduit une proportionnalité
entre ces deux grandeurs.
D’après la loi de Snell-Descartes relative aux angles pour la réfracn
tion, le coefficient de proportionnalité est 1. C’est aussi le coeffin2
cient directeur de la droite ; il vaut 0,67.
Puisque n1 vaut 1,00, l’indice n2 recherché est l’inverse de cette valeur, soit n2 = 1,5.
• Conclusion revenant sur la problématique :
L’indice de réfraction peut être considéré égal à celui du plexiglas
(aux erreurs de mesure près). Le matériau peut être du plexiglas. On
ne peut pas avoir de certitude, car la détermination du coefficient
directeur sur le graphique n’est pas très précise.

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 25.
Faisceau
incident

Rouge

26 1. Le rayon incident est le rayon émis par l’étoile et qui arrive
en I sur la vitre.

Bleu

2. Au cours de la traversée, la lumière change deux fois de milieu
de propagation : air  verre, puis verre  air. Elle sera réfractée
deux fois.
Écran

3. a. L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 sont liés par
nair × sin i1 = nV × sin i2.

25 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)

b. Au niveau de la deuxième réfraction, l’angle d’incidence i3 et
l’angle de réfraction i4 sont liés par :

1. La relation faisant intervenir l’indice de réfraction du plexiglass
est la relation de Snell-Descartes.

2. En abscisse du graphique, il y a le sinus de l’angle i1 ; en ordonnée,
il y a le sinus de l’angle i2.
Sur le graphique, on constate que sin i1  > sin i2. D’après la loi de
Snell-Descartes, on peut en conclure que n1 < n2. L’un des milieux
de propagation étant l’air, d’indice de réfraction égal à 1,00 ; il a
l’indice de réfraction le plus petit, donc son indice de réfraction est
n1. L’autre milieu a l’indice de réfraction n2.

c. Les angles i2 et i3 sont des angles alternes-internes, donc i2 = i3.
4. D’après la loi de Snell-Descartes relative aux angles pour la réfraction et l’égalité i2 = i3, il vient :
nair × sin i1 = nair × sin i4
Les angles i1 et i4 sont donc égaux et sont mesurés par rapport à
la normale de la vitre, ici l’horizontale, ce qui signifie que le rayon
émergeant de la vitre est parallèle au rayon incident.

27 1. a. L’angle entre le faisceau incident horizontal et la droite
(AB) verticale est de 90°.

3. La représentation graphique obtenue est une droite passant par
l’origine du repère. Il y a donc proportionnalité entre les deux sinus :
sin i2 = k × sin i1.
0,60
≈ 0,67.
4. Le coefficient directeur est k ≈
0,90
n
1
D’après la loi de Snell-Descartes, k = 2, donc n2 = , soit
n1
k’
n2 = 1 ≈ 1,5.
0,67

b. L’angle d’incidence (angle entre la normale et le rayon incident)
est nul lorsque le faisceau pénètre dans le prisme. La relation de
Snell-Descartes relative aux angles pour la réfraction implique que
l’angle de réfraction est nul lui aussi. Le faisceau n’est pas dévié lorsqu’il pénètre dans ce prisme.

L’indice de réfraction peut être considéré égal à celui du plexiglas
(aux erreurs de mesure près). Le matériau peut être du plexiglas.

AJI + IAJ + JIA = 180°  avec  JIA = 90°

b. On note I et J les deux points d’incidence. Dans le triangle AIJ,
rectangle en I par construction :

D

D

D

D

D

Sur le schéma, on peut lire IAJ = 30°.

A

D

D

Une réponse possible

2. a. La somme des angles dans un triangle est de 180°.

Il vient donc AJI = 90 – IAJ,  soit
AJI = 60° et l’angle d’incidence sur la
face [AC] est i = 90 – AJI, soit i = 30°.

D

• Introduction présentant la problématique :
Pour savoir si le matériau testé est du plexiglas, on cherche son indice de réfraction et on le compare à celui donné du plexiglas.
• Mise en forme de la réponse :
L’indice de réfraction du plexiglas intervient dans la loi de Snell-Descartes relative aux angles pour la réfraction.
Elle s’écrit n1 × sin i1 = n2 × sin i2. L’indice du milieu incident est celui
de l’air, qui est inférieur à celui du matériau testé. Le sinus de l’angle
d’incidence doit donc être supérieur à celui de l’angle de réfraction.
D’après la représentation graphique, sin i1  > sin i2, donc n1 est l’indice de réfraction de l’air et n2 celui du matériau testé.

I

D

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Elle s’exprime par n1 × sin i1 = n2 × sin i2 d’où il vient :
n × sin i1
n2 = 1
sin i2

nV × sin i3 = nair × sin i.

i

J

i'

c. La loi de Snell-Descartes relative aux
angles pour la réfraction, avec les notations du schéma précédent, donne :
B
C
nprisme
sin i’ =
× sin i

nair
1,70
sin i’ =
× sin 30 ≈ 0,85 donc i’ ≈ 58°.

1,00
3. Les prismes, systèmes dispersifs, peuvent être utilisés pour réaliser le spectre de lumières provenant des étoiles, afin de déterminer
la composition chimique de leur atmosphère.
Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

23

28 1. a. Le CO2 laisse passer les radiations dans l’UV, le visible, le
proche IR et l’IR lointain.
Le CO2 absorbe des radiations dans l’IR moyen.
b. L’eau laisse passer les radiations dans l’UV et le visible.
L’eau absorbe des radiations dans le proche IR, dans l’IR moyen et
les radiations dans l’IR lointain.
c. Ces deux composés n’absorbent pas dans le visible. Même s’ils
sont présents dans l’atmosphère terrestre, il n’est pas nécessaire
d’en tenir compte.
2. Dans l’IR, ces deux molécules absorbent certaines radiations, il
faut tenir compte de leur présence.

2. En pénétrant dans l’atmosphère, la lumière des astres change de
milieu de propagation. Il y a réfraction. De plus, à l’intérieur de l’atmosphère, à cause des mouvements d’air, il y a réfraction à chaque
fois que l’indice de réfraction change.
3.
Télescopes spatiaux
Avantages
pas de perturbation due à
l’atmosphère terrestre

3. L’utilisation de télescopes embarqués permet de s’affranchir de
l’absorption de radiations par l’atmosphère terrestre.

29 1.
Nom : VLT (Very Large Telescope)
Âge : 16 ans en 2014
Nationalité : européenne

taille des miroirs limitée par la
faisabilité et le coût de la mise
en orbite

Télescopes terrestres
Avantages

Inconvénients

possibilité de construire de très
grands miroirs

perturbations dues à l’atmosphère terrestre nécessitant des
systèmes correcteurs (optique
adaptative)

Taille : 4 fois 8,2 m de diamètre
pour les télescopes principaux ;
4 fois 1,8 m de diamètre pour les
télescopes auxiliaires.
But : étude des galaxies, des étoiles
et des planètes

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Équipement : système d’optique
adaptative

Adresse : site de Cerro Paranal, Chili,
Terre.

Inconvénients

24

Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues

Indicateurs de réussite permettant d’attribuer le niveau
de maîtrise « A »
• Les informations importantes sont extraites :

Extraire des informations des documents.

S’approprier

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

Reformuler, dégager la problématique principale.
Conduire un raisonnement :
– proposer une stratégie de réponse ;
Analyser

– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;
– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;
– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir.

Réaliser

Exploiter un graphique et des données.
Résoudre le problème.

– Les grandeurs portées sur les axes sont correctement repérées.
– L’alignement des points avec l’origine du repère montre une
proportionnalité.
• Les connaissances nécessaires à la résolution sont maîtrisées et
restituées :
– La loi de Snell-Descartes est connue.
– La possibilité de caractériser un matériau par son indice de
réfraction est connue.
• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : Quel est l’indice de réfraction du matériau testé ? En comparant cet indice et celui du plexiglas, indiquer si le matériau peut être du
plexiglas.
• Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :
– calculer le coefficient directeur de la droite ;
– établir le lien entre le coefficient directeur de la droite et le rapport des
indices de réfraction ;
– calculer l’indice de réfraction du matériau ;
– comparer cet indice de réfraction avec celui du plexiglas.
• Les relations littérales, ainsi que les applications numériques,
sont correctes.
• L’écriture de l’indice de réfraction du matériau est correcte (pas
d’unité, nombre limité de chiffres significatifs).
• La comparaison avec l’indice de réfraction est correcte.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :
Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;
– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.

• La réponse est donnée et revient sur la question de départ.
• L’élève fait preuve d’esprit critique : la précision de la détermination du coefficient directeur n’est pas suffisante pour exprimer
l’indice de réfraction du matériau avec 3 chiffres significatifs.

• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.
Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

Chapitre 3 1Réfraction et observations astronomiques

25

Chapitre

4

L’atome
Programme officiel
Notions et contenus

Compétences attendues

Un modèle de l’atome.

Connaître la constitution d’un atome et de son noyau.

Noyau (protons et neutrons), électrons.

Connaître et utiliser le symbole .

Nombre de charges et numéro atomique Z.

Savoir que l’atome est électriquement neutre.

Nombre de nucléons A.

Connaître le symbole de quelques éléments.

Charge électrique élémentaire, charge des constituants de l’atome.

Savoir que la masse de l’atome est pratiquement égale à celle de son noyau.

Électroneutralité de l’atome.
Masse des constituants de l’atome ; masse approchée d’un atome et de
son noyau.
Dimension : ordre de grandeur du rapport des dimensions respectives
de l’atome et de son noyau.
Eléments chimiques.

Savoir que le numéro atomique caractérise l’élément.

Isotopes, ions monoatomiques.

Pratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la conservation des éléments
au cours d’une réaction chimique.

Caractérisation de l’élément par son numéro atomique et son symbole.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde

Activités

1

Évolution des idées sur l’atome

3 p. 56-57 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Conseils

La frise complétée avec le modèle de Rutherford est disponible dans
le manuel numérique enrichi.

• Quelques précautions doivent être prises concernant cette activité
avec les élèves. En effet, travailler sur une chronologie peut laisser
croire aux élèves que le progrès est linéaire et cumulatif.

Les animations « Histoire des modèles atomiques – L’atome, des
philosophes grecs aux scientifiques du xxe siècle » et « Expérience
de Rutherford », ainsi que la simulation « Les modèles atomiques »,
peuvent être utilisées en complément de cette activité.

Compétences mises en œuvre

aaConnaître la constitution d’un atome et de son noyau.
aaSavoir que l’atome est électriquement neutre.
aaSavoir que la masse d’un atome est pratiquement égale à celle
de son noyau.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
L’activité propose une chronologie abrégée des grandes étapes de
l’évolution du modèle de l’atome. Elle permet de donner aux élèves
quelques grands repères temporels, de les amener à se situer dans
l’histoire humaine (en référence à leur programme d’histoire) et de
leur faire prendre conscience des changements et des polémiques
qui sont apparus.
26

Chapitre 4 1L’atome

• Il faut prendre garde à ne pas simplifier les faits et débats scientifiques liés à l’atome. C’est d’autant plus difficile compte tenu de la
brièveté avec laquelle est décrite chaque position des scientifiques.
• Chacun des scientifiques niant l’existence des atomes ou bien
ceux ayant construit des modèles très différents de celui que nous
connaissons actuellement l’ont fait pour d’excellentes raisons, au vu
des connaissances de l’époque et du contexte historique dans lequel
ils se trouvaient. Il est donc important que l’élève ne discrédite pas
leur travail ou leurs idées. Inversement, les autres ne doivent pas être
décrits comme des précurseurs ayant, contre tous, entrevu la vérité
avant les autres ou bien comme des génies ayant imaginé l’expérience
« cruciale » conduisant à la mise en place d’un nouveau modèle.
• Il est également important de mentionner aux élèves que des
théories et débats, autres que qui sont mentionnés dans cette
activité, ont existé.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Physique chimie 5e Les atomes sont représentés par des symboles.
Physique chimie 4e Les atomes présents dans les produits sont de même nature et en même nombre que dans les réactifs. L’atome est constitué
d’un noyau et d’électrons. La matière a une structure lacunaire. Les atomes et les molécules sont électriquement neutres ; l’électron et les
ions sont chargés électriquement.
Physique chimie 3e Étude de la réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer qui forme des ions fer (II) et du dihydrogène. Connaissance des formules
des ions Na+, Cl–, Cu2+, Fe2+ et Fe3+. Suivi du protocole expérimental afin de reconnaître la présence de certains ions dans une solution aqueuse.

