SciencesAction - Livre-ressources 2 - Extrait

2 M. Cocriamont, V.

et B. Kuyl

SciencesACTION (www.sciencesaction.be) est une collection de sciences pour les élèves du premier degré.

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Pour chaque année du degré, elle se compose, pour l’élève :

• d’un livre-ressources

• d’un cahier d’activités Découvrez toutes nos collections de sciences sur www.sciencesenligne.be !

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SciencesACTION e l’action ! l’élève au cœur d

www.vanin.be ISBN 978-90-306-5056-0

510876

9 789030 650560 •Cover+back_SciencesAction2011.indd 1

24/01/11 21:31:43

Michèle Cocriamont Valérie Fabre Bénédicte Kuyl

Udiddit, la plateforme d’exercisation en ligne pour les élèves et les enseignants La plateforme Udiddit te donne accès à : - du matériel de cours Ton professeur pourra t’indiquer comment accéder à Udiddit.

, collection de sciences Composition de SciencesAction 2 Pour l’ élève - Livre-Ressources - Cahier d’activités

IN

Pour l’enseignant - Guide pédagogique - Site Internet : www.sciencesaction.be

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Auteurs : Michèle Cocriamont, Valérie Fabre, Bénédicte Kuyl

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Couverture : Valérie Bohy Mise en page : Michel Raj Illustrations et schémas : Serge Nanson - Cédric Lambert, Yuio Photos (labo) : www.clic-arts.be et www.fa-images.com

on

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Les auteurs tiennent à remercier pour leur collaboration : G. Boulet, G. Clotuche, J. Lints, L. Nachtergaele, F. Minne, P. Vancampenhout, L. Vanhamme, les professeurs et élèves de 2e de la promotion 2008-2009 de St-Louis (Bxl), la Providence (Woluwé-St-Lambert) et Maria Assumpta (Bxl), ainsi que leurs époux.

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L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si malgré cela quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur.

Ed

Les photocopieuses sont d'un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale.

Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu'une simple photocopie.

Elle demande bien plus d'énergie, de temps et d'argent.

La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages.

En Belgique, la loi sur le droit d'auteur protège l'activité de ces différentes personnes.

Lorsqu'il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l'usager prive ces différentes personnes d'une part de la rémunération qui leur est due.

C'est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu'aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi.

© Editions Van In, Wavre-Wommelgem, 2009 Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l'autorisation écrite de l'éditeur.

1re édition, 4e réimpression : 2016 ISBN 978-90-306-5056-0 D/2012/0078/408 Art. 510876/05

BIOLOGIE 1. Idée eau…

4

Un seul mileu aquatique ?

2. Un repas sous l’eau…

8

Pour se nourrir…

3. Le dîner de cellules

22

La digestion des aliments et l’absorption des nutriments

4. Ils ne manquent pas d’air !

28

La respiration

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5. À s’en geler le sang !

La circulation

6. • 1 + 1 = 3 • Les dessous de l’or bleu

La diversité du monde vivant Planches didactiques

VA

La reproduction en mileu aquatique

N

La reproduction humaine

36 42 58

78 82

s

PHYSIQUE

on

7. Flottera, flottera pas ?

90

La masse volumique

8. L’effet papillon

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Les forces

9. Faut pas pousser !

94 100

Ed

La pression

10. « Vert » une énergie attitude

110

Les énergies

11. Ça chauffe en coulisses…

120

Chaleur & température

12. Renversons la vapeur !

124

Les changements d’état

13. Que calor, señor !

130

L’énergie thermique

14. Es-tu au courant ?

140

L’électricité

Lexique Table des matières

156

3 Le dîner des cellules Digérer les aliments et absorber les nutriments

IN

La digestion est un ensemble d’actions mécaniques et d’actions chimiques transformant les aliments en nutriments afin qu’ils puissent être absorbés au niveau de l’intestin et atteindre directement les cellules* ou être transportés jusqu’aux cellules du corps grâce à la circulation sanguine.

