Science et technologie s1606

Aide-mémoire - Quatrième secondaire - ATS

Voici un guide de préparation contenant toutes les notions abordées dans le cours d'applications technologiques et scientifiques de quatrième secondaire.

Cet aide-mémoire traite de tous les concepts au programme du cours de quatrième secondaire d'applications technologiques et scientifiques. Pour connaître les concepts qui seront évalués lors de l'examen ministériel et les détails quant à cet examen, n'hésite pas à consulter les fiches suivantes de la bibliothèque virtuelle:

Cet aide-mémoire a été préparé pour les examens ministériels de juin 2018, juillet 2018 et janvier 2019.

L'univers vivant

Les concepts de l'univers vivant ne seront pas évalués à l'examen ministériel. Pour les consulter, clique sur l'onglet ci-dessous.

L'écosystème

Un écosystème représente l'ensemble des interactions des individus d'une communauté avec les facteurs abiotiques du milieu.
Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir des exemples d'écosystème.
Une forêt, un lac, un aquarium ou une montagne constituent tous des écosystèmes.

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Les perturbations écologiques

Une perturbation écologique est une altération qui se produit dans un écosystème. Les perturbations peuvent être de deux types.

​Perturbations humaines
​Perturbations naturelles
​Déforestation, pollution, chasse intensive, etc.
​Feu de forêt, volcanisme, inondation, etc.

Après une perturbation, une série de changements se produisent dans l'écosystème; c'est ce qu'on appelle la succession écologique. Ces changements se produisent jusqu'à ce que l'écosystème atteigne à nouveau un état d'équilibre.

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Les relations trophiques

Les relations trophiques représentent les chaînes alimentaires existant entre les organismes vivants dans un écosystème.

Un niveau trophique est la position occupée par un organisme dans une chaîne alimentaire.

Il existe trois grands niveaux trophiques.

​Niveau trophique
​Description
​Producteurs​Organisme capable de produire sa propre nourriture (matière organique) à partir de la matière inorganique et de l'énergie du Soleil.
​Consommateurs​Organisme qui se nourrit d'autres organismes vivants.
​Décomposeurs​Organisme qui se nourrit des déchets et des cadavres d'autres organismes vivants et qui décompose la matière organique en matière inorganique.

Dans un réseau trophique, les producteurs, généralement des végétaux, utilisent la matière organique et inorganique pour produire leur propre nourriture. Ces producteurs servent ensuite de nourriture aux consommateurs de premier ordre, généralement des herbivores qui, à leur tour, serviront à nourrir les consommateurs de deuxième ordre. Tous ces êtres vivants produisent des déchets (feuilles des végétaux qui se décomposent, déchets des consommateurs ou décomposition des consommateurs à leur mort). Cette matière sera transformée par les décomposeurs en matière inorganique pouvant être utilisée par les producteurs. Ceci permet de débuter un nouveau cycle.

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La productivité primaire

La productivité primaire est la quantité de matière organique fabriquée par les végétaux dans un territoire précis. Certains facteurs influencent la productivité primaire:

  • la quantité de lumière;
  • la quantité d'eau disponible;
  • l'accès aux nutriments essentiels pour les producteurs;
  • la température.

Ces facteurs peuvent influencer la productivité primaire à un endroit donné. Par exemple, la présence d'abeilles permet une pollinisation des arbres à fruits. Toutefois, certains microorganismes peuvent nuire à leur façon à la croissance des plantes.

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Les flux de matière et d'énergie

Le flux de la matière correspond à la circulation de la matière dans un écosystème. Les producteurs, étant des êtres hétérotrophes, produisent leur propre nourriture. Ils servent de nourriture aux consommateurs, qui peuvent également se nourrir d'autres consommateurs. Tous ces êtres vivants produisent des déchets qui seront utilisés par les décomposeurs pour produire de la matière inorganique pour les producteurs.

La principale source d'énergie dans un écosystème est le Soleil. Cette énergie est introduite dans l'écosystème par les producteurs. L'énergie est ensuite transmise aux consommateurs. Cependant, environ 90 % de l'énergie est perdue dans l'environnement entre deux niveaux trophiques sous forme d'énergie thermique.