Réponses
1. L’atome ne peut pas renfermer du vide (Démocrite : les atomes
pleins et immuables ; Aristote : la matière est pleine ; Dalton : une
sphère pleine ; etc.).
2. Pour expliquer que la quasi-totalité des particules α puisse
traverser les différentes couches d’atomes d’or de la feuille, il faut
admettre que le nombre de chocs est faible et donc que les atomes
ont, dans leur centre, un noyau qui occupe un très faible volume : on
peut parler du caractère lacunaire de l’atome. Ce noyau, sur lequel
« ricochent » les particules α, est massif. En revanche, les électrons
sont trop légers pour pouvoir dévier les particules α.
3. Une particule α passant près du noyau a tendance à s’en éloigner :
elle est donc repoussée par lui.
4. a. On en déduit que la charge du noyau a le même signe que celle
des particules α : elle est donc positive.
b. Schématisation de l’atome selon le modèle de Rutherford :

2

5. « Le noyau concentre la plus grande partie de la masse de l’atome. »
6. Une fois l’existence de l’atome admise par la communauté scientifique, il s’est agi de le modéliser. Des scientifiques ont imaginé
que l’atome était indivisible, plein, massif. Le caractère lacunaire
de l’atome a été mis en évidence lors d’une célèbre expérience en
1909 par le physicien britannique Sir E. Rutherford (1871-1937).
Lorsqu’il bombarda des atomes d’or avec des particules positives
α, il constata que la quasi-totalité de ces particules traversaient les
feuilles d’or et que certaines étaient déviées. Il dut admettre que
les atomes ont, dans leur centre, un noyau qui occupe un très faible
volume et avança l’idée du caractère lacunaire de l’atome, ce qui
contribua à remettre en cause les modèles précédents. Il proposa
le modèle planétaire des atomes : des électrons tournent autour
d’un noyau chargé positivement, comme les planètes autour du
Soleil.

La planète Mars et l’élément fer

3 p. 58-59 du manuel

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Compléments
Ressources numériques

Conseils

Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Afin de disposer de suffisamment de précipité d’hydroxyde de fer (III),
il est conseillé de verser un volume d’environ 4 mL de solution d’acide
chlorhydrique sur la poudre de fer contenu dans le tube à essais n° 1.

Compétence mise en œuvre

aaPratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la conservation
des éléments au cours d’une réaction chimique.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
La partie A de l’activité est à faire en autonomie et sert de contextualisation à la partie B (expérimentale). C’est l’avantage de cette
activité par rapport à celle, plus classique, sur la conservation de
l’élément cuivre : on peut la contextualiser grâce à la planète Mars.

Après quelques minutes en agitant légèrement (ne pas boucher le
tube à essais à cause du dégagement de dihydrogène), récupérer la
solution surnageante (contenant les ions Fe2+) et la verser dans le
tube à essais n° 2 propre.
La transformation de l’oxyde de fer (III) en fer, en présence d’aluminium est une réaction violente. Il est préférable de la montrer aux
élèves à partir de la vidéo suivante par exemple :
http://www.spc.ac-aix-marseille.fr/labospc/spip.php?article112
http://youtu.be/lR_Mkrmxgdk
http://youtu.be/wZ1vWN8qBew

Matériel et consommables
Matériel
• Trois tubes à essais par poste.

Consommables (quantités par poste)
• Du fer en poudre (2 g).

• Une baguette de verre.

• Une solution d’acide chlorhydrique à 1 mol·L–1 (10 mL).

• Une spatule.

• Une solution d’hydroxyde de sodium à 2 mol·L–1 (10 mL).

• Un support de filtration simple.
• Un entonnoir et un filtre.
• Un bécher de 50 mL.
• Un bec électrique.
• Une pince en bois.
• Une pissette d’eau distillée.
• Une paire de lunettes de protection.

Chapitre 4 1L’atome

27

Compléments
Le cycle suivant peut être distribué aux élèves :
Fe (s)

Réaction avec
l’acide chlorhydrique

Réaction avec les ions
hydroxyde HO –

Réaction avec
l’aluminium
Réaction avec
le dioxygène de l’air
en milieu humide
Fe(OH) 3 (s)

Déshydratation

Précipité vert d’hydroxyde
de fer Fe(OH)2 :

Phase surnageante
contenant les ions Fe2+ :

Précipité rouge d’hydroxyde de fer Fe(OH)2 :

Oxyde de fer Fe2O3 :

Réponses
1. La planète Mars est rouge en raison de la présence à sa surface
de poussières d’oxyde de fer Fe2O3 (s).
2. L’oxyde de fer se serait formé à partir de la réaction chimique
entre l’élément fer sous la forme d’ions Fe2+ et l’élément oxygène.
3. a. En anglais, fer se dit iron. Dans le spectre proposé, on observe
des raies d’émission relatives au fer, ce qui révèle la présence de fer
à la surface de la planète Mars.
b. Les raies du fer sont :
– comprises entre 240 nm et 280 nm à domaine ultraviolet (UV) ;
– comprises entre 400 nm et 410 nm à domaine du visible.
4. Protocole expérimental permettant d’obtenir de l’oxyde de fer
Fe2O3 (s) :
Manipuler les solutions avec des gants. Porter une blouse de protection
et des lunettes de sécurité.
• Formation des ions fer Fe2+ : introduire la solution d’acide chlorhydrique dans un tube à essais contenant de la poudre de fer. Laisser
la réaction se dérouler pendant quelques minutes.
• Formation du précipité d’hydroxyde Fe(OH)2 (s) : verser la solution surnageante, qui contient les ions fer Fe2+, dans un tube à
essais propre et sec. Introduire avec précaution environ la solution
d’hydroxyde de sodium.
• Formation du précipité d’hydroxyde Fe(OH)3 (s) : filtrer le contenu
du tube à essais et laisser le précipité d’hydroxyde de fer Fe(OH)2,
vert, s’oxyder entièrement en hydroxyde de fer Fe(OH)3, rouge.

28

Chapitre 4 1L’atome

• Formation de l’oxyde de fer Fe2O3 (s) : introduire le précipité
d’hydroxyde de fer Fe(OH)3 dans un tube à essais propre et sec à
l’aide d’une baguette de verre. Chauffer légèrement le tube à essais
afin de réaliser la déshydratation de l’hydroxyde de fer Fe(OH)3 et
obtenir l’oxyde de fer Fe2O3.
•  Formation du fer métallique Fe(s)  : chauffer fortement un mélange d’oxyde de fer Fe2O3 (s) avec de la poudre d’aluminium.
5.

Fe (s)
Réaction
avec
l’aluminium
Fe2O3 (s)

Réaction avec
l’acide
chlorhydrique

Déshydratation

Fe(OH)2 (s) Réaction
avec les ions
hydroxyde HO –
Fe(OH) 3 (s) Réaction avec

le dioxygène
de l’air
Fe(OH) 3 (s) en milieu humide

6. Synthèse numérique à réaliser par les élèves en précisant, pour
chaque expérience :
– la transformation chimique concernant l’élément fer ;
– schéma ou photo de l’expérience réalisée.
7. Au cours du cycle présenté à la question 5, on voit que, même si
les espèces obtenues à l’issu de chaque expérience sont différentes,
elles contiennent toutes l’élément fer. On peut dire qu’au cours des
transformations chimiques effectuées l’élément fer s’est conservé.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Quelques photos d’expériences :
Réaction entre l’acide
chlorhydrique et le fer :

Exercices

3 p. 63 à 70 du manuel

QCM

3. Charge du nuage électronique de l’atome de carbone :

Un QCM supplémentaire interactif est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

1 1. C ; 2. B et C ; 3. A et C ; 4. B et C ; 5. A et B.
2 1. A et C ; 2. B.
3 1. B ; 2. C ; 3. A et C.

Q’ = –Q = –9,6 × 10–19 C

11 1. Qnoyau = Z × e
Donc Z =

Qnoyau 1,28 × 10–18
8.
e = 1,60 × 10–19 =

2. Z = 8, donc il s’agit de l’atome d’oxygène.
3. L’atome étant électriquement neutre, son nombre d’électrons
est égal au nombre de protons du noyau : il possède 8 électrons.

12 1. L’ion possède plus de protons que d’électrons, il s’agit donc
d’un cation.

Application immédiate
Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

5 1. Le nombre de nucléons est A = m/mnucléon = 79.
Donc le nombre de protons est Z = A – N = 34.

2. Un cation est chargé positivement : X2+.

13 1. Ce cation a perdu deux électrons : la formule de l’ion magnésium est donc Mg2+.
2. Z = 12, le noyau de cet ion contient donc 12 protons. A = 24, le
noyau de cet ion contient donc :
A – Z = 24 – 12 = 12 neutrons

L’atome est électriquement neutre, donc il contient 34 électrons.

3. La charge du nuage électronique s’exprime par :

2. Sa notation symbolique est Se.
79
34

Qnuage = –(Z – 2) × e = –10 × e = 1,60 × 10–18 C

Corrigés des exercices

14 1. Cet ion porte une charge négative, c’est un anion.

Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).
© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

6 1. Il y a 9 protons dans le noyau de l’atome de fluor.
2. Le nombre de neutrons est N = A – Z = 10.

7 1. L’atome de cobalt possède 27 protons donc Z = 27.
Le nombre de nucléons est égal à A = 27 + 32 = 59.
2. L’atome étant électriquement neutre, son nombre d’électrons est
égal au nombre de protons du noyau : il possède donc 27 électrons.

8 1. Z = 79  et  A = 79 + 121 = 200.
2. L’atome possède 79 électrons, car il est électriquement neutre.
3. Masse des électrons :
m’ = 79 × mélectron = 7,20 × 10–29 kg
4. a. Masse des nucléons :
m’’ = A × mnucléons = 3,34 × 10  kg
–25

Donc m << m’’.
b. Masse m de l’atome : m ≈ m’’.

9 1. La masse m d’un atome est égale à la masse de ses nucléons,
donc de son noyau.
2. A = m/mnucléon
3. a. Pour cet atome de carbone :
–26
A = 2,00 × 10 = 12
1,16 × 10–27
b. Le nombre de neutrons de cet atome de carbone vaut donc
A – Z = 16 – 6 = 6.

10 1. Q = Z × e
2. Charge du noyau de l’atome de carbone :
Q = 9,6 × 10–19 C

2. Sa formule est X3–, il a donc gagné trois électrons par rapport à
l’atome neutre. Or, cet ion possède 10 électrons. L’atome neutre
correspondant possède donc 10 – 3 = 7 électrons. Un atome étant
électriquement neutre, son nombre de protons dans le noyau est
égal au nombre d’électrons dans le nuage électronique : il possède
donc 7 protons. Donc Z = 7.

