Liste de matériel de cours STEM : Accent sur les métaux

Contexte

L'expérimentation pratique est essentielle dans l'enseignement des STIM, en particulier en physique, où des idées abstraites telles que la force, la conductivité et les propriétés thermiques sont concrètes. Pour apprendre efficacement la mécanique, l'électromagnétisme et l'optique, il est inestimable de disposer de matériaux réels qui les représentent. Les échantillons métalliques, tels que les alliages de cuivre, d'aluminium et de titane, constituent un groupe de matériaux aux applications diverses. Ils peuvent être utilisés pour démontrer les variations de densité, de résistance, de conductivité électrique et de conductivité thermique, en corrélant la théorie à la pratique.

Aperçu du sujet

Étant donné que la physique domine l'enseignement des STIM dans ce cas, les élèves devraient avoir de bonnes informations sur les propriétés des matériaux. En utilisant des échantillons de métal, les élèves peuvent

-Comparer les densités pour prédire comment les matériaux se comporteront dans des conditions de poids et de volume.

-Effectuer destests de résistance mécanique et étudier la contrainte-déformation dans les métaux.

-Expérimenterla conductivité électrique et expliquer pourquoi les fils de cuivre sont utilisés en électronique.

-Tester laconductivité thermique, en illustrant pourquoi l'aluminium est utilisé dans les dissipateurs thermiques.

En associant ces caractéristiques à des applications quotidiennes telles que l'aérospatiale, l'électronique et la construction, les étudiants peuvent voir la pertinence des principes fondamentaux de la physique.

Matériel requis

En option : pinces, tapis isolants et gants de sécurité pour la manipulation des échantillons métalliques pendant les expériences. Pour des matériaux plus avancés, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Instructions pas à pas

1. mesure de la densité

Pour déterminer la densité des échantillons métalliques et la comparer aux valeurs théoriques, vous aurez besoin d'une balance numérique, d'un pied à coulisse ou d'une règle, d'un cylindre gradué (pour mesurer le déplacement de l'eau) et de vos échantillons métalliques (aluminium, cuivre et Ti-6Al-4V). La densité est la masse par rapport au volume.

Étape 1 : Mesure de la masse

Allumez la balance numérique et mettez-la à zéro.

Placez chaque échantillon de métal sur la balance et déterminez sa masse ((m)) en grammes (g).

Effectuez la mesure deux fois pour plus de précision.

Étape 2 : Mesure du volume

Pour les échantillons de forme régulière (cubes, cylindres) :

-Enregistrez lesmesures (longueur, largeur, hauteur ou diamètre) à l'aide d'un pied à coulisse ou d'une règle.

-Appliquezla formule géométrique appropriée pour trouver le volume (V).

Pour les échantillons de forme irrégulière

-Mettreune quantité connue d'eau dans une éprouvette graduée.

-Immergercomplètement l'échantillon et lire la variation de volume.

-Ladifférence est le volume de l'échantillon en centimètres cubes (cm³).

Étape 3 : Déterminer la densité

Utilisez la formule :

ρ= m/V

où ρ est la densité en g/cm³, m est la masse en grammes et V est le volume en cm³.

Calculer pour chaque échantillon de métal.

Étape 4 : Comparaison avec les valeurs théoriques

Comparez les densités que vous avez mesurées aux valeurs typiques :

-Cuivre: ~8,96 g/cm³

-Aluminium: ~2,70 g/cm³

- Alliage detitane (Ti-6Al-4V) : ~4,43 g/cm³

Expliquez les écarts éventuels et les sources d'erreur possibles (précision de la mesure, bulles d'air, etc.).

2.Démonstration de la résistance mécanique

Pour explorer la résistance mécanique et l'élasticité, utilisez un simple système de levier ou de ressort, des masses et une règle ou un comparateur pour mesurer les déformations. Cette expérience démontre comment les matériaux réagissent à l'ajout d'une contrainte.

Étape 1 : Installation du matériel

Construisez un système de levier simple ou utilisez une poutre soutenue aux deux extrémités.

Placez l'échantillon de métal dans la zone où la force doit être appliquée et fixez-le fermement.

Étape 2 : Augmentation progressive de la force

Ajoutez progressivement du poids ou exercez une pression sur le point central de la poutre.

Observez et notez chaque fois qu'il y a une flexion ou une déformation apparente.

Étape 3 : Enregistrement des données

Mesurez la force (F) et la déviation correspondante (ΔL) à chaque étape.

Répétez l'essai sur chacun des échantillons de métal.

Étape 4 : Observer les résultats

Commentez la relation contrainte-déformation et comparez la rigidité grâce au module d'Young (E) :

-Cuivre: ~110-130 GPa

-Aluminium: ~69 GPa

-Ti-6Al-4V: ~110 GPa

Expliquez pourquoi certains matériaux se plient plus facilement et d'autres résistent à la déformation.