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Le recyclage chimique

Le recyclage chimique est l'action durant laquelle la matière organique est décomposée, puis transformée en nutriments qui pourront être utilisés par les producteurs. Ce sont les microorganismes et les décomposeurs qui sont principalement responsables de la transformation de la matière organique en matière inorganique. D'autres facteurs peuvent également augmenter la production de matière organique, comme l'érosion.

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Les facteurs influençant la distribution des biomes

De nombreux facteurs influencent la distribution des biomes dans la biosphère.

Facteurs qui influencent la distribution des biomes terrestres Facteurs qui influencent la distribution des biomes aquatiques
LatitudeSalinité de l'eau
AltitudeProfondeur de l'eau
PrécipitationsForce et sens du courant
VentsQuantité de dioxygène et de dioxyde de carbone nécessaire à la respiration et à la photosynthèse
Type de sol
Nourriture
Insolation (ensoleillement, lumière)
Température

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L'univers matériel

L'oxydation

L'oxydation est une transformation chimique impliquant de l'oxygène ou une substance ayant les mêmes propriétés. L’oxydation est une forme de combustion lente.

On reconnaît une oxydation par la présence de dioxygène |(O_2)| dans les réactifs de la réaction.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple d'une réaction d'oxydation.La formation de rouille est une réaction d'oxydation, car elle se produit en présence de dioxygène.
|4 \space Fe_{(s)} + 3 \space O_{2(g)} \rightarrow 2 \space Fe_2O_{3(s)}|
s1606i1.JPG
La combustion est également un exemple de réaction d'oxydation.

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La combustion et le triangle de feu

La combustion est une réaction chimique entre un combustible et un comburant qui dégage de l'énergie. Une combustion s'accompagne généralement de flammes, d'une température élevée et d'une grande quantité d'énergie libérée lors de la combustion.

Pour qu'une combustion puisse se produire, trois éléments sont essentiels.

s1605i4.JPG 

  • Le combustible est la substance qui brûle.
  • Le comburant est la substance qui alimente (aide) la combustion.
  • La température d'ignition (ou point d'ignition) est la température que doit atteindre un combustible pour débuter la combustion. Le point d’ignition est une propriété caractéristique associée à une substance donnée. Il demeure toujours le même, mais, dans certains cas, il peut être plus difficile à atteindre, par exemple lorsque du bois est mouillé.

Si un des trois éléments est absent ou s'il s'épuise durant le temps que la réaction se produise, la combustion s'arrêtera immédiatement.

Une combustion vive est une combustion qui libère beaucoup d'énergie sous forme de chaleur et de lumière en peu de temps.

Une combustion spontanée est une combustion vive qui atteint sa température d'ignition sans agent extérieur.

Une combustion lente est une combustion qui se produit sur une longue période de temps. L'énergie est tranquillement libérée dans l'environnement.

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La loi de la conservation de l'énergie

La loi de la conservation de l'énergie indique que l'énergie ne peut être ni créée, ni détruite: elle peut seulement être transférée ou transformée en d'autres sortes d'énergie. La quantité totale d'énergie dans un système doit toujours être la même.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de la conservation de l'énergie.

Une ampoule incandescente qui consomme |\small \text {100 J}| d'énergie électrique la transformera pour produire |\small \text {5 J}| d'énergie lumineuse et |\small \text {95 J}| d'énergie thermique (énergie dissipée). La quantité d'énergie au départ est la même que la quantité d'énergie à la fin.

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Le rendement énergétique

Le rendement énergétique permet de déterminer la proportion de l'énergie consommée qui est transformée en travail efficace.
Le rendement énergétique se calcule grâce à la formule suivante:
|\text {Rendement énergétique}=\displaystyle \frac{\text {Quantité d'énergie utile (J)}}{\text {Quantité d'énergie consommée (J)}}\cdot100|

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul du rendement énergétique.

Quel est le rendement énergétique d'une ampoule incandescente qui consomme |\small \text {100 J}| d'énergie électrique pour produire |\small \text {5 J}| d'énergie lumineuse et |\small \text {95 J}| d'énergie thermique ?