15 1. « 14 » est le numéro atomique : l’atome possède 14 protons ; « 28 » est le nombre de nucléons ; « Si » est le symbole de
l’élément.
2. Cet atome est composé de 14 protons, 14 nucléons et 14 électrons.

16
Nombre de protons

6

7

17

20

Nombre de neutrons

7

8

19

21

Nombre d’électrons

6

7

18

18

Symbole de l’élément

C

N

Cl

Ca

Notation symbolique de l’atome
ou ion correspondant

13
6

C

15
7

N

Cl–

36
17

41
20

Ca2+

17 1.
Nom
de l’atome

Nombre
de protons

Nombre
de neutrons

Nombre
d’électrons

C

Carbone

6

6

6

12
7

N

Azote

7

5

7

13
6

C

Carbone

6

7

6

13
7

N

Azote

7

6

7

12
6

Chapitre 4 1L’atome

29

3. La notation symbolique de l’atome est 146 C.

18 1. Les notations qui ne correspondent pas à la notation d’un
élément chimique sont MG, na, CO et f. Ces symboles devraient
s’écrire Mg, Na, Co et F.
2. Carbone : C ; hydrogène : H ; cuivre : Cu.

2. Dans un ion Fe3 + , il y a :
• 26 protons, car Z = 26 ;
• 30 neutrons, car A – Z = 56 – 36 = 30.
Cet ion a perdu trois électrons par rapport à l’atome neutre, qui
contiendrait autant d’électrons que de protons. Il contient donc
26 – 3 = 23 électrons.
3. L’élément fer est caractérisé par son numéro atomique Z = 26.

20 1. et 2. Les ions monoatomiques proviennent d’un atome
ayant gagné (anion chargé négativement) ou perdu (cation chargé
positivement) un ou plusieurs électrons.
Nature et nombre d’électrons des ions monoatomiques :
Nature de l’ion

Nombre d’électrons

Ca2+

Cation

18

Na+

Cation

10

Mg

Cation

10

2+

K+

Cation

18

Cl–

Anion

18

21 1. La composition des isotopes de l’oxygène que l’on trouve
toujours sur Terre et dans le système solaire est, pour un échantillon d’atomes d’oxygène, le pourcentage de chacun des isotopes de
l’oxygène. Cette composition sur Terre et dans le système solaire
est connue.
2. Le noyau d’un atome d’oxygène 16 contient :
• 8 protons, car Z = 8 ;

2. On en déduit que :

Qnoyau 1,44 × 10–18
9
e = 1,60 × 10–19 =

Le noyau de fluor contient donc 9 protons.
3. L’atome étant électriquement neutre, son nombre d’électrons est
égal au nombre de protons du noyau : il possède donc 9 électrons.
4. L’ion fluorure, de symbole F–, est un atome de fluor qui a gagné
un électron. Il possède donc un électron de plus que l’atome neutre
correspondant, soit 10 électrons.

24 1. Un atome de fer qui a perdu trois électrons est un ion de
formule Fe3+.
2. L’ion oxyde est un atome d’oxygène qui a gagné deux électrons :
sa formule est donc O2–.
3. FexOy est neutre, ce qui implique que 3x – 2y = 0, ou 3x = 2y. Les
entiers x = 2 et y = 3 sont les plus petits entiers qui satisfont à cette
condition. La formule de l’oxyde de fer est donc Fe2O3.

25 Traduction : Le copernicium
En juin 2009, l’Union internationale de chimie fondamentale et appliquée (IUPAC) a officiellement donné le nom de copernicium à l’élément
chimique ayant le numéro atomique le plus élevé jamais rencontré. L’UICPA a suivi la proposition de Sigurd Hofman et al., scientifiques du centre
d’Helmholtz qui l’ont synthétisé pour la première fois en 1996, en le nommant en hommage à Nicolas Copernic (1473-1543), le célèbre scientifique considéré comme l’un des pères de la physique moderne. Le numéro
atomique du copernicium est 112 et sa formule chimique Cn. Son isotope
le plus stable possède 285 nucléons. Jusqu’à présent, à peine une centaine
d’atomes de Copernicium ont été synthétisés, ce qui explique que ses caractéristiques physiques et chimiques ont été principalement prévues au
moyen de calculs émanant des quelques résultats expérimentaux à disposition des scientifiques. Il semble que le copernicium pourrait avoir des propriétés chimiques similaires à celles d’un gaz noble.

• 8 neutrons car A – Z = 16 – 8 = 8.

1. Chemical element : élément chimique caractérisé par son numéro
atomique Z.

3. Le noyau d’oxygène 18 contient 18 neutrons dont 8 protons : sa
notation symbolique est donc 188O.

Proton, neutron : les particules du noyau, la première étant chargée
positivement, la seconde neutre.

4. Les atomes d’oxygène 16 et d’oxygène 18 n’ont pas la même
masse, car ils ne contiennent pas le même nombre de nucléons. Or,
la masse d’un atome est essentiellement celle de son noyau, donc
de ses nucléons. L’atome d’oxygène 18 est donc plus lourd que
l’atome d’oxygène 16.

Nucleus : noyau, composé de protons et de neutrons.

22 1. « État natif » signifie sous forme d’atomes et non d’ion ou
de combinaison avec d’autres éléments.
2. Le noyau d’atome d’arsenic contient :
• 33 protons, car Z = 33 ;
• 42 neutrons, car A – Z = 75 – 33 = 42.
3. La notation symbolique de l’atome d’arsenic est donc 75
33As.
4. L’atome étant électriquement neutre, son nombre d’électrons
est égal au nombre de protons du noyau : il possède donc 33 électrons.
5. La charge de son nuage électronique vaut :

30

23 1. La charge du noyau est proportionnelle au nombre de protons dans ce noyau selon la relation Qnoyau = Z × e.
Z=

19 1. Les hommes préhistoriques ont utilisé les ocres comme pigments. Ceux-ci étaient disponibles sous formes de roches.

Formule de l’ion

7. Le pictogramme 1 indique que l’anhydride arsénieux est un produit toxique, le pictogramme 3 qu’il est corrosif et le pictogramme
4 qu’il est dangereux pour l’environnement.

2. L’atome de copernicium possède le plus haut numéro atomique
jamais rencontré.
3. L’isotope le plus stable du copernicium possède 112 protons,
car son numéro atomique est Z = 112. Son noyau contient 285 nucléons. Sa représentation symbolique est donc 285
112Cn.
4. Le nombre de neutrons contenus dans son noyau vaut
A – Z = 285 – 112 = 173.
5. Ce qui distingue la centaine d’atomes de copernicium synthétisés
est leur nombre de neutrons.

26 1. a. L’atome de fer est électriquement neutre, donc il possède
26 électrons.
b. A = 26 + 33 = 59 et Z = 26. Sa notation symbolique est donc 59
26Fe.
2. a. Le noyau de l’atome nickel possède 59 nucléons.

Qnuage = –Z × e = –33 × 1,60 × 10–19 = –5,3 × 10–18 C

b. Deux atomes isotopes possèdent le même nombre de protons.
Les atomes de fer et de nickel ne sont donc pas isotopes.

6. L’ion As3+ est un atome d’arsenic qui a perdu 3 électrons. Il possède donc 30 électrons.

27 1. L’ion sulfure est un anion, car il porte une charge négative.

Chapitre 4 1L’atome

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

2. Les atomes 126 C et 136 C sont isotopes, ainsi que les atomes 127 N et
N.

13
7

2. Il contient deux électrons de plus que de protons. Il possède donc
18 électrons, 16 protons et par déduction 17 neutrons.

29 1. L’axe des abscisses représente le nombre de nucléons A du
noyau.

3. A  = 16 + 17 = 33 et Z  = 16. La notation symbolique cet atome
de soufre est donc 33
16S.

2. L’énergie de liaison par nucléon est nulle pour le noyau d’hydrogène. En effet, son noyau ne contient qu’un nucléon (un proton) ;
il n’est donc lié à aucun autre nucléon et n’a donc aucune énergie
de liaison.

4. a. La charge du noyau de l’ion sulfure vaut :
Qnoyau = Z × e = 16 × 1,60 × 10–19 = 2,6 × 10–18 C
b. La charge de son nuage électronique vaut :
Qnoyau = –(Z + 2) × e = –18 × 1,60 × 10–19 = –2,9 × 10–18 C
5. Le cinabre a pour formule HgS. Or, on a vu que l’ion sulfure a
pour formule S2–. Comme le cinabre est électriquement neutre,
l’ion mercure a pour formule Hg2+.

28 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)
1. Le diamant est formé d’atomes de carbone 12.
2. Un diamant de 1,1 carat coûte 15 000,00 euros.
3. Le carat est directement lié à la masse du diamant. Un diamant
de 5,0 carats pèse 1,0 g.
4. Un atome de carbone 12 a une masse :
matome = A × mnucléon = 12 × 1,67 × 10–27 kg
matome = 2,00 × 10–26 kg

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

5. Un diamant de 1,1 carat pèse :
1,1
mdiamant =
= 0,22 g
5,0
6. Le diamant de 1,1 carat contient :
0,22
22
N=
= 1,1 × 10 atomes
2,00 × 10–23
Un de carbone 12 contenu dans un diamant de 1,1 carat coûte
donc :
15 000
–18
= 1,4 × 10 €
1,1 × 1022

Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Les diamants sont des pierres précieuses qui coûtent très cher.
Qu’en est-il du prix d’un atome de diamant ?
• Mise en forme de la réponse :
Un diamant de 1,1 carat pèse :
1,1
mdiamant =
= 0,22 g
5,0
Un atome de carbone 12 a une masse :

3. L’énergie de liaison de l’hélium vaut ℰL = 11,2 × 4 = 44,8 J. L’énergie de liaison de son isotope, l’hélium vaut ℰL = 3,8 × 3 = 11,4 J.
4. La différence entre les noyaux de 21H et de 11H tient au nombre
de neutrons qu’ils contiennent. Le premier n’en a pas, le second en
contient un.
5. a. D’après le graphique, le noyau qui a la plus grande valeur de ℰL
A
est le noyau de fer 56, qui est composé de 56 nucléons dont 26 protons et 56 – 26 = 30 neutrons.
b. Les noyaux mis en jeu dans la réaction de fusion donnée en
exemple dans le doc. 1 sont les noyaux de 11H et de 21H pour les
réactifs et le noyau de 32H pour le produit. D’après la courbe et la
position respective de ces trois noyaux, le noyau d’hélium formé est
plus stable que les réactifs à partir desquels il est formé.

30 1. Une supernova est une étoile très massive, appelée étoile
supergéante, qui explose après effondrement de son cœur.
2. a. Le Soleil ne peut pas évoluer en supernova, car sa masse est
trop faible.
MR
4,177 1 × 1031 21. Rigel est 21 fois plus massive
b.
=
=
M(Soleil) 1,989 1 × 1030
que le Soleil, elle peut donc être qualifiée de supergéante.
3. Au cœur d’une étoile supergéante sont produits, entre autres,
l’hélium, le carbone, l’oxygène, le néon et le magnésium, d’après le
schéma présenté en doc. 3.
4. L’uranium présent dans l’Univers provient de l’explosion de
l’étoile supergéante en supernova : les couches externes de l’étoile
sont expulsées, tandis que le cœur s’effondre et se transforme en
étoile à neutrons qui, à son tour, explose. La collision entre les neutrons résultant de cette deuxième explosion et les atomes issus des
couches externes de l’étoile expulsés précédemment produit les
noyaux lourds, plus lourds que le fer.
5. Ces trois noyaux sont qualifiés d’isotopes, car ils ont le même
nombre de protons, mais pas le même nombre de nucléons, donc
de neutrons.

matome = A × mnucléon = 12 × 1,67 × 10–27 kg

6. « Uranium 235 » signifie l’isotope de l’uranium contenant
235 nucléons. Cet isotope est constitué de :

matome = 2,00 × 10–26 kg

• 92 protons, car Z = 92 ;

Le diamant de 1,1 carat contient :
0,22
22
N=
= 1,1 × 10 atomes
2,00 × 10–23
Un « atome de diamant » coûte donc :
15 000
–18
= 1,4 × 10 €
1,1 × 1022
• Conclusion revenant sur la problématique :
Un « atome de diamant » coûte 1,4 × 10–18 €, ce qui est très faible.

