Plan incliné & Poussée d'Archimède (BIOF)

 Poussée d'Archimède (immersion dans l'eau)

📖 Énoncé

On pèse un objet métallique au moyen d’un dynamomètre ; on trouve \( F_1 = 10{,}2 \, \text{N} \). On immerge cet objet dans l’eau : le dynamomètre indique alors \( F_2 = 8{,}1 \, \text{N} \).

On donne \( g = 9{,}8 \, \text{N/kg} \).

  1. Calculer le poids et la masse de cet objet.
  2. Calculer le volume \( V \) de cet objet.
  3. En déduire la masse volumique \( \rho \) de cet objet.
Eau F₂ Poussée d'Archimède  Poids

📝 Corrigé

1. Poids et masse de l'objet

Le dynamomètre mesure l'intensité du poids lorsque l'objet est dans l'air (aucune poussée). Donc :

\[ P = F_1 = 10{,}2 \, \text{N} \]

La relation entre poids et masse : \( P = m \cdot g \)\( m = \dfrac{P}{g} \)

\[ m = \frac{10{,}2}{9{,}8} \approx 1{,}041 \, \text{kg} \]

Soit environ \( 1{,}04 \, \text{kg} \).

2. Volume de l'objet

Lorsque l'objet est immergé, le dynamomètre indique \( F_2 = 8{,}1 \, \text{N} \). La différence entre le poids réel et la mesure est due à la poussée d'Archimède \( \Pi \) :

\[ \Pi = P - F_2 = 10{,}2 - 8{,}1 = 2{,}1 \, \text{N} \]

La poussée d'Archimède est égale au poids du volume d'eau déplacé :

\[ \Pi = \rho_{\text{eau}} \cdot V \cdot g \]

avec \( \rho_{\text{eau}} = 1000 \, \text{kg/m}^3 \). On en tire le volume :

\[ V = \frac{\Pi}{\rho_{\text{eau}} \cdot g} = \frac{2{,}1}{1000 \times 9{,}8} \]
\[ V = \frac{2{,}1}{9800} \approx 2{,}143 \times 10^{-4} \, \text{m}^3 \]

Soit \( V \approx 214 \, \text{cm}^3 \).

3. Masse volumique de l'objet

La masse volumique \( \rho \) est le rapport de la masse au volume :

\[ \rho = \frac{m}{V} = \frac{1{,}041}{2{,}143 \times 10^{-4}} \approx 4858 \, \text{kg/m}^3 \]

On peut aussi utiliser directement \( \rho = \dfrac{P}{V \cdot g} \), ce qui donne la même valeur.

Cette masse volumique est caractéristique d'un métal comme le fer ou l'acier.

🧮 Récapitulatif des résultats
  • Poids : \( P = 10{,}2 \, \text{N} \)
  • Masse : \( m \approx 1{,}04 \, \text{kg} \)
  • Volume : \( V \approx 2{,}14 \times 10^{-4} \, \text{m}^3 \) (soit \( 214 \, \text{cm}^3 \))
  • Masse volumique : \( \rho \approx 4858 \, \text{kg/m}^3 \)

Synthèse des résultats

\[ \text{Exercice 2 : } R = P \cos \alpha,\quad T = P \sin \alpha,\quad \Delta l = \frac{P \sin \alpha}{k} \]
\[ \text{Exercice 4 : } \Pi = P_{\text{air}} - P_{\text{eau}},\quad V = \frac{\Pi}{\rho_{\text{eau}} g},\quad \rho = \frac{m}{V} \]