Pour en savoir plus : Les 10 matériaux les plus résistants connus de l'homme

3. Test de conductivité électrique

Pour réaliser un test de conductivité électrique et comparer les échantillons, vous aurez besoin d'une alimentation en courant continu, d'un multimètre, de fils à pinces crocodiles et de vos échantillons métalliques. La conductivité est dérivée de la tension, du courant et de la géométrie de l'échantillon mesurés.

Étape 1 : Connecter le circuit

-Créez un circuit en série : placez l'alimentation, l'échantillon métallique et le multimètre dans une boucle.

-Pour mesurer le courant (I), le multimètre doit être en série.

-Pour mesurer la tension (V), placez les sondes parallèlement l'une à l'autre sur l'échantillon.

Si vous ne disposez que d'un seul multimètre, mesurez la tension et le courant séparément.

Étape 2 : mesure du courant et de la tension

-Placez le multimètre sur le mode approprié (tension continue ou courant).

-Mesurez le courant dans le circuit et la chute de tension sur l'échantillon.

Étape 3 : Calculer la conductivité

1. Utilisez la loi d'Ohm pour calculer la résistance :

R = V/I

2. Utilisez la formule de la conductivité :

σ = L/(R*A)

où (L) = longueur de l'échantillon, (A) = surface de la section transversale, (R) = résistance.

Étape 4 : Comparer les résultats

Conductivités attendues :

-Cuivre: ~5,96 × 10⁷ S/m (très élevée)

-Aluminium: ~3,5 × 10⁷ S/m

-Ti-6Al-4V: ~1,8 × 10⁶ S/m (beaucoup plus faible)

Expliquez pourquoi la conductivité varie en utilisant la structure atomique et la mobilité des électrons.

4. Observation de la conductivité thermique

Cette expérience démontre la vitesse à laquelle la chaleur est transmise dans différents métaux. Vous aurez besoin d'une source de chaleur (par exemple, une plaque chauffante), d'un thermomètre ou d'une sonde thermique et de tiges métalliques de la même taille.

Étape 1 : Préparer les échantillons

Placez des échantillons de cuivre, d'aluminium et de Ti-6Al-4V de même taille sur une surface résistante à la chaleur.

Insérez des capteurs de température sur toute leur longueur.

Étape 2 : Introduction de la chaleur

Chauffez lentement une extrémité de chaque échantillon tout en maintenant les autres à température ambiante.

Veillez à ce que la durée et l'intensité du chauffage soient identiques.

Étape 3 : Mesurer la distribution de la température

Mesurez les températures le long des tiges à intervalles de temps égaux (par exemple, 10 secondes).

Remarquez la rapidité avec laquelle l'extrémité de chaque échantillon se réchauffe.

Étape 4 : Comparer et analyser

Expliquez la conductivité thermique et l'efficacité du transfert d'énergie :

-Cuivre: ~401 W/m-K

-Aluminium: ~237 W/m-K

-Ti-6Al-4V: ~6,7 W/m-K

Expliquer pourquoi le cuivre se réchauffe le plus rapidement et l'alliage de titane le plus lentement en termes de vibration du réseau et de liaison.

Questions fréquemment posées

Q : Qu'est-ce qui rend les métaux précieux pour les applications industrielles et de laboratoire ?

R : Leur résistance, leur conductivité et leur densité les rendent appropriés pour le câblage, les appareils chirurgicaux et les réacteurs chimiques.

Q : Quelle est la relation entre les conductivités électrique et thermique et la structure atomique ?

R : Les métaux à électrons libres (comme le cuivre et l'aluminium) sont des conducteurs de chaleur et d'électricité et appliquent les principes de la physique quantique et de l'état solide.

Q : Ces propriétés peuvent-elles avoir une incidence sur la conception d'équipements pharmaceutiques ou chimiques ?

R : Oui, l'acier inoxydable ou le titane sont couramment utilisés dans les réacteurs et les tuyaux en raison de leur stabilité thermique, de leur solidité et de leur résistance à la corrosion.

Conclusion

L'utilisation d'échantillons métalliques dans les cours de physique des STIM offre une expérience d'apprentissage tactile, basée sur des données. Les élèves peuvent mesurer, comparer et tester les propriétés significatives des matériaux qui influencent les applications industrielles et d'ingénierie. Dans ces expériences, des concepts tels que la densité, la résistance et la conductivité ne sont plus abstraits - ils deviennent tangibles, mesurables et concrets. L'apprentissage pratique rend l'apprentissage plus solide et prêt à être appliqué à la résolution de problèmes d'ingénierie, de chimie et de physique appliquée.

Ressources complémentaires

-Stanford Advanced Materials (SAM) - Base de données des propriétés des métaux

-Callister, W.D., Science et ingénierie des matériaux : An Introduction, 10e édition

- Manuels delaboratoire pour les programmes de physique des écoles secondaires et des établissements d'enseignement supérieur STEM

- Tutorielsen ligne: Expériences sur la densité, la conductivité et la conductivité thermique