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L'air qui nous entoure

Découvrir les propriétés physiques de l'air.

Physique 6ème Chapitre 8 / 8 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Montrer expérimentalement que l'air a une masse
  • Expliquer la compressibilité par le modèle particulaire
  • Décrire l'effet de la pression atmosphérique

Ferme les yeux une seconde. Tu ne vois rien de spécial, mais tout autour de toi, il y a quelque chose : l’air. Il remplit la salle de classe, il entre dans tes poumons à chaque respiration, il pousse les nuages dans le ciel. Pourtant, on ne le voit pas, et on ne peut presque pas le toucher… Alors, comment être sûr qu’il existe vraiment ?

Dans ce chapitre, tu vas découvrir que l’air n’est pas « rien du tout ». C’est de la matière, comme l’eau ou le bois : il a une masse, il occupe un volume, et on peut le comprimer. Tu vas aussi comprendre pourquoi le vent souffle, ce que sont l’harmattan et la mousson, pourquoi on respire sans arrêt, et pourquoi il est important de protéger l’air que nous partageons tous.

Tu croises l’air à chaque instant : quand tu gonfles un ballon de football, quand le vent te décoiffe sur le chemin de l’école, quand tes oreilles « se bouchent » en montant en altitude. À la fin de ce chapitre, tu regarderas même une simple seringue avec des yeux de physicien !

1L’air est de la matière : masse et volume

1.1  L’air existe, même si on ne le voit pas

On dit parfois « il n’y a rien dans ce verre vide ». C’est faux ! Un verre « vide » est en réalité rempli d’air. Une expérience très simple le prouve.

Expérience — un verre plongé dans l’eau

On prend un verre vide, on le retourne complètement (l’ouverture vers le bas), puis on l’enfonce doucement, bien droit, dans une bassine d’eau. Résultat : l’eau ne rentre presque pas dans le verre ! Quelque chose empêche l’eau d’entrer : c’est l’air, déjà présent dans le verre, qui occupe toute la place.

Si on incline légèrement le verre sous l’eau, on voit alors de grosses bulles s’échapper et remonter vers la surface. Ce sont des bulles d’air : l’air quitte peu à peu le verre, et l’eau prend enfin sa place.

L’air occupe déjà toute la place dans le verre eau air qui s’échappe (bulles) verre (rempli d’air) Le verre retourné garde l’eau dehors : l’air y était déjà !
Figure 1 — Un verre « vide » plongé à l’envers dans l’eau retient d’abord l’air à l’intérieur ; en l’inclinant, des bulles s’en échappent : la preuve que l’air occupait déjà toute la place.
Définition

La matière est tout ce qui a une masse et qui occupe un volume (de la place dans l’espace). L’air est un mélange de gaz invisibles : c’est bien de la matière, au même titre que l’eau (liquide) ou une pierre (solide).

1.2  L’air a une masse

Puisque l’air est de la matière, il doit avoir une masse. Mais comme cette masse est très petite, il faut une expérience soignée pour la mettre en évidence.

Expérience — peser un ballon de baudruche

On gonfle un ballon de baudruche, puis on le pose sur le plateau d’une balance à fléau bien équilibrée, en face d’un ballon identique mais dégonflé, posé sur l’autre plateau. Résultat : le plateau portant le ballon gonflé s’abaisse légèrement !

Le ballon gonflé est donc plus lourd que le même ballon dégonflé. Cette petite différence de masse, c’est justement la masse de l’air qu’on a soufflé à l’intérieur.

Le plateau avec le ballon gonflé s’abaisse : l’air pèse ! ballon gonflé (plus lourd) ballon dégonflé (plus léger)
Figure 2 — Sur une balance sensible, le plateau qui porte le ballon gonflé s’abaisse : l’air qu’il contient a bien une masse.
Propriété

Un litre d’air, dans les conditions habituelles (à la maison, à l’école), a une masse d’environ 1,21{,}2 gramme, soit 1,2 g/L1{,}2\ \text{g/L} (ou encore 1,2 kg/m31{,}2\ \text{kg/m}^{3}). C’est une masse minuscule comparée à celle de l’eau (11 L d’eau =1 000= 1\,000 g), mais elle n’est pas nulle.

Exemple — la masse d’air dans une salle de classe

Une salle de classe mesure 88 m de long, 66 m de large et 33 m de haut.

  1. V=8×6×3V = 8 \times 6 \times 3
  2. ==144 m3144\ \text{m}^{3}
  3. m=V×1,2m = V \times 1{,}2masse volumique de l’air
  4. ==144×1,2144 \times 1{,}2
  5. ==172,8 kg≈173 kg172{,}8\ \text{kg} \approx 173\ \text{kg}

Il y a près de 173173 kg d’air dans ta salle de classe — presque le poids de deux adultes ! Tu ne le sens pas, car cet air pousse dans toutes les directions à la fois, de façon équilibrée.

