Lernzettel: Les éléments de l'univers et leur organisation

📋 Plan du Cours

1. Au niveau du microscope, de quoi la mine de carbone graphite est-elle constituée
2. Déduis-en quelle particule est responsable du passage du courant électrique dans les métaux
3. Indique leur sens de déplacement en vert
4. Cite trois autres métaux usuels en précisant l’une de leurs utilisations
5. Schématise ce circuit en faisant apparaître le sens du courant ainsi que celui des électrons libres
6. Quelle est la taille approximative d’un noyau (exprimée en mètre
7. Donne le nom de l’atome dont le numéro atomique est
8. Quel est son nombre de masse
9. Quelle est la masse du cortège électronique d’un atome d’aluminium
10. D’où proviennent les éléments constituants le globe terrestre
11. Classe les objets de l’Univers par ordre de taille croissant
12. Où retrouve-t-on la même composition que celle du système solaire

📖 1. Au niveau du microscope, de quoi la mine de carbone graphite est-elle constituée

🔑 Notions clés & Définitions

• Carbone graphite : Matière correspondant au carbone graphite, identifiée comme la mine de ton crayon de papier.

📝 Points essentiels

• Chaque petit rond visible sur l’image obtenue à l’aide d’un microscope électronique correspond à un atome de carbone de forme sphérique.
• L’observation microscopique de la mine de graphite est réalisée à l’aide d’un microscope électronique.
• Le carbone graphite n’est rien d’autre que la mine de ton crayon de papier.
• JE RETIENS Les métaux (à l’état solide) et le carbone graphite sont constitués d’un empilement ordonné d’atomes.

💡 À retenir

Au niveau microscopique, la mine de carbone graphite (mine de crayon) est un empilement ordonné d’atomes de carbone, et les petits ronds observés au microscope électronique correspondent à des atomes sphériques.

📖 2. Déduis-en quelle particule est responsable du passage du courant électrique dans les métaux

📝 Points essentiels

• Lorsque l’interrupteur est fermé, les électrons libres se déplacent de façon ordonnée d’un atome à un autre.
• Le déplacement des électrons libres se fait en opposé au sens conventionnel du courant.
• Le mouvement d’ensemble des électrons libres correspond au trajet de la borne négative (-) vers la borne positive (+) du générateur, donc opposé au courant conventionnel.
• Quand l’interrupteur est ouvert, la lampe ne brille pas et il n’y a donc pas de courant électrique qui circule ; les électrons libres ont alors des mouvements désordonnés.
• Dans un métal et le carbone graphite, le passage du courant électrique est dû à un déplacement d’électrons libres.
• Lorsqu’un métal est parcouru par un courant électrique, les électrons libres se déplacent dans tous les sens.

💡 À retenir

Dans un métal et dans le carbone graphite, la conduction est assurée par le déplacement d’électrons libres : leur mouvement d’ensemble est opposé au sens conventionnel du courant.

📖 3. Indique leur sens de déplacement en vert

🔑 Notions clés & Définitions

• Borne positive (+) : Terme désignant la borne du générateur portant la charge positive, utilisée comme référence pour le sens conventionnel du courant et pour le sens de déplacement des électrons libres.
• Déplacement d’électrons libres : Déplacement des électrons libres dans les métaux et le carbone graphite, responsable du passage du courant électrique.
• Indique leur sens de déplacement : Consigne demandant de tracer le sens de déplacement des électrons libres sur un schéma, avec une flèche verte.

📝 Points essentiels

• Le sens conventionnel du courant électrique va de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur.
• Le déplacement des électrons libres s’effectue en opposé au sens conventionnel du courant, c’est-à-dire de la borne négative (-) vers la borne positive (+) du générateur.
• Pour un schéma à colorier, une flèche verte correspond au sens de déplacement des électrons libres (de - vers +).

💡 À retenir

Le sens conventionnel du courant électrique va de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur.

📖 4. Cite trois autres métaux usuels en précisant l’une de leurs utilisations

🔑 Notions clés & Définitions

• Métaux : Consigne demandant de donner trois exemples de métaux usuels en précisant l’une de leurs utilisations.

📝 Points essentiels

• Les particules qui permettent aux métaux d’être conducteurs sont les électrons.
• L’aluminium est un métal fréquemment utilisé au quotidien, notamment pour fabriquer des menuiseries telles que des portes, des volets ou des portails.

💡 À retenir

Retenir que les métaux conduisent grâce au déplacement d’électrons, et associer des exemples de métaux usuels à une utilisation concrète (comme l’aluminium pour des menuiseries).