• 143 neutrons, car A – Z = 235 – 92 = 143 ;
• 92 électrons dans le nuage électronique, car un atome étant électriquement neutre, il contient autant d’électrons que de protons.
7. L’uranium est bien une ressource non renouvelable, car il provient de l’explosion des supernovæ d’après le doc. 3.

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 32.

Chapitre 4 1L’atome

31

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues

Indicateurs de réussite permettant d’attribuer
le niveau de maîtrise « A »
• Les informations importantes sont extraites :

Extraire des informations des documents.

– Un atome de carbone 12 possède 12 nucléons.
– Un diamant de 5,0 carats pèse 1,0 g.
– Un diamant de 1,1 carat vaut 15 000 €.

S’approprier

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

• Il est clairement indiqué que la masse d’un atome est concentrée
dans le noyau.

Reformuler, dégager la problématique principale.

• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : Combien y-a-t-il d’atomes de carbone 12 dans un diamant de
1,1 carat ?

Conduire un raisonnement :

Analyser

– proposer une stratégie de réponse ;

Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :

– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;

– calculer la masse d’un atome de carbone 12 ;

– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;

– en déduire le prix d’un « atome de diamant ».

– calculer la masse d’un diamant de 1,1 carat ;

– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir.
• Les relations littérales, ainsi que les applications numériques,
sont correctes.
Réaliser

Effectuer des calculs littéraux et numériques.

• Les calculs numériques sont correctement effectués.
• L’écriture du résultat est correcte (unités, chiffres significatifs,
etc.).

Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;
– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.

• La réponse au problème est donnée et revient sur la question
de départ.
• L’élève fait preuve d’esprit critique : il conclut que le prix est très
faible car la masse d’un atome est très faible.

• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.
Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

32

Chapitre 4 1L’atome

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :

Chapitre

5

Classification périodique des éléments de l’Univers
Programme officiel
Notions et contenus

Compétences attendues

Répartition des électrons en différentes couches, appelées K, L, M.

Mettre en œuvre un protocole pour identifier des ions.

Répartition des électrons pour les éléments de numéro atomique compris
entre 1 et 18.

Dénombrer les électrons de la couche externe.

Les règles du « duet » et de l’octet.
Application aux ions monoatomiques usuels.
Classification périodique des éléments.
Démarche de Mendeleïev pour établir sa classification.
Critères actuels de la classification : numéro atomique et nombre d’électrons de la couche externe.

Connaître et appliquer les règles du « duet » et de l’octet pour rendre
compte des charges des ions monoatomiques usuels.
Localiser, dans la classification périodique, les familles des alcalins, des halogènes
et des gaz nobles.*
Utiliser la classification périodique pour retrouver la charge des ions
monoatomiques

Familles chimiques.*
*Contenu et compétence présents dans le thème santé uniquement.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique chimie 3e Formules des ions Na+, Cl –, Cu 2+, Fe2+ et Fe3+. Suivre un protocole expérimental afin de reconnaître la présence de certains
ions en solution aqueuse.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Activités

1

La charge des ions monoatomiques

3 p. 72 du manuel

Compléments

aaDénombrer les électrons de la couche externe.

puis d’utiliser ce modèle pour prévoir la formule d’autres ions
monoatomiques.

aaConnaître et appliquer les règles du « duet » et de l’octet pour

Conseils

Compétences mises en œuvre

rendre compte des charges des ions monoatomiques usuels.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Dans cette activité, nous avons choisi de faire émerger les règles du
« duet » et de l’octet à partir des formules d’ions monoatomiques
couramment rencontrés dans des minéraux.
Ce choix a été dicté par le fait qu’il est intéressant pour un élève
de proposer un modèle pour interpréter les résultats obtenus,

Cette activité peut être donnée en autonomie et sa correction
utilisée pour traiter en cours les règles du duet et de l’octet ainsi
que leur application pour rendre compte des charges des ions monoatomiques usuels.

Compléments
Le tableau suivant peut être distribué aux élèves :

Atome
Numéro atomique
Nombre d’électrons
Formule électronique
Formule chimique de l’ion
Nombre d’électrons de l’ion
Formule électronique de l’ion

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

33

Réponses
1. et 2.
Sodium Na

Aluminium Al

Oxygène O

Chlore Cl

Numéro atomique

11

13

8

17

Nombre d’électrons

11

13

8

17

K2 L8 M1

K2 L8 M3

K2 L6

K2 L8 M7

Formule chimique de l’ion

Na+

Al3+

O2–

Cl–

Nombre d’électrons de l’ion

10

10

10

10

K2 L8

K2 L8

K2 L8

K2 L8

Atome

Formule électronique

Formule électronique de l’ion

3. Tous ces ions ont 8 électrons sur la couche externe L.
4.

Tous ces ions ont 2 électrons sur la couche externe K.
Lithium Li

Béryllium Be

Numéro atomique

3

4

Nombre d’électrons

3

4

K2 L1

K2 L2

Formule chimique de l’ion

Li+

Be2+

Nombre d’électrons de l’ion

2

2

Formule électronique de l’ion

K2

K2

Formule électronique

2

La classification de Mendeleïev

5. a. He : 2 électrons ; formule électronique : K2.
Ne : 10 électrons ; formule électronique : K2 L8.
Ar : 18 électrons ; formule électronique : K2 L8 M8.
b. Les atomes conduisent à des ions monoatomiques stables qui
possèdent 2 ou 8 électrons externes, comme les gaz nobles (2 électrons externes pour l’hélium et 8 électrons externes pour le néon
et l’argon).
6. La formule électronique du fluor est K2 L7. Il forme l’ion F–, qui
possède 8 électrons externes.
La formule électronique du magnésium est K2 L8 M2. Il forme l’ion
Mg2+, qui possède 8 électrons externes.

3 p. 73 du manuel

Compléments
Compétence mise en œuvre
Cela fait partie des notions et contenus :

aaDémarche de Mendeleïev pour établir sa classification.
Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Nous avons choisi de traiter cette notion dans une activité qui peut
être réalisée en autonomie. Cette activité utilise des propriétés

physiques, les températures de fusion (dont beaucoup étaient à
la disposition de Mendeleïev) pour faire réfléchir les élèves à la
classification que Mendeleïev a proposée.
L’exercice 24, p. 84 du manuel, propose une étude différente de
la démarche de Mendeleïev, avec l’exploitation de ses conclusions
publiées dans son ouvrage Principes de chimie.

Réponses
1. Le critère actuellement utilisé est le numéro atomique.
2. a. La première colonne comporte l’hydrogène et le lithium. La
deuxième colonne comporte, dans l’ordre, le béryllium, le bore, le
carbone, l’azote, l’oxygène, le fluor et le sodium.
b. Les éléments de la deuxième colonne de la classification de
Mendeleïev constituent une grande partie de la 2e période de la
classification actuelle. Cependant, le sodium n’en fait pas partie,
puisqu’il appartient à la 3e période, et le lithium manque. L’hydrogène
appartient à la 1re période de la classification actuelle.
3. a. Le doc. 2 permet de vérifier que les éléments sont rangés
dans une colonne par masse croissante. On peut constater que le
nombre donné par Mendeleïev est souvent très voisin des masses,
dites molaires, données dans la classification actuelle.
Dans le doc. 3, on peut constater que les températures de fusions
des alcalins (lithium Li, sodium Na et potassium K) sont relativement
basses, alors que les températures de fusion des corps qui les suivent
(béryllium Be, magnésium Mg et calcium Ca) sont beaucoup plus
34

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

importantes, ce qui pourrait expliquer le changement de colonne
réalisé.
On peut aussi constater que les variations des températures de fusion
se ressemblent quand on passe d’une colonne de Mendeleïev à l’autre.
b. Les éléments appartenant à la ligne du fluor sont le chlore, Cl, le
brome, Br et l’iode, I. La fiche p. 332 du manuel montre que les ions
halogénure (chlorure Cl –, bromure Br– et iodure I–) donnent tous
des précipités avec l’ion argent Ag+.
Les éléments halogènes appartiennent à la colonne 17 de la classification actuelle.
4. Mendeleïev s’interroge sur la place de l’iode, I, et du tellure, Te,
car leur masse ne sont pas dans le bon ordre, alors que leur propriétés
physiques et chimiques les font placer dans cet ordre. La classification
actuelle lève cette incertitude, car les numéros atomiques de l’iode
et du tellure sont en accord avec ce classement. La différence peut
être due au nombre de neutrons contenus dans les noyaux de ces
atomes.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Atome

5. Après avoir rassemblé les informations disponibles sur les corps
connus à son époque, Mendeleïev a cherché à les classer par masse
atomique croissante, en rassemblant dans sur une même ligne les

3

corps qui avaient des propriétés physiques et chimiques similaires. Il
changeait de colonne quand des propriétés particulières réapparaissaient de façon à traduire une certaine périodicité de ces propriétés.

Une utilisation de la classification périodique

3 p. 74 du manuel

Compléments
Compétence mise en œuvre

aaUtiliser la classification périodique pour retrouver la charge des ions monoatomiques.
Compléments
Le tableau suivant peut être distribué aux élèves :
1

18

H

2

13

14

15

16

17

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Réponses

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

1.

1

18

H   K1

Li   K2L1

2
Be   K2L2

13

14

B   K2L3

C   K2L4

Na   K2L8M1

Mg   K2L8M2

Al   K2L8M3

Na

Mg

Al

+

2+

Si   K2L8M4

3+

2. a. Les atomes de la colonne 1 possèdent 1 électron externe et
ceux de la colonne 2 en possèdent 2.
b. La charge électriques des ions monoatomiques de la colonne 1
est +e et celle des ions de la colonne 2 est +2e.
c. Un atome de lithium appartient à la colonne 1 ; il possède 1
électron externe et forme un ion de formule Li+.
Un atome de béryllium appartient à la colonne 2 ; il possède 2 électrons externes et forme un ion de formule Be2+.
3. Un atome de bore appartient à la colonne 13 ; il possède 3 électrons externes et forme un ion de formule B3+.
4. Un atome d’oxygène appartient à la colonne 16 ; il possède
6 électrons externes et forme un ion de formule O2–. Un atome de
soufre appartient à la même colonne et formera des ions S2–.
Les atomes de fluor et de chlore appartiennent à la colonne 17 ; ils
possèdent 7 électrons externes et forme les ions de formule F– et Cl–.
5. a. Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Pour retrouver la charge d’un ion monoatomique à partir de la
place de son élément dans la classification périodique, il faut relier

15
N   K2L5

P   K2L8M5

16

17

O   K2L6

F   K2L7

O2–

F–

S   K2L8M6

Cl   K2L8M7

He   K2

Ne   K2L8

Ar   K2L8M8

Cl



la place de l’élément au nombre d’électrons externes des atomes
de cet élément.
• Mise en forme de la réponse :
Les atomes des éléments des colonnes 1, 2 ou 13 possèdent respectivement 1, 2 ou 3 électrons externes. Ils perdent ces électrons
pour donner les ions monoatomiques de formules respectives X+,
X 2+ ou X3+.
Les atomes des éléments des colonnes 15, 16 ou 17 possèdent
respectivement 5, 6 ou 7 électrons externes. Ils gagnent respectivement 3, 2 ou 1 électrons pour donner les ions monoatomiques
de formules X3–, X 2– ou X–.
• Conclusion revenant sur la problématique :
Il est donc possible de déduire la formule chimique d’un ion monoatomique de la place de son élément dans la classification périodique.
Cependant, il semble difficile de faire de telles prévisions pour les
éléments de la colonne 14.
b. Les résultats obtenus sont en accord avec les règles du duet et
de l’octet, puisque tous les ions obtenus possèdent une formule
électronique analogue à celle des gaz nobles les plus proches de
leur élément dans la classification périodique.

