Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 17
La pression atmosphérique
Je sais montrer que l'air exerce une pression sur tout ce qu'il touche, connaître sa valeur normale, la mesurer avec un baromètre et expliquer pourquoi elle diminue avec l'altitude.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Mettre en évidence la pression atmosphérique par des expériences simples
- Connaître la valeur normale de la pression atmosphérique et ses unités (Pa, hPa, cm de mercure)
- Décrire l'expérience de Torricelli et le baromètre
- Expliquer la baisse de la pression avec l'altitude et calculer une force pressante due à l'air
Avant de commencer : La masse d'un gaz (l'air a une masse) et la pression (P = F / S, pascal, hectopascal).
1Je découvre
Mariama boit son jus de bissap avec une paille. Son petit frère Alpha lui demande : « Comment le jus monte-t-il dans la paille ? Tu l'attires avec ta bouche ? »
Leur oncle, professeur à Mamou, leur montre une expérience. Il remplit un verre d'eau à ras bord, pose dessus une feuille de carton, appuie avec la main et retourne le tout au-dessus d'une bassine. Il retire la main : la feuille reste collée et l'eau ne tombe pas ! « C'est l'air qui tient la feuille », dit-il.
Alpha n'y croit pas. L'air est invisible, léger… comment pourrait-il retenir l'eau d'un verre ? Pourtant, tu as appris que l'air a une masse. L'air qui nous entoure appuie-t-il sur les objets ? Avec quelle pression, et comment la mesurer ?
2Je comprends
1. L'atmosphère appuie sur tout
La Terre est entourée d'une couche d'air de plusieurs dizaines de kilomètres d'épaisseur : l'atmosphère. Tu sais que l'air a une masse (environ 1,3 g par litre). Toute cette colonne d'air au-dessus de nous a donc un poids énorme, qui appuie sur le sol, sur les objets et sur nous.
La pression atmosphérique est la pression exercée par l'air de l'atmosphère sur toutes les surfaces qu'il touche. Elle s'exerce dans toutes les directions : de haut en bas, de bas en haut et sur les côtés.
2. Des expériences qui la mettent en évidence
Le verre retourné. L'air sous la feuille pousse vers le haut avec une force plus grande que le poids de l'eau : la feuille reste en place.
La paille. Quand Mariama aspire, elle retire une partie de l'air de la paille : la pression dans la paille devient plus faible. La pression atmosphérique, qui appuie sur la surface du jus dans le verre, pousse alors le jus vers le haut de la paille. Ce n'est pas la bouche qui « tire » le jus : c'est l'air extérieur qui le pousse.
Le bidon écrasé. On fait bouillir un peu d'eau dans un bidon métallique ouvert : la vapeur chasse l'air. On le ferme bien, puis on l'arrose d'eau froide. La vapeur se condense, il n'y a presque plus rien dedans pour résister, et la pression atmosphérique écrase le bidon avec bruit.
La ventouse. Quand on écrase une ventouse contre une vitre lisse, on chasse l'air qui est dessous. La pression de l'air extérieur la plaque fortement contre la vitre.
- 1On aspire l'air contenu dans la paille.
- 2La pression dans la paille devient plus faible que la pression extérieure.
- 3L'air extérieur appuie sur la surface du jus dans le verre.
- 4Le jus est poussé vers le haut, dans la paille, jusqu'à la bouche.
3. Sa valeur : l'expérience de Torricelli
En 1643, le savant italien Evangelista Torricelli remplit de mercure un tube de verre d'environ 1 m, fermé à un bout. Il le bouche avec le doigt, le retourne et plonge l'extrémité ouverte dans une cuve de mercure, puis il retire le doigt. Le mercure descend dans le tube, mais s'arrête à environ 76 cm au-dessus de la surface de la cuve. Au-dessus du mercure, dans le haut du tube, il n'y a presque rien (le vide).