1.3  L’air occupe un volume

Définition

Le volume d’un objet ou d’une matière, c’est la place qu’il occupe dans l’espace. Il se mesure en litres (L) ou en mètres cubes (m³).

L’air remplit toujours tout l’espace qui lui est offert : un ballon « dégonflé » contient déjà un peu d’air, mais très peu ; en le gonflant, on force davantage d’air à occuper le même espace.

Attention

Ne dis jamais « il n’y a pas d’air » dans un endroit qui semble vide. Un espace fermé (bouteille bouchée, boîte fermée, salle aux fenêtres closes) contient toujours de l’air, sauf si on l’a spécialement vidé — on parle alors de « vide », une situation très particulière que l’on ne rencontre pas dans la vie courante.

Physique & Co — Galilée pèse l’air (vers 1630)

Pendant longtemps, on a cru que l’air ne pesait rien du tout. C’est le savant italien Galilée (1564-1642) qui, vers 1630, réalise l’une des premières expériences sérieuses pour peser l’air : il enferme de l’air sous pression dans un flacon de verre, pèse le flacon, puis laisse l’air s’échapper et le pèse à nouveau. Il trouve une petite différence de masse : la preuve que l’air a bien un poids, même s’il est très léger.

Cette découverte ouvrira la voie, quelques décennies plus tard, aux travaux de Torricelli et de Pascal sur la pression atmosphérique — que tu vas découvrir plus loin dans ce chapitre.

2Compressibilité et expansibilité

2.1  L’air est compressible

Expérience — la seringue bouchée

On prend une seringue sans aiguille, on tire le piston pour faire entrer de l’air, puis on bouche hermétiquement l’embout avec le doigt. Si on pousse alors sur le piston, il avance ! L’air enfermé à l’intérieur prend moins de place qu’avant, sans avoir pu s’échapper.

Avant : piston tiré (20 mL) on pousse Après : piston poussé (12 mL) Même nombre de particules d’air, mais moins de place : elles se rapprochent.
Figure 3 — En poussant le piston d’une seringue bouchée, on rapproche les particules d’air : leur nombre ne change pas, mais elles occupent moins de volume.
Définition

Un gaz est compressible si l’on peut réduire son volume en le comprimant, sans qu’il puisse s’échapper. L’air est un gaz : il est compressible.

2.2  L’air est expansible

Maintenant, relâche le piston de la seringue bouchée : il revient tout seul à sa position de départ ! L’air « pousse » pour retrouver sa place initiale.

Définition

Un gaz est expansible s’il peut occuper spontanément tout le volume qui lui est offert, en se dilatant dès qu’on lui laisse de la place.

Exemple — le pneu de vélo

Quand on gonfle un pneu de vélo avec une pompe, on force de l’air comprimé à entrer dans une chambre déjà pleine d’air : le volume du pneu ne peut presque plus grandir, donc l’air comprimé pousse fort sur les parois — le pneu devient dur. Si on le perce, l’air comprimé s’échappe aussitôt vers l’extérieur, où il y a plus de place : c’est l’expansibilité en action.

2.3  Le modèle des particules

Propriété — modèle particulaire

L’air, comme tout gaz, est formé d’un très grand nombre de minuscules particules invisibles, appelées molécules. Dans un gaz, ces particules sont très éloignées les unes des autres et se déplacent sans cesse dans tous les sens, avec beaucoup de vide entre elles.

Démonstration — pourquoi peut-on comprimer un gaz ?

Dans un solide ou un liquide, les particules sont déjà collées les unes aux autres : il n’y a presque pas de vide entre elles, donc on ne peut presque pas les rapprocher davantage. C’est pourquoi l’eau et le bois sont presque incompressibles.

Dans un gaz comme l’air, au contraire, il y a énormément de vide entre les particules. Quand on pousse sur le piston de la seringue, on n’écrase pas les particules elles-mêmes : on les rapproche simplement les unes des autres, en réduisant le vide qui les sépare. Voilà pourquoi l’air peut être comprimé, alors qu’un liquide ou un solide ne le peut presque pas.

Attention

Comprimer de l’air ne détruit rien et n’écrase aucune particule : on rapproche seulement les particules d’air, qui restent entières et dont le nombre ne change pas.

3Pression atmosphérique

3.1  Qu’est-ce que la pression atmosphérique ?

Définition

L’atmosphère est la couche d’air qui entoure la Terre. Comme tout l’air qui la compose a une masse, il pèse sur tout ce qui se trouve en dessous de lui : c’est ce qu’on appelle la pression atmosphérique. Elle s’exerce dans toutes les directions à la fois — vers le bas, vers le haut, sur les côtés.