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

35

4

Des eaux minérales

3 p. 75 du manuel

Compléments
à d’autres ions. Une fiche décrivant les tests réalisables est disponible en fin de manuel, p. 332. Les élèves doivent, à l’examen des
documents, déterminer la nature des ions qui leur permettront
d’identifier les eaux proposées.

Ressources numériques
Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Compétence mise en œuvre

Conseils

aaMettre en œuvre un protocole pour identifier des ions.

• L’eau gazeuse de Vichy St-Yorre® sera dégazée pour éviter une
reconnaissance immédiate. Cela peut se faire par simple agitation de
la bouteille, suivie d’un dégazage par ouverture du bouchon. Les tests
sont réalisés en tubes à essais, en travaillant sur de faibles volumes
(1 mL, c’est-à-dire une hauteur d’environ 1 cm dans le tube à essais).

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Dans cette activité, nous avons choisi de proposer une démarche
d’investigation pour amener les élèves à réinvestir les tests d’identification d’ions déjà réalisés au Collège, en étendant les caractérisations

Matériel et consommables
Matériel

Consommables (quantités par poste)

• Des tubes à essais et un porte-tube.

• Eau de Volvic , de Vichy St-Yorre® dégazée et d’Hépar® dans des béchers (10 mL).

• Un bouchon pour les tubes à essais.

• Solution d’oxalate de sodium à 0,1 mol·L–1 (15 mL).

• Des pipettes plastiques.

• Solution de chlorure de baryum à 0,1 mol·L–1 (15 mL).

®

Réponses
Questionnement alternatif
Compétences travaillées

1 a. Quels renseignements apportent les étiquettes des eaux minérales ?

b. Quel autre nom peut-on donner aux « minéraux » évoqués dans les différents textes ?

S’approprier, analyser • Extraire
et exploiter des informations.
S’approprier • Identifier un problème,
se questionner.

2 Quelles différences existe-t-il entre les eaux minérales du doc. 2 ?

Solution totale
Les eaux minérales diffèrent par la nature et la concentration des ions qu’elles renferment.
Il est demandé de reconnaître les eaux minérales contenues dans les béchers en réalisant des tests d’identification des ions contenus dans ces
eaux, à partir de la fiche 10 (p. 332 du manuel).
Par exemple, les eaux minérales n’ont pas la même concentration en ions sulfate SO42– (aq) ou en ions calcium Ca 2+ (aq) : la concentration en
ions sulfate de l’eau d’Hépar® est nettement plus grande que celle de l’eau de Vichy St-Yorre®, elle-même plus grande que celle de l’eau de
Volvic®. L’eau d’Hépar® contient plus d’ions calcium que l’eau de Vichy St-Yorre®, qui elle-même en contient plus que l’eau de Volvic®. L’eau
de Vichy St-Yorre® contient beaucoup plus d’ions chlorure que les deux autres.
Les ions chlorure sont caractérisés à l’aide de la solution de nitrate d’argent, les ions calcium à l’aide de la solution d’oxalate de sodium et les
ions sulfate à l’aide de la solution de chlorure de baryum.

Exercices
QCM
Un QCM supplémentaire interactif est disponible dans
le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

1 1. C ; 2. C ; 3. B.
2 1. B ; 2. A ; 3. A ; 4. B.
3 1. B ; 2. A ; 3. B et C ; 4. A et C ; 5. B.
36

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

3 p. 79 à 86 du manuel
Application immédiate
Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

4 1. La formule électronique d’un atome de béryllium est K2 L2.
Il possède donc 2 électrons externes.
2. La couche externe est la couche L : le béryllium appartient à la
2e période. Il possède 2 électrons externes : il appartient à la colonne 2.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Analyse et synthèse

3. Pour respecter la règle du duet, un atome de béryllium forme
l’ion Be2+. Ce résultat est cohérent avec le fait qu’il appartient à la
colonne 2.

2.

Corrigés des exercices
Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).

6 1. La couche électronique externe de ces atomes est la couche :
a. L

b. L

c. M

b. 5

c. 8

Li : K2 L1 F : K2 L7 Si : K2 L8 M4

b. 10

c. 15

3. Leur nombre d’électrons externes est:
c. 5

K2 L8 M5

Z = 13

Z = 14

Z = 15

16 Comme l’élément magnésium appartient à la colonne 2, un
atome de magnésium possède 2 électrons externes et les perd pour
former l’ion Mg2+, respectant la règle de l’octet.

19 1. Les éléments correspondant aux atomes e et i appartiennent
à la même famille chimique. Il en est de même des éléments correspondant aux atomes b, d et h.

9

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Z = 7

K2 L8 M4

2. La famille des alcalins est située à la colonne 1 de la classification
périodique.

a. K2 L6 b. K2 L8 c. K2 L8 M5
b. 8

Z = 6

18 1. Tous ces atomes possèdent le même nombre d’électrons
externes.

2. La formule électronique de ces atomes s’écrit :

a. 6

Z = 5
K2 L8 M3

3. Les formules chimiques des ions monoatomiques de ces éléments sont similaires à celle de l’ion aluminium : X3+.

8 1. Le nombre d’électrons de ces atomes est :
a. 8

K2 L5

2. X est l’aluminium. Les éléments de sa famille chimique sont le
bore (B), le gallium (Ga), l’indium (In) et le thallium (Tl).

7 La formule électronique de ces atomes s’écrit :
He : K2

K2 L4

17 1. Les atomes de cet élément possèdent 3 électrons externes.
Les ions monoatomiques portent la charge +3e et ont pour formule
X3+.

2. Le nombre d’électrons externes est :
a. 4

K2 L3

Be2+

Mg

Cl –

Nombre d’électrons

2

12

18

Formule électronique

K2

K2 L8 M2

K2 L8 M8

Nombre d’électrons externes

2

2

8

10 1. La formule électronique d’un atome d’aluminium est K2 L8
M3.
2. Al3+, de structure électronique K2 L8, respecte la règle de l’octet ;
sa charge est égale à +3e.

11 1. La formule électronique d’un atome d’oxygène est K2 L6.
2. O2–, de structure électronique K2 L8, respecte la règle de l’octet ;
sa charge est égale à –2e.

12 1. Les atomes et les ions stables doivent respecter les règles du

2. La famille des gaz nobles constituent la colonne 18 de la classification. Dans les propositions, on peut reconnaître l’hélium (b), le
néon (d) et l’argon (h).

20 1. Le fluor forme l’ion F– en gagnant 1 électron : il appartient à
la colonne 17 de la classification périodique.
2. Les atomes des éléments d’une même famille chimique possèdent le même nombre d’électrons externes. Le fluor appartient
à la famille des halogènes
3. Le fluor appartient à la 2e période de la classification : sa couche
externe est la couche L.
Il appartient à la colonne 17 et possède donc 7 électrons externes.
Sa formule électronique est K2 L7.
Un atome de fluor possède 7 + 2 = 9 électrons. Il est électriquement
neutre et possède donc 9 protons : Z = 9.
4. Le fluor forme l’ion stable F–, qui respecte la règle de l’octet.

duet ou de l’octet.

21 1. Les couches électroniques occupées sont les couches K, L et

2. Les atomes et les ions stables sont a (He), d (F–), e (Ne) et h (Mg2+).

M.

13 1. D’après la règle du duet, les atomes de numéro atomique
voisin de 2 tendent à obtenir la structure électronique en duet de
l’hélium.
D’après la règle de l’octet, les autres atomes tendent à obtenir la
structure électronique en octet des gaz nobles autres que l’hélium.
2. Les atomes et les ions stables sont b (Li+), d (F–) et g (Ne).

14 1. a et b  appartiennent à 1  période
c, d et e : appartiennent à la 2e période
f, g, h, i et j : appartiennent à la 3e période
re

2. a et f : appartiennent à la colonne 1
d et h : appartiennent à la colonne 15
e et i : appartiennent à la colonne 16
b et j : appartiennent à la dix-huitième colonne

15 1. L’élément correspondant appartient à la 2e période (couche

2. La formule électronique de cet ion s’écrit K2 L8 M8.
3. L’atome correspondant, avec un électron de moins, a pour formule électronique K2 L8 M7.
4. Le numéro atomique de l’élément est donc :
2 + 8 + 7 = 17. Il s’agit du chlore.

22 1.
Sodium

Hélium

Calcium

Azote

Symbole

Na

He

Ca

N

Numéro atomique

11

2

20

7

Formule électronique de
l’atome

K2L8

K2

K2L8M8N2

K2L5

Formule des ions monoatomiques stables

Na+

Ca2+

N3–

Nom

externe L) et à la colonne 14 (4 électrons externes).
Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

37

13 1. L’atome perd deux électrons pour passer de X à X2+.
2. Le passage de l’atome à l’ion obéit à la règle de l’octet. Le gaz
auquel tend à ressembler X2+ appartient donc à la troisième période
et a pour formule électronique K2 L8 M8.
3. La formule électronique de l’ion X2+ est K2 L8 M8, puisqu’elle est
analogue à celle du gaz noble auquel il tend à ressembler.
4. La formule électronique de l’atome présente donc deux électrons de plus et s’écrit K2 L8 M8 N2.

24 1. Le mot poids n’est pas bien adapté ; on doit le remplacer par
le mot masse.
2. Les éléments sont actuellement ordonnés par numéro atomique
croissant.
3. a. Les éléments potassium, rubidium et césium se « ressemblent »
parce qu’ils appartiennent à la même famille d’éléments, celle des
alcalins qui sont dans la colonne 1 de la classification périodique.
b. Les atomes de cette famille forment des ions de formule X+, car
ils perdent un électron pour acquérir la formule électronique du gaz
noble le plus proche.
4. a. L’ekaaluminium, situé sous l’aluminium, appartient donc à la
colonne 13 et à la 4e période de la classification périodique.
b. Son nom actuel est le gallium.
c. Comme le gallium et l’aluminium appartiennent à la même colonne, ils ont des propriétés similaires. Comme tous les éléments
de cette colonne, les atomes d’aluminium et de gallium possèdent
trois électrons externes et vont tendre à les perdre pour former un
ion monoatomique stable qui porte une charge +3e. Ces ions ont
pour formule Al3+ et Ga3+.
d. La formule de l’oxyde de gallium est similaire à celle de l’oxyde
d’aluminium et s’écrit Ga2O3.

25 1.
1

18

H

2

13

14

15

16

17

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

2. La 1re période de la classification périodique ne contient que deux
éléments, car la première couche électronique K ne peut contenir
que deux électrons.

26 1. Le tellure appartient à la colonne 16 de la classification périodique. Sa couche externe contient donc 6 électrons. Pour acquérir la formule électronique du gaz noble le plus proche et respecter
la règle de l’octet, il doit gagner deux électrons. Les ions tellurure
ont donc pour formule Te2–.
2. Les ions sulfure obtenus à partie des atomes de soufre ont une
formule chimique S2– analogue à celle des ions tellurure Te2–. Le
tellure et le soufre peuvent donc appartenir à la même famille
chimique.