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L’estomac

Zila Zinkova

N

Certains êtres vivants ont des adaptations spécifiques du tube digestif.

Ed

iti

on

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L’aigrette Chez les vertébrés, ce muscle creux est la plupart du temps tubulaire. Il prend le plus souvent la forme d’un J. Chez les mammifères carnivores dont les pattes sont Chez certains poissons, la portion inférieure de transformées en nageoires (pinnipèdes) comme le l’estomac est assortie de nombreux caecums* ou phoque ou l’otarie, l’estomac est simple et composé appendices. Ces derniers ont, semble-t-il, une fonction d’un seul lobe. glandulaire digestive et une fonction d’absorption. Cette poche sécrète du suc gastrique (action chimique) Dans la plupart des cas, ils sont localisés après le et pétrit le bol alimentaire (action mécanique). pylore*, faisant donc plus partie de l’intestin que de l’estomac.

Chez les mammifères carnivores pourvus de dents (odontocètes) comme le dauphin et le cachalot et ceux qui sont pourvus de fanons* (mysticètes) comme le rorqual et la baleine bleue, l’estomac ressemble à celui des ruminants.

Le brochet Chez les oiseaux, l’estomac est divisé en deux parties : la partie antérieure sécrète le suc gastrique, la partie postérieure est musculaire et assure un malaxage des aliments.

22

3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

La baleine bleue

IN

Coupe transversale d’une étoile de mer

N

accumulent. Ces animaux ne ruminent pas, bien que leur régime alimentaire soit principalement phytophage.

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L’ estomac est divisé en plusieurs compartiments ayant chacun sa propre fonction. L’avant-estomac sert à stocker et malaxer (action mécanique) la nourriture avalée rapidement. Les autres poches servent à digérer (actions chimique et mécanique).

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La carapace des crustacés, les mâchoires des céphalopodes etc., sont constituées de chitine, substance semblable à la cellulose* des plantes. C’est pourquoi pour la digérer, des bactéries semblables à celles que l’on retrouve chez les ruminants sont omniprésentes.

Chez les invertébrés échinodermes, telle l’étoile de mer, l’estomac est divisé en deux parties : l’estomac et les caecums gastriques. Lorsque l’estomac sort par la bouche, des enzymes* digestives sont relâchées sur la proie et une digestion externe se produit. Les caecums gastriques situés dans chaque bras occupent un espace important. Ils sont faits de branches qui se ramifient de plus en plus. Leurs parois sécrètent des substances digestives et agissent comme des organes de stockage pour les nutriments.

Le dugong

L’ étoile de mer

3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

F. Nuyttens

Ed

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Chez les mammifères phytophages non ruminants comme l’hippopotame, le dugong* ou son cousin le lamantin*, l’estomac volumineux possède une partie antérieure compartimentée en poches ; celles-ci sont remplies de bactéries pouvant digérer la cellulose des plantes et d’autres matériaux végétaux qui s’y

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L’intestin

L’assimilation est le passage des nutriments dans le sang au niveau des cellules de la muqueuse du tube digestif.

- le processus d’assimilation dont la majorité se réalise au niveau de l’intestin grêle; - le processus de rétention*, variable en fonction de l’espèce et du type de nourriture.

La longue rétention* dans le cæcum permet la digestion du matériel végétal fibreux* par les bactéries.

Dans ce cadre, il est la plupart du temps relativement long et présente des dispositifs augmentant encore la surface absorbante.

Chez les mammifères carnivores pinnipèdes comme le phoque et l’otarie, la longueur de l’intestin (de 8 à 15 fois la longueur du corps) peut surprendre puisque les proies ne sont pourtant pas difficiles à digérer.

C’est sans doute dû au fait que les pinnipèdes font de longues apnées* lorsqu’ils cherchent de la nourriture.

Dès lors, le système digestif n’est pratiquement plus irrigué par le sang. Cette impressionnante longueur intestinale en maximise l’efficacité pendant les périodes passées en surface, ou au sec, quand il est irrigué normalement.