Imagine une pile de couvertures posées sur toi : chaque couverture pèse un peu, et tu sens le poids de toute la pile. De la même façon, la colonne d’air qui s’élève au-dessus de ta tête, sur des kilomètres, pèse sur toi et sur tout ce qui t’entoure, à chaque instant.

Propriété

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique moyenne vaut environ 1 013 hPa1\,013\ \text{hPa} (hectopascals). C’est à peu près la pression exercée par un poids de 11 kg posé sur chaque centimètre carré de surface — et pourtant, on ne la sent pas, car elle pousse de façon équilibrée dans toutes les directions.

3.2  Des expériences qui montrent que l’air pousse

Expérience — le verre d’eau et la feuille de carton

On remplit un verre d’eau à ras bord, on pose une feuille de carton rigide sur l’ouverture, on la plaque bien avec la main, puis on retourne le verre d’un geste rapide et on retire la main. Résultat surprenant : la feuille de carton reste collée, et l’eau ne tombe pas !

Démonstration — pourquoi le carton ne tombe pas

Deux actions s’exercent sur le carton : le poids de l’eau, qui pousse le carton vers le bas, et la pression de l’air extérieur, qui pousse le carton vers le haut (l’air appuie dans toutes les directions, y compris vers le haut !). Pour un verre ordinaire, la pression de l’air pousse plus fort que le poids de l’eau ne pèse sur le carton : le carton reste donc plaqué contre le verre.

Exemple — la ventouse

Quand on écrase une ventouse en caoutchouc contre un carreau lisse, on chasse l’air qui était entre la ventouse et le carreau. C’est alors la pression de l’air extérieur, qui pousse sur l’autre face de la ventouse, qui la maintient fermement collée.

3.3  La pression atmosphérique change avec l’altitude

Propriété

Plus on monte en altitude, moins il y a d’air au-dessus de nous, donc plus la pression atmosphérique est faible. En haut d’une montagne, la pression est toujours plus basse qu’au niveau de la mer.

Exemple — respirer en altitude

Au sommet du Kilimandjaro (Tanzanie, 5 8925\,892 m), la pression atmosphérique est presque deux fois plus faible qu’au niveau de la mer. Chaque bouffée d’air contient alors moins de dioxygène : c’est pour cela que respirer devient plus difficile en haute altitude, même pour une personne en bonne santé.

Attention

Ce n’est pas la composition de l’air qui change avec l’altitude (il reste environ 21 %21\ \% de dioxygène), mais la quantité totale d’air présente à chaque respiration, à cause de la pression plus faible.

Physique & Co — Torricelli invente le baromètre (1643)

En 1643, l’Italien Evangelista Torricelli (1608-1647), élève de Galilée, remplit un long tube de verre de mercure et le retourne dans une cuvette remplie de mercure. Le mercure du tube descend un peu, puis s’arrête, laissant un espace vide en haut du tube.

Torricelli comprend que c’est la pression de l’air extérieur, qui pousse sur le mercure de la cuvette, qui empêche celui du tube de descendre complètement. Il vient d’inventer le premier baromètre, l’instrument qui mesure la pression atmosphérique — et de prouver, du même coup, que l’air pèse et pousse vraiment. Quelques années plus tard, en 1654, l’Allemand Otto von Guericke confirmera de façon spectaculaire la force de cette pression avec ses célèbres « hémisphères de Magdebourg », que même des chevaux n’arrivaient pas à séparer une fois l’air retiré de l’intérieur.

4Le vent et la météo

4.1  Le vent, c’est de l’air en mouvement

Définition

Le vent est un déplacement d’air, causé par des différences de température et de pression atmosphérique entre deux endroits. L’air se déplace toujours des zones de haute pression vers les zones de basse pression.

L’air chaud est plus léger : il monte. L’air plus froid, plus dense, se déplace alors pour prendre sa place : ce déplacement, c’est le vent que tu sens sur ta peau.

Exemple — le courant d’air qui claque une porte

Quand on ouvre une fenêtre pendant qu’une porte est entrouverte ailleurs dans la maison, un courant d’air peut soudainement claquer la porte. L’air se précipite d’une pièce à l’autre pour équilibrer une petite différence de pression créée par l’ouverture de la fenêtre.

4.2  L’harmattan et la mousson, deux vents d’Afrique de l’Ouest

Exemple — deux vents, deux saisons

L’harmattan est un vent chaud, sec et chargé de poussière (sable du Sahara), qui souffle du nord-est vers le sud-ouest, en saison sèche (environ de novembre à mars selon les régions). Il assèche l’air, donne un ciel voilé et peut gêner la respiration.

La mousson est un vent humide, qui souffle en sens contraire, du sud-ouest vers le nord-est, en provenance de l’océan Atlantique. Elle apporte les pluies de la saison humide, essentielles pour l’agriculture.

