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Principe d'Archimède Guide

PhysiqueIntermédiaireTemps de lecture: 4 min

Aperçu

Pourquoi un énorme navire en acier flotte-t-il sur l'océan alors qu'un petit caillou coule au fond ? Il y a plus de 2000 ans, Archimède a découvert le secret du déplacement et de la flottabilité dans une baignoire. Dans cette expérience, vous utiliserez la 'Méthode de Pesée' pour vérifier le Principe d'Archimède et découvrir les facteurs fondamentaux déterminant la flottabilité : Est-ce la densité du liquide ? Le volume déplacé ? Ou la profondeur d'immersion ?

Contexte

Il existe une célèbre légende sur la découverte du Principe d'Archimède. Le roi de Syracuse a demandé à un orfèvre de fabriquer une couronne en or pur, mais il soupçonnait l'orfèvre d'y avoir mélangé de l'argent. Archimède a réfléchi à ce problème jusqu'à ce qu'un jour, en prenant un bain, il remarque que l'eau débordait de la baignoire. Il a réalisé la relation entre le volume et le déplacement, et a couru tout excité nu dans la rue en criant 'Eureka !' (J'ai trouvé !). Il a utilisé la méthode de déplacement d'eau pour mesurer le volume de la couronne irrégulière et a déterminé son authenticité. Bien que cette histoire puisse être apocryphe, elle démontre vivement que les découvertes scientifiques découlent souvent d'une observation fine des détails quotidiens.

Concepts clés

Poussée d'Archimède (FbuoyF_{buoy})

La force ascendante exercée par un fluide (liquide ou gaz) sur un objet immergé en lui. La direction est toujours verticalement vers le haut.

Méthode de Pesée

Fbuoy=G−FpullF_{buoy} = G - F_{pull}

Une méthode pour mesurer la flottabilité en mesurant le poids de l'objet dans l'air puis dans le liquide. La différence entre les deux est la force de flottabilité.

Principe d'Archimède

Fbuoy=GdisplacedF_{buoy} = G_{displaced}

La force de flottabilité sur un objet immergé dans un fluide est égale au poids du fluide que l'objet déplace.

Formules et dérivation

Formule du Principe d'Archimède

Fbuoy=ρliquidgVdisplacedF_{\text{buoy}} = \rho_{\text{liquid}} g V_{\text{displaced}}
L'ampleur de la force de flottabilité est déterminée uniquement par la densité du liquide ρliquid\rho_{\text{liquid}} et le volume du fluide déplacé par l'objet VdisplacedV_{\text{displaced}}, et est indépendante de la densité de l'objet lui-même.

Étapes de l'expérience

  1. 1

    Mesurer le Poids dans l'Air (GG)

    Observez la lecture du dynamomètre à ressort lorsque le bloc de métal ne touche pas la surface du liquide. Notez le poids du bloc de métal GG.
  2. 2

    Explorer le Volume Déplacé (VdisplacedV_{displaced})

    Faites glisser lentement le support vers le bas. Observez comment la lecture du dynamomètre change à mesure que le bloc de métal passe du contact avec la surface de l'eau à une immersion complète. Qu'est-ce que cela indique sur la relation entre la flottabilité et le volume de liquide déplacé ?
  3. 3

    Explorer la Profondeur d'Immersion (hh)

    Une fois l'objet complètement immergé, continuez à le faire glisser vers le bas sur une certaine distance. Notez si la lecture du dynamomètre change. Cela réfute-t-il l'intuition incorrecte selon laquelle 'la flottabilité augmente avec la profondeur' ?
  4. 4

    Explorer la Densité du Liquide (ρliquid\rho_{liquid})

    Maintenez la profondeur constante et changez le liquide pour de la 'Saumure' (eau salée concentrée). Vous constaterez que la lecture du dynamomètre diminue. Cela signifie-t-il que la flottabilité a augmenté ou diminué ? Comment la 'densité' de l'environnement affecte-t-elle la flottabilité ?

Objectifs d'apprentissage

  • Confirmer que la flottabilité est directement proportionnelle à VdisplacedV_{\text{displaced}} et ρliquid\rho_{\text{liquid}}.
  • Maîtriser la compétence expérimentale de calcul de la flottabilité en utilisant la 'Méthode de Pesée'.
  • Corriger l'idée fausse intuitive selon laquelle 'la flottabilité augmente à mesure qu'un objet pénètre plus profondément'.
  • Comprendre profondément la signification physique spécifique du Principe d'Archimède.

Applications réelles

  • Construction Navale : Générer un énorme déplacement en augmentant le volume de la partie creuse de la coque pour produire suffisamment de flottabilité pour soulever un navire de 10 000 tonnes.
  • Sous-marins : Changer leur propre poids en prenant et en rejetant de l'eau dans des ballasts pour obtenir une surface ou une plongée (tandis que la flottabilité reste fondamentalement inchangée).
  • Montgolfières : Chauffer l'air à l'intérieur du ballon pour diminuer sa densité, en utilisant la flottabilité générée par l'air froid environnant pour monter.
  • Hydromètres : Utiliser le principe de flottaison pour mesurer la densité de divers liquides.

Idées reçues

Erreur
Plus un objet est enterré profondément dans un liquide, plus la flottabilité qu'il reçoit est grande.
Correct
Incorrect. Avant d'être complètement immergé, la flottabilité augmente certainement avec la profondeur (car VdisplacedV_{\text{displaced}} augmente) ; mais après avoir été complètement immergé, puisque VdisplacedV_{\text{displaced}} ne change plus, la flottabilité reste constante.
Erreur
Les objets plus lourds doivent recevoir une plus grande flottabilité que les objets plus légers.
Correct
Incorrect. La flottabilité n'est liée qu'au 'volume de liquide déplacé', et n'a aucune relation directe avec la masse, la densité ou la forme de l'objet. Un bloc de fer est plus lourd qu'un bloc de bois, mais si leurs volumes sont les mêmes, la flottabilité qu'ils reçoivent lorsqu'ils sont complètement immergés est la même.

Lectures complémentaires

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