Le modèle particulaire de la matière

1. D'un très grand nombre de particules extrêmement petites.

2. Du vide, et rien d'autre.

3. Non : elles sont en mouvement permanent, d'autant plus vif que la température est élevée.

1. Solide.

2. Gazeux.

3. Liquide.

1. Faux. Il y a du vide : l'air est lui-même fait de particules.

2. Faux. Elles vibrent sur place ; elles ne se déplacent pas, mais elles bougent.

3. Vrai. C'est pourquoi la masse se conserve.

4. Faux. Elles s'écartent davantage, elles ne grossissent pas.

1. Parce que ses particules sont très éloignées : il y a du vide entre elles, donc on peut les rapprocher.

2. Parce que ses particules se touchent déjà : il n'y a plus de vide à supprimer, donc le volume ne diminue pas.

1. La diffusion.

2. Leur mouvement permanent dans toutes les directions.

3. Non : la diffusion est spontanée.

1. Il augmente : c'est la dilatation.

2. Elle ne change pas : aucune particule n'a été ajoutée ni retirée.

3. Elles s'agitent davantage et s'écartent les unes des autres, sans changer de taille.

« Dans un solide, les particules sont serrées et ordonnées. Dans un liquide, elles sont serrées mais désordonnées. Dans un gaz, elles sont très éloignées les unes des autres. »

1. Non.

2. Non : elle vaut toujours $50$ g.

3. Seule la disposition des particules : d'ordonnées elles sont devenues désordonnées, et elles glissent maintenant les unes sur les autres.

1. Parce qu'ils se dilatent en été : sans ce jeu, ils se déformeraient.

2. Parce que le liquide se dilate : son volume augmente, donc il monte dans le tube étroit.

1. Non : elles sont bien trop petites.

2. Parce qu'il explique un grand nombre d'observations avec très peu d'idées.

3. Oui : par les molécules en 2AC, puis par les atomes et les électrons en 3AC. Chaque étape garde ce qui marchait et explique en plus.

Glaçon. Ses particules sont serrées et ordonnées, chacune reste à sa place et ne peut que vibrer : l'édifice conserve donc sa forme.

Eau liquide. Ses particules sont toujours serrées, donc le volume est conservé, mais désordonnées et libres de glisser les unes sur les autres : l'ensemble épouse la forme du récipient.

Gaz. Ses particules sont très éloignées et se déplacent dans toutes les directions sans rien pour les retenir : elles s'écartent jusqu'aux parois et remplissent tout le volume.

1. Dans la seringue à air, les particules, très espacées, se rapprochent : le vide entre elles diminue. Dans la seringue à eau, les particules se touchent déjà, donc elles ne peuvent pas se rapprocher davantage.

2. Non, dans aucun des deux cas.

3. Non. Plus on comprime, moins il reste de vide, et plus la résistance augmente. À la limite, les particules se toucheraient et le gaz ne se comprimerait plus, comme un liquide. C'est d'ailleurs ainsi qu'on liquéfie un gaz.

1. Dans le bécher le plus chaud, celui à $60$ °C.

2. L'agitation des particules augmente avec la température : dans l'eau chaude, les particules d'encre et d'eau se déplacent plus vite, donc la répartition se fait plus vite.

3. Les deux se coloreraient rapidement, et la différence deviendrait beaucoup moins visible. L'agitation mécanique masquerait alors la diffusion : c'est bien pour cela que l'expérience se fait sans agiter.

1. Non : le ballon est fermé, rien n'est sorti.

2. Le froid diminue l'agitation des particules d'air : elles se rapprochent, donc le gaz occupe un volume plus petit. C'est une contraction, l'inverse de la dilatation.

3. Il reprend son volume initial : l'agitation retrouve son niveau, les particules s'écartent de nouveau. Une pesée confirmerait que la masse n'a jamais changé.

1. Non, il a seulement disparu à la vue : le goût sucré de l'eau prouve qu'il est toujours là.

2. Ses particules se sont séparées les unes des autres et dispersées entre les particules d'eau, où elles sont trop petites et trop éparpillées pour être vues.

3. Aucune particule n'a été créée ni détruite : celles du sucre sont toujours dans le verre, simplement réparties autrement. La masse totale est donc inchangée.

1. La dilatation sous l'effet de la chaleur.

2. Parce que le métal se dilate davantage que le verre pour une même hausse de température : le couvercle s'agrandit plus que le col, donc le jeu entre les deux augmente.

3. Refroidir le bocal seul aurait aussi pu marcher, en le faisant se contracter, mais c'est bien plus difficile à réaliser sans refroidir le couvercle en même temps. Chauffer le couvercle seul est la méthode la plus simple.