L'énergie utile est l'énergie lumineuse. L'énergie dissipée, ou énergie non utile, est l'énergie thermique.
||\begin{align}\text {Rendement énergétique} &=\displaystyle \frac{\text {Quantité d'énergie utile (J)}}{\text {Quantité d'énergie consommée (J)}}\cdot100 \\  \text {Rendement énergétique} &=\displaystyle \frac{\text {5 J}}{\text {100 J}}\cdot100 \\ \text {Rendement énergétique} &= 5 \% \end{align}||

Il est possible d'améliorer le rendement énergétique de différents appareils. Par exemple, pour améliorer l'efficacité d'un chauffe-eau, il faut s'assurer que le réservoir est bien isolé, ce qui permettra de limiter les pertes de chaleur. Il est également possible d'améliorer l'efficacité d'ampoules électriques en favorisant l'utilisation d'ampoules de type DEL plutôt que des ampoules à incandescence.

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La distinction entre la chaleur et la température

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

La chaleur est le transfert de l'énergie thermique d'un objet à un autre lorsqu'il y a une différence de température entre deux objets. Elle se mesure en Joules |(J)|.

La quantité de chaleur (ou d'énergie thermique) qui peut être transférée d'un objet à un autre dépend de la quantité de particules et de la température initiale.

La température mesure le degré d'agitation des particules d'une substance. Elle se mesure en degrés Celsius |(^\circ C)|.

Ainsi, lorsqu'une substance plus chaude est mélangée à une substance plus froide, la substance plus chaude transfère de sa chaleur à la substance plus froide. Ainsi, les particules de la substance chaude perdront de l'énergie: elles seront moins agitées, ce qui diminuera la température. Le contraire se produit pour la substance froide: étant donné que la substance froide absorbera de la chaleur, les particules s'agiteront, ce qui augmentera la température.

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Le principe d'Archimède

Le principe d'Archimède stipule qu'un objet plongé dans un fluide subit une force de poussée vers le haut dont la force est égale au poids du fluide déplacé par l'objet.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple d'application du principe d'Archimède.

Si on prend un cube de |\small \text {500 g}| et qu'on le plonge dans un verre d'eau contenant |\small \text {1 000 ml}| d'eau |\small \text {(1 000 g)}|, le cube flottera, car le poids du volume d’eau déplacé par le cube est supérieur au poids du cube.
Si on prend un cube de |\small \text {1 000 g}| et qu'on le plonge dans un verre d'eau contenant |\small \text {1 000 ml}| d'eau |\small \text {(1 000 g)}|, le cube restera à la profondeur à laquelle il sera plongé dans l'eau, car le poids du volume d’eau déplacé est égal au poids du cube.
Si on prend un cube de |\small \text {1 500 g}| et qu'on le plonge dans un verre d'eau contenant |\small \text {1 000 ml}| d'eau |\small \text {(1 000 g)}|, le cube coulera dans le fond du verre, car le poids du volume d'eau déplacé est inférieur au poids du cube.

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Le principe de Pascal

Le principe de Pascal définit qu'une augmentation de pression dans un fluide en milieu fermé est répartie uniformément dans toutes les directions.

Pour déterminer la pression exercée sur un objet, il faut utiliser la formule suivante:
|P= \displaystyle \frac{F}{A}|

|P| représente la pression en Pascal |\text {(Pa)}|
|F| représente la force en Newtons |\text {(N)}|
|A| représente la surface sur laquelle la force est appliquée en mètres carré |\text {(m}^2)|

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir des exemples d'objets utilisant le principe de Pascal

Le ballon de baudruche se gonfle, car l'air qui est ajouté à l'intérieur de ce ballon augmente la pression sur toutes les parois du caoutchouc.

Les systèmes hydrauliques utilisent le principe de Pascal. À une extrémité du système se trouve un piston avec une petite surface alors que de l'autre côté se trouve un piston avec une grande surface. Ainsi, la force exercée sera augmentée, ce qui permettra de soulever de grandes charges. Les systèmes pneumatiques utilisent le même système.

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Le principe de Bernoulli

Le principe de Bernoulli définit que plus la vitesse d'un fluide est grande, plus la pression est petite.

La portance s'explique par le principe de Bernoulli. L'air au-dessus d'une aile se déplace à haute vitesse, ce qui crée une basse pression, alors qu'en dessous de l'aile, la vitesse de l'air diminue. Cette diminution de la vitesse crée une zone de haute pression. Cette différence de pression (haute au-dessous de l'aile et basse au-dessus) provoque une force vers le haut et permet à un avion de voler.

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source

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La charge électrique

La charge électrique est la propriété de la matière liée à la perte de la neutralité d'une substance. Un corps chargé négativement possède un surplus d'électrons (plus d'électrons que de protons). Un corps chargé positivement présente un déficit en électrons (moins d'électrons que de protons).

