Les sciences physiques : étudier la matière et les phénomènes
Les sciences physiques : étudier la matière et les phénomènes qui nous entourent
Les sciences physiques observent, mesurent et expliquent la matière et ses changements : la physique étudie les phénomènes où la matière reste la même, la chimie ceux où de nouvelles substances apparaissent.
Objectifs
- Expliquer ce qu'est une connaissance scientifique et en quoi elle diffère d'une simple opinion.
- Distinguer la physique de la chimie, et un phénomène physique d'un phénomène chimique.
- Reconnaître les trois états de la matière et nommer les changements d'état.
- Associer une grandeur à son unité et à son instrument de mesure, et faire des conversions simples.
1. Qu'est-ce que la science ?
La science est un ensemble de connaissances obtenues en observant, en mesurant et en faisant des expériences que tout le monde peut refaire et vérifier. Une affirmation scientifique ne dépend pas de la personne qui la dit : elle doit être prouvée.
Comme un détective, le scientifique cherche des indices (observations), propose une explication, puis la vérifie. Si l'explication ne résiste pas aux expériences, il en cherche une autre.
Les sciences physiques regroupent deux disciplines liées : la physique et la chimie.
Laquelle de ces phrases est une démarche scientifique ?
2. Physique ou chimie ?
La physique
La physique étudie les phénomènes de la nature : le mouvement, la lumière, le son, l'électricité, la chaleur. Dans un phénomène physique, la matière change d'aspect, de forme, de place ou d'état, mais reste la même substance.
Exemples : la glace qui fond, l'eau qui bout, le sucre qui se dissout dans le bissap, une ampoule qui s'allume.
La chimie
La chimie étudie la composition de la matière et ses transformations. Dans un phénomène chimique (ou transformation chimique), des substances disparaissent et de nouvelles substances apparaissent.
Exemples : le bois qui brûle et donne des cendres et des fumées, le fer qui rouille, un œuf qui cuit, le lait qui tourne.
Exemple résolu : classer des phénomènes
Classe chaque phénomène : (a) le beurre de karité fond au soleil ; (b) un clou rouille sous la pluie ; (c) le sel se dissout dans la sauce ; (d) le charbon brûle dans le fourneau.
Voir la solution
- (a) Physique : changement d'état (solide vers liquide), c'est toujours du karité.
- (b) Chimique : la rouille est une nouvelle substance, différente du fer.
- (c) Physique : dissolution, le sel est toujours présent (la sauce est salée).
- (d) Chimique : le charbon disparaît et donne des gaz et des cendres.
Le lait qui tourne et devient aigre est :
3. La matière et ses trois états
La matière est tout ce qui a une masse et occupe de la place. Elle existe principalement sous trois états :
- Solide : il a une forme propre (un caillou, un morceau de glace). Analogie : des élèves bien rangés en rangs serrés, qui bougent à peine.
- Liquide : il n'a pas de forme propre, il prend la forme du récipient et sa surface libre au repos est plane et horizontale (l'eau dans un seau). Analogie : des élèves serrés qui se faufilent les uns entre les autres.
- Gaz : il n'a ni forme propre ni volume propre, il occupe tout l'espace disponible (l'air dans un ballon). Analogie : des élèves dispersés qui courent dans toute la cour de récréation.
Les changements d'état
Un changement d'état est un phénomène physique : la substance reste la même.
flowchart LR S[Solide] -->|fusion| L[Liquide] L -->|solidification| S L -->|vaporisation| G[Gaz] G -->|liquéfaction| L
Pour l'eau, à la pression habituelle : la glace fond à \(0\,^{\circ}\mathrm{C}\) et l'eau bout à \(100\,^{\circ}\mathrm{C}\).
Le passage de l'état liquide à l'état solide s'appelle :
4. Mesurer : grandeurs, unités et instruments
Une grandeur est ce que l'on peut mesurer. Une mesure s'écrit toujours avec un nombre et une unité : « 3 » ne veut rien dire, « 3 kg » oui.
| Grandeur | Unité (symbole) | Instrument |
|---|---|---|
| Longueur | mètre (m) | règle, mètre ruban |
| Masse | kilogramme (kg) | balance |
| Temps (durée) | seconde (s) | chronomètre |
| Température | degré Celsius (°C) | thermomètre |
| Volume | litre (L) ou mètre cube (\(\mathrm{m^3}\)) | éprouvette graduée |
Relations utiles :
\[ 1\ \mathrm{kg} = 1000\ \mathrm{g} \qquad 1\ \mathrm{L} = 1000\ \mathrm{mL} \qquad 1\ \mathrm{L} = 1\ \mathrm{dm^3} \qquad 1\ \mathrm{m} = 100\ \mathrm{cm} \]Exemple résolu : conversions
Awa a une bouteille de jus de gingembre de \(1{,}5\ \mathrm{L}\) et un sachet de sucre de \(250\ \mathrm{g}\). Exprime le volume en millilitres et la masse en kilogrammes.
Quel instrument utilise-t-on pour mesurer le volume d'un liquide au laboratoire ?
Erreurs fréquentes
- Croire que la dissolution est une transformation chimique : le sucre dissous est toujours là.
- Appeler « vapeur » le nuage blanc au-dessus de l'eau qui bout : ce sont des gouttelettes liquides, la vapeur est invisible.
- Confondre fusion (solide vers liquide) et solidification (liquide vers solide).
- Écrire un résultat sans unité, ou confondre masse (kg) et volume (L).
Récapitulatif
- La science construit des connaissances vérifiables par l'observation, la mesure et l'expérience.
- Phénomène physique : la substance reste la même. Phénomène chimique : de nouvelles substances apparaissent.
- La matière existe à l'état solide, liquide ou gazeux ; les changements d'état sont des phénomènes physiques.
- Une mesure = un nombre + une unité, obtenue avec le bon instrument.
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