27 1. Cet ion et l’atome correspondant ont pour numéro atomique Z = 11 ; ils possèdent un noyau comportant 11 protons.
L’atome possède donc 11 électrons puisqu’il est électriquement
neutre. La formule électronique de l’atome correspondant est donc
K2 L8 M1.
38

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

2. Pour acquérir la formule électronique du gaz noble le plus
proche, cet atome perd un électron pour former l’ion X+, qui porte
la charge +e.
3. L’’autre ion appartient à la même famille : il porte la même
charge électrique et a une formule similaire : X’+.
4. Ces éléments appartiennent tous à la colonne 1 de la classification périodique, c’est-à-dire à la famille des alcalins.

28 Traduction : Pourquoi l’or ?
Le tableau périodique répertorie 118 éléments chimiques différents. Depuis des milliers d’années, les hommes ont particulièrement aimé l’un
d’entre eux : l’or. L’or est utilisé comme monnaie depuis des millénaires,
et son prix a explosé.
Pourquoi l’or ? Pourquoi pas le lithium ou le prométhium ?
Les éléments de la colonne la plus à droite de la classification sont chimiquement stables. Cependant, il y a un gros inconvénient : ce sont des
gaz. Vous pouvez mettre tout votre argent gazeux dans un bocal, mais
en ouvrant le pot, vous serez ruiné. La colonne de droite doit ainsi être
éliminée.
Le lithium appartient à la colonne de gauche. Si vous exposez du lithium à
l’air, il fera un énorme feu qui peut se propager à travers des murs de béton.
L’argent qui s’enflamme spontanément est clairement une mauvaise idée.
En fait, vous ne voulez pas que votre argent subisse de réactions chimiques
spontanées du tout. Et il s’avère que beaucoup des éléments du tableau périodique sont assez réactifs. Ils ne vont pas tous s’enflammer. Mais parfois,
ils se corrodent, commencent à tomber en morceaux. 38 autres éléments
doivent ainsi être éliminés, parce qu’ils sont trop réactifs.
D’autres éléments chimiques, avec de grands noms comme le prométhium,
l’einsteinium, sont radioactifs – mettez un peu d’einsteinium dans votre
poche et, un an plus tard, vous serez mort...
L’élément choisi comme monnaie ne doit pas être trop lourd, il ne doit pas
être trop rare. Il doit avoir été découvert assez tôt et doit être facilement
fondu. C’est l’or qui répond à tous ces critères.
1. Le document a pour thème le choix de l’or comme monnaie.
2. Les éléments de la colonne 18 ne peuvent pas être utilisés comme
monnaie, car ils sont gazeux. Il s’agit de la famille des gaz nobles.
3. Le lithium appartient à la famille des alcalins. Les éléments de
cette colonne ne peuvent être utilisés comme monnaie, car ils s’enflamment spontanément au contact de l’air.
4. Le prométhium a été nommé en référence au Titan Prométhée
(qui signifie « le prévoyant »), dans la mythologie grecque. L’einsteinium a été nommé en l’honneur du savant Albert Einstein.
5. Le carbone ne peut pas non plus être utilisé comme monnaie,
car il donne lieu à des réactions chimiques (en particulier la combustion).
6. Le palladium a été découvert trop tard (1807) pour pouvoir remplir le rôle de monnaie.
7. Le platine a une température de fusion beaucoup trop haute
pour pouvoir être travaillé facilement, ce qui le rend difficile à utiliser comme monnaie.

29 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)
1. Une famille constitue une colonne de la classification.
2. La famille des halogènes appartient à la colonne 17 de la classification.
3. Le « deuxième » élément de cette famille appartient à la 3e période, puisque la 1re période ne concerne que les colonnes 1 et 18.
4. Les atomes des éléments d’une même famille possèdent le même
nombre d’électrons externes. Le numéro atomique correspond
au nombre d’électrons d’un atome, puisqu’il est électriquement
neutre.
5. Le deuxième élément de la famille des halogènes appartient à la
colonne 17 et à la 3e période.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

2. Le nom hélium vient du soleil (hélios) dans lequel il a été découvert.

Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Les halogènes constituent une famille chimique et appartiennent à
une colonne de la classification périodique. Il est demandé de déterminer le numéro atomique du deuxième élément de cette famille.
• Mise en forme de la réponse :
Les halogènes appartiennent à la colonne 17 de la classification périodique. Les atomes d’halogènes possèdent donc 7 électrons externes.
La 1re période ne concernant que les colonnes 1 et 18, le deuxième
élément de la famille des halogènes appartient à la 3e période de
la classification. La couche externe des atomes de cet élément est
donc la couche M.
La formule électronique des atomes de cet élément est donc
K2  L8  M7 ; ces atomes possèdent 17 électrons. Comme ils sont
électriquement neutres, comme tout atome, leur noyau possède
17 protons, donc Z = 17.
• Conclusion revenant sur la problématique :
Ainsi, le numéro atomique du deuxième élément de la famille des
halogènes est égal à Z = 17.

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 40.

30 1. Un aquifère est une formation géologique poreuse et perméable qui permet la captation et l’écoulement de l’eau souterraine.
2. Le noyau de strontium 87
38Sr est composé de 38 protons (Z = 38) et
de 49 neutrons (A – Z = 49). Le noyau de strontium 86
38Sr est composé de 38 protons (Z = 38) et de 48 neutrons (A – Z = 48).

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

3. Ces atomes sont dits isotopes, car ils se trouvent dans la même
case de la classification périodique puisqu’ils ont le même numéro
atomique.
4. Le strontium appartenant à la colonne 2 de la classification périodique, un atome de strontium possède 2 électrons externes. Il les
perd pour acquérir la même formule électronique du gaz noble le
plus proche et forme un ion strontium de formule Sr2+.

31 1. L’iode appartient à la famille des halogènes située à la colonne 17 de la classification périodique. Un atome d’iode possède
donc 7 électrons externes. Pour acquérir la formule électronique
du gaz noble le plus proche et respecter la règle de l’octet, il gagne
1 électron pour former l’ion iodure I–.
2. L’aluminium appartient à la colonne 13 de la classification périodique. Un atome d’aluminium possède donc 3 électrons externes.
Pour acquérir la formule électronique du gaz noble le plus proche
et respecter la règle de l’octet, il perd 3 électrons pour former l’ion
aluminium Al3+.
3. L’iodure d’aluminium a pour formule AlI3 afin de respecter la
neutralité électrique dans les solides : les 3 charges élémentaires
positives de l’ion aluminium sont compensées par les 3 charges élémentaires négatives apportées par les 3 ions iodure I–.
4. Le sulfure d’aluminium est formé d’ions Al3+ et O2–. Pour respecter la neutralité électrique des solides, il faut qu’il y ait 2 ions

Al3+ pour 3 ions O2–, soit 6 charges élémentaires positives pour
6 charges élémentaires négatives.

32 1. Le gisement du salar d’Atacama ne peut pas contenir de
lithium métallique, car le lithium métallique réagit vivement avec
l’eau. En milieu humide ou à la première pluie, ce lithium métallique
se serait transformé en ions lithium.
2. Un atome de lithium (Z = 3) a pour formule électronique K2 L1 et
un atome de sodium (Z = 11) a pour formule électronique K2 L8 M1 :
le lithium et le sodium appartiennent à la colonne 1 de la classification périodique.
3. Le potassium appartient à la même famille que le lithium et le
sodium : un atome de potassium possède 1 électron externe.
4. Les ions lithium, sodium et potassium forment les ions Li+, Na+ et
K+, car ils vont perdre leur unique électron externe pour respecter
la règle du duet pour le lithium et de l’octet pour le sodium et le
potassium.
5. Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Il est demandé d’expliquer pourquoi les éléments lithium, sodium
et potassium appartiennent à une même famille chimique, qui est
celle des alcalins.
• Mise en forme de la réponse :
Les éléments d’une même famille chimique appartiennent à la
même colonne de la classification périodique et leurs atomes possèdent le même nombre d’électrons externes. C’est le cas pour les
atomes de lithium, de sodium et de potassium, qui possèdent tous
1 électron externe.
Les éléments d’une même famille chimique ont des propriétés physiques et chimiques voisines. On retrouve bien cette similarité de
propriétés pour les éléments considérés :
– ce sont des métaux mous ;
– leur rayon atomique est le plus grand des rayons des atomes de
leur période ;
– leurs métaux réagissent vivement avec l’eau ;
– ils se ternissent rapidement à l’air ;
– ils donnent des cations de formule similaire M+.
• Conclusion revenant sur la problématique :
Toutes les propriétés physiques et chimiques citées dans les documents montrent que les éléments lithium, sodium et potassium appartiennent à la même famille.
6. Un atome d’hydrogène peut former deux ions stables :
•  H+, obtenu par perte de l’unique électron de l’atome d’hydrogène ;
• H– dont la formule électronique est analogue à celle du gaz noble
le plus proche, l’hélium He.
L’hydrogène appartient à la colonne 1 de la classification périodique. Cependant il n’appartient pas à la famille des alcalins, car il
ne possède pas les mêmes propriétés chimiques qu’eux (puisqu’il
peut former l’anion H–). De plus, il existe à l’état de dihydrogène H2
gazeux, qui n’est pas métallique.

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

39

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues
Extraire des informations des documents.

S’approprier

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

Reformuler, dégager la problématique principale.

Indicateurs de réussite permettant d’attribuer le niveau
de maîtrise « A »
• Il n’y a pas de document à exploiter.
• La famille des halogènes est bien située.
• Le nombre d’électrons externes d’un atome d’halogène est
donné.
• L’allure de la classification est connue.
• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : À quelle période et à quelle colonne appartient le deuxième
élément de la famille des halogènes ? Combien d’électrons possède un
atome de cet élément ?

Conduire un raisonnement :

Analyser

– proposer une stratégie de réponse ;

• Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :

– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;

– identifier la période de l’élément inconnu ;

– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;

– établir la formule électronique des atomes de l’élément inconnu ;

– en déduire la couche externe ;
– relier le nombre total d’électrons au numéro atomique.

– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir.
Réaliser

Conduire les calculs.

Le calcul numérique est effectué.

Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :
Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;

• La réponse au problème est donnée et revient sur la question
de départ.

– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.

Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

40

Chapitre 5 1 Classification périodique des éléments de l’Univers

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.

Chapitre

6

La relativité du mouvement
Programme officiel
Notions et contenus
Relativité du mouvement.
Référentiel. Trajectoire.

Compétences attendues
Comprendre que la nature du mouvement observé dépend du référentiel
choisi.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique chimie 5e Description simple des mouvements pour le système Soleil-Terre-Lune.
Physique chimie 4e Traduire par une relation mathématique la relation entre distance, vitesse et durée.

Activités

1

Les mouvements, une question de point de vue

3 p. 88 du manuel

Compléments
Compétences mises en œuvre

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

aaComprendre que la nature du mouvement observé dépend du

Nous avons choisi dans cette activité de travailler sur un document
tiré de l’histoire des sciences présenté sous forme de bande dessinée.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

référentiel choisi.

Le but est d’initier l’élève à extraire des informations à partir de
supports variés.

Réponses
1. Galilée remet en cause l’hypothèse de la rotation des astres
autour de la Terre.
2. Galilée suppose que le Soleil est immobile.
3. a. La chaise représente la Terre. La table représente le Soleil.
b. Le mouvement suggéré par Galilée est le mouvement de rotation
de la Terre sur elle-même.