Interprétation : la pression atmosphérique qui appuie sur la surface du mercure de la cuve équilibre le poids de la colonne de 76 cm de mercure. On dit que la pression atmosphérique normale vaut 76 cm de mercure (ou 760 mm de mercure, notés mmHg).
Avec de l'eau, beaucoup moins dense que le mercure, la colonne devrait mesurer environ 10 m de haut ! C'est pourquoi on utilise le mercure.
Valeur normale de la pression atmosphérique au niveau de la mer :
P0 = 76 cmHg = 1 013 hPa = 101 300 Pa ≈ 1 bar.
4. Le baromètre
Le baromètre est l'appareil qui mesure la pression atmosphérique.
- Le baromètre à mercure reprend le tube de Torricelli : on lit la hauteur de la colonne de mercure.
- Le baromètre anéroïde (métallique) contient une petite boîte métallique vide d'air, qui s'écrase plus ou moins selon la pression ; une aiguille indique la valeur, en hPa. Il est plus pratique et sans danger.
Les services de météorologie suivent la pression atmosphérique : une baisse de pression annonce souvent du mauvais temps (nuages, pluie), une hausse annonce plutôt du beau temps.
5. La pression diminue avec l'altitude
Plus on monte, moins il y a d'air au-dessus de soi : la pression atmosphérique diminue avec l'altitude. En 1648, sur la demande de Blaise Pascal, on a porté un tube de Torricelli au sommet d'une montagne française, le Puy de Dôme : la colonne de mercure y était plus courte qu'en bas.
Ainsi, la pression est plus faible sur les hauts plateaux du Fouta-Djallon ou au sommet du mont Nimba (1 752 m, point culminant de la Guinée) qu'à Boffa ou à Kamsar, au bord de la mer. En altitude, l'eau bout même un peu au-dessous de 100 °C, et un sachet d'arachides bien fermé acheté en Basse-Guinée gonfle quand on monte vers Dalaba : l'air enfermé à la pression d'en bas pousse plus fort que l'air extérieur.
6. Des forces énormes
La pression atmosphérique semble invisible, mais elle produit des forces considérables.
Méthode
Pour calculer la force pressante exercée par l'air sur une surface :
- Je convertis l'aire de la surface en m².
- Je prends P = 101 300 Pa (ou la valeur donnée).
- J'applique F = P × S.
- Je compare au poids d'un objet connu (F = m × g, avec g = 10 N/kg) pour me représenter la force.
Exemple
Quelle force l'air exerce-t-il sur 1 cm² de peau, à la pression normale ?
S = 1 cm² = 0,000 1 m².
F = 101 300 × 0,000 1 = 10,13 N, soit environ 10 N.
C'est à peu près le poids d'une masse de 1 kg (1 × 10 = 10 N) posée sur chaque centimètre carré !
Exemple
Une table mesure 1 m sur 0,5 m. Quelle force l'air exerce-t-il sur son plateau ?
S = 1 × 0,5 = 0,5 m².
F = 101 300 × 0,5 = 50 650 N.
C'est le poids d'environ 5 tonnes (50 650 ÷ 10 = 5 065 kg). La table ne s'écroule pas, car l'air appuie aussi sous le plateau avec une force presque égale : les deux forces se compensent.
C'est la même raison pour laquelle notre corps n'est pas écrasé : l'air et les liquides à l'intérieur du corps sont à une pression égale à celle de l'extérieur.
3Je retiens
Je retiens
La pression atmosphérique est la pression exercée par l'air de l'atmosphère sur toutes les surfaces, dans toutes les directions.
Mise en évidence : verre retourné, paille, bidon écrasé, ventouse.
Expérience de Torricelli (1643) : la pression atmosphérique équilibre une colonne d'environ 76 cm de mercure.
Valeur normale au niveau de la mer : 76 cmHg = 1 013 hPa = 101 300 Pa, environ 1 bar.