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Le temps du transit intestinal et la fréquence des défécations* sont variables en fonction des espèces et du type de nourriture. Il est en général plus long chez les phytophages que chez les carnivores. L’élimination des déchets se fait sous deux formes :

Chez les oiseaux tel le goéland et les mammifères tel le phoque, l’augmentation de surface de l’intestin est réalisée par son allongement. L’intestin des oiseaux et mammifères fait ainsi de nombreuses circonvolutions* et occupe l’essentiel de la cavité abdominale. On note aussi la présence de microvillosités, replis de la paroi interne de l’intestin augmentant la surface d’assimilation.

IN

- le processus de digestion par ses propres sécrétions ainsi que par celles des deux glandes qui lui sont associées : le pancréas et le foie ;

peuvent être absorbées sans allonger l’intestin. Selon l’espèce, le nombre de spires* va de quelques-unes à plusieurs dizaines. Chez l’esturgeon, l’intestin est plus long et replié en S. Certains poissons, comme le saumon, possèdent dans la première portion de l’intestin de nombreux caecums.

N

Généralement, l’intestin, le plus long des segments du tube digestif, assure trois rôles :

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- les matières fécales* (solides) qui sont sources de pollution ; - l’urine.

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Chez les poissons comme le requin, l’intestin peut être court et droit. Il est alors muni d’un repli interne richement vascularisé qui augmente fortement la surface d’assimilation : la valvule spiralée ayant l’aspect d’une vis à travers laquelle les substances nutritives

Chez les mammifères carnivores odontocètes tels le dauphin et le cachalot, on explique difficilement les raisons pour lesquelles les intestins sont si longs (environ 15 fois la longueur du corps). On suppose que, pendant les apnées profondes, le système digestif ne Le requin serait pas irrigué par le sang et qu’il faut donc maximiser l’efficacité lorsque ces animaux se retrouvent en surface.

Chez les mammifères carnivores mysticètes comme le rorqual et la baleine bleue, la longueur de l’intestin (mesurant 5 à 6 fois la longueur du corps) est beaucoup moins grande que chez les odontocètes.

24

3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

Ce reptile* est carnivore puis phytophage. La tortue aquatique broute les prairies sous-marines. La digestion de la cellulose des plantes par la microflore de son gros intestin est comparable à celle des ruminants.

Chez les mammifères, le rectum se termine par l’anus.

Par contre, le rectum débouche dans un cloaque* chez les oiseaux, les batraciens et les reptiles.

Chez les invertébrés échinodermes comme l’étoile de mer, le court rectum passe du milieu de la face de l’estomac vers le haut pour se terminer par un anus.

Les résidus non digérés sont souvent régurgités par la bouche plutôt qu’ expulsés par l’anus.

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Chez les mammifères carnivores, l’intestin est divisé en intestin grêle et gros intestin sauf pour les cétacés à fanons comme la baleine.

rôle de retenir l’eau et de concentrer les résidus alimentaires en défécations.

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Cela fait tout de même 150 m pour la baleine bleue, ce qui reflète peut-être le fait qu’elle plonge moins profondément et moins longtemps.

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La tortue marine

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Chez les oiseaux, la division entre les deux intestins est marquée par l’existence de caecums (deux chez les oiseaux, un chez les mammifères odontocètes).

Le gros intestin, dépourvu de microvillosités, a pour

on

Les glandes annexes Chez certains mammifères, des cloisons divisent le foie en lobules ou encore en plus larges lobes. C’est le cas chez l’Homme.

Chez les Vertébrés, on distingue deux structures essentielles : le foie et le pancréas.

Le foie a pour fonction digestive de produire la bile qui joue un rôle important dans la digestion car elle fragmente les grosses molécules en les rendant plus digestes. Le surplus de lipides y est stocké pour y jouer le rôle d’émulsifiant* de la bile. Le foie sert aussi d’organe hydrostatique*.

Ed

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Chez la plupart des espèces, vertébrés et invertébrés, le tube digestif est muni de glandes annexes qui jouent un rôle essentiel dans le processus de la digestion.

