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CENTRE NATIONAL DE DOCUMENTATION PÉDAGOGIQUE L’émission du CNDP et de La Cinqui

CENTRE NATIONAL DE DOCUMENTATION PÉDAGOGIQUE L’émission du CNDP et de La Cinquième pour les collèges PHYSIQUE Des phénomènes et des hommes Un alliage, des métaux LES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES sont utilisés dans des domaines variés et les exigences toujours plus grandes concernant leurs performances entraînent des recherches poussées jusqu’au cœur même de la matière. Les prix Nobel E. Ruska, G. Binning et H. Rohrer ont élaboré les microscopes électroniques à balayage et à effet tunnel. Cette série décrypte des phénomènes qui se déroulent dans la nature. Une nature que les hommes tantôt subissent, tantôt utilisent à leurs fins. On retrouve dans chaque émission ces deux aspects, ainsi que l’état des connaissances et des méthodes pour les acquérir en s’aidant d’expériences et de modélisations. Une structure différente a été choisie pour cette série afin de pouvoir mieux cerner le cheminement de la recherche scientifique, de la découverte d’un phénomène à son application : – Le module Labo part d’une situation de crise qui pose un problème de société. Le phénomène physique responsable de la crise est ensuite analysé par des scientifiques, puis modélisé. – L’Expérience illustre d’une façon humoristique un autre aspect du thème. Fondée sur une hypothèse qu’il faut infirmer ou confirmer, l’expérience a une explication simple et permet de tirer des conclusions. – La séquence Histoire s’attache à un homme, à un instrument ou à une découverte précise, remis en perspective d’une part dans son époque, d’autre part dans l’histoire des sciences. – Le module Application illustre l’idée d’universalité des lois de la physique. Il montre ainsi un domaine où le même phénomène est en jeu. © CNDP 2 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 Sommaire INFORMATION p. 3 Présentation p. 4 Découpage Labo : Nickel chrome Expérience/Les aventures de Victor Hector : Le père Noël Histoire : L’aluminium Application : L’atome mobile EN CLASSE p. 6 Carte d’identité p. 7 Suggestions pédagogiques Piste sur le Labo et sur l’Application Piste sur l’Expérience Pistes sur le Labo p. 9 Fiche élève 1 Matériaux métalliques p. 10 Fiche élève 2 L’aluminium DOCUMENTATION p. 11 Compléments 1. Impuretés dans les alliages : le naufrage du Titanic 2. Les débouchés de l’aluminium dans les transports 3. Semi-conducteurs et miniaturisation des composants p. 14 Pour en savoir plus p. 15 Renseignements pratiques p. 15 Comment se procurer Galilée 3 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 Information PRÉSENTATION Les métaux ont pris une place très importante dans le développement industriel. Depuis la canette de boisson jusqu’au réacteur de centrale nucléaire, en passant par le moteur d’avion, ils constituent l’ossature de nombreux objets industriels. Mais avant de mettre en œuvre les matériaux métalliques, il a fallu résoudre quantité de problèmes techniques. Par exemple, peut-on prévoir ou retarder les fissures qui les affectent inévitablement ? C’est la question que se posent les scientifiques du Centre des matériaux de l’École des mines de Corbeil-Essonnes. Le module Labo, Nickel chrome, nous montre comment toutes sortes d’alliages y sont conçus, étudiés et testés pour répondre aux critères les plus stricts de sécurité. C’est Le père Noël qui pose aujourd’hui une colle à Victor Hector : pourquoi sa lampe électrique brille-t-elle moins à l’intérieur de sa cabane qu’à l’extérieur… exposée au blizzard, à la neige et aux hurlements des loups ? Victor et Pétunia expérimentent et tentent de répondre. Avez-vous une petite idée ? Vous brûlez ! Le module Histoire s’intéresse à L’aluminium, métal abondant mais qui n’existe dans la nature qu’associé à d’autres éléments (oxygène, chlore, carbone ou fluor). Ce phénomène de composition en a retardé l’isolement et jusqu’au XIXe siècle les chimistes en sont réduits à émettre des suppositions sur ce corps mystérieux. Il faudra presque un siècle pour que les industriels parviennent à exploiter ce métal. N’attendez plus pour tout savoir – alu…mez votre téléviseur ! Avec le module Application, L’atome mobile, nous pénétrons au cœur de la matière. Telles des billes, les atomes se déplacent, s’entrechoquent, rebondissent pour former les prochains terrains de jeux de l’humanité, dans l’univers de l’infiniment petit. 4 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 DÉCOUPAGE Labo : Nickel chrome 00 min 00 s Reportage de FR3 du 26 mars 1993. Dans les centrales nucléaires d’inquiétantes fissures sont apparues sur des soudures proches des réacteurs. 01 min 30 s Au Centre des matériaux de Corbeil-Essonnes, on étudie, on teste et on conçoit des alliages de haute technologie. 02 min 05 s Un chercheur du CNRS montre la modélisation informatique du phénomène de fissure. 