Il existe des forces d'attraction et de répulsion entre deux substances qui varient selon la charge des substances.

​Charge de la première substance
​Charge de la deuxième substance
​Force électrique
​Positive​Positive​Répulsion
​Positive​Négative​Attraction
​Positive​Neutre​Attraction
​Négative​Positive​Attraction
​Négative​Négative​Répulsion
​Négative​Neutre​Attraction
Neutre​Positive​Attraction
​NeutreNégative​​Attraction
​Neutre​Neutre​Aucune

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L'électricité statique

L'électricité statique est un processus de transfert d'électrons d'un corps à un autre. Dans ce processus, les électrons sont transférés d’un premier objet à un deuxième objet.

  • Le premier aura un surplus de protons. Il aura donc une charge positive, puisque des électrons ont été transférés vers le deuxième objet.
  • Le deuxième aura un surplus d’électrons. Il aura donc une charge négative, car il reçoit les électrons du premier objet.

L'électrisation par frottement est le phénomène électrostatique qui se produit lorsqu'une substance acquiert ou perd des charges électriques lorsqu'elle est frottée contre une autre substance.

L’induction est le déplacement de charges négatives dans un objet neutre lorsque celui-ci est placé à proximité d’un objet chargé.

La série électrostatique est une liste qui indique comment les matériaux vont perdre ou gagner des électrons lorsqu'ils entrent en contact avec d'autres matériaux. Dans cette liste, les éléments sont classés en fonction de leur capacité à attirer les électrons (donc, à gagner des charges négatives) ou à donner leurs électrons, ce qui les amènera à avoir une charge résiduelle positive.

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La loi d'Ohm

La loi d'Ohm permet d'établir une relation entre la tension, la résistance et l'intensité du courant.

La loi d'Ohm est représentée par l'équation: |R = \displaystyle \frac{U}{I}|

|U| représente la tension |\text {(V)}|
|R| représente la résistance |(\Omega )|
|I| représente l'intensité du courant |\text {(A)}|
Graphiquement, la relation entre la tension en fonction de l'intensité du courant permet d'obtenir une droite linéaire.

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De cette relation, on déduit que plus l'intensité augmente, plus la tension sera grande pour un même résistor. On peut déduire la valeur de la résistance de ce circuit en calculant la pente du graphique.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple d'application graphique de la loi d'Ohm.

En utilisant le point |\small (0,0)| et le point |\small (0,0010, 2)|, la résistance est donc calculée par la formule suivante.
||\begin{align}U = R \times I \quad \Rightarrow \quad R &= \frac {U}{I} \\ R &= \frac {\text {2 V - 0 V}}{\text {0,0010 A - 0 A}} \\ R &= 2 \:000 \: \Omega \end{align}||

Sans graphique, la loi d'Ohm peut être utilisée pour déterminer une variable manquante si les deux autres sont connues.

Si une tension de |\small \text {10 V}| est mesurée dans un circuit lorsque l'intensité du courant est de |\small \text {0,5 A}|, quelle est la résistance dans ce circuit ?
||\begin{align}U = R \times I \quad \Rightarrow \quad R &= \frac {U}{I} \\ R &= \frac {\text {10 V}}{\text {0,5 A}} \\
R &= 20 \: \Omega \end{align}||

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Les variables électriques et leurs symboles

Il existe différentes variables électriques qui sont utilisées pour quantifier le passage des électrons dans un circuit électrique.

​Variable ​Définition ​Symbole ​Unité de mesure
​Différence de potentiel (tension, voltage)
​Quantité d'énergie transférée entre deux points d'un circuit électrique.​|U|​Volt |\text {(V)}|
​Résistance​Capacité d'un matériau à s'opposer au passage du courant électrique.​|R|​Ohm |(\Omega)|
​Intensité du courant (ampérage)
Quantité de charges qui circulent à un point précis du circuit électrique chaque seconde.​|I|​Ampère |\text {(A)}|

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Les circuits en série et en parallèle

Un circuit électrique est formé minimalement de trois composantes:

  • une source d'alimentation pour créer une tension dans le circuit;
  • des fils électriques pour assurer le transport des électrons dans les éléments du circuit;
  • un ou des éléments qui transforment l'énergie électrique.

