Exercices: Les propriétés des matériaux

Associer chaque propriété à sa définition : (a) dureté, (b) élasticité, (c) conductivité électrique, (d) masse volumique. Définitions : 1. capacité à retrouver sa forme après s'être déformé ; 2. résistance à la rayure ou à l'usure ; 3. facilité à laisser passer le courant électrique ; 4. rapport entre la masse d'un matériau et le volume qu'il occupe.

Les propriétés sensorielles se perçoivent avec les sens. Décrire la couleur, la brillance et la texture de trois objets de ta salle de classe (la table, une règle, le tableau) et expliquer quel sens tu utilises pour connaître chacune de ces propriétés.

Vrai ou faux ? Justifier chaque réponse : (a) le cuivre est un bon conducteur électrique ; (b) le caoutchouc est un matériau très dur ; (c) un morceau d'acier pèse plus qu'un morceau de liège de même taille parce qu'il est plus dense ; (d) le verre est un matériau élastique.

Quelle propriété compte le plus dans chaque cas ? (a) la lame d'une scie ; (b) l'intérieur d'un câble ; (c) le ressort d'un stylo ; (d) le rembourrage d'un manteau d'hiver. Justifier chaque réponse en une phrase.

La figure montre une échelle de dureté avec plusieurs matériaux classés du moins dur au plus dur, mais l'un d'eux a perdu son nom, comme indiqué sur le schéma.

Parmi les matériaux que vous connaissez, lequel pourrait occuper la case vide ? Justifier la réponse en le comparant à ses voisins sur l'échelle, puis placer deux autres matériaux sur l'échelle : l'ongle de votre doigt et le diamant.

Classer ces matériaux en conducteurs et isolants électriques : cuivre, matière plastique, bois sec, acier, caoutchouc. Expliquer pourquoi cette propriété détermine quel matériau se place à l'intérieur et lequel à l'extérieur d'un câble.

Un élastique et un morceau de pâte à modeler se déforment quand on les étire, mais un seul des deux retrouve sa forme quand on le relâche. Expliquer quelle propriété les différencie et donner un exemple d'objet pour lequel cette propriété est indispensable à son fonctionnement.

Les casseroles sont en métal, mais le manche est souvent en bois ou en matière plastique. L'expliquer à l'aide de la conductivité thermique et expliquer ce qui se passerait avec une casserole faite d'une seule pièce d'acier, manche compris.

La figure compare plusieurs propriétés de cinq matériaux de l'atelier, mais certaines cases ne sont pas complétées, comme le montre le schéma.

Compléter les cases marquées d'un « ? », puis expliquer quel matériau du tableau vous choisiriez pour fabriquer la tête d'un marteau et lequel pour le manche flexible d'un fouet en jouet, en justifiant les propriétés qui ont guidé votre choix.

Une pièce en cuivre raye le plâtre, mais ne raye pas l'acier ; l'ongle raye le plâtre, mais ne raye pas la pièce. Classer ces quatre matériaux du moins dur au plus dur et expliquer quel test simple a été utilisé pour les classer (le « test de rayure »).

Un cube de liège et un cube d'acier de même taille n'ont pas la même masse. Expliquer quelle propriété le justifie, expliquer pourquoi le liège flotte sur l'eau et l'acier coule, et quel rôle joue la masse volumique de l'eau.

Choisir le matériau de chaque partie d'un parapluie parmi ces options et justifier chaque choix avec au moins une propriété : a) les baleines : fibre flexible ou biscuit ; b) la toile : tissu imperméable ou papier journal ; c) la poignée : plastique dur ou éponge.

La coque d'un téléphone portable peut être en matière plastique ou en métal. Comparer les deux options en pensant à la masse, à la résistance aux rayures et à la facilité avec laquelle elles laissent passer les ondes wifi, puis dire laquelle vous choisiriez en donnant vos raisons.

Classer ces propriétés en mécaniques, thermiques, électriques ou sensorielles : dureté, conductivité thermique, brillance, élasticité, conductivité électrique, couleur. Puis donner, pour chacune, un exemple d'objet pour lequel elle est la propriété clé.

Un câble électrique est en cuivre à l'intérieur et en matière plastique à l'extérieur. Expliquer quelle propriété apporte chaque couche et expliquer ce qui pourrait se passer si le câble est dénudé et que le cuivre se retrouve à l'air libre.

Le verre est très dur (il se raye à peine) mais il se brise s'il tombe par terre. Expliquer la différence entre dureté et fragilité à partir de cet exemple et citer un autre matériau dur et fragile, et un autre mou mais difficile à casser.

Le lycée veut acheter de nouvelles chaises pour la salle de classe. Hiérarchiser les trois propriétés les plus importantes (résistance, faible masse pour les déplacer, facilité de nettoyage, confort…), choisir un matériau pour la structure et un autre pour l'assise, et expliquer quels matériaux vous écartez et pourquoi.

Concevoir une expérience d'atelier pour classer par dureté trois matériaux (bois de pin, aluminium et une pierre) en utilisant seulement ces matériaux, en les rayant les uns avec les autres. Expliquer la démarche, ce que vous noteriez à chaque essai et la conclusion que vous attendez.

Un magasin vend des vélos en acier, en aluminium et en fibre de carbone. Comparer la masse, la résistance et le prix de chaque option et en recommander une pour : a) une personne qui l'utilise tous les jours pour aller au collège ; b) une cycliste qui fait de la compétition. Justifier pourquoi vos recommandations sont différentes.

Une casserole en cuivre avec un manche en bois coûte nettement plus cher qu'une casserole entièrement en acier. Analyser quelles propriétés expliquent cette conception (le cuivre répartit la chaleur très uniformément, le bois chauffe à peine) et expliquer si le surcoût en vaut la peine pour cuisiner à feu doux.

« Plus un matériau est dur, mieux c'est pour tout. » Évaluer cette phrase avec deux contre-exemples (le caoutchouc d'une roue, la coque souple du téléphone, la semelle d'une chaussure) et la reformuler pour qu'elle soit correcte.

Vous allez choisir le matériau d'une gourde réutilisable : acier inoxydable, plastique dur ou verre. Construire un tableau de décision avec quatre critères (masse, résistance aux chutes, hygiène et goût, prix), noter chaque matériau de 1 à 3 et tirer une conclusion argumentée à partir de votre tableau.

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

On vous donne un objet mystérieux : il brille comme un métal, il est assez lourd, l'ongle ne le raye pas et un aimant ne l'attire pas. Expliquer quel matériau il pourrait être (acier inoxydable ? aluminium ? une céramique ?) et concevoir deux autres tests pour le découvrir sans le casser.

Concevoir un essai pour comparer l'élasticité de trois élastiques d'épaisseurs différentes : ce que vous mesureriez (de combien s'allonge chacun en y suspendant la même masse et s'il retrouve sa longueur quand on l'enlève), comment vous le noteriez et ce que vous prévoyez. Expliquer quelle propriété vous mesurez exactement et quelle différence il y a avec la dureté.