Les "mal-nommés" : tubes au néon

Par abus de langage nous désignons dans nos salles de cours nos sources de lumières par le terme : tubes au néon.

Or, de façon plus savantes, il existe deux types de « tubes à décharge de gaz rares », à usages d’ailleurs fort différents :

• Le tube contenant effectivement du gaz néon (Symbole de l'atome : Ne), tube utilisé dans les enseignes lumineuses.

• Le tube contenant du gaz argon (Symbole de l'atome : Ar) et/ou des vapeurs de mercure, utilisé dans l’éclairage domestique (cuisines) industriel (ateliers, bureaux,… et en classe)

Les deux types de tubes utilisent le même procédé, à savoir une illumination du gaz par ionisation et décharge électrique provoquée toutes les 1/50 ème de seconde (les troisième diront bientôt: à une fréquence de 50Hz). Cette fréquence est telle que l’œil perçoit une lumière continue, sauf justement quand le tube est usé, la fréquence diminue, et le « néon » fait mal aux yeux.

Les deux types de tubes utilisent aussi un gaz rare :

• dans un cas le néon Ne (découvert en 1898), dont la décharge donne une lumière rouge caractéristique, d’où son utilisation dans les enseignes lumineuses publicitaires.

• dans l’autre cas l’argon Ar (découvert à la même époque, mais en fait beaucoup plus courant dans l’air). L’argon, mélangé à des vapeurs de mercure, stimulé par une décharge, émet une lumière qui est à la fois dans le haut du spectre visible, bleue, et au-delà dans le spectre ultraviolet : cette énergie lumineuse non visible est restituée sous forme de lumière visible par une couche de matériaux fluorescents (silicates et aluminates) qui recouvre l’intérieur de la surface du tube. La fluorescence est la capacité de certains matériaux à convertir de la lumière ultraviolette en lumière visible.

En français il y a un certain abus de langage à appeler néon les deux types de tubes. Sans doute parce qu’après la brillante découverte des gaz rares (néon, argon, krypton) par les chimistes anglais, Sir W. Ramsay en tête, à la fin du XIX° siècle, c’est en 1910 qu’un ingénieur chimiste français, George Claude (1870-1960), met au point industriellement le premier et réel tube au néon et crée son entreprise d’enseignes lumineuses.

Enfin, last but not least, si l’on remonte légèrement plus dans le temps, c’est le même principe de tube à décharge (mais remplis d'air, pas de gaz rare avant 1895) qui a joué un rôle important dans le développement scientifique de la fin du XIX° siècle, puisque ce sont les fameux « tubes de Crookes » qui permettent de mettre en évidence les électrons, les rayons X…

La Surfusion - une expérience à (re)faire chez soi

Vous avez appris ce trimestre que l'eau gèle à 0°C.

En général, c'est vrai...

Mais de l'eau très pure, conservée au congélateur dans une bouteille propre

que l'on traite avec douceur peut

rester liquide à -10°C : C'est la surfusion;

tout se passe comme si l'état de l'eau se retrouvait dans un état d'équilibre pas très stable, encore liquide alors qu'elle devrait déjà être solide, jusqu'à ce que... tout bascule d'un coup!

La preuve ? : il suffit de lui donner un petit coup sec pour qu'en une seconde la totalité de l'eau prenne en glace. Voir ici et là deux films amusants d'un physicien sortant une bouteille d'eau liquide du congélateur et déclenchant sa prise en glace en la secouant ou la frappant; ou bien encore en versant lentement l'eau dans un saladier.

Deux expériences que vous pouvez refaire facilement (prendre de l'eau distillée, en remplir deux bouteilles d'eau totalement, et qu'il faudra d'abord laisser longuement au congélateur).

Ce phénomène de surfusion est rare (tout comme l'eau pure...), mais cela arrive parfois naturellement :

Ces arbres sont recouverts totalement de glace (et souvent se brisent sous le poids). Elle se forme quand les gouttelettes "super-rafraîchies" d'eau contenues dans l'atmosphère entrent au contact avec les branches très froides.

