Energie potentielle d’interaction entre les atomes

L’enseignement des sciences physiques dans l’enseignement secondaire pourrait être passionnant si les objectifs généraux étaient atteints. La déperdition des élèves dans les séries scientifiques semble être confirmée si l’échec provient des approches pédagogiques et des outils de transmission des connaissances. Le professeur devrait donc chercher des moyens et méthodes pour améliorer la qualité l’enseignement de physique-chimie. Une des approches utilisées en sciences physiques est la démarche classique : on part de l’observation courante en réalisant une expérience et l’attention est captée sur le phénomène à étudier. On s’attache à dégager de l’ensemble des lois qualitatives et des lois quantitatives qui se traduisent par des formules mathématiques. Certes, cette démarche permet d’atteindre les objectifs visés dans la discipline de sciences physiques. Mais, actuellement, cet enseignement souffre d’un manque ou d’une insuffisance de matériels d’expérimentation d’où l’enseignement s’oriente vers la théorie plutôt que vers l’expérience.

Un enseignement de la physique qui s’appuie sur l’utilisation des ressources numériques contenant des simulations et des animations des phénomènes à étudier peut-être une solution à ce manque de matériels. En effet, à défaut de manipulations réelles, on peut proposer à nos élèves des travaux pratiques virtuels qui les préparent à la démarche expérimentale, un des objectifs généraux de l’enseignement de la physique à atteindre.

GENERALITES SUR LA MATIERE

Les constituants élémentaires de la matière

Depuis l’antiquité, les hommes cherchent à savoir de quoi est faite la matière. Pour le savant grec Démocrite, « la matière est constituée d’une multitude de petits corps invisibles, indivisibles et éternels : les atomes ». Cette vision de la matière est encore globalement vraie de nos jours.

La matière est formée d’un très grand nombre de petites particules : les atomes et les molécules. Par exemple le métal cuivre est formé d’un nombre très élevé d’atomes de cuivre. L’eau est constituée par des très nombreuses molécules d’eau.

Structure de l’atome

Toutefois, elle est affinée en 1911 par le physicien Ernest Rutherford qui découvre, d’une part, que la quasi-totalité de la masse d’un atome est concentrée dans un tout petit volume chargé positivement : le noyau ; et d’autre part, que les électrons (chargés négativement) gravitent autour du noyau comme les planètes autour du soleil. Il faut encore attendre une vingtaine d’années pour découvrir la nature des particules qui constituent le noyau : les protons (de charge positive) et les neutrons (électriquement neutres). Ces deux particules sont appelées nucléons .

Les atomes sont donc constitués d’un noyau (formé de nucléons) dont les dimensions sont de l’ordre de quelques femtomètres (1 fm = 10⁻¹⁵ m; cette grandeur est parfois appelée “un fermi”). Le noyau est entouré d’un nuage d’électrons. Les dimensions de l’atome sont celles de son nuage électronique. Ces dimensions varient d’un atome à l’autre mais restent de l’ordre de quelques angströms (1å = 10⁻¹⁰ m). Pour assurer une liaison chimique entre les atomes, les électrons des divers nuages se mettent en commun ou s’échangent ; les nuages électroniques se recouvrent. La conséquence en est que la distance interatomique est de l’ordre de l’angström.

La molécule 

La molécule est la plus petite particule possible d’un composé à l’état libre, constituée par deux ou plusieurs atomes identiques ou différents. Ces atomes sont liés entre eux par une liaison appelée liaison covalente. Cette liaison est obtenue par la mise en commun de deux électrons des couches externes des deux atomes. Chaque élément chimique ne peut former qu’un nombre donné de liaisons covalentes : on appelle ce nombre la valence de l’élément en question. Certains corps sont aussi constitués d’ions qui sont liés entre eux par des liaisons ioniques. Une molécule est définie d’abord par la nature des différents éléments qui la composent et le nombre d’atomes de chaque espèce. C’est ce qui est donné par la formule brute d’une molécule : par exemple, la molécule d’eau, de formule brute H2O, est formée de deux atomes d’hydrogène (H) et d’un atome d’oxygène (O).

Énergie potentielle d’interaction entre les atomes

Deux atomes A et B en présence l’un de l’autre interagissent. Cette interaction varie suivant la distance r qui les séparent. La figure suivante représente l’énergie potentielle d’interaction U et la force d’interaction F en fonction de la distance de séparation moyenne r de deux atomes. Lorsque la distance de séparation des deux atomes est grande, l’interaction est faible et elle est attractive. Cette attraction augmente à mesure que l’on approche les deux atomes et finit par atteindre un maximum. Si on rapproche d’avantage les deux atomes, l’attraction diminue et s’annule pour une valeur de r égale à r0. La distance r0 est appelée distance moyenne d’équilibre qui traduit la stabilité du système. Pour les valeurs de r inférieur à r0, l’interaction entre les deux atomes devient répulsive et croît si rapidement qu’il est pratiquement impossible de réduire encore plus cette distance.

L’état liquide

Propriété physique
Les liquides prennent la forme des récipients qui les contiennent sans occuper cependant tout l’espace mis à leur disposition car ils conservent toujours le même volume.

Structure et mouvement des particules
Dans les liquides, les molécules sont rapprochées les unes des autres. Elles n’ont pas de position fixe mais l’attraction moléculaire est cependant importante pour que les molécules soient confinées dans le volume qui le contient. Les molécules des liquides peuvent se déplacer dans toutes les directions. Chaque molécule reste toujours dans l’entourage des mêmes voisines.