Le pancréas

Le pancréas est une glande qui déverse le suc pancréatique dans la partie supérieure de l’intestin.

Le foie Le foie est la glande la plus volumineuse du système digestif, voire même l’organe le plus volumineux du corps des animaux. Il occupe la plus grande part de la cavité abdominale.

Les huiles, qui sont plus légères que l’eau, y sont stockées donnant dès lors de la flottabilité au requin, qui a tendance à s’enfoncer dans l’eau.

La plupart des vertébrés ont une vésicule biliaire pouvant stocker et concentrer la bile. Ce n’est cependant pas le cas des reptiles, oiseaux et mammifères tel le phoque.

Mou et huileux, il peut constituer jusqu’à 25 % de la masse totale de l’animal.

3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

25

Quelques systèmes digestifs d’animaux de milieux aquatiques

Ed

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Le goéland

on

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3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

Ph. Demeersmen

s

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N

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Le dauphin

La truite

Ed

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L’esturgeon

on

s

VA

N

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La perche

Le maquereau

3. Digérer les aliments et absorber les nutriments

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9 Faut pas pousser !

La pression

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Certains objets ou certaines parties de vivants sont conçus pour que l’enfoncement soit favorisé ou diminué.

Les pattes des canards

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Les dents d’un requin

on

s

Le couteau

Ed

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Les pattes de la poule

Les piques à brochettes

Un coupe-œuf Le rouleau à pâtisserie

100

9. La pression

VA

N

IN

Des aiguilles à tricoter

on

s

La grippette de l’élagueur

Les punaises

Ed

iti

Les raquettes d’un randonneur

La batte, attendrisseur de viande

9. La pression

101

Qu’est-ce que la pression ?

Le sais-tu ?

Sur l’emballage d’une rame de feuilles, on lit 100g/m2. Cela signifie qu’ 1m2 de ce papier pèse 100 g. Autrement dit, ce papier exerce une force d’1 N sur 1 m2, N ce qui équivaut à une pression d’1 ou 2

m 1 Pa.

On dit que la personne exerce une pression sur le sol.

( N ou Pa) m2

p =

F

(N)

S ou A

(m2)

Un Pa est la pression exercée par une force de 1N répartie uniformément sur une surface de 1m2.

Cette unité ayant une très petite valeur, la pression s’exprime souvent par des nombres très élevés.

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force pression =

surface ou aire

IN

L’unité de la pression est le pascal (Pa), en l’honneur du physicien Blaise Pascal (1623-1662) qui étudia particulièrement la notion de pression.

N

La personne couchée dans la neige exerce une force sur le sol. Son corps a une certaine surface de contact avec le sol. Le rapport entre la force et la surface de contact, donne une grandeur dérivée appellée pression.

on

s

Facteurs influençant la pression

Ed

Justine

iti

La surface des skis de chacun des skieurs est identique.

Nadine et Elioth

Patrick Nadine

102

9. La pression

IN

Chaïmae pèse 55 kg et la surface de contact qu’elle occupe peut être différente.

Surface de con

VA

N

tact : 0,34 m2

Ed

iti

on

s

Surface de contact : 343,53 cm2

ontact : Surface de c

2

0,54 m

Surface de con

tact : 1523 cm2

9. La pression

103

Un point commun

s

VA

N

IN

Une ventouse adhérant à un support fixe

La même bouteille vidée de l’eau chaude et immédiatement fermée

Ed

iti

on

Une bouteille d’eau chaude immédiatement fermée

Un récipient rempli d’air contenant un ballon baudruche noué

104

9. La pression

Ce même récipient vidé de son air à l’aide d’une pompe

Index soulevé

IN

Index fermant l’ouverture supérieure de la pipette

on

s

VA

N

Un récipient rempli de liquide, recouvert d’un carton puis retourné

Ed

iti

Expérience de l’œuf et du ballon à fond plat

9. La pression

105

Comment mesurer la pression atmosphérique ?