Rose des vents : harmattan et mousson N S E O Harmattan : NE → SO, vent sec (saison sèche) Mousson : SO → NE, vent humide (saison des pluies)
Figure 4 — L’harmattan (vent sec venu du Sahara) et la mousson (vent humide venu de l’Atlantique) soufflent en sens opposés, selon la saison.
Attention

L’harmattan et la mousson ne soufflent pas en même temps ni dans la même direction : ils alternent selon les saisons, l’un remplaçant l’autre au fil de l’année.

4.3  L’atmosphère protège la Terre

Propriété

L’atmosphère est organisée en couches. Tout en bas, jusqu’à environ 1212 km d’altitude, se trouve la troposphère : c’est là que nous vivons, que nous respirons, et que se forment les nuages et la météo. Au-dessus s’étendent des couches plus hautes, qui protègent la Terre en filtrant une partie des rayons dangereux du Soleil.

Coupe simplifiée de l’atmosphère Espace Couches supérieures filtrent une partie des rayons du Soleil et protègent la Terre Troposphère (0 à ~12 km) météo, nuages, air que nous respirons Sol 50 km 12 km 0 km
Figure 5 — L’atmosphère est organisée en couches : la troposphère (où l’on vit) puis, au-dessus, des couches plus fines qui protègent la Terre.

4.4  L’air et la respiration : un besoin vital

Définition

Respirer, c’est faire entrer de l’air dans nos poumons pour y prélever le dioxygène (O2\text{O}_2) dont notre corps a besoin, et rejeter du dioxyde de carbone (CO2\text{CO}_2).

Propriété

L’air est un mélange de plusieurs gaz : environ 78 %78\ \% de diazote (N2\text{N}_2), environ 21 %21\ \% de dioxygène (O2\text{O}_2), et une petite quantité d’autres gaz (dioxyde de carbone, vapeur d’eau…).

Attention

Sans air, le corps humain ne survit que quelques minutes. C’est pour cela que respirer un air pur, non pollué, est absolument vital.

Physique & Co — Lavoisier découvre la composition de l’air (1774-1778)

Pendant des siècles, on a cru que l’air était une seule et même substance. C’est le chimiste français Antoine Lavoisier (1743-1794) qui, entre 1774 et 1778, montre par des expériences précises (chauffage de mercure dans l’air enfermé) que l’air est en réalité un mélange de plusieurs gaz : un gaz qui permet la combustion et la respiration, qu’il nomme « oxygène », et un autre gaz, plus abondant, qui ne les permet pas : l’azote.

Cette découverte fonde la chimie moderne et explique enfin pourquoi nous devons respirer sans arrêt : notre corps consomme continuellement le dioxygène de l’air.

5Pollution de l’air

5.1  Qu’est-ce que la pollution de l’air ?

Définition

L’air est pollué lorsqu’il contient des substances indésirables (fumées, poussières, gaz toxiques) en quantité suffisante pour nuire à la santé, aux plantes, aux animaux ou aux bâtiments.

5.2  D’où vient la pollution de l’air ?

Propriété — principales sources
  • les fumées d’usines et de véhicules (voitures, motos, bus) ;
  • les feux de brousse et les déchets brûlés à l’air libre ;
  • les poussières des routes non goudronnées et les poussières naturelles (harmattan) ;
  • les fumées de cuisson (bois, charbon) dans des pièces mal aérées.
Exemple — le smog dans une grande ville

Aux heures de forte circulation, dans une grande ville comme Abidjan ou Dakar, les fumées de milliers de véhicules s’accumulent parfois dans l’air : le ciel devient voilé, un peu gris ou jaunâtre. Ce voile de pollution s’appelle le smog.

Exemple — les feux de brousse

En saison sèche, les feux de brousse, parfois allumés volontairement pour défricher un champ, dégagent une fumée épaisse qui peut piquer les yeux et gêner la respiration à plusieurs kilomètres à la ronde.

5.3  Les conséquences de la pollution de l’air

Attention

La pollution de l’air peut provoquer toux, gêne respiratoire, asthme, et à long terme des maladies plus graves des poumons. Elle abîme aussi les plantes, noircit les monuments, et participe au réchauffement climatique.

5.4  Des gestes simples pour protéger l’air

Méthode — agir à notre échelle
  • se déplacer à pied, à vélo ou en transport en commun plutôt qu’en voiture individuelle, chaque fois que c’est possible ;
  • éviter de brûler les déchets et les feuilles mortes à l’air libre ;
  • faire entretenir les moteurs des véhicules pour limiter les fumées ;
  • planter et protéger des arbres, qui absorbent le CO2\text{CO}_2 et produisent du O2\text{O}_2 ;
  • aérer son logement, de préférence en dehors des heures de forte circulation.

