Physique Chimie

Tout le monde le sait : « l’été, une personne en vêtement noir a plus chaud qu’une autre portant des habits blancs ». Une expérience simple permet de vérifier cela.

Protocole :

Matériel : une source intense de lumière, trois thermomètres, une bandelette de papier noir, une bandelette de papier blanc.

Mode opératoire :

·         Prévoir où sera la surface éclairée par la source de lumière.
·         Sur cette surface, fixer un premier thermomètre.
·         Prendre un second thermomètre et lui coller une bandelette de papier ; le fixer à côté du premier thermomètre de manière que la bandelette de papier soit comprise entre la source de lumière et le thermomètre.
·         Prendre le dernier thermomètre et lui coller l’autre bandelette de papier ; le fixer comme précédemment.
·         Allumer si besoin la source de lumière et noter les observations.

Remarques préalable à l’expérience proposée :

La source de lumière utilisée est un rétroprojecteur dont le cache supérieur est ouvert au maximum afin que la lumière ne revienne pas vers les thermomètres. La vitre correspond à la surface éclairée sur laquelle sont posés les thermomètres. A 0,1°C  près, les trois thermomètres indiquent la même température au début de l’expérience. La température d’un objet correspond à son énergie thermique. Dans cette expérience, il est clair que les thermomètres mesurent la température de l’air environnant. Cependant, ce dernier dépend de la chaleur qu’il reçoit des bandelettes de papier.

Observations :

Au départ, la température du thermomètre seul augmente le plus rapidement. Au bout de quelques minutes, le thermomètre collé à la bandelette de papier noir indique une température bien supérieure. La température du troisième thermomètre (papier blanc) augmente mais reste toujours la plus faible.

Conclusions :

1.   D’après le thermomètre seul, la vitre chauffe. Son énergie thermique augmente.
2.   Le papier blanc diffuse (en grande partie) la lumière qu’il reçoit. Son énergie thermique augmente moins que celle de la vitre car le papier blanc constitue un obstacle supplémentaire par rapport à la vitre seule.
3.   Le papier noir absorbe (toute) la lumière qu’il reçoit. Malgré l’obstacle du papier, son énergie thermique augmente car il transforme l’énergie de la lumière en énergie thermique.

La formule de l’énergie cinétique d’un objet en mouvement de translation est facile à utiliser. Par contre, pour un mouvement de rotation, il est difficile de connaître la vitesse. En effet, la longueur d’un arc de cercle est difficilement mesurable par rapport à la longueur d’un segment.

Par exemple, une toute petite bille de masse m est attachée à un bout d’une longue ficelle de longueur L (Fig. 1). L’autre extrémité de la ficelle est maintenue par la main (immobile). En gardant la ficelle tendue, la bille est lâchée et elle parcourt un arc de cercle de longueur d

Pour déterminer sa vitessev , il faut connaître la longueur de l’arc de cercle parcourue par la bille et c’est assez compliqué expérimentalement. Il est plus simple de mesurer l’angle α  correspondant avec un rapporteur. La durée t du parcours reste facilement mesurable avec un chronomètre.

En convertissant l’angle pour qu’il n’est plus d’unité (angle converti, Α ), il est possible de calculer la longueur de l’arc de cercle, puis la vitesse et enfin l’énergie cinétique de la toute petite bille en rotation (calculs).

Son énergie cinétique est alors :

E_c=1/2×(m×L²)×(A/t)².

Les opérations mises entre parenthèses correspondent à des notions mathématiques qui ont une explication physique. La première parenthèse concerne l’inertie, c’est-à-dire la résistance de l’objet à un changement, et la seconde porte sur la vitesse d’un angle.

Par ressemblance avec la formule de l’énergie cinétique dans le cas général, l’énergie cinétique E_c (exprimée en joule, J) d’un tout petit objet (ou de n’importe quel objet) en rotation est alors égale à la moitié du produit entre son moment d’inertie I (exprimé en kilogramme-mètre au carré, kg.m² ) et le carré de sa vitesse angulaire ω (exprimée en inverse de la seconde, /s).

E_c=1/2×I×ω².

En 1820, André-Marie Ampère (1775-1836), français, a différencié deux sortes d'électricité : la tension électrique entre deux extrémités séparées par un isolant et le courant électrique quand un circuit contenant une pile est fermé par des conducteurs. Il a donné les effets montrant la différence entre les deux [1].

Bibliographie :

[1] Ampère (1821), "Mémoires présenté à l'Académie des sciences" dans les annales .