Un circuit en série est un montage électrique dans lequel les composantes telles que les résistors ou les ampoules sont reliées les unes à la suite des autres. Le courant n’a alors qu’un seul chemin possible pour revenir à la source de courant. Si un bris survient dans ce circuit, le courant électrique cesse de circuler.

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Un circuit en parallèle est un montage électrique dans lequel les composantes tels que les résistors ou les ampoules sont placées parallèlement les uns aux autres. Le courant peut revenir à la source par plusieurs chemins différents. Si un bris survient dans un des chemins dans ce circuit, le courant électrique peut quand même circuler dans les autres chemins de ce circuit.
s1605i10.JPG

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Le courant continu et le courant alternatif

Le courant continu est un courant électrique dans lequel les électrons circulent continuellement dans une seule direction.
Le courant alternatif est un courant électrique dans lequel les électrons circulent alternativement dans une direction, puis dans l'autre, à intervalles réguliers appelé cycles.

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La relation entre la puissance et l'énergie électrique

La puissance électrique indique la quantité d'énergie qu'un appareil peut transformer durant une période de temps.

La puissance électrique se calcule grâce à la formule suivante:
|P = U \times I|

|P| représente la puissance |(\text {W})|
|U| représente la tension |(\text {V})|
|I| représente l'intensité du courant |(\text{A})|

La relation entre la puissance, le temps et l'énergie électrique peut être représentée dans un graphique.

s1169i1.JPG

La pente de ce graphique permet de déterminer la puissance de l'appareil.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple d'application graphique de la puissance électrique.

En utilisant les points |\small (0, 0)| et |\small (40, 10 \: 000)|, la pente peut être calculée de la façon suivante.
||\begin{align}E = P \times \triangle t \quad \Rightarrow \quad P &= \frac {E}{\triangle t} \\ P &= \frac {\text {10 000 J - 0 J}}{\text {40 s - 0 s}} \\
P &= \text {250 W} \end{align}||

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul de la puissance électrique.

Quelle est la puissance dans un circuit électrique si une tension de |\small \text {10 V}| y circule, considérant que l'intensité du courant est de |\small \text {0,5 A}| ?
||\begin{align}P = U \times I \quad \Rightarrow \quad P &= \text {10 V} \times \text {0,5 A} \\ P &= \text {5 W} \end{align}||

L'énergie électrique représente l'énergie fournie sous forme de courant électrique.

L'énergie électrique se calcule grâce à la formule suivante:
|E = P \times \triangle t|
|E| représente l'énergie |\text {(J, Wh ou kWh)}|
|P| représente la puissance |\text {(W ou kW)}|
|\triangle t| représente la variation de temps |\text{(s ou h)}|

Il y a trois types d'énergie possible.

  • Pour calculer l'énergie en Joules, la puissance doit être mesurée en Watts et le temps, en secondes.
  • Pour calculer l'énergie en wattheures, la puissance doit être mesure en watts et le temps, en heures.
  • Pour calculer l'énergie en kilowattheures, la puissance doit être mesure en kilowatts et le temps, en heures.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul de l'énergie électrique.

Quelle est la quantité d'énergie consommée, en Joules, en Wattheures et en kiloWattheures, par une ampoule ayant une puissance de |\small \text {100 W}| qui est utilisée durant |\small \text {15 minutes}| ?
||\begin{align}E = P \times \triangle t \quad \Rightarrow \quad E &= \text {100 W} \times \text {900 s} \\ E &= \text {90 000 J} \end{align}||
||\begin{align}E = P \times \triangle t \quad \Rightarrow \quad E &= \text {100 W} \times \text {0,25 h} \\ E &= \text {25 Wh} \end{align}||
||\begin{align}E = P \times \triangle t \quad \Rightarrow \quad E &= \text {0,100 kW} \times \text {0,25 h} \\ E &= \text {0,025 kWh} \end{align}||

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Les forces d'attraction et de répulsion

Le champ magnétique est la zone dans laquelle la force magnétique d'un aimant peut agir sur un autre élément. Par convention, le champ magnétique est représenté par des lignes de force qui s'éloignent du pôle Nord pour se rapprocher du pôle Sud. En plaçant une boussole à proximité du champ magnétique, cette dernière va s'orienter de manière à ce que le pôle Nord de la boussole soit dirigé vers le pôle Sud de l'aimant.

s1605i11.JPG 

Il existe des forces d'attraction et de répulsion entre deux substances.