1. Le modèle ne dit rien de leur couleur ni de leur forme exactes. On les dessine en cercles par commodité, mais la couleur est une propriété de la matière en grande quantité, pas d'une particule isolée.

2. Il y a du vide. L'air est lui-même constitué de particules : en mettre entre les particules ne ferait que repousser la question d'un cran.

3. L'agitation diminue quand la température baisse, mais elle ne s'annule pas dans les conditions ordinaires. Un solide très froid a des particules qui vibrent faiblement, et non des particules immobiles.

1. Douze, exactement comme avant.

2. Seul l'écartement entre les particules : elles doivent être trois fois plus resserrées, dans un cadre trois fois plus petit. Leur taille, elle, ne change pas.

3. La pression du gaz, puisqu'un même nombre de particules frappe désormais des parois plus rapprochées.

1. La dilatation du métal.

2. Trois fois plus, soit $3\times 3,6=10,8$ mm, c'est-à-dire plus d'un centimètre.

3. Pour lui permettre de s'allonger et de se raccourcir librement avec la température. Un pont bloqué à ses deux extrémités subirait des contraintes considérables et finirait par se fissurer.

1. La diffusion d'un gaz dans l'air.

2. Parce que les particules ne vont pas en ligne droite : elles se heurtent sans arrêt à celles de l'air et suivent un trajet en zigzag. Doubler la distance coûte donc bien plus que doubler le temps.

3. Oui : les particules continuent de se répartir dans tout le volume disponible, donc leur concentration en chaque point finit par devenir trop faible pour être détectée par le nez. Elles ne sont pas détruites, seulement diluées.

Solide. Rangées, oui, mais elles doivent être serrées, au contact les unes des autres.

Liquide. Serrées, oui, mais désordonnées : c'est l'ordre, et non la distance, qui distingue le liquide du solide.

Gaz. Désordonnées, oui, mais très éloignées : c'est la distance, et non l'ordre, qui distingue le gaz du liquide.

1. Solide, puis liquide, puis gazeux, ce dernier occupant un volume énormément plus grand. Pour l'eau, le solide est en réalité un peu plus volumineux que le liquide, ce qui est l'exception signalée dans le cours.

2. Aucun classement n'est possible : les trois ont la même masse.

3. Le volume dépend de l'écartement des particules, qui change complètement d'un état à l'autre. La masse dépend de leur nombre, qui ne change jamais. C'est pourquoi la masse se conserve alors que le volume, lui, varie beaucoup.

1. Parce qu'aucune particule n'a été créée ni détruite : les particules d'eau et celles d'alcool sont toutes présentes dans le mélange.

2. Parce que les particules d'eau et d'alcool n'ont pas la même taille : les plus petites se logent dans les espaces laissés entre les plus grandes, exactement comme du sable versé sur des billes occupe moins de place que la somme des deux volumes. L'empilement final est plus compact que les deux empilements séparés.

3. La masse est toujours additive, le volume ne l'est pas toujours. C'est une différence de fond entre les deux grandeurs, et elle vient directement du modèle : la masse compte des particules, le volume mesure la place qu'occupe leur empilement.

1. La pression de l'air enfermé.

2. La température a augmenté, donc l'agitation des particules d'air aussi. Elles frappent les parois plus souvent et plus fort, dans un volume qui n'a presque pas changé puisque le pneu est peu déformable : la pression augmente.

3. Ni l'un ni l'autre. Le pneu est fermé : aucune particule n'est entrée ni sortie, donc la masse d'air est exactement la même qu'au départ.

4. Parce qu'une mesure à chaud donne une valeur plus élevée que la valeur de référence. En dégonflant pour « corriger », on retirerait de l'air, et le pneu se retrouverait sous-gonflé une fois refroidi.

1. La diffusion d'un solide dissous dans un liquide.

2. Le mouvement permanent des particules. Rien n'a été agité, aucune force extérieure n'est intervenue, et pourtant la matière s'est déplacée : il faut donc que quelque chose bouge tout seul à l'échelle invisible.

3. Parce qu'un mouvement de l'eau, même léger, transporterait la couleur mécaniquement. On ne saurait plus si la répartition vient du modèle ou du brassage. L'immobilité est ce qui rend l'observation concluante.

4. Non, et c'est un point important. Elle montre qu'un modèle où la matière bouge d'elle-même explique très bien l'observation, alors qu'un modèle où la matière est un bloc continu et immobile ne l'explique pas du tout. Un modèle n'est jamais prouvé : il est retenu tant qu'il rend compte des faits, et remplacé dès qu'un fait lui échappe.