L’état gazeux

Propriété physique
Les gaz comme les liquides n’ont pas de forme propre et prennent celle des récipients qui les contiennent mais qui, à la différence des liquides, occupent tout le volume disponible.

Structure et mouvement des particules
Les gaz sont formés de molécules (atomes) qui n’occupent pas de position fixe et qui sont assez espacées les unes des autres. Dans les conditions ordinaires de température et de pression, le volume de toutes les molécules d’un gaz ne représente que le millième du volume occupé par l’ensemble de ce gaz. Les molécules d’un gaz sont alors séparées par des distances qui sont très grandes par rapport à leur dimension ; on dit que les gaz ont une structure dispersée .

Dans les gaz, l’attraction moléculaire est faible donc les molécules peuvent se déplacer librement.

Alors les molécules d’un gaz ne sont pas immobiles. Elles se déplacent au hasard dans toutes les directions de l’espace à des vitesses dépassant souvent 1500 km/h et entrent en collision de très nombreuse fois avec les parois du récipient sur lesquelles elles rebondissent. Ainsi, dans un gaz, les molécules s’agitent de façon désordonnée, se déplacent rapidement, s’entrechoquent et rebondissent sur les parois. On dit que, à l’état gazeux règne le chaos moléculaire.

LA TEMPERATURE

La notion de température 

La notion de température a son origine dans les sensations de froid ou de chaud que nous éprouvons en touchant les corps. Or cette sensation est subjective et dépend des sensations antérieures. Pour apprécier une température, on ne peut pas se fier à notre toucher. Si nous plongeons notre main droite dans l’eau froide, et la main gauche dans l’eau chaude, puis les deux ensembles dans l’eau tiède, l’eau parait chaude à la main droite et froide à la main gauche.

Les grandeurs thermométriques

Certaines grandeurs physiques varient avec la température. Citons :
● La longueur et le volume d’un solide
● Le volume d’un liquide ou d’un gaz
● La résistance d’un conducteur ou d’un semi-conducteur
● Les propriétés des cristaux liquides
Elles peuvent être utilisées pour construire un thermomètre, instrument destiné à repérer les températures.

Influence de la température sur le mouvement des molécules

Il existe une relation directe entre la température et la vitesse moyenne des molécules. La vitesse moyenne varie avec la température : plus la température augmente plus l’énergie cinétique moyenne des molécules croît.

Dans les gaz
La molécule la plus simple dans les gaz est la molécule monoatomique. Un apport de chaleur à un tel gaz augmente l’énergie cinétique moyenne de chaque atome constituant le gaz. Toute la chaleur est transformée en énergie cinétique de translation, donc la vitesse des molécules augmente et leurs mouvements sont plus accélérés. Pour un gaz diatomique, l’énergie thermique est transformée en énergie cinétique de translation, de rotation et de vibration.

Dans les liquides
Dans les liquides, sous l’effet de la chaleur, les molécules vont gagner de l’énergie cinétique de translation. En plus des liaisons qui existent entre ces molécules, des énergies potentielles vont être emmagasinées. En outre, ces molécules peuvent tourner. Une partie de l’énergie thermique sera transformée en énergie cinétique de rotation.

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Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE
I: GENERALITE SUR LA MATIERE
I-1 : Les constituants élémentaires de la matière
I-1-1 :Structure de l’atome
I-1-2 :La molécule
I-2 : Energie potentielle d’interaction entre les atomes
I-3 : Interaction moléculaire
I-4 : Les états de la matière
I-4-1 :L’état solide
I-4-2 :L’état liquide
I-4-3 :L’état gazeux
II: LA TEMPERATURE
II-1 : La notion de température
II-2 : Les grandeurs thermométriques
II-3 : Influence de la température sur le mouvement des molécules
II-3-1 :Dans les gaz
II-3-2 :Dans les liquides
II-3-3 :Dans les solides
III : LA DILATATION DE LA MATIERE
III-1: Dilatation des solides
III-1-1 :Dilatation linéaire
III-1-2 :Dilatation volumique
III-2 :Dilatation des liquides
III-2-1 :Dilatation apparente et dilatation absolue
III-2-2 Coefficient de dilatation absolue
III-2-3 :Coefficient de dilatation apparente d’un liquide
III-2-3 :Dilatation particulière de l’eau
III-3 :Dilatation à pression constante des gaz
III-3-1 :La dilatation d’un gaz
III-3-2 :Le coefficient de dilatation sous pression constante
III-3-3 :Le binôme de dilatation des gaz. L’introduction à la température absolue
IV : APPLICATIONS
IV-1:Le thermostat
IV-1-1 :Principe
IV-1-1 :Différents types
IV-2:Thermomètre à dilatation de liquide
IV-2-1 :Equilibre thermique
IV-2-2 :Principe des thermomètres à dilatation apparente de liquide
IV-2-3 :Existence des températures fixes
IV-1-4 :Description d’un thermomètre
IV-1-5 :La graduation ; l’échelle Celsius
IV-1-6 :Echelle Kelvin ou échelle absolue
IV-1-7 :Condition d’utilisation des thermomètres
DEUXIEME PARTIE
I : PRESENTATION DU DIDACTICIEL
I-1 : Plan général du didacticiel
I-2 : Fonctionnement du didacticiel
II : LES FENETRES RELATIVES AUX MODULES
II-1: Interface d’acceiul
II-2 : Introduction
II-3 : Objectifs
II-4 : Prérequis
II-5 : Dilatation des solides
II-6 : Dilatation des liquides
II-7 : Dilatation des gaz
II-8 : Evaluation
CONCLUSION
Bibliographie

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