📖 5. Schématise ce circuit en faisant apparaître le sens du courant ainsi que celui des électrons libres

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge électrique : Propriété des constituants de la matière qui peut être positive ou négative, et qui permet de décrire la neutralité de la matière.
• CNED – Collège 3e PHYSIQUe – CHIMIe : Référence du document CNED – Collège 3e PHYSIQUe – CHIMIe utilisée dans l’extrait fourni.

📝 Points essentiels

• Le circuit comprend un générateur, un interrupteur, une lampe et une mine de carbone graphite.
• Le sens conventionnel du courant électrique est établi de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur.
• Lorsque l’interrupteur est fermé, la lampe brille : il y a un courant électrique qui circule.
• Sur le schéma, le sens des électrons libres est opposé au sens conventionnel du courant.

💡 À retenir

Pour schématiser un circuit, il faut représenter simultanément le sens conventionnel du courant (de + vers -) et le sens des électrons libres, opposé (de - vers +).

📖 6. Quelle est la taille approximative d’un noyau (exprimée en mètre

🔑 Notions clés & Définitions

• Ordre de grandeur : Puissance de dix la plus proche d’un nombre correspondant à la taille d’un objet infiniment petit ou infiniment grand.

📝 Points essentiels

• Le diamètre du noyau est donc de l’ordre de 10^-15 m (taille approximative).
• Ceci s’explique par les dimensions de l’atome : le diamètre du noyau est 100 000 fois plus petit que le diamètre de l’atome.
• Le diamètre d’un atome est cent fois plus grand que celui de son noyau.
• Celui d’un noyau est cent mille fois plus petit.

💡 À retenir

Le diamètre du noyau est 100 000 fois plus petit que celui de l’atome, ce qui correspond à une taille approximative de l’ordre de 10^-15 m.

📖 7. Donne le nom de l’atome dont le numéro atomique est

🔑 Notions clés & Définitions

• Symbole de l’atome : Caractéristique d’un atome donnée sous forme d’une lettre majuscule souvent suivie d’une minuscule.
• Numéro atomique Z : Grandeur d’un atome correspondant au nombre de protons contenus dans le noyau.

📝 Points essentiels

• Le numéro atomique Z représente le nombre de protons d’un atome.
• Le nom de l’atome se déduit à partir du tableau périodique des éléments en utilisant la valeur du numéro atomique Z.
• Le numéro atomique permet d’identifier l’élément (et donc l’atome) correspondant à la valeur donnée.

💡 À retenir

Le numéro atomique Z correspond au nombre de protons et permet d’identifier directement l’élément (donc l’atome) dans le tableau périodique.

📖 8. Quel est son nombre de masse

📝 Points essentiels

• Le nombre de masse se détermine à partir de la fiche d’identité de l’atome, qui donne notamment le nombre de protons et permet d’obtenir le nombre de nucléons.
• Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons dans le noyau.
• Sachant qu’un atome de carbone a une masse de 1,99 x 10-23 g, calcule le nombre d’atomes de carbone contenus dans un diamant de 3 g.
• Il représente le nombre de nucléons contenus dans le noyau, c’est-à-dire la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons.
• Le nombre de masse A vérifie la relation : A = (nombre de masse) = (nombre de nucléons) = Z + (nombre de neutrons).
• Le nombre de masse A se lit/est déterminé à partir de la fiche d’identité de l’atome (avec Z).

💡 À retenir

Le nombre de masse A correspond au nombre total de nucléons dans le noyau : il compte les protons et les neutrons.

📖 9. Quelle est la masse du cortège électronique d’un atome d’aluminium

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome d’aluminium : Atome possédant 13 électrons ; son numéro atomique est Z = 13.
• Masse d’un atome : Concentrée dans son noyau.

📝 Points essentiels

• Pour l’aluminium, le cortège électronique correspond aux électrons de l’atome : l’atome d’aluminium possède 13 électrons, donc Z = 13.
• La masse du cortège électronique se calcule en multipliant le nombre d’électrons par la masse d’un électron, avec me = 9,1 × 10^-31 kg.
• Pour conclure, on peut représenter un atome par un minuscule noyau constitué de nucléons, portant une charge électrique positive et contenant la masse de l’atome et loin, sur sa périphérie, un cortège qui est fait de particules très légères, de charge électrique négative, les électrons.
• La masse de tous les électrons de l’atome de fer est 2,366 × 10-29 kg.

💡 À retenir

Pour l’aluminium, le cortège électronique correspond aux électrons de l’atome : l’atome d’aluminium possède 13 électrons, donc Z = 13.