03 min 22 s Il explique que les propriétés de dureté et de plasticité sont exclusives l’une de l’autre pour les métaux. 04 min 15 s La structure cristalline des alliages permet de concilier souplesse et rigidité : les alliages peuvent ainsi résister à d’importantes sollicitations mécaniques et thermiques. Mais des défauts dans l’élaboration d’un alliage ou de trop fortes contraintes ainsi que le vieillissement peuvent entraîner des risques de fissures. 07 min 30 s Dans un laboratoire, on étudie la propagation des fissures. 08 min 34 s Pour l’aéronautique ou le nucléaire, le Centre a inventé et amélioré des alliages : ils sont désormais plus résistants aux fissures. Expérience/Les aventures de Victor Hector : Le père Noël 00 min 00 s Perdus dans une tempête de neige, Victor Hector et Pétunia trouvent refuge chez le père Noël. 01 min 30 s Pour leur montrer le chemin, le père Noël sort sa lampe : malgré la tempête, la lampe brille plus qu’à l’intérieur ! 02 min 39 s Victor Hector se livre à quelques expériences pour résoudre cette énigme. Il teste différentes hypothèses : le blizzard, le cri des loups… 03 min 46 s C’est en recréant les conditions de froid que la lampe se met à briller davantage. Conclusion : la conductibilité électrique dépend de la température. Histoire : L’aluminium 00 min 00 s L’aluminium n’existant dans la nature qu’à l’état de composé, les scientifiques ne sont parvenus à l’isoler qu’au début du XIXe siècle. 00 min 56 s C’est Henri Sainte-Claire Deville en 1854 qui parvient à fondre le premier lingot de métal pur, grâce à l’utilisation du sodium. 01 min 43 s L’intérêt croît pour ce métal léger, malléable et inaltérable. Mais on ne sait pas le produire industriellement. La solution : la bauxite. 02 min 58 s En 1880 est découverte la technique de l’extraction de l’aluminium par électrolyse : les progrès de l’électricité permettent alors de produire l’aluminium en grandes quantités. 5 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 03 min 43 s Succès foudroyant malgré sa faible résistance mécanique, mais une parade fut trouvée : en y ajoutant du cuivre et du magnésium, on fabrique le meilleur alliage qui soit, le duralumin. Application: L’atome mobile 00 min 00 s La structure atomique de la matière est explorée depuis 50 ans grâce au microscope électronique à balayage. Explication du principe du microscope à effet tunnel. 01 min 15 s Les scientifiques utilisent cet outil pour étudier les structures atomiques mais tentent aussi de déplacer les atomes un à un. Démonstration de la modification de la structure de la matière. 02 min 01 s En 1991, un ingénieur japonais utilise une propriété remarquable du microscope à effet tunnel : lorsque la pointe de la sonde s’approche de la surface d’un peu plus près que la normale, le courant électrique produit est si fort qu’il chasse les atomes. 6 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 En classe CARTE D’IDENTITÉ Disciplines, classes et programmes concernés en priorité Physique, 3e : matériaux et environnement. Les matériaux métalliques. Autres disciplines ou classes possibles Technologie, 4e-3e : mise en forme des matériaux. Objectifs de l’émission Illustrer l’étude des métaux et les problèmes de fabrication des alliages. Montrer les conséquences de la température sur les propriétés d’un métal, les contraintes qu’ils peuvent subir. Visualiser la structure de la matière. Sensibiliser les élèves à l’histoire des sciences, en suivant l’évolution des connaissances depuis la découverte d’un métal jusqu’à la production industrielle. Principaux thèmes abordés Étude et prévention des risques de fissure, conductibilité électrique en fonction de la température, histoire de l’aluminium, utilisation du microscope électronique pour étudier ou manipuler la structure de la matière. Représentations préalables à prendre en compte À de très rares exceptions près, les métaux n’existent dans la nature qu’à l’état de composés tels que les oxydes, les sulfures, les carbonates... De même, un alliage n’existe pas à l’état naturel, il est conçu puis fabriqué par l’homme. Une température très basse n’est pas un obstacle à la conduction électrique. Vocabulaire prérequis Atome, conducteur, métal, molécule, propagation. Vocabulaire à expliquer Fissure, impureté, microstructure, microscope électronique, sollicitation thermique et mécanique, sonde, radioactivité. Vocabulaire à mettre en place Alliage, électrolyse, matériau, réseau cristallin, structure atomique. 7 Galilée : Un alliage, des métaux © CNDP 1998 SUGGESTIONS PÉDAGOGIQUES ¾ Piste sur le Labo et sur l’Application Physique, 3e : matériaux et environnement LES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES On peut utiliser cette émission en deux temps. • Premier visionnement. En introduction au chapitre consacré uploads/Science et Technologie/ un-alliage-des-metaux-des-phenomenes-et-des-hommes.pdf