On la mesure avec un baromètre (à mercure ou anéroïde).
La pression atmosphérique diminue quand l'altitude augmente.
Force exercée par l'air : F = P × S ; environ 10 N sur chaque cm².
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'on « aspire » le liquide dans une paille : on diminue la pression dans la paille, et c'est l'air extérieur qui pousse le liquide.
- Penser que l'air appuie seulement de haut en bas : la pression atmosphérique s'exerce dans toutes les directions.
- Confondre les unités : 1 013 hPa = 101 300 Pa, et non 1 013 Pa.
- Croire que la pression est la même partout : elle diminue avec l'altitude et varie avec le temps qu'il fait.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète.
a) L'appareil qui mesure la pression atmosphérique est le ……… .
b) La pression atmosphérique normale vaut ……… cm de mercure, soit ……… hPa.
c) Quand l'altitude augmente, la pression atmosphérique ……… .
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Le baromètre.
b) 76 cm de mercure, soit 1 013 hPa.
c) Elle diminue.
2Exercice 2
Convertis en pascals : a) 1 013 hPa ; b) 950 hPa. Convertis en hPa : c) 99 000 Pa.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 1 013 hPa = 1 013 × 100 = 101 300 Pa.
b) 950 hPa = 95 000 Pa.
c) 99 000 Pa = 99 000 ÷ 100 = 990 hPa.
3Exercice 3
Explique l'expérience du bidon métallique écrasé : pourquoi fait-on d'abord bouillir un peu d'eau ? Pourquoi le bidon s'écrase-t-il quand on le refroidit ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
La vapeur produite par l'eau bouillante chasse l'air du bidon. Quand on ferme le bidon et qu'on le refroidit, la vapeur se condense en quelques gouttes d'eau : la pression à l'intérieur devient très faible. La pression atmosphérique extérieure n'est plus équilibrée par celle de l'intérieur : elle écrase le bidon.
4Exercice 4
Une fenêtre a une vitre de 80 cm × 50 cm. La pression atmosphérique vaut 101 300 Pa.
a) Calcule l'aire de la vitre en m².
b) Calcule la force pressante exercée par l'air sur une face de la vitre.
c) Pourquoi la vitre ne se brise-t-elle pas ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) S = 0,8 × 0,5 = 0,4 m².
b) F = P × S = 101 300 × 0,4 = 40 520 N.
c) L'air exerce aussi une force presque égale sur l'autre face de la vitre, en sens opposé : les deux forces se compensent, et la vitre ne subit presque aucun effort.
5Exercice 5
(Analyse de document) Ousmane relève la pression dans trois villes le même jour : Kamsar (au bord de la mer) 1 012 hPa ; Mamou 935 hPa ; Dalaba 885 hPa.
a) Classe ces villes de la plus basse à la plus haute en altitude. Justifie.
b) En utilisant le tableau de la leçon, donne une estimation de l'altitude de Mamou (entre quelles valeurs se trouve-t-elle ?).
c) Explique pourquoi un sachet bien fermé acheté à Kamsar gonfle quand on arrive à Dalaba.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La pression diminue quand l'altitude augmente. Donc la ville où la pression est la plus forte est la plus basse : Kamsar (1 012 hPa), puis Mamou (935 hPa), puis Dalaba (885 hPa), la plus haute.
b) Dans le tableau, 955 hPa correspond à 500 m et 899 hPa à 1 000 m. Avec 935 hPa, Mamou se trouve entre 500 m et 1 000 m d'altitude.
c) Le sachet a été fermé à Kamsar : l'air à l'intérieur est à environ 1 012 hPa. À Dalaba, l'air extérieur n'est plus qu'à environ 885 hPa. L'air intérieur pousse plus fort que l'air extérieur : il se dilate et le sachet gonfle.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
Toutes les leçons de Physique · 8e
Leçon ajoutée par Kharandi pour compléter le programme de la classe.