1. Quand la température monte, l'agitation des particules du liquide augmente, elles s'écartent, et le volume du liquide augmente. Comme le réservoir est rigide, ce surplus de volume ne peut que monter dans le tube.

2. Pour amplifier l'effet. Une petite augmentation de volume, répartie dans un tube étroit, donne une grande montée en hauteur : c'est le même raisonnement que pour l'éprouvette étroite, plus précise.

3. Non. Aucune particule n'est ajoutée ni retirée : la masse est constante et seul l'écartement change. C'est d'ailleurs pour cela que la masse volumique d'un liquide diminue quand il est chauffé.

4. En principe oui, puisque les solides se dilatent aussi, et certains thermomètres fonctionnent effectivement avec une lame métallique. Mais la dilatation d'un solide est bien plus faible que celle d'un liquide, donc l'effet est plus difficile à lire.

1. Il contredit la règle générale de la contraction par refroidissement, pas le modèle lui-même. En gelant, les particules d'eau s'organisent en un empilement particulier, plus aéré que celui du liquide : le modèle peut en rendre compte, à condition d'admettre que l'arrangement compte autant que la distance moyenne.

2. Non. La masse de l'hélium est bien positive et se conserve. Le ballon monte parce que l'air qui l'entoure, plus dense, le pousse vers le haut : c'est un problème de masse volumique, pas de conservation.

3. Qu'un modèle a un domaine de validité. Il ne devient pas faux parce qu'un cas particulier lui échappe ; il devient dangereux si on l'applique sans savoir où il cesse de valoir. Connaître les exceptions fait partie de la maîtrise du modèle, pas de sa réfutation.

1. Un gaz enfermé pousse sur toutes les parois. Ses particules sont très éloignées et se déplacent rapidement dans toutes les directions. Elles heurtent donc sans arrêt chaque paroi, et la somme de ces innombrables chocs constitue la pression du gaz.

2. Un liquide chauffé occupe plus de place. Ses particules sont serrées et désordonnées, glissant les unes sur les autres. Le chauffage augmente leur agitation, elles s'écartent un peu plus les unes des autres, et le volume total augmente sans qu'aucune particule n'ait été ajoutée.

3. Une bouteille d'eau pleine et fermée éclate au congélateur. En gelant, les particules d'eau s'ordonnent selon un empilement plus aéré que celui de l'eau liquide. Le volume augmente alors, mais la bouteille fermée et pleine ne peut pas l'accueillir : la paroi cède.

1. Il explique très bien l'incompressibilité des liquides et des solides, la forme propre d'un solide et la conservation de la masse : si la matière est un bloc plein, on ne peut ni la comprimer ni la faire disparaître.

2. Il échoue sur la compressibilité des gaz, puisqu'un bloc plein n'a rien à comprimer ; sur la diffusion, puisque rien ne bouge dans un bloc immobile ; sur la dilatation, qui exigerait que la matière se crée en chauffant ; et sur le mélange eau et alcool, dont le volume final est inférieur à la somme.

3. On garde celui qui explique le plus de faits avec le moins d'hypothèses, et qui ne contredit aucune observation établie. Le modèle particulaire n'ajoute que trois idées et couvre tout le semestre, y compris tout ce que le modèle continu explique déjà : c'est cette couverture plus large, à coût égal, qui le fait retenir.

1. Les particules d'un gaz sont très éloignées : le vide entre elles peut être réduit, donc le volume diminue.

2. Les particules d'un liquide se touchent déjà : il n'y a plus de vide à supprimer, donc le volume ne diminue pas.

3. La fonte ne crée ni ne détruit de particules, elle les redispose seulement : leur nombre est constant, donc la masse aussi.

4. Les particules du parfum sont en mouvement permanent et se glissent entre celles de l'air, jusqu'à se répartir dans tout le volume : c'est la diffusion.

5. La chaleur augmente l'agitation des particules du métal, qui s'écartent davantage : le volume, donc la longueur, augmente, sans qu'aucune particule n'ait été ajoutée.

6. Les particules de sucre se séparent et se dispersent entre celles de l'eau, trop petites et trop éparpillées pour être vues, mais toujours présentes : d'où le goût et la conservation de la masse.

7. Rien ne retient les particules d'un gaz les unes aux autres : leur mouvement dans toutes les directions les mène jusqu'aux parois, et elles se répartissent dans tout le volume offert.

Ces sept explications reposent sur trois idées seulement, la petitesse des particules, le vide qui les sépare et leur mouvement permanent. C'est cette économie qui fait la valeur d'un modèle.