Jouer du hockey sur une patinoire

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Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : Mouvement et interactions
Type : Exercice | Année : 2018 | Académie : Inédit

Sujet inédit

physique-chimie • 25 points

Jouer du hockey sur une patinoire

Le 81e championnat du monde de hockey sur glace se disputera en France et en Allemagne en mai 2017 dans les villes de Cologne (Allemagne) et Paris. L’équipe de France de hockey sur glace est constituée des meilleurs joueurs français de hockey sur glace. Elle pointe à la 12e position du classement international.

Document 1 Découvrir les règles du jeu et l’équipement

Le hockey sur glace est un sport qui se pratique à six contre six, avec un gardien et cinq joueurs de champ par équipe.

L’objectif du jeu est de marquer un maximum de buts en envoyant un disque en caoutchouc appelé palet (ou rondelle), dans le but adverse. Pour manipuler le palet, les joueurs utilisent une crosse de hockey. Le palet est un disque en caoutchouc vulcanisé, c’est-à-dire chauffé avec du soufre pour le rendre plus élastique. Il pèse entre 156 et 170 grammes.

Le hockey sur glace est le seul sport où les joueurs peuvent se déplacer derrière les buts ! Le terrain de jeu, appelé patinoire, mesure 60 mètres de long sur 30 mètres de large. Il est entouré par des balustrades atteignant parfois 3 mètres de hauteur.

Source : hockeyfrance.com

Document 2 La patinoire et la formation de la glace

Une patinoire est une surface d’eau gelée (glace), ou couverte d’un matériau synthétique, sur laquelle on peut faire du patinage ou du hockey sur glace. La patinoire classique est dotée d’un « groupe de production de froid », d’un réseau constituant le « tapis glacier », d’un ballon et de pompes de circulation. Le matériau liquide parcourant le tapis glacier est souvent composé d’eau et de glycol (un liquide permettant à l’eau d’être refroidie jusqu’à – 12 °C). Ce liquide est refroidi dans le groupe de production du froid et circule en boucle fermée dans le tapis glacier. À l’aide d’une lance à eau, on pulvérise la première couche d’eau sur les tuyaux du tapis glacier : l’eau cristallise instantanément. L’opération est répétée plusieurs fois et, peu à peu, la couche de glace se forme. L’épaisseur idéale d’une piste de glace se situe entre 6 et 8 cm. Le « groupe de production de froid », quant à lui, contient en général de l’ammoniac liquide sous pression qui passe dans un « évaporateur » où il change d’état et absorbe une très grande quantité de chaleur au liquide circulant dans le tapis glacier.

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1. Donner l’expression de l’énergie cinétique EC d’un objet de masse m qui se déplace à la vitesse v et préciser les unités de ces trois grandeurs.

2. La vitesse du palet peut atteindre des valeurs très grandes. Au cours d’un match, on mesure une vitesse v de 156 km/h.

a) Donner cette vitesse en m/s.

b) Combien de temps le palet mettra-t-il pour parcourir toute la longueur de la patinoire ? On considère que la vitesse reste constante sur la glace pendant tout le parcours.

3. Calculer l’énergie cinétique d’un palet de 170 g qui se déplace à la vitesse v donnée dans la question précédente.

4. Un objet de masse m (en kg) placé à une hauteur h (en m) par rapport au sol possède une énergie que l’on appelle l’énergie potentielle de pesanteur EP (en J). L’expression de cette énergie est donnée par :

E= m × g × h.

g désigne la constante de gravité sur Terre : g = 9,81 N/kg.

On cherche à comparer l’énergie cinétique du palet avec d’autres formes et d’autres valeurs d’énergies.

a) Calculer l’énergie potentielle de pesanteur d’une pierre de 1 kg lorsqu’elle tombe d’une hauteur de 10 mètres.

b) Comparer cette énergie avec l’énergie cinétique du palet et dire pourquoi la patinoire citée dans le document 1 est entourée par des balustrades.

5. a) Quelle est la température de congélation de l’eau ?

b) D’après le document 2, le liquide qui parcourt le tapis glacier contient de l’eau. Expliquer comment il peut être encore liquide à −12 °C.

c) D’après le document 2, « l’eau cristallise » au contact des tuyaux du tapis glacier. De quel changement d’état s’agit-il ? Donner son nom.

6. a) Quelle est la différence entre un changement d’état et une transformation chimique ?

b) En vous aidant de la réponse à la question précédente, indiquer si l’ammoniac du groupe de production de froid subit un changement d’état ou une transformation chimique. Nommer ce changement ou cette transformation en justifiant votre réponse.

c) Expliquer, à l’aide du document 2 et du schéma, comment le liquide à l’intérieur du tapis glacier est refroidi.

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Le document 1 présente des généralités sur l’équipement et les règles du jeu.

Le document 2 donne des informations sur le fonctionnement du groupe de production de froid et les liquides utilisés.

Répondre aux questions

2. a) Aucune justification ne t’est demandée. Tu dois donc simplement appliquer les conversions étudiées en classe.

4. a) et b) On te demande de comparer les valeurs de EC et EP. Elles seront donc à priori soit très semblables, soit assez différentes. N’oublie pas de conclure.

6. Fais appel à tes connaissances, et relis bien le document 2.

c) Rappelle-toi que pour s’évaporer, un liquide doit absorber de la chaleur.

Corrigé

Corrigé

1. L’énergie cinétique est donnée par EC=12×m×v2.

2. a) v=1563,6= 43,3 m/s.

b) La patinoire fait 60 m de long. v=dtt=dv, donc t=6043,3 = 1,4 s.

Conseil

Pour calculer EC, il faut prendre la valeur de v en m/s et la masse m en kg.

3. EC=12×m×v2=12×0,170×43,32=159 J.

4. a) E= m × g × h = 1 × 9,81 × 10 = 98,1 J.

b) On constate qu’une pierre de 1 kg qui tombe de 10 m de hauteur possède moins d’énergie que le palet qui est bien moins lourd mais qui se déplace à une vitesse extrêmement élevée. Le palet peut donc représenter un danger pour le public. C’est pourquoi des balustrades très hautes séparent les joueurs du public.

5. a) La température de solidification de l’eau pure est 0 °C.

Remarque

Le terme « liquide » ne contient pas la notion de pureté. Il faut être vigilant lors de la lecture des documents car trois liquides interviennent dans le fonctionnement de la patinoire.

b) Le liquide du tapis glacier contient certes de l’eau mais aussi du glycol. L’eau n’est donc pas pure dans ce circuit et sa température de solidification n’est plus de 0 °C comme celle de l’eau pure. Ce liquide peut donc être encore à l’état liquide à −12 °C contrairement à l’eau pure qui aurait été solide à cette température.

c) Il s’agit de la solidification de l’eau.

6. a) Lors d’un changement d’état, une espèce chimique ou un mélange passe d’un état à un autre sans se transformer : ses molécules restent intactes. Tandis que lors d’une transformation chimique, les molécules des réactifs sont détruites et de nouvelles molécules apparaissent.

b) L’ammoniac subit un changement d’état car il passe de l’état liquide à l’état gazeux sans que ses molécules changent. C’est une évaporation.

c) D’après le document 2, ce liquide traverse le groupe de production du froid par l’action de la pompe de circulation après s’être réchauffé au contact de la surface du patinage. C’est dans ce groupe que le liquide entre en contact avec l’ammoniac liquide qui absorbe la chaleur du liquide du tapis glacier pour le refroidir. L’ammoniac quant à lui, s’évapore car il a absorbé de la chaleur.