La Foudre

Voici un excellent exemple pour les troisièmes de mieux encore comprendre et différencier les notions d'énergie et de puissance :

• la puissance d’un éclair est d’environ 20 GigaWatts (20 GW=20 000 000 000W), soit 20 centrales nucléaires !
• mais il ne dure que 25 millisecondes, donc l’énergie ((E=P*temps)) n’est que de 140 kWh (20 000 000 kW * (0,025s/3600)heure), quelques euros sur une facture EDF...
• Si on parvenait à capter l’énergie de tous les éclairs frappant la France, ça ne pourrait alimenter qu'environ 5000 ménages - seulement .
• Bref, contrairement à une idée répandue, la foudre n’est pas une source d’énergie renouvelable potentielle et miraculeuse…

De plus, même si on le voulait, on ne sait pas comment injecter 20 GW d’un coup sur le réseau. En fait, ça arrive accidentellement lorsque la foudre touche une ligne à haute tension, et en général on se retrouve dans le noir grâce aux « fusibles » du réseau - trop d'Ampères... ((P=U*I)).

l'oscilloscope

Pour aider les troisièmes à préparer l'évaluation expérimentale de compétences, voici trois animations/simulations pour s'entraîner :

http://olical.free.fr/oscillo.swf

http://phixsi.free.fr/IMG/swf/OscilloACDC_0045.swf

http://phixsi.free.fr/IMG/swf/OscilloGBF_0051.swf

une image de plus

Pour vous faire patienter durant cette période de conseils de classe, une nouvelle image du Soleil.

Pour information : cette image, prise par l'engin spatial STÉRÉO (pour l'Observatoire de Relations Terrestre Solaire), montre le Soleil dans l'ultraviolet lointain, presque aux énergies des Rayons X. Le flamboiement brillant à droite est bien réel, celui de gauche en forme de diamant vient du fait que les détecteurs ont été saturés un instant par trop de lumière.

À retenir :

• pour les cinquièmes : notre Terre n'est, relativement à notre Soleil pas plus grosse que les petites taches que vous pouvez voir à sa surface

• pour les quatrièmes : cette image ne serait pas possible (visible) sans regarder en lumière Ultra Violette, celle-là même que notre atmosphère filtre fortement pour notre plus grand bien.

• pour les troisièmes : Admirez aussi les magnifiques boucles de gaz ionisé ( et oui encore des ions!) qui suivent les lignes du champ magnétique très complexe et variable du Soleil. (Si étonnant que cela soit, pris comme un tout le Soleil ne dispose pas de champ magnétique global comme celui de la Terre. Mais si on prend l'intensité moyenne de tous les champs localisés à la surface du Soleil, il donne l'impression d'avoir un champ général des milliers de fois plus intense que celui de la Terre !)

• Et pour tous, ces perturbations à la surface du soleil auront de nombreuses conséquences sur notre Terre : en particulier les Aurores Boréales que vous voyez parfois passer sur mon économiseur d'écran...

Pour les plus intéressés, STEREO ne fait pas que prendre le soleil en photos, il le filme également : pour le voir en action, rendez vous sur le site de la N.A.S.A:

Images de sciences

Les conseils de classe commençant demain, pas d'articles cette semaine.

À la place deux superbes images astronomiques :

• Uniquement lors d'une éclipse solaire totale, la lumière de la couronne solaire devient facilement visible. En autre temps elle est submergée par la lumière brulante du disque solaire. La prochaine éclipse solaire totale aura lieu en juillet, mais sera uniquement visible dans un coin de Terre assez étroit entre l'Océan Pacifique Sud et l'Amérique du Sud…

Je vous conseille vraiment cette image en haute définition à l'adresse suivante

• et pour finir, bien plus grand, bien plus loin, une galaxie que les astronomes ont surnommée la galaxie du Sombrero :

LE SON

Les troisièmes vont revoir ici une notion récente (la fréquence), et accessoirement, faire le tri parmi les films de Science-Fiction qui malmènent souvent la science.

Le son est une onde

• Une onde, c’est simplement une oscillation qui se propage comme une vague dans la mer ou les cercles autour d’une pierre jetée dans un lac. Attention, il n’y a pas forcément transport de matière, on le voit bien quand on regarde une mouette flotter sur la houle : elle monte et descend au gré des vagues sans véritablement avancer. Ce qui avance, c’est la vague, et c’est ce que les physiciens appellent une onde. On parle d’ondes mécaniques lorsque ce qui se propage est une déformation mécanique (comme une vague qui déforme la surface de l’eau ou séisme qui fait « trembler » la surface de la Terre).

• le son se propage partout du moment qu’il y ait de la matière : il se propage dans le béton, dans l’eau, et bien évidemment dans l’air ! En fait, le son est le résultat de la vibration des molécules (ou des atomes) les unes par rapport aux autres.

• En revanche, s’il n’y a rien (dans le vide), le son ne peut pas se propager car il n’y a pas de support pour véhiculer une déformation mécanique quelconque : un vaisseau spatial qui se déplace ou explose dans l’espace comme dans la guerre des étoiles ne peut pas propager de son à travers l’espace car ce dernier est ‘rempli’ de vide !!