  • Si on approche deux aimants de pôles opposés (un pôle Nord à proximité d'un pôle Sud), ils s'attireront (force d'attraction).
  • Si on approche deux aimants de pôles semblables (deux pôles Nord ensemble ou deux pôles Sud ensemble, ils se repousseront (force de répulsion).

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Le champ magnétique d'un fil parcouru par un courant

Lorsqu'un courant électrique circule dans un fil conducteur, un champ magnétique est créé. Pour établir l'orientation de ce champ magnétique, il faut utiliser la première règle de la main droite.

  • On place le pouce de la main droite dans le sens du courant conventionnel, soit du positif vers le négatif.
  • La rotation des doigts indique le sens du champ magnétique.

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Le champ magnétique est circulaire et perpendiculaire au passage du courant électrique. Si on place une boussole dans le champ magnétique créé par le passage du courant électrique dans ce fil, cette dernière s'orientera dans le sens du champ magnétique.

Deux facteurs peuvent influencer l'intensité du champ magnétique dans un fil droit.

  • Plus l'intensité du courant est grande, plus le champ magnétique sera fort.
  • Un fil électrique constitué par un métal, tel que le cuivre, permet d'obtenir un meilleur champ magnétique.

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Le champ magnétique d'un solénoïde

Un solénoïde est constitué d'un fil conducteur enroulé en plusieurs boucles et parcouru par un courant électrique. Lorsqu'un courant électrique circule dans un solénoïde, un champ magnétique se crée autour du solénoïde. On peut déterminer l'orientation du champ magnétique créé dans un solénoïde à l'aide de la deuxième règle de la main droite, dans laquelle le pouce de la main droite pointe le pôle Nord du solénoïde lorsque la main est enroulée dans le sens du courant conventionnel.

s1607i14.jpg 

Trois facteurs influencent l’intensité du champ magnétique dans un solénoïde:

  • le nombre de spires (nombre de tours), puisqu'un plus grand nombre de tours augmente la force du champ magnétique;
  • l’intensité du courant électrique (I), puisqu'une plus grande intensité augmente la force du champ magnétique;
  • la nature du noyau, puisqu'un noyau de fer doux augmente la force du champ magnétique.

Les solénoïdes sont utilisés dans plusieurs applications technologiques, tels que les microphones, les écouteurs, les moteurs électriques et les grues magnétiques.

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L'induction électromagnétique

L'induction électromagnétique est la production d'un courant électrique par magnétisme.

Pour pouvoir produire un champ électrique à partir d'un champ magnétique, on peut procéder de différentes façons:

  • en déplaçant un conducteur à l'intérieur d'un champ magnétique;
  • en déplaçant un aimant autour d'un conducteur.

L'induction électromagnétique est largement utilisée pour transformer l'énergie mécanique en énergie électrique.

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La force

La force est une action capable de modifier l'état de mouvement d'un corps ou de le déformer. Les résultats possibles de l'application d'une force sur un corps sont les suivants:

  • un objet au départ immobile peut se mettre en mouvement;
  • un objet au départ en mouvement peut modifier son état de mouvement en accélérant, en ralentissant ou en changeant de direction;
  • un objet peut se déformer.

Il existe différents types de force.

  • La force gravitationnelle est la force d'attraction entre deux corps. C'est la force qui permet à un objet de rester sur la surface de la Terre: il est attiré par le centre de la Terre.

    On utilise la formule suivante pour trouver la force gravitationnelle d'une masse.

    |F_{g} = m \times g|

    |F_{g}| représente la force gravitationnelle |\small (\text  {N})|
    |m| représente la masse du corps |\small (\text  {kg})|
    |g| représente l'intensité du champ gravitationnel |\small (\text  {N/kg})|

    Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul de la vitesse.