2

4. Galilée aurait pu faire faire à la chaise un demi-tour autour de la
table. Il aurait alors illustré le mouvement de révolution de la Terre
autour du Soleil.
5. Pour décrire un mouvement, il faut préciser par rapport à quel
objet de référence, appelé référentiel, il est observé. Un objet peut
être immobile par rapport à un référentiel et mobile par rapport à
autre.

La rétrogradation de Mars

3 p. 89 du manuel

Compléments
Ressources numériques
Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

Compétences mises en œuvre

aaComprendre que la nature du mouvement observé dépend du
référentiel choisi.

trajectoire de cette planète dans le référentiel géocentrique, afin
de vérifier que la construction est bien conforme à l’observation.
Le choix de travailler avec la planète Mars est dicté par le fait que
c’est une des seules planètes qui permet l’observation de la rétrogradation à l’aide du logiciel. La rétrogradation de Mars dure environ
2 mois. Les rétrogradations consécutives sont séparées d’un peu plus
de 2ans. Les suivantes se produiront en mai 2016 et en juillet 2018.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

Matériel

Nous avons choisi dans cette activité d’illustrer le phénomène de
relativité du mouvement en simulant l’observation de la planète
Mars dans un référentiel terrestre, grâce au logiciel Stellarium®.
Nous demandons ensuite à l’élève de construire manuellement la

Stellarium® est un logiciel libre qui affiche de manière réaliste le
ciel en temps réel.
Il peut être téléchargé à l’adresse :
http://www.stellarium.org/wiki/index.php/Accueil
Chapitre 6 1La relativité du mouvement

41

Compléments
Le document suivant peut être distribué aux élèves :

5

8

7

6

9

10
11

4
10

7

2
M

12

9

8

3

13
11

6
1

15/12/2013

14
12

5

15
16

13

4
S

17

14

3

18
15

2
T

16

1
18

15/12/2013

17

Réponses
1. Aux alentours du 1er mars 2014, le sens de déplacement de Mars
par rapport à la constellation de la Vierge s’inverse.
Construction :
05/12/2013

2. La trajectoire de Mars obtenue ci-contre montre que Mars change
de sens de déplacement quand son mouvement est observé depuis
la Terre : au niveau de la boucle, la planète semble faire demi-tour
(flèches rouges).

Terre

Exercices
QCM
Un QCM supplémentaire interactif est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

1 1. A et B ; 2. C ; 3. A et B.
2 1. B et C ; 2. C ; 3. B ; 4. A.
3 1. B ; 2. A et C.

Application immédiate

2πR 2π × 2,28 × 108 × 103
=
687 × 24 × 60 × 60
T
vM ≈ 2,41 × 104 m·s–1

3. vM =

Corrigés des exercices
Grille d’évaluation des compétences spécifiques du chapitre : voir
www.hachette-education.com (fiche du manuel).

6 1. Le système est l’objet dont on étudie le mouvement.
2. a. Le système est Vénus.
b. Le système est la comète de Halley.

7 a. Le système est le satellite Io.

Une version diaporama de l’exercice résolu est disponible
dans le manuel numérique enrichi (enseignant et élève).

b. Le système est le télescope spatial Hubble.

5 1. Le centre de Mars est en mouvement circulaire dans le réfé-

8 1. Un référentiel est un objet de référence par rapport auquel
on étudie le mouvement d’un système.

rentiel héliocentrique.
2. Le centre de Mars est immobile dans le référentiel « marsocentrique » (lié au centre de Mars).

42

3 p. 93 à 98 du manuel

Chapitre 6 1La relativité du mouvement

2. a. Il s’agit du référentiel héliocentrique.
b. Il est lié au centre du Soleil. Le repère d’espace associé est constitué de trois axes qui se coupent au centre du Soleil et qui sont orientés vers trois étoiles éloignées considérées fixes.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

3. Le doc. 2 représente le mouvement de Mars dans le référentiel
héliocentrique (mouvement pratiquement circulaire). La construction ci-contre représente le mouvement de Mars dans le référentiel
géocentrique. Dans ce cas, la trajectoire effectue une boucle. Le
mouvement est donc relatif à l’observateur, puisqu’il dépend du
référentiel choisi.

9 Dans le référentiel géocentrique, la Lune a un mouvement
simple à décrire : il est circulaire uniforme.
10 Dans le référentiel héliocentrique, le centre de la Terre a un
mouvement circulaire uniforme.
11 1. Le sommet de la fusée est immobile dans le référentiel associé à la fusée.
2. Le sommet de la fusée a un mouvement rectiligne non uniforme
dans un référentiel terrestre.

12 a. La trajectoire est une droite. La distance entre deux points
consécutifs est la même pour un même intervalle de temps : la valeur de la vitesse est constante. Le mouvement du système est donc
rectiligne uniforme.
b. La trajectoire est une droite. La distance entre deux points consécutifs augmente pour un même intervalle de temps : la valeur de la
vitesse augmente. Le mouvement est donc rectiligne accéléré.
c. La trajectoire est une courbe. La distance entre deux points consécutifs augmente puis diminue pour un même intervalle de temps :
la valeur de la vitesse augmente puis diminue. Le mouvement du
système est donc curviligne accéléré puis décéléré.

13 1. Dans un référentiel donné v = d
∆t
2. v est la valeur de la vitesse en m·s–1, d est la distance parcourue
en m et Δt est la durée du parcours en s.
14 v = d
∆t
v = 2π × 7,78 × 10 8 × 10 ≈ 1,31 × 104 m·s–1
3,74 × 10
v ≈ 1,31 × 104 × 3 600 × 10–3 ≈ 4,71 × 104 km·h–1
© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

8

3

15 1. a. Un point à la surface de la Terre est immobile dans un
référentiel terrestre.
b. Il est animé d’un mouvement circulaire uniforme dans le référentiel géocentrique.
2. La question précédente illustre la relativité du mouvement d’un
système.

16 1. Le centre de la lune a une trajectoire circulaire dans le référentiel géocentrique.
2. Dans le référentiel héliocentrique, sa trajectoire est différente.

d = 2πR, soit d = 2π × 2,35 × 104 ≈ 1,48 × 105 km

1,48 × 105 ≈ 4,87 × 103 km·h–1
30,3
3. Selon le référentiel choisi, la valeur de la vitesse de Deimos n’est
pas la même. Ce résultat illustre la relativité du mouvement.

c. v =

d

∆t



19 Traduction : Satellites géostationnaires
Les satellites géostationnaires ont une période de révolution autour de la
Terre égale à celle de sa rotation sur elle-même. Ils semblent fixes par rapport à un point de l’équateur. Ces satellites sont souvent utilisés dans le
domaine des télécommunications.
1. Dans un référentiel terrestre, un satellite géostationnaire est immobile.
2. Dans le référentiel géocentrique, il a un mouvement circulaire
uniforme en supposant que la Terre tourne sur elle-même avec une
vitesse de valeur constante et que la distance satellite-centre de la
Terre est constante.

20 1. Les arcs de cercles représentent la trajectoire des étoiles.
2. Le référentiel d’observation est un référentiel terrestre.
3. Cette photo met en évidence le phénomène de rotation de la
Terre sur elle-même.

21 1. a. a Le Soleil est immobile ; b La terre est immobile.
b. a Le référentiel d’étude est le référentiel héliocentrique ; b le référentiel d’étude est le référentiel géocentrique.
2. La trajectoire est circulaire dans le référentiel héliocentrique. Elle
est curviligne dans le référentiel terrestre.
3. Le mouvement du centre de Mars dépend du référentiel, il est
relatif au référentiel d’étude.

22 1. Le référentiel géocentrique a pour objet de référence le
centre de la Terre. Le repère d’espace associé est constitué de trois
axes qui se coupent au centre du Soleil et qui sont orientés vers trois
étoiles éloignées considérées fixes.
2. a. L’objet est sur l’équateur ; le rayon de sa trajectoire circulaire
dans le référentiel géocentrique est égal au rayon de la Terre.

2πRT 2π × 6,38 × 103 × 103
=
86 164
T
v ≈ 465 m·s–1 ≈ 1,67 × 103 km·h–1
Donc v =

d

∆t

=

3. Les questions précédentes illustrent la relativité du mouvement
d’un système.

b. Pour un objet immobile à Paris, le rayon de sa trajectoire est plus
petit et la durée d’un tour est la même. La valeur de la vitesse d’un
objet immobile à Paris dans le référentiel géocentrique est donc
plus faible.

17 1. Le référentiel héliocentrique a pour objet de référence le
centre du Soleil. Le repère d’espace associé est constitué de trois
axes qui se coupent au centre du Soleil et qui sont orientés vers trois
étoiles éloignées considérées fixes.

3. La valeur de la vitesse étant liée au référentiel, les deux personnages ont raison. Ils sont immobiles dans un référentiel terrestre,
alors qu’ils sont en mouvement circulaire uniforme à la vitesse de
valeur proche de 1 700 km·h–1 dans le référentiel géocentrique.

2 .a. Dans le référentiel héliocentrique, la période de révolution de
la Terre est T = 365,25 jours.
b. Lors d’une révolution, la distance d parcourue par la Terre est :
d = 2πR = 2π × 1,50 × 108 × 103 ≈ 9,42 × 1011 m

9,42 × 1011
c. v = d ≈
≈ 2,99 × 104 m·s–1
∆t 365,25 × 24 × 60 × 60

18 1. a. Deimos est immobile dans son propre référentiel.
b. La valeur de sa vitesse est nulle dans ce référentiel.
2. a. Dans le référentiel « marsocentrique », Deimos a une trajectoire circulaire.
b. La distance parcourue par le centre de Deimos quand il effectue
un tour autour du centre de Mars est :

23 1. Un satellite géostationnaire est immobile dans un référentiel terrestre.
2. Un satellite géostationnaire possède un mouvement circulaire
dans le référentiel géo­centrique.
3. Un satellite géostationnaire tourne autour de la Terre en
T = 86 164 s. C’est la même durée que celle mise par la Terre pour
effectuer un tour complet autour de l’axe des pôles.
d
4. v =  avec d = 2πR  et  R = 42 180 km
T
3
v = 2π × 42 180 × 10 ≈ 3,075 8 × 103 m·s–1
86 164
v = 2π × 42 180 × 3 600 ≈ 1,107 3 × 104 km·h–1 .
86 164
Chapitre 6 1La relativité du mouvement

43

h = 8 063 km, soit 8 063 × 103 m

1. L’orbite d’un satellite représente sa trajectoire. Dans le cas des
satellites de la constellation O3b, les satellites décrivent un cercle
autour du centre de la Terre.

Le rayon et la masse de la Terre sont données dans le doc. 2 :

2. La longueur de l’orbite circulaire d’un satellite correspond au périmètre du cercle qu’il décrit.

MT = 5,98 × 1024 kg

3. La valeur v de la vitesse est reliée à la durée T mise par le satellite pour parcourir son orbite de longueur d par la relation
v = d   où  d = 2π(RT + h), h étant l’altitude du satellite.
T
4. Le doc. 2 donne l’expression de la valeur de la vitesse du satelG·MT
lite : v =
(RT + h)
À partir de l’expression donnée à la question 3, on déduit la durée T
mise par le satellite pour effectuer un tour complet : T = d
v
Avec d = 2π(6,38 × 106 + 8 063 × 103) ≈ 9,07 × 107 m

Ainsi v =

C

C

–11
24
et v = 6,67 × 10 6 × 5,98 × 103 ≈ 5,26 × 103 m·s–1
(6,38 × 10 + 8 063 × 10 )
7
T = d ≈ 9,07 × 10 ≈ 1,73 × 104 s ≈ 288 min
v 5,26 × 103

En 24 h, le satellite fera donc 24 × 60 ≈ 5 tours.
288
Le satellite fera 5 passages par jour autour de la Terre.