Une fameuse expérience est l’expérience du réveil dans une cloche à vide : on enferme un réveil dans une cloche en verre et on le fait sonner : on entend parfaitement le son. On commence alors à pomper l’air dans la cloche en verre de manière à faire le vide : le son du réveil diminue petit à petit jusqu’à disparaitre complètement !!

Mesurer le son

Comme toutes les ondes, une onde sonore peut être défini par 2 grandeurs : sa fréquence et son amplitude.

• La fréquence d’une onde sonore reflète la hauteur d’un son et se mesure en Hertz (Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et plus la fréquence est faible, plus le son est grave. L’oreille humaine est capable de détecter les sons entre 20 Hz (basse extrêmement grave) de 20 kHz (bruit strident très aigu). Sur un piano classique, le ‘la’ moyen est à 440 Hz alors que le ‘la’ le plus grave est à 27 Hz et le ’do’ le plus aigu est à 4186 Hz. Vous pouvez visiter cette page pour tester votre ouïe et écouter différents sons à différentes fréquences. Au-delà de 20kHz, on parle d’ultrasons et en dessous de 20Hz d’infrasons.

• L’amplitude d’une onde sonore reflète le volume sonore (ou l’intensité). En physique, l’intensité sonore se mesure en Watt par mètre carré mais cette unité de mesure est peu pratique et ne reflète pas la sensibilité de l’oreille humaine qui accepte mieux les sons graves qu’aigus. On utilise alors une échelle en décibel qui permet de mesurer l’intensité d’un son à partir d’un son de référence.

Attention, le décibel est une échelle logarithmique, ce mot compliqué veut dire qu’une augmentation de 3dB correspond au doublement de la puissance sonore (ce n’est pas linéaire). Donc quand on dit qu’un spectateur reçoit 110 dB lors d’un concert et qu’un marteau piqueur produit un bruit de 120 dB, cela signifie que le marteau piqueur est 8 fois plus bruyant que le concert ! Une différence de 100 dB correspond donc à une multiplication du niveau sonore d’un facteur 10 milliards! On comprend alors pourquoi on utilise le décibel et pas une échelle linéaire.

Une petite échelle de comparaison pour mieux se rendre compte:

- 0dB : seuil audible pour une oreille humaine (en général on détecte plutôt à 4dB)

- 30 dB : lieu très calme à la campagne, chuchotement

- 60dB : conversation courante

- 80 dB : restaurant bruyant, grand magasin

- 110 dB : concert ou discothèque

- 120 dB : marteau piquer

- 140 dB : avion au décollage

- 180 dB : fusé Ariane au décollage

Les ordres de grandeur

Dans notre salle de physique-chimie, beaucoup sont intrigués par les illustrations qui font le tour de la salle et qui représentent les différents ordres de grandeur rencontrés dans notre Univers.

Voici un petit texte qui explique à quoi servent ces "puissances de 10 ". Et pour ceux qui en feront l'effort, la fin du texte en montre l'utilité en manipulant des chiffres réellement astronomiques.

• Dans le langage courant, un ordre de grandeur est simplement l’approximation grossière d’une grandeur quelconque. Par exemple, la température en France est de l’ordre de 15°C.

• En science, un ordre de grandeur représente une puissance de 10. L’ordre de grandeur de la distance Terre-Lune est de 10⁸ mètres car la distance Terre-Lune est de 384 000 km (100 000 kilomètres = 100 000 000 mètres =10⁸ mètres). L’ordre de grandeur du diamètre d’un cheveux est de 10^-4 mètres car un cheveux possède un diamètre d’environ 80 microns (je rappelle que le micron est égale à un millième de millimètre, donc100 microns = 0.0001 mètres = 10^-4 mètre).

En physique, lorsque l’on s’intéresse à l’infiniment grand ou l’infiniment petit, il est plus aisé de manipuler des ordres de grandeur plutôt que des nombres. Cette méthode ne fournit pas de résultats justes mais elle a le mérite de pouvoir conforter certaines théories qui calculent une grandeur dont nous n’avons aucun à-priori. Dans l’infiniment grand (ou petit), on peut obtenir facilement des puissances de 10 avec 2 chiffres en exposant (supérieurs à 10¹⁰ ) et ces nombres sont si gigantesques ou si minuscules qu’ils ne signifient plus rien pour notre sens commun. Les ordres de grandeurs permettent de fixer des limites et de voir si un résultat physique dérivant d’une théorie est crédible.