📖 10. D’où proviennent les éléments constituants le globe terrestre

📝 Points essentiels

• Les éléments constituants le globe terrestre proviennent de transformations nucléaires dans les étoiles, à l’origine d’éléments plus lourds (comme le carbone, l’azote, l’oxygène et le silicium) retrouvés sur Terre et dans les organismes vivants.
• La séance 3 compare la composition de l’Univers (hydrogène et hélium) et celle de la Terre, ainsi que la présence d’éléments plus lourds (oxygène, carbone, silicium, soufre, etc.).
• La question relie l’origine des éléments du globe terrestre à la différence majeure avec ceux de l’Univers : l’Univers est essentiellement constitué d’hydrogène et d’hélium, alors que les éléments lourds sont fabriqués par les étoiles.
• Des transformations nucléaires ayant lieu dans les étoiles sont à l’origine d’éléments plus lourds tels que le car- bone, l’azote, l’oxygène et le silicium que l’on retrouve sur Terre et dans les organismes vivants.
• L’hydrogène et l’hélium sont des éléments lourds.
• Les éléments présents sur Terre proviennent de la matière à l’échelle cosmique (infiniment grand) qui a formé le globe terrestre.
• La séance 3 met en avant la comparaison des éléments sur Terre et dans l’Univers (hydrogène, hélium, éléments lourds).
• Les éléments lourds (comme oxygène, carbone, fer, silicium) sont aussi présents sur Terre.
• La question vise à relier la composition du globe terrestre à la composition de l’Univers étudiée dans la séance 3.

💡 À retenir

Les éléments du globe terrestre sont des éléments plus lourds fabriqués par les étoiles, et on les retrouve aussi dans les organismes vivants. Cette composition se distingue de celle de l’Univers, essentiellement constitué d’hydrogène et d’hélium.

📖 11. Classe les objets de l’Univers par ordre de taille croissant

📝 Points essentiels

• Les objets à classer incluent : la Terre, un atome, un être humain, un cheveu, une galaxie (la Voie Lactée).
• L’ordre de taille croissant commence par l’atome.
• Ensuite viennent des objets de taille intermédiaire comme le cheveu, puis l’échelle humaine (être humain).
• La Terre est plus grande qu’un être humain et qu’un cheveu.
• Une galaxie (la Voie Lactée) est plus grande que la Terre.
• Classe les objets de l’Univers par ordre de taille croissant.
• Un élève affirme que le rapport de grandeur entre une balle de tennis et un atome est comparable au rapport de grandeur entre la Terre et une balle de tennis.

💡 À retenir

L’Univers est décomposé en différentes échelles pour l’étudier de l’infiniment petit jusqu’à l’infiniment grand, avec une échelle humaine située entre l’atome et la galaxie. La hiérarchie de tailles à retenir est : atome < cheveu < être humain < Terre < galaxie.

📖 12. Où retrouve-t-on la même composition que celle du système solaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Réponds aux questions : Consigne demandant de répondre aux questions sur le cahier d’exercices.

📝 Points essentiels

• La séance 3 étudie les éléments de l’infiniment grand et de l’infiniment petit : hydrogène, hélium, puis éléments lourds (oxygène, carbone, fer, silicium,…).
• Les éléments lourds (oxygène, carbone, fer, silicium,…) sont présents à la fois dans le système solaire et dans l’Univers étudié.
• Objectifs de la séance
• Connaître les échelles de grandeur et les ordres de grandeurs
• Connaître les éléments sur Terre et dans l’Univers : hydrogène hélium, éléments lourds (oxygène, carbone, fer, silicium,…)
• Comparer les ressources de certains éléments JE SAIS DÉJÀ En classe de 5e, tu as vu que :
• La Terre se trouve dans un système solaire constitué de huit planètes, de milliards d’étoiles, de satellites et de deux ceintures d’astéroïdes.
• On retrouve donc les mêmes éléments partout dans l’Univers : que ce soit au cœur des étoiles, sur Terre ou dans le corps humain.

💡 À retenir

On retrouve dans l’Univers les mêmes éléments que dans le système solaire, mais en quantités différentes : hydrogène, hélium et éléments lourds (comme oxygène, carbone, fer, silicium).

