sprint final
Amérique du Nord, juin 2021 • Physique-chimie
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Amérique du Nord • Juin 2021
La neige
Intérêt du sujet • L'étude des conditions de formation de la neige nous renseigne sur le degré de pollution des villes et nous permet d'adapter le mobilier urbain pour prévenir certaines conséquences néfastes.
Trois conditions sont nécessaires à la formation de la neige :
l'atmosphère doit être suffisamment humide ;
la température doit être suffisamment basse ;
des particules solides doivent être présentes dans l'air.
Document 1Croissance d'un flocon de neige
À l'origine de la croissance d'un flocon de neige se trouve une minuscule gouttelette d'eau d'un rayon d'environ 10 μm. La solidification de la gouttelette en un noyau de glace (aussi appelé noyau de condensation) est engendrée par la présence de fines particules solides. Ensuite, les molécules d'eau présentes dans l'atmosphère se fixent à la surface du noyau de condensation. Ainsi, le flocon de neige croît jusqu'à atteindre une taille de l'ordre du millimètre.
Les flocons de neige possèdent six branches car les molécules d'eau dans la glace s'organisent à l'échelle microscopique selon une structure cristalline hexagonale.
ph © Science Photo Library / Libbrecht, Kenneth
Flocon de neige
Structure cristalline hexagonale de la glace
▶ 1. Donner la formule chimique de la molécule d'eau et décrire sa composition.
▶ 2. Classer par ordre de taille croissante les trois « objets » suivants : flocon de neige ; molécule d'eau ; atome d'oxygène.
▶ 3. D'après certaines observations, il semblerait que les précipitations de neige soient plus fréquentes dans les grandes villes que dans les campagnes environnantes.
Parmi les propositions suivantes, identifier l'hypothèse qui permettrait d'expliquer cela.
a) Les températures sont plus élevées en ville qu'à la campagne.
b) L'air atmosphérique est plus chargé d'humidité à la campagne.
c) L'air atmosphérique des villes est plus pollué, notamment en particules solides.
d) L'air atmosphérique des villes est plus riche en dioxyde de carbone.
▶ 4. Lorsque les précipitations de neige sont importantes, l'effondrement d'une toiture est possible. Ainsi, le toit de l'abri de bus représenté sur le document 2 n'est pas capable de supporter un poids supérieur à 2 000 N.
En exploitant le document 2 et en effectuant les calculs nécessaires, indiquer si ce toit d'abri de bus peut résister à une épaisseur de neige fraîche de 50 cm.
Données
Volume d'un pavé droit = longueur × largeur × hauteur
Masse volumique de la neige fraîche : 40 kg/m3
Intensité de la pesanteur sur Terre : g = 10 N/kg
document 2Dimensions de l'abri de bus
ph © Tertman / stock.adobe.com
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Répondre aux questions
Coups de pouce
▶ 3. Pour trouver la bonne réponse, concentre-toi sur les conditions nécessaires à la formation de la neige et identifie celles qui correspondent plus aux villes qu'à la campagne.
Aide à la résolution de la question 4
▶ 1. La formule de la molécule d'eau est H2O. Cette molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène.
remarque
Les molécules sont des ensembles d'atomes, ce qui donne une idée de leur taille par rapport aux atomes.
▶ 2. Classement par ordre de taille croissante des « objets » :
atome d'oxygène molécule d'eau flocon de neige
▶ 3. La réponse c) pourrait expliquer la fréquence plus élevée des épisodes neigeux en ville, car les flocons se forment autour des particules solides qui se trouvent dans l'air pollué des villes.
▶ 4. On calcule d'abord le volume V de la neige déposée sur le toit de l'abri de bus :
conseil
Pense à convertir les données qui le nécessitent pour respecter les unités.
Vneige = longueur × largeur × épaisseur
= 3,6 × 1,6 × 0,50 = 2,88 m³
La masse d'un tel volume se calcule d'après la formule de la masse volumique : ρ =
d'où m = ρ × Vneige = 40 × 2,88 = 115 kg
Le poids de la neige posée sur le toit de l'abri de bus est donné par :
P = m × g = 115 × 10 = 1 150 N
D'après l'énoncé, le toit d'un tel abri de bus peut supporter un poids allant jusqu'à 2 000 N. Or, on constate que 50 cm de neige fraîche correspondent à 1 150 N. Comme 1 150 N 2 000 N, on en conclut que l'abri de bus peut supporter et résister à l'épaisseur de neige indiquée.