Fiche mémo

  • L’air est de la matière : il a une masse (environ 1,21{,}2 g par litre) et occupe un volume.
  • L’air est compressible (on peut réduire son volume) et expansible (il occupe tout l’espace offert).
  • Modèle particulaire : dans un gaz, les particules sont espacées et se déplacent librement ; comprimer un gaz rapproche les particules sans les détruire.
  • La pression atmosphérique est le poids de l’air qui pousse sur tout ce qui l’entoure ; elle vaut environ 1 0131\,013 hPa au niveau de la mer.
  • La pression atmosphérique diminue quand l’altitude augmente.
  • Le vent est un déplacement d’air, des zones de haute pression vers les zones de basse pression.
  • L’harmattan (sec, du nord-est) et la mousson (humide, du sud-ouest) sont deux vents caractéristiques de l’Afrique de l’Ouest, qui alternent selon les saisons.
  • L’atmosphère est organisée en couches ; la troposphère (0 à ~12 km) est celle où nous vivons et où se forme la météo.
  • L’air est un mélange : environ 78 %78\ \% de diazote (N2\text{N}_2), 21 %21\ \% de dioxygène (O2\text{O}_2).
  • Respirer est vital : sans air, le corps humain ne survit que quelques minutes.
  • La pollution de l’air vient des fumées, des poussières et des gaz toxiques ; elle nuit à la santé et à l’environnement.
  • Des gestes simples (transports doux, ne pas brûler les déchets, planter des arbres) permettent de protéger l’air.

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Vrai ou faux ? Justifie chaque réponse en une phrase.
a) L’air n’a pas de masse.
b) Un verre « vide » contient de l’air.
c) On peut voir l’air à l’œil nu.
d) L’air occupe un volume.
e) L’air est incompressible, comme l’eau.

Voir le corrigé détaillé

a) Faux. L’air a une masse, environ 1,21{,}2 g par litre : c’est petit, mais ce n’est pas nul.

b) Vrai. Un verre « vide » est en réalité rempli d’air, comme le montre l’expérience du verre plongé dans l’eau.

c) Faux. L’air est invisible ; on ne le voit pas directement, mais on peut observer ses effets (vent, bulles, ballon qui se gonfle).

d) Vrai. L’air remplit tout l’espace qui lui est offert : il occupe bien un volume.

e) Faux. L’air, contrairement à l’eau, est compressible : on peut réduire son volume, par exemple avec une seringue bouchée.

2

Le local informatique d’un collège mesure 66 m de long, 55 m de large et 33 m de haut. 1) Calcule son volume. 2) Sachant qu’un mètre cube d’air a une masse d’environ 1,21{,}2 kg, calcule la masse d’air contenue dans ce local.

Voir le corrigé détaillé
  1. V=6×5×3V = 6 \times 5 \times 3
  2. ==90 m390\ \text{m}^{3}
  3. m=V×1,2m = V \times 1{,}2
  4. ==90×1,290 \times 1{,}2
  5. ==108 kg108\ \text{kg}

Le local informatique contient environ 108108 kg d’air.

3

Associe chaque mot à sa définition : compressible, expansible, matière, volume.
① a une masse et occupe une place dans l’espace.
② la place occupée dans l’espace.
③ peut voir son volume réduit sous l’effet d’une pression.
④ occupe spontanément tout l’espace disponible.

Voir le corrigé détaillé

matière → ① : tout ce qui a une masse et occupe un volume.

volume → ② : la place occupée dans l’espace.

compressible → ③ : on peut réduire son volume en le comprimant.

expansible → ④ : il occupe spontanément tout l’espace offert.

4

Un bulletin météo annonce une pression de 1 0241\,024 hPa. 1) Cette valeur est-elle supérieure ou inférieure à la pression moyenne au niveau de la mer ? 2) Que peux-tu en déduire sur le temps qu’il fait probablement ?

Voir le corrigé détaillé

1. La pression moyenne au niveau de la mer vaut 1 0131\,013 hPa. Comme 1 024>1 0131\,024 > 1\,013, la pression annoncée est supérieure à la moyenne.

2. Une pression plus élevée que la moyenne correspond en général à un temps plutôt stable et ensoleillé (peu de vent, peu de nuages).

5

Cite trois sources de pollution de l’air. Pour chacune, propose un geste simple qui permettrait de la réduire.

Voir le corrigé détaillé

Fumées de véhicules → se déplacer davantage à pied, à vélo ou en transport en commun.

Feux de déchets ou de brousse à l’air libre → ne pas brûler ses déchets, les trier ou les composter.

Fumées de cuisson dans une pièce mal aérée → cuisiner dans un endroit bien ventilé ou aéré.