    Quelle est la force gravitationnelle exercée sur une pomme de |\small \text {50 g}| sur la Terre ?
    Il est important de convertir la masse en kilogrammes.
    |m = 50 \: \text  {g} = 0,05 \: \text  {kg}|
    Pour calculer la force gravitationnelle sur la Terre:
    ||\begin{align} F_{g} = m \times g \quad \Rightarrow \quad
    F_{g} &= 0,05 \: \text {kg} \times 9,8 \: \text  {N/kg}\\
    &= 0,49 \: \text  {N} \end{align}|| 

  • La force électromagnétique est une force d'attraction (ou de répulsion) entre des objets possédant une charge électrique ou des pôles magnétiques.
  • La force normale est la force exercée par un objet sur une surface en contact avec celui-ci.
  • La force de frottement est un type de force de contact qui s'oppose au mouvement d'un objet avec une surface.
  • Les forces nucléaires agissent à l'intérieur du noyau d'un atome et sont importantes dans la fission et la fusion nucléaire.
  • La force efficace est la partie d'une force responsable du déplacement d'un objet. Elle correspond à la force parallèle au mouvement de l'objet.

On représente une force par une flèche en trait simple.

Pour avoir accès à d'autres exemples et à plus d'explications sur cette notion, n'hésite pas à consulter la bibliothèque virtuelle.

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L'équilibre entre deux forces

Des forces à l'équilibre sont des forces qui s'annulent entre elles. Ainsi, une force équilibrante est une force qui annule la force résultante, ce qui signifie que l'objet ne se déplace pas.

Pour qu'une force soit considérée comme équilibrante par rapport à une autre force, elle doit être de même grandeur que la force à équilibrer. De plus, elle doit être orientée en direction opposée à la force à équilibrer (à |180^{\circ}| de différence).

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La relation entre la vitesse constante, la distance et le temps

La vitesse est la relation entre la distance parcourue en fonction du temps. Elle se calcule grâce à la formule suivante:

|v=\displaystyle \frac{\triangle x}{\triangle t}|

|v| représente la vitesse moyenne (ou la vitesse constante) |\text {(m/s)}|
|\triangle x| représente la variation de position du mobile |\left( x_{f} - x_{i} \right)| |\text {(m)}|
|\triangle t| représente la variation de temps |\left( t_{f} - t_{i} \right)| |\text {(s)}|

Le tableau suivant démontre quels facteurs influencent la vitesse.
​Facteur ​Variation ​Impact sur la vitesse
Variation de position​​Augmentation​Augmentation
Diminution
​Diminution
​Temps​​Augmentation​Diminution
​Diminution ​Augmentation
Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul de la vitesse.

Quelle est la vitesse d'un objet qui se déplace sur une distance de |\small \text {6,48 km}| en trois minutes ?
Il faut convertir les mesures afin d'avoir une variation de position en mètres et une variation de temps en secondes.
|\text {6,48 km} = \text {6 480 m}|
|\text {3 min} = \text {180 s}|

||\begin{align}\text v=\displaystyle \frac{\triangle x}{\triangle t} \quad \Rightarrow \quad v &= \frac{\text {6 480 m}}{\text {180 s}} \\ v &= \text {36 m/s} \end{align}||

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La relation entre la masse et le poids

Le poids représente la force avec laquelle la Terre (ou les autres astres) nous attire vers elle. La force est directement proportionnelle à la masse de l'objet.

|F_g=m\cdot g|

|F_g| représente le poids (ou force gravitationnelle) |(N)|
|m| représente la masse |(kg)|
|g| représente la constante gravitationnelle d'une planète |(N/kg)|

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul de la force gravitationnelle.

Quel est le poids d'un individu sur Terre ayant une masse de 74 kg, sachant que la constante gravitationnelle terrestre est 9,80 N/kg ?
|F_g=m\cdot g|
|F_g=74 kg\cdot 9,80 N/kg|
|F_g=725,2 N|

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L'univers Terre et espace

Les minéraux

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Un minéral est une substance naturelle inorganique qui se distingue d’un autre type de minéral par sa composition chimique.
Un minerai est une roche extraite de la lithosphère qui contient une quantité de minéraux suffisamment grande pour en justifier l'exploitation.

L'exploitation des minéraux peut amener des impacts environnementaux non négligeables comme, par exemple:

  • Il peut y avoir, à moyen ou à long terme, épuisement des ressources, puisque ces minéraux ne sont pas des ressources renouvelables;
  • De grandes surfaces boisées peuvent être détruites lorsque des mines sont construites;
  • Des gaz à effet de serre (GES) sont émis par l'utilisation de la machinerie dans les mines;
  • La faune devra se déplacer sur d'autres territoires, chassée par les humains exploitant les ressources minières.

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Les ressources énergétiques de la lithosphère

Il est possible de produire de l'énergie à partir des éléments présents dans la lithosphère.