🧩 Compléments de couverture

1. Les électrons sont décrits comme des particules portant des charges négatives qui « gravitent (tournent) autour du noyau à différentes distances ».
2. Les électrons libres sont ceux qui peuvent « dans certaines circonstances quitter l’atome ».
3. Données : diamètre de la Terre : DT = 12 700 km ; diamètre d’une balle de tennis : Db = 6,4 cm ; diamètre d’un atome : D a = 0,1 nm.
4. CNED – Collège 3e PHYSIQUe – CHIMIe – Unité 1 –Séance 1 9 Lorsque l’interrupteur est fermé, la lampe brille.
5. CNED – Collège 3e PHYSIQUe – CHIMIe – Unité 1 –Séance 2 13 Tous les nucléons contenus dans le noyau ont sensiblement la même masse, bien supérieure à celle des électrons.
6. POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 4 – Étude de l’aluminium L’aluminium est un métal fréquemment utilisé au quotidien, notamment pour fabriquer des menuiseries telles que des portes, des volets ou des portails.
7. 1932, James Chadwick découvre que le noyau n’est pas une simple sphère mais l’association de plus petites sphères appelées nu- cléons.
8. Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. L’astrophysicien Hubert Reeves a dit : « Nous sommes tous des poussières d’étoiles ». En t’appuyant sur les docu- ments ci-dessous, explique pourquoi.
9. 14 CNED – Collège 3e PHYSIQUe – CHIMIe – Unité 1 –Séance 2 Étude de document n° 2 Il existe plus d’une centaine d’atomes différents.
10. Voici ce que l’on trouve le concernant dans la classification : Li 7 3 Ce nombre est appelé le numéro atomique, noté Z.
11. 3 électrons (car l’atome est électriquement neutre et possède autant de charges positives + (protons) que de charges négatives – (électrons)
12. 13 5 ¨ F ¨ Be 9 4 9 9 ¨ Be ¨ B 4 5 Exercice 4 – Élément mystère Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices.
13. Voici en détail l’organisation de notre univers : — la plus petite échelle est l’échelle atomique dont l’ordre de grandeur est le nanomètre (= 10-9 m).

📊 Tableaux de Synthèse

Sens du courant vs sens des électrons libres

Grandeur	Sens conventionnel du courant	Sens des électrons libres
Courant électrique (interrupteur fermé)	De la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur	Opposé : de la borne négative (-) vers la borne positive (+) du générateur
Interrupteur ouvert	Pas de courant électrique (lampe ne brille pas)	Mouvements désordonnés (pas de déplacement ordonné)

Conduction dans les métaux et le graphite

Matériau	Particule responsable	Sens du mouvement d’ensemble
Métaux (à l’état solide)	Électrons libres	Opposé au sens conventionnel du courant
Carbone graphite (mine de crayon)	Électrons libres	Opposé au sens conventionnel du courant

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre le sens conventionnel du courant (de + vers -) avec le sens de déplacement des électrons libres (de - vers +).
2. Penser que les électrons libres se déplacent dans le même sens que le courant conventionnel (ils sont opposés).
3. Oublier que quand l’interrupteur est ouvert, la lampe ne brille pas donc il n’y a pas de courant électrique et les électrons libres ont des mouvements désordonnés.
4. Dire que la mine de carbone graphite est autre chose qu’un empilement ordonné d’atomes de carbone (et que les petits ronds observés correspondent à des atomes sphériques).
5. Confondre le diamètre du noyau et celui de l’atome : le noyau est ~100 000 fois plus petit que l’atome (et l’atome est cent fois plus grand que le noyau).
6. Confondre le numéro atomique Z avec le nombre de masse : Z correspond au nombre de protons, tandis que le nombre de masse A est le total des nucléons (protons + neutrons).
7. Croire que la masse d’un atome est portée par les électrons : le texte indique que la masse est concentrée dans le noyau.

✅ Checklist Examen

1. Au microscope électronique, les petits ronds observés dans la mine de graphite correspondent à des atomes de carbone sphériques.
2. La mine de carbone graphite est un empilement ordonné d’atomes de carbone.
3. Dans un métal et dans le carbone graphite, la conduction est assurée par le déplacement d’électrons libres.
4. Quand l’interrupteur est fermé, les électrons libres se déplacent de façon ordonnée d’un atome à un autre.
5. Le déplacement d’ensemble des électrons libres est opposé au sens conventionnel du courant.
6. Le sens conventionnel du courant va de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur.
7. Le sens des électrons libres va de la borne négative (-) vers la borne positive (+) du générateur.
8. Quand l’interrupteur est ouvert, la lampe ne brille pas : il n’y a pas de courant électrique et les électrons libres ont des mouvements désordonnés.
9. Le diamètre du noyau est de l’ordre de 10^-15 m.
10. Le numéro atomique Z correspond au nombre de protons et permet d’identifier l’élément dans le tableau périodique.
11. Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons : A = Z + (nombre de neutrons).
12. Pour l’aluminium, le cortège électronique correspond aux 13 électrons (Z = 13).