Niveau 2 — Approfondissement
6

Une seringue de 2020 mL contient de l’air. On bouche l’embout, puis on pousse le piston jusqu’à ce que le volume affiché soit de 1212 mL. Explique, avec le vocabulaire du modèle particulaire (particules, vide, volume), ce qui se passe à l’intérieur de la seringue.

Voir le corrigé détaillé

L’air enfermé est constitué d’un grand nombre de particules très espacées, séparées par du vide. En poussant le piston, on réduit l’espace disponible : les particules d’air sont alors rapprochées les unes des autres, le vide entre elles diminue. Leur nombre ne change pas — aucune particule n’a disparu ni n’a été détruite — seul le volume qu’elles occupent a diminué, de 2020 mL à 1212 mL.

7

Le salon de la famille Ndiaye a un volume de 40 m340\ \text{m}^{3}, la chambre de leur fils a un volume de 15 m315\ \text{m}^{3}. 1) Calcule la masse d’air contenue dans chaque pièce. 2) Calcule la différence entre ces deux masses.

Voir le corrigé détaillé
  1. msalon=40×1,2m_{\text{salon}} = 40 \times 1{,}2
  2. ==48 kg48\ \text{kg}
  3. mchambre=15×1,2m_{\text{chambre}} = 15 \times 1{,}2
  4. ==18 kg18\ \text{kg}
  5. différence =48−18= 48 - 18
  6. ==30 kg30\ \text{kg}

Le salon contient 3030 kg d’air de plus que la chambre.

8

Explique avec tes mots pourquoi une ventouse en caoutchouc tient collée sur un carreau bien lisse. Utilise l’expression « pression atmosphérique » dans ta réponse.

Voir le corrigé détaillé

Quand on écrase la ventouse contre le carreau, on chasse presque tout l’air qui se trouvait entre la ventouse et la vitre. De l’autre côté de la ventouse, l’air extérieur exerce toujours sa pression atmosphérique normale, qui pousse la ventouse contre le carreau. Comme il n’y a presque plus d’air pour pousser en sens inverse à l’intérieur, la pression atmosphérique extérieure suffit à maintenir la ventouse plaquée.

9

Recopie et complète ce tableau comparatif de l’harmattan et de la mousson : direction du vent, saison, effet sur l’air.

Voir le corrigé détaillé
HarmattanMousson
Directionnord-est → sud-ouestsud-ouest → nord-est
Saisonsaison sèche (nov. à mars environ)saison des pluies
Effet sur l’airair sec, chargé de poussièreair humide, apporte la pluie
Niveau 3 — Défi
10
  1. Décris le montage de l’expérience du verre d’eau retourné avec une feuille de carton.
  2. Nomme les deux actions (forces) qui s’exercent sur le carton, et précise le sens de chacune.
  3. Explique pourquoi le carton ne tombe pas.
  4. Que se passerait-il si le verre n’était rempli qu’à moitié d’eau ? Explique.
Voir le corrigé détaillé

1. On remplit un verre d’eau à ras bord, on pose une feuille de carton rigide sur l’ouverture, on la plaque avec la main, puis on retourne le verre d’un geste rapide avant de retirer la main.

2. Le poids de l’eau pousse le carton vers le bas. La pression de l’air extérieur pousse le carton vers le haut.

3. Pour un verre ordinaire, la pression de l’air pousse plus fort vers le haut que le poids de l’eau ne pousse vers le bas : le carton reste donc plaqué contre le verre et l’eau ne tombe pas.

4. Si le verre n’était rempli qu’à moitié, une poche d’air resterait au-dessus de l’eau. En retournant le verre, cette poche d’air pourrait remonter à travers l’eau (sous forme de bulles) et déséquilibrer le carton : l’expérience devient beaucoup moins fiable, et l’eau risque de tomber.

Pourquoi le carton ne tombe pas ? carton Poids de l’eau Pression de l’air
Figure 6 — Sous le carton, la pression de l’air pousse vers le haut plus fort que le poids de l’eau ne pousse vers le bas.
11

Voici quelques valeurs de pression atmosphérique selon l’altitude.

Altitude00 m1 0001\,000 m3 0003\,000 m5 0005\,000 m6 0006\,000 m
Pression1 0131\,013 hPa899899 hPa701701 hPa540540 hPa472472 hPa
  1. Décris en une phrase comment évolue la pression quand l’altitude augmente.
  2. Le Kilimandjaro culmine à 5 8925\,892 m. En utilisant un encadrement entre deux valeurs du tableau, estime sa pression atmosphérique approximative au sommet.
  3. Explique en une phrase pourquoi les alpinistes qui gravissent l’Everest (8 8498\,849 m) utilisent des bouteilles de dioxygène.
Voir le corrigé détaillé

1. Plus l’altitude augmente, plus la pression atmosphérique diminue.

2. L’altitude 5 8925\,892 m est comprise entre 5 0005\,000 m (540540 hPa) et 6 0006\,000 m (472472 hPa), et elle est très proche de 6 0006\,000 m.