Le baromètre de Torricelli, du nom de son inventeur, ou baromètre à mercure est constitué d’un tube en verre en forme de J haut d’au moins 80 cm. L’ extrémité supérieure est fermée tandis que l’inférieure est ouverte afin de permettre le contact avec l’air. Ce tube est rempli de mercure (symbole chimique : Hg).

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Au dessus de la colonne de mercure, on a créé un vide, il ne s’y exerce donc aucune pression. À l’autre extrémité du tube, sur la surface libre du mercure s’exercent deux pressions égales et opposées : la pression atmosphérique d’une part et le poids de la colonne de mercure d’autre part.

on

s

VA

N

Plus la pression atmosphérique est forte, plus celle-ci s’exerce sur la surface libre du mercure, ce qui fait monter le mercure dans la colonne. À l’inverse lorsque la pression atmosphérique est moins forte, celle-ci s’exercera moins fort sur la surface libre du mercure, ce qui fait redescendre le mercure dans la colonne.

M. Ra j

Ed

iti

Le baromètre anéroïde est un baromètre constitué d’une boîte métallique à parois souples dans laquelle on fait le vide d’air. Pour éviter que celle-ci ne s’écrase, un ressort maintient les parois écartées.

Aiguille

Levier

Boîte métallique vide (sans air)

mm de Hg

Pivot

Ressort Rainures circulaires permettant une déformation aisée

Lorsque la pression atmosphérique augmente, le ressort s’écrase et la déformation est communiquée jusqu’à une vis qui fait tourner une aiguille bleue. Elle se déplace devant un cadran gradué. L’aiguille dorée, que l’on peut bouger manuellement, sert à visualiser les variations de la pression atmosphérique précédente.

106

9. La pression

Le baromètre électronique est composé d’une puce qui mesure la pression atmosphérique.

L’intérêt de ce baromètre est qu’il peut indiquer l’historique des pressions des heures et jours précédents. hPa

VA

N

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La pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer est égale à la pression exercée par la colonne de mercure de 76 cm de hauteur, ce qui équivaut à 1013 hPa.

Le baromètre est un instrument qui mesure la pression atmosphérique.

1 Pa = 1N/m2

on

100 Pa = 1 hPa

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L’unité du système international de la pression est le pascal (Pa).

L’unité technique de la pression qui est encore tolérée est le « bar » : 1 bar = 100 000 Pa

Ed

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Ex : l a pression des pneus d’une voiture ou la pression d’une chaudière à mazout sont exprimés en bar.

Le sais-tu ?

• La plus forte pression atmosphérique a été mesurée en Sibérie le 31 décembre 1968, elle faisait 1083,8 hPa. • La moins forte pression atmosphérique a été mesurée dans l’Océan Pacifique le 12 octobre 1979, elle faisait 870 hPa. • Si on voulait construire un baromètre avec de l’eau, il faudrait un tube de 10,80 m de haut car l’eau a une masse volumique 13,6 fois plus petite que celle du mercure.

9. La pression

107

La pression peut être influencée…

La pression atmosphérique est influencée par l’altitude

Pression atmosphérique (hPa)

1 000 900

• Signal de Botrange • Montgolfière

800

• Nuages bas

700 600

• Mont Blanc 500

• Nuages hauts

400

• •Everest Cygne

IN

300 200 100 0

Altitude (m)

N

Vincent, infirmier urgentiste de 38 ans, décide de réaliser son rêve : l’ascension de l’Everest. Il entame un rigoureux entraînement sportif, en se préparant techniquement, et en adaptant son alimentation. C’est avec une équipe composée d’alpinistes amateurs et professionnels qu’il atteint son objectif lors du printemps dernier.