Par exemple, le modèle d’Univers fini de Friedmann permet de calculer facilement le nombre d’atomes dans l’Univers et ce modèle donne comme résultat 0,5×10⁸¹ atomes. Vérifions si ce nombre, sans doute le plus grand jamais produit par la physique, est plausible…

Voici comment compter le nombre d’atomes dans l’Univers (observable) de tête en moins de deux minutes avec des ordres de grandeurs :

Les astronomes estiment dans notre Univers observable le nombre de galaxies à 10¹¹ et une galaxie moyenne comme la notre est composée d’environ 10¹¹étoiles. Notre Soleil est une étoile de taille moyenne et sa masse est de l’ordre de 10³³ grammes. De plus nous savons que la majorité des atomes (et donc de la masse) sont des atomes d’hydrogène et dans un gramme d’hydrogène, il y a environ 10²⁴ atomes.

Nous obtenons donc un ordre de grandeur de 10¹¹×10¹¹×10³³×10²⁴ = 10⁷⁹atomes dans notre Univers, ce qui conforte l’idée que le nombre obtenu avec le modèle de Friedmann est plausible.

Nous pouvons donc dire sans trop de tromper « Le nombre d’atomes dans l’Univers est de l’ordre de 10⁸⁰atomes ! »

toute la chimie, ou presque....

Alors que les cinquièmes et les quatrièmes entament une grande partie "chimie" et que les troisièmes sont désormais incollables sur l'énergie chimique, je vous propose de parcourir une sorte de carte des connaissances de chimie apprises au collège.

L'essentiel s'y trouve. C'est aussi un bon moyen de voir le chemin parcouru ou qu'il reste à parcourir….

Bombardement permanent

Nous avons vu cette semaine que l'air est constitué de particules qui nous heurtent en permanence. Autrement dit, nous sommes soumis en permanence à la pression atmosphérique.

Question : Quelle est la vitesse des molécules d’air qui frappent notre peau ?

A. 5 mètres par seconde

B. 50 mètres par seconde

C. 500 mètres par seconde

Réponse :

La réponse est C (ce qui correspond à 1800 km/h ! Heureusement pour nous, elles sont très légères...).

La pression atmosphérique dépend du nombre de molécules d’air qui nous entourent, alors que la température dépend de leur vitesse. Plus elles sont rapides, plus il fait chaud.

En savoir plus :

Nous verrons bientôt en cours que :

• L’état gazeux est un état très désordonné : on parle alors de mouvement brownien(*).
• Le liquide est un état désordonné mais compact.
• Quant à l’état solide, c’est un état compact et souvent plus ordonné.

(*) Imaginons un fou qui ne saurait pas où aller et qui marcherait dans une foule de gens pressés. Chaque personne qui le percuterait lui ferait prendre une autre direction. Chaque choc infléchirait ainsi sa trajectoire. Ce fou aurait alors un mouvement brownien, c’est-à-dire une marche aléatoire.

un peu d'histoire pour finir :

En 1827, en observant, à l’aide d’un microscope, du pollen dispersé dans de l’eau, Robert Brown, botaniste écossais (1773-1858) remarqua que les grains de celui-ci avaient un mouvement désordonné. On expliqua ce phénomène cinquante ans plus tard : il est dû à l’ensemble des molécules d’eau qui entrent en contact avec les grains de pollen, imposant à ceux-ci un mouvement aléatoire. Ce phénomène permit de faire une première mesure de la masse d’un atome, mais aussi de définir la température à l’échelle microscopique.

Une façon originale de lire la météo

En observant les traces laissées par les avions on peut "prédire" le temps qu'il fera :

Un avion brûle du kérosène et son moteur dégage de la vapeur d'eau par les réacteurs.

Cette vapeur d'eau est très chaude et elle se transforme en gouttelettes (liquéfaction) puis en petits cristaux de glace (solidification) au contact de l'air froid.

C'est ce que nous voyons sous formes de traînées blanches.

• Si l'atmosphère est "sèche" tout disparaît rapidement et on peut dire que le beau temps va durer un peu encore.

• Si l'atmosphère est chargée d'humidité, les traces restent longtemps dans le ciel et il va sans doute pleuvoir.

Si on ne peut pas voir les traînées blanches dans le ciel... Alors on regarde la météo à la "télé" ils sont parfois tout aussi précis!

seul, en orbite

Questions :

• pour les 3èmes :

Cet astronaute est-il soumis à la gravitation ?

• pour les 4èmes :

Cet astronaute n'aurait aucune chance de rejoindre la station spatiale (d'où est prise la photo) sans utiliser une petite réserve de gaz "propulseur". Sachant qu'il ne peut s'agir d'un gaz qui pourrait s'enflammer dans la soute; et que ce gaz est très présent dans l'air : De quel gaz s'agit-il?

essai

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