  1. 5 000<5 892<6 0005\,000 < 5\,892 < 6\,000
  2. ⇒\Rightarrow472 hPa<P<540 hPa472\ \text{hPa} < P < 540\ \text{hPa}la pression est encadrée par les deux valeurs

Comme 5 8925\,892 m est très proche de 6 0006\,000 m, la pression au sommet du Kilimandjaro est d’environ 480480 hPa, un peu plus de deux fois plus faible qu’au niveau de la mer.

3. À très haute altitude, la pression atmosphérique est si faible que chaque respiration apporte beaucoup moins de dioxygène : les alpinistes emportent donc des bouteilles de dioxygène pour respirer normalement.

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  1. Pendant une journée ensoleillée, le sable d’une plage chauffe-t-il plus vite que l’eau de mer, ou moins vite ?
  2. Où l’air devient-il donc le plus chaud : au-dessus du sable ou au-dessus de la mer ? Que fait cet air chaud ?
  3. Vers quelle zone l’air plus frais venant de la mer se déplace-t-il alors ? Décris le sens du vent en bord de mer, l’après-midi.
Voir le corrigé détaillé

1. Le sable chauffe plus vite que l’eau de mer sous l’effet du Soleil.

2. L’air situé au-dessus du sable devient donc plus chaud que l’air au-dessus de la mer. Cet air chaud, plus léger, monte.

3. En montant, l’air chaud laisse la place à une zone de plus basse pression près du sol côté terre. L’air plus frais et plus dense venant de la mer se déplace alors vers la terre pour combler ce manque : c’est la brise de mer, un vent qui souffle de la mer vers la terre l’après-midi.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
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La vendeuse de ballons (Dakar). À Dakar, Fatou vend des ballons de baudruche gonflés sur la Corniche. Elle gonfle 4040 ballons, et chaque ballon contient environ 2,52{,}5 L d’air. 1) Calcule le volume total d’air utilisé. 2) Calcule la masse totale de cet air (densité de l’air : 1,21{,}2 g/L). 3) Elle vend chaque ballon 200200 FCFA. Calcule sa recette totale si elle vend tous les ballons.

Voir le corrigé détaillé
  1. V=40×2,5V = 40 \times 2{,}5
  2. ==100 L100\ \text{L}
  3. m=100×1,2m = 100 \times 1{,}2
  4. ==120 g=0,12 kg120\ \text{g} = 0{,}12\ \text{kg}
  5. recette =40×200= 40 \times 200
  6. ==8 0008\,000 F CFA

Fatou utilise 100100 L d’air, soit 120120 g, et encaisse 8 0008\,000 F CFA si elle vend tous ses ballons.

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Se protéger de l’harmattan (Abéché). À Abéché, pendant la saison de l’harmattan, Mariam protège ses sacs de mil de la poussière avec des bâches en plastique. Elle a besoin de 66 bâches à 2 5002\,500 F CFA chacune, plus 1 8001\,800 F CFA de corde. 1) Explique pourquoi l’harmattan rend cette protection nécessaire. 2) Calcule le coût total de la protection. 3) Sans protection, elle estime perdre 7 5007\,500 F CFA sur chacun de ses 33 sacs de mil, à cause de la poussière. Calcule l’argent économisé grâce à la protection, et dis si l’opération est rentable.

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1. L’harmattan est un vent sec chargé de poussière et de sable venus du Sahara : il salit et abîme les marchandises laissées à l’air libre.

  1. coût =6×2 500+1 800= 6 \times 2\,500 + 1\,800
  2. ==15 000+1 80015\,000 + 1\,800
  3. ==16 80016\,800 F CFA
  1. économie =3×7 500= 3 \times 7\,500
  2. ==22 50022\,500 F CFA
  3. gain net =22 500−16 800= 22\,500 - 16\,800
  4. ==5 7005\,700 F CFA

La protection coûte 16 80016\,800 F CFA mais évite une perte de 22 50022\,500 F CFA : Mariam gagne donc 5 7005\,700 F CFA en se protégeant. L’opération est rentable.

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Pic de pollution (Ndjamena). À Ndjamena, pendant un pic de pollution (poussière et fumées), le collège recommande aux élèves sensibles de porter un masque de protection. Un masque coûte 350350 F CFA et protège pendant une journée. 1) Calcule le coût pour un élève qui porte un masque pendant les 55 jours du pic de pollution. 2) La classe de Moussa compte 4242 élèves ; si tous suivent la recommandation pendant ces 55 jours, calcule la dépense totale de la classe. 3) Propose deux gestes gratuits, en plus du masque, qui peuvent aussi réduire l’exposition à la pollution de l’air.