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on

s

VA

2 000 0 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 À cette altitude, la pression est réduite au tiers 13 000 5 000 1 000 3 000 7 000 9 000 11 000 de la normale. Avant de gravir la montagne, de son repas pour comparer une expérience déjà réalisée une acclimatation de plusieurs semaines est indispensalors de son trekking au sommet du mont Blanc (à 4810 ble sans quoi Vincent pourrait perdre connaissance. Il se mètres d’altitude, là où la pression vaut un peu moins de souvient qu’au-delà des 5500 m, certaines modifications la moitié d’une atmosphère). Il se rappelle que le temps physiologiques apparaissent. En effet, la diminution de de cuisson de l’œuf avait été supérieur à celui observé la pression de l’oxygène de l’air inspiré est compensée à chez lui à Liège… Après avoir plongé un thermomètre court terme par l’augmentation des rythmes cardiaque dans l’eau, il s’aperçut que, contrairement aux idées reet respiratoire et par la rétention des fluides dans son çues, 100°C n’est pas la seule température d’ébullition de corps. l’eau. Au Mont Blanc, l’eau bout à 85°C. Par contre, en De plus, la perte d’appétit se manifeste. Or, Vincent sait haut des 8848 mètres de l’Everest, il ne parvient pas à que manger sainement est une question de survie. Il déci- faire en sorte que l’œuf soit cuit dur. Il se résout donc à le de de se faire cuire un œuf dur. Il profite de la préparation manger mollet.

Fonctionnement d’une casserole à pression

Ed

La température d’ébullition dépend de la pression de l’air dans la casserole.

Lorsque la pression diminue, la température d’ébullition diminue.

Inversément, lorsque la pression augmente, la température d’ébullition augmente.

Lors de la cuisson dans une casserole ordinaire, la pression à l’intérieur de celle-ci correspond à la pression atmosphérique, soit environ 1013 hPa. Mais dans une casserole à pression, la vapeur dégagée reste emprisonnée, la pression continue à augmenter jusqu’à 1700 hPa. À cette pression, l’eau est en ébullition aux environs de 120°C. Le temps de cuisson est dès lors fort raccourci. Au moment où la pression est d’environ 2000 hPa, la soupape de sécurité libère la vapeur pour que la casserole à pression n’explose pas. À l’intérieur de cette casserole, la pression est élevée, les molécules d’eau passeront moins facilement à l’état de vapeur et la température d’ébullition sera plus élevée. C’est-à-dire que l’eau commencera à bouillir à 120°C. La cuisson sera aussi plus rapide.

108

9. La pression

La pression atmosphérique varie d’un endroit à un autre, mais aussi d’heure en heure.

Chacune est caractérisée par une pression identique exprimée en hectopascals (hPa). Plus les isobares sont rapprochées, plus la variation de pression est brusque et plus le vent est fort.

Sur la carte, on observe aussi les lettres A et D.

Les météorologues doivent connaître la position de ces différentes zones pour pouvoir prévoir la direction des vents. Ceux-ci se déplacent normalement d’une zone de haute pression (A) vers une zone de basse pression (D).

Attention : du fait de la rotation de la Terre, les vents tournent dans l’hémisphère Nord, dans le sens horloger autour d’un anticyclone et dans le sens antihorloger autour d’un cyclone.

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on

s

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• Les A ou anticyclones correspondent à des zones de hautes pressions. Sachant que la pression

• Les lettres D ou « dépressions » correspondent à des zones de basses pressions ; ce sont des régions où la pression atmosphérique est inférieure à 1013 hPa : ce sont des zones de mauvais temps.

IN

Pour que ces mesures soient comparables, il faut les convertir comme si elles étaient prises au niveau de la mer. Elles sont alors reportées sur des cartes. Les endroits où règne la même pression sont reliés par des courbes : ce sont les courbes isobares.

atmosphérique moyenne est de 1013 hPa, un anticyclone ou une zone de haute pression est une région où la pression atmosphérique est supérieure à1013 hPa : ce sont habituellement des zones de beau temps.

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Les météorologues parviennent à prévoir le temps qu’il fera grâce entre autre aux variations des valeurs de la pression atmosphérique. Pour cela, les météorologues relèvent la valeur de la pression atmosphérique en de très nombreux endroits, régulièrement et au même moment.

C. Lambert

Ed

…

9. La pression

109