5ᵉ · Physique-Chimie · Constitution & transformations de la matière
La masse d'un objet indique la quantité de matière qu'il contient. On la mesure avec une balance. Son unité principale est le kilogramme (kg) ; au laboratoire on utilise souvent le gramme (g). La masse d'un objet ne change pas quand on le déplace.
Le volume est la place occupée par un objet. Pour un liquide, on le mesure avec une éprouvette graduée en lisant en bas du ménisque, l'œil au niveau de la surface. Unités : le litre (L) et le millilitre (mL), ou le mètre cube (m³) et le centimètre cube (cm³).
Pour un solide qui a la forme d'un pavé (parallélépipède) : V = longueur × largeur × hauteur. Pour un solide de forme quelconque, on utilise la méthode par déplacement d'eau dans une éprouvette.
Retiens l'égalité clé : 1 mL = 1 cm³. Donc 1 L = 1000 mL = 1000 cm³. Pour les masses : 1 kg = 1000 g.
La masse volumique, notée ρ (rhô), indique la masse d'une unité de volume de matière :
Si m est en grammes et V en cm³, ρ est en g/cm³. Comme 1 mL = 1 cm³, on a aussi des g/mL. Pour des grandes quantités, on utilise les kg/L (et 1 g/cm³ = 1 kg/L). On peut isoler m = ρ × V ou V = m / ρ.
La masse volumique est une carte d'identité du matériau : elle ne dépend ni de la taille ni de la forme de l'objet. L'eau a ρ = 1 g/cm³, l'huile ≈ 0,9 g/cm³, l'aluminium ≈ 2,7 g/cm³, le fer ≈ 7,8 g/cm³. Deux objets de même matériau ont la même masse volumique.
Un matériau flotte sur l'eau si sa masse volumique est plus petite que celle de l'eau (moins de 1 g/cm³) ; il coule si elle est plus grande que 1 g/cm³. C'est pourquoi l'huile flotte sur l'eau, mais un clou en fer coule.
Avant la théorie, voyons à quoi sert ce chapitre. La masse volumique, c'est un vrai outil de détective des matériaux. Un bijoutier veut savoir si une bague est en or massif ou en toc : il mesure sa masse et son volume, calcule sa masse volumique, et la compare à celle de l'or.
Si les valeurs collent, c'est peut-être de l'or ; sinon, c'est du faux. Les constructeurs de bateaux, eux, se demandent ce qui flotte et ce qui coule : une bille de plomb coule, mais une coque en acier bien creuse peut flotter, parce que ce qui compte c'est la masse volumique de l'ensemble. Et en cuisine, quand tu verses de l'huile dans un verre d'eau, l'huile reste au-dessus : elle est moins dense que l'eau, donc elle flotte.
Tout ça repose sur une seule idée : chaque matériau a sa masse volumique, une sorte de carte d'identité.
Commençons par les deux grandeurs de base. La masse indique combien il y a de matière dans un objet. On la mesure avec une balance, et son unité principale est le kilogramme, mais au laboratoire on travaille souvent en grammes.
Le volume, lui, indique la place que prend l'objet. Pour un liquide, on utilise une éprouvette graduée : on verse le liquide, et on lit le nombre en bas du ménisque, cette petite courbe que forme la surface, l'œil bien au niveau du liquide. L'unité est le litre, ou le millilitre pour les petites quantités.
Retiens deux réflexes : la balance pour la masse, l'éprouvette pour le volume d'un liquide.
Il faut savoir jongler avec les unités. Pour la masse, c'est simple : un kilogramme vaut mille grammes. Pour le volume, retiens l'égalité la plus utile du chapitre : un millilitre égale un centimètre cube.
Un litre vaut mille millilitres, donc aussi mille centimètres cubes. Cette égalité entre le millilitre et le centimètre cube est très pratique : elle permet de passer du volume d'un liquide, mesuré à l'éprouvette en millilitres, au volume d'un solide, calculé en centimètres cubes, sans changer le nombre. Avant tout calcul de masse volumique, vérifie toujours que la masse est en grammes et le volume en centimètres cubes.
Voici la grande formule du chapitre. La masse volumique, notée rhô, mesure combien pèse une unité de volume de matière. On la calcule en divisant la masse par le volume : rhô égale m divisé par V.
Si la masse est en grammes et le volume en centimètres cubes, rhô s'exprime en grammes par centimètre cube. Un exemple : cent grammes d'eau occupent cent centimètres cubes, donc l'eau a une masse volumique de un gramme par centimètre cube. Le fer, lui, est bien plus lourd pour le même volume : sa masse volumique vaut environ sept virgule huit.
À partir de cette formule, on peut aussi retrouver la masse si on connaît le volume, avec m égale rhô fois V, ou retrouver le volume avec V égale m divisé par rhô.
La masse volumique est une vraie carte d'identité : elle ne dépend ni de la taille ni de la forme de l'objet, seulement du matériau. L'eau vaut un gramme par centimètre cube, l'huile environ zéro virgule neuf, l'aluminium deux virgule sept, le fer sept virgule huit. On s'en sert pour deux choses.
D'abord reconnaître un matériau : on mesure la masse volumique d'un objet et on la compare aux valeurs d'un tableau. Ensuite prévoir la flottaison : un matériau flotte sur l'eau si sa masse volumique est plus petite que celle de l'eau, c'est-à-dire moins de un ; il coule si elle est plus grande que un. C'est pour ça que l'huile flotte sur l'eau, mais qu'un clou en fer coule au fond.
12 des 31 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.