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  1. coût élève =350×5= 350 \times 5
  2. ==1 7501\,750 F CFA
  3. dépense classe =1 750×42= 1\,750 \times 42
  4. ==73 50073\,500 F CFA

3. On peut par exemple éviter de sortir aux heures de forte circulation, et garder les fenêtres fermées côté route pendant le pic de pollution.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

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Qu'est-ce que la matière, en sciences ?

Explication : La matière est tout ce qui a une masse et qui occupe une place dans l'espace. L'air, l'eau et une pierre sont tous les trois de la matière.

Un litre d'air a une masse d'environ :

Explication : Un litre d'air, dans les conditions habituelles, a une masse d'environ 1,21{,}2 gramme.

On plonge un verre vide, à l'envers, dans une bassine d'eau. Que se passe-t-il ?

Explication : Le verre « vide » est en réalité rempli d'air. Cet air empêche l'eau d'entrer, tant qu'il ne peut pas s'échapper.

On pose un ballon gonflé et un ballon dégonflé identique sur les deux plateaux d'une balance bien équilibrée. Que se passe-t-il ?

Explication : Le ballon gonflé contient plus d'air que le ballon dégonflé : il est donc légèrement plus lourd, ce qui prouve que l'air a une masse.

Le volume d'une matière, c'est :

Explication : Le volume est la place occupée dans l'espace. Il se mesure en litres ou en mètres cubes.

On bouche l'embout d'une seringue contenant de l'air, puis on pousse le piston. Que se passe-t-il ?

Explication : L'air enfermé peut être comprimé : il prend moins de place qu'avant, même s'il ne peut pas s'échapper.

Un gaz est dit expansible lorsque :

Explication : Un gaz expansible se dilate et occupe tout le volume disponible dès qu'on lui laisse de la place. C'est pour cela que le piston relâché revient à sa position de départ.

Pourquoi peut-on comprimer l'air assez facilement, mais presque pas l'eau ?

Explication : Dans un gaz, il y a beaucoup de vide entre les particules, qu'on peut réduire en comprimant. Dans un liquide, les particules sont déjà très proches : il n'y a presque plus de vide à réduire.

Quand on comprime de l'air dans une seringue bouchée, que devient le nombre de particules d'air à l'intérieur ?

Explication : Comprimer de l'air ne détruit rien : on rapproche seulement les particules, qui restent entières et dont le nombre ne change pas.

La pression atmosphérique, c'est :

Explication : L'air a une masse, donc il pèse sur tout ce qui est en dessous de lui. Cette pression s'exerce dans toutes les directions à la fois.

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique moyenne vaut environ :

Explication : La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est d'environ 1 0131\,013 hectopascals (hPa).

Quand l'altitude augmente, la pression atmosphérique :

Explication : Plus on monte, moins il y a d'air au-dessus de nous : la pression atmosphérique diminue avec l'altitude.

Au sommet du Kilimandjaro, la pression atmosphérique est presque deux fois plus faible qu'au niveau de la mer. Pourquoi respirer y est-il plus difficile ?

Explication : La composition de l'air ne change pas avec l'altitude, mais comme la pression est plus faible, chaque respiration apporte moins d'air, donc moins de dioxygène.

On pose une feuille de carton sur un verre d'eau rempli à ras bord, puis on retourne le verre. Pourquoi le carton ne tombe-t-il pas ?

Explication : L'air pousse dans toutes les directions, y compris vers le haut. Pour un verre ordinaire, cette pression est plus forte que le poids de l'eau : le carton reste plaqué.

Une ventouse en caoutchouc reste collée sur un carreau lisse grâce à :

Explication : En écrasant la ventouse, on chasse l'air entre elle et le carreau. C'est la pression de l'air extérieur qui la maintient collée.

Le vent est un déplacement d'air qui va toujours :

Explication : Le vent est un déplacement d'air causé par des différences de pression : l'air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression.

L'harmattan est un vent :

Explication : L'harmattan est un vent chaud, sec et poussiéreux, venu du Sahara, qui souffle du nord-est vers le sud-ouest en saison sèche.

L'air est un mélange de gaz composé d'environ :

Explication : L'air est composé d'environ 78 % de diazote et 21 % de dioxygène, le reste étant d'autres gaz en petite quantité.

Laquelle de ces actions ne pollue PAS l'air ?

Explication : Les arbres absorbent le dioxyde de carbone et produisent du dioxygène : planter des arbres protège l'air, contrairement aux fumées et aux feux de brousse.

Une chambre a un volume de 1010 m³. Sachant qu'11 m³ d'air a une masse d'environ 1,21{,}2 kg, quelle est la masse d'air dans cette chambre ?

Explication : m=V×1,2m = V \times 1{,}2
m=10×1,2m = 10 \times 1{,}2
m=12m = 12 kg.
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