Une réponse possible
• Introduction présentant la problématique :
Les satellites de la constellation O3b sont en orbite circulaire à
8 063 km d’altitude à une vitesse de valeur constante. On cherche
à déterminer le temps mis par un satellite pour effectuer un tour
autour de la Terre afin de calculer le nombre de tours qu’il effectuera en 24 h.
• Mise en forme de la réponse :
La valeur de la vitesse du satellite en orbite circulaire à la distance
(RT + h) du centre de la Terre, h étant l’altitude du satellite, se calcule à partir de la relation donnée dans le doc. 2 :
G·MT
v=
(RT + h)

C

44

L’altitude du satellite est donnée dans le doc. 1 :

Chapitre 6 1La relativité du mouvement

RT = 6,38 × 103 km,   soit 6,38 × 106 m et

6,67
C(6,38

× 10–11 × 5,98 × 1024
× 106 + 8 063 × 103)

≈ 5,26 × 103 m·s–1

La distance d parcourue par le satellite pour effectuer un tour autour
de la Terre correspond au périmètre du cercle de rayon (RT + h).
d = 2π(RT + h)
d = 2π(6,38 × 106 + 8 063 × 103) ≈ 9,07 × 107 m
La valeur v de la vitesse du satellite est reliée à la durée T mise par
le satellite pour parcourir son orbite de longueur d par la relation
v = d.
T
On peut alors calculer la période de révolution du satellite qui correspond à la durée mise pour effectuer un tour autour de la Terre :
7
T = d ≈ 9,07 × 10 ≈ 1,73 × 104 s ≈ 288 min
v 5,26 × 103
En 24 h, le satellite fera donc 24 × 60 ≈ 5 tours.
288
• Conclusion revenant sur la problématique :
En une journée, un satellite de la constellation O3b parcourt 5 fois
son orbite.

Grille d’évaluation pour le professeur : voir p. 45.

25 1. Ce mouvement du Soleil est observé dans un référentiel terrestre.
2. Le Soleil serait immobile dans le référentiel héliocentrique.
3. Le Soleil peut être en mouvement ou immobile. Un mouvement
est donc relatif, car il dépend du référentiel choisi pour son étude.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

24 Réponses aux pistes de résolution (p. 334)

Grille d’évaluation pour le professeur :
Compétences

A

B

C

D

Capacités attendues

Indicateurs de réussite permettant
d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
• Les informations importantes sont extraites :

Extraire des informations des documents.

S’approprier

– Les satellites de la constellation O3b décrivent des cercles autour
de la Terre. Ils sont situés à une altitude de 8 063 km.
– Les satellites ont des mouvements uniformes. La valeur de leur
vitesse se calcule à partir du rayon de l’orbite, c'est-à-dire à partir
de la distance qui les sépare du centre de la Terre.

Mobiliser et organiser ses connaissances, introduire des arguments issus des connaissances
personnelles.

• Les distances sont converties en mètres.

Reformuler, dégager la problématique principale.

• La problématique est dégagée et correctement formulée. Par
exemple : Quelle est la distance parcourue par le satellite lorsqu’il
effectue un tour complet sur son orbite ? Quelle est la durée mise par le
satellite pour effectuer un tour sur son orbite ? Combien de tours de son
orbite le satellite effectue-t-il en 24 h ?
• Le raisonnement suivi est correct. Par exemple :

Conduire un raisonnement :
– proposer une stratégie de réponse ;
Analyser

– identifier et retenir uniquement les idées
essentielles (tri, organisation) ;
– regrouper et relier les arguments des divers
documents ;

– calculer le périmètre du cercle qui correspond à la distance parcourue
par le satellite lorsqu’il fait un tour complet sur son orbite. Le rayon
utilisé est d = RT + h (où h est l’altitude du satellite) ;
– calculer la valeur de la vitesse du satellite à partir de la relation donnée
dans le doc. 2 ;

– utiliser ces deux valeurs pour calculer la durée mise par le satellite pour
– s’appuyer sur ses connaissances pour enrichir. effectuer un tour.
– en déduire le nombre de tour effectué par le satellite en 24 h.
• Les relations littérales sont exprimées.
• Les unités sont correctement utilisées.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Réaliser

Conduire les calculs.

• Les calculs numériques sont correctement effectués.
• Les résultats sont écrits de manière adaptée (unités, chiffres
significatifs, incertitudes, etc.).

Revenir sur la question de départ. Éventuellement, faire preuve d’esprit critique en :
Valider

– commentant, repérant les points faibles de
l’argumentation (contradiction, partialité,
incomplétude, etc.) ;

• La réponse au problème est donnée et revient sur la question
de départ.

– confrontant le contenu des documents avec
ses connaissances.
• Un vocabulaire scientifique adapté et rigoureux est utilisé.
Communiquer

Rendre compte à l’écrit.

• La rédaction fait apparaître une maîtrise satisfaisante des
compétences langagières de base.
• La présentation est soignée.

Chapitre 6 1La relativité du mouvement

45

Chapitre

7

La gravitation universelle
Programme officiel
Notions et contenus

Compétences attendues

L’interaction gravitationnelle entre deux corps.

Calculer la force d’attraction gravitationnelle qui s’exerce entre deux
corps à répartition sphérique de masse.

La pesanteur terrestre.

Savoir que la pesanteur terrestre résulte de l’attraction terrestre.

La gravitation universelle.

Comparer le poids d’un même corps sur la Terre et sur la Lune.
Actions mécaniques, modélisation par une force.
Effets d’une force sur le mouvement d’un corps : modification de la
vitesse, modification de la trajectoire.
Rôle de la masse du corps.

Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse
et/ou la direction de son mouvement.
Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en
termes de forces.
Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques
d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le
système solaire.

Principe d’inertie.

Liens avec les programmes officiels du Collège ou d’autres disciplines de la classe de Seconde
Physique chimie 3e Le poids d’un corps est l’action à distance exercée par la Terre sur un objet situé dans son voisinage. Le poids P et la
masse m d’un objet sont deux grandeurs de natures différentes ; elles sont proportionnelles. L’unité de poids est le newton (N). La relation
de proportionnalité se traduit par P = m × g.

Choix pédagogiques

Activités

1

Modélisation d’une action mécanique

3 p. 100 du manuel

Compléments
Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée
Dans cette activité, nous avons choisi de traiter une compétence n’apparaissant pas dans le BO : il s’agit de la compétence « Modéliser une
action mécanique par une force ». Cette activité est essentielle pour introduire la notion de force.

Réponses
1. a. Lorsque la boule est immobile sur la
piste, les forces FT/B et FP/B se compensent.
Elles ont la même direction, des sens opposés
et la même valeur.
b. Voir schéma ci-contre.

FP/B

FT/B

46

Chapitre 7 1La gravitation universelle

2. Lorsque la boule roule en ligne droite sur la piste avec une vitesse
de valeur constante, les forces se compensent. Le schéma est le
même.
3. a. Une force est caractérisée par une direction, un sens et une
valeur exprimée en newton.
b. Deux forces se compensent si elles ont même direction, des sens
opposés et même valeur.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Nous avons décidé de ne pas traiter l’influence de la masse d’un corps sur la modification de son mouvement dans le thème Univers, car cette
situation est difficile à illustrer pour des mouvements célestes. Cette partie du programme est traitée dans le chapitre 15 du thème Sport.

2

Lien entre force et mouvement

3 p. 101 du manuel

Compléments
Ressources numériques

Matériel

Les vidéos « Effet d’une action sur un mouvement circulaire », ainsi
que le tutoriel Aviméca®, disponibles dans le manuel numérique
enrichi, peuvent être utilisés en complément de cette activité.

Matériel
• Une boule en bois ou en plastique dense sur laquelle est fixé
un émerillon de pêche.

Dans le manuel numérique enrichi, une version personnalisable de
cette activité est proposée en formats .doc, .odt et .rtf.

• Un point fixe autour duquel peut tourner la boule.
• Une webcam ou un appareil photo numérique.

Compétences mises en œuvre

• Une règle qui servira d’étalon de longueur.

aaSavoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de

• Une paire de ciseaux.

sa vitesse et/ou la direction de son mouvement.

• Du fil de couture.

aaUtiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements
simples en termes de forces.

aaMettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements
observés dans le système solaire.

Pour qu’il n’y ait pas « d’à-coup » lors de la coupure du fil, il faut
que les ciseaux aillent dans le « sens de la boule » et pas le contraire.

Commentaires sur la stratégie pédagogique proposée

Penser à ce que la surface soit bien lisse. Pour cela, utiliser une feuille
de carton, par exemple.

Nous avons choisi une boule pour modéliser la sonde et un point
fixe pour le Soleil.
La difficulté pour l’élève est de comprendre que l’action du fil modélise
l’attraction gravitationnelle. En effet l’action du fil est une action de
contact, alors que l’attraction gravitationnelle s’exerce à distance.
L’étude du mouvement de la boule se fait à l’aide d’une webcam.
Le traitement est réalisé grâce à un logiciel d’exploitation vidéo.

© Hachette Livre, 2014 – Physique Chimie 2de – Livre du professeur – La photocopie non autorisée est un délit.

Conseils

Nous avons utilisé une webcam, mais il faut noter que les derniers
environnements de Microsoft® ne permettent pas toujours de régler manuellement sa durée d’obturation. De ce fait, il apparaît une
trainée et l’image de l’objet en mouvement est floue. Il est possible
de réaliser la vidéo avec un appareil photo numérique comme le
Casio® Exilim® qui filme jusqu’à 1000 images par seconde.
Il faut ensuite, pour éviter une exploitation fastidieuse, sélectionner
une image sur dix par exemple. Certains logiciels le permettent,
comme LoggerPro® de la société Calibration® ; sinon, il faut, à l’aide
d’un logiciel de montage video, comme VirtualDub®, réaliser un film
comprenant une image sur dix, par exemple.

Réponses
1. a. Le mouvement de la boule est étudié dans le référentiel lié à
la webcam fixe sur Terre. C’est donc un référentiel terrestre.
b. Dans les deux situations, les distances parcourues entre deux
images consécutives sont toujours les mêmes. Ces distances sont
parcourues pendant des durées égales, donc la valeur de la vitesse
de la boule est constante.

Schéma b
Ff/B  : force exercée par le fil sur la boule
Boule
Ff/B
Fil

2.
Trajectoire de la boule

Situation 1

Situation 2

Droite

Cercle

Évolution de la valeur
de la vitesse de la boule

La valeur de la
La valeur de la
vitesse est constante vitesse est constante

Nature du mouvement
de la boule

Le mouvement est
rectiligne uniforme

Point fixe

Schéma c
FP/B
Ff/B

Boule

Le mouvement est
circulaire uniforme

Fil

Point fixe

Table

3. Schéma a

FT/B

FT/B : force exercée par la Terre sur la boule
FP/B  : force exercée par le plan (la table) sur la boule
FP/B
Boule

Forces appliquées
Table

FT/B

4.
Situation 1

Situation 2

Les forces
se compensent.

Les forces ne se
compensent pas.

5. Un système n’a pas un mouvement rectiligne uniforme si les forces
auxquelles il est soumis ne se compensent pas. La force exercée par
le fil n’est pas compensée par une autre force. Le fil empêche la boule
d’avoir un mouvement rectiligne uniforme.

Chapitre 7 1La gravitation universelle

47


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