​Ressource énergétique
​Description ​Avantages ​Inconvénients
​Combustibles fossiles
​Énergie produite à partir de la combustion du pétrole, du charbon ou du gaz naturel.
​Technologie peu coûteuse et accessible.
​Énergie non renouvelable.
Production de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques.
​Nucléaire​Énergie contenue dans les noyaux des atomes de certains éléments chimiques.
​Production de grandes quantités d'énergies avec peu de matières premières.
Production de gaz à effet de serre nulle.
​Production de déchets radioactifs difficiles à éliminer.
​Géothermique
​Énergie reliée à la chaleur interne de la Terre.
​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
​Technologie très coûteuse.

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Les bassins versants

Un bassin versant est un territoire délimité par les lignes de crête entourant un réseau de cours d’eau, qui comprend aussi les eaux souterraines et de ruissellement. Des sous-bassins alimentent un bassin versant et se comportent de la même façon que ce dernier. La frontière entre deux bassins versants se situe sur la crête des montagnes et des collines environnantes et se nomme ligne de partage des eaux (ou ligne de crête).
En raison de la force de la gravité, l'eau circule du point le plus haut vers le point le plus bas (de l'amont, soit l'endroit d'où vient l'eau, vers l'aval, soit l'endroit vers où l'eau se dirige).

Certaines activités humaines peuvent avoir des impacts importants sur les bassins versants.

  • Les coupes à blanc (ou la déforestation excessive d'un territoire) peuvent augmenter l'érosion du sol et entraîner des inondations ou des glissements de terrain.
  • La pollution de l'hydrosphère peut contaminer la source d'eau à proximité du point de contamination. De plus, des endroits en aval du point de contamination pourraient également être contaminés.
  • La création d’un réservoir ou d’un canal de navigation peut avoir un impact sur la quantité d'eau déversée dans un bassin versant.
  • L'assèchement ou le remplissage d’un marécage.
  • L'irrigiration et la fertilisation des sols.

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Les ressources énergétiques de l'hydrosphère

Il est possible de produire de l'énergie à partir des éléments présents dans l'hydrosphère.

​Ressource énergétique ​Description ​Avantages ​Inconvénients
Marémotrice
Énergie reliée au mouvement de l'eau lors des marées.
​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
Peu de sites propices à l'installation de centrales marémotrices.

Dommages causés à la centrale par l'eau salée.
Hydraulique​Énergie produite par le mouvement de l'eau.
​​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
Inondation des terres.
​Hydrolienne​Énergie produite par les courants marins.
​​​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
Technologie coûteuse.​

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Les masses d'air

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Une masse d’air est une zone de l’atmosphère où la température et l’humidité sont relativement homogènes.
Pour qualifier la température de la masse d'air, on peut dire que l'air est chaud (air tropical), froid (air polaire) ou très froid (air arctique). Pour qualifier l'humidité, on peut dire que l'air est sec (air continental) ou humide (air maritime).
Lorsque deux masses d'air se rencontrent, une zone se crée dans laquelle la température et l'humidité se modifient rapidement. Lorsque l'air chaud et humide, plus léger, s'élèvera en altitude, la condensation amènera la formation de nuages. Des fronts (chauds ou froids) et des variations de masses d'air (anticyclones et dépressions) pourraient survenir.

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Les cyclones et les anticyclones

Un anticyclone est une zone de circulation atmosphérique qui se déploie autour d’un centre de haute pression.
Un cyclone, ou dépression, est une zone de circulation atmosphérique qui se déploie autour d’un centre de basse pression.

Le tableau suivant différencie les deux types de phénomènes atmosphériques.

Cyclone ​Anticyclone
​Masse d'air qui se déplace
​Masse d'air chaud qui s'élève en altitude
​Masse d'air froid qui se rapproche du sol
​Sens de rotation
​Antihoraire dans l'hémisphère Nord
​Horaire dans l'hémisphère Nord
​Conditions atmosphériques
Conditions instables: précipitations et vents, risque de tempête
Pas (ou peu) de nuages: ciel dégagé et air plutôt sec

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Les ressources énergétiques de l'atmosphère

Il est possible de produire de l'énergie à partir des éléments présents dans l'atmosphère.

​Ressource énergétique ​Description ​Avantages ​Inconvénients
Solaire
Énergie produite par le rayonnement du Soleil.
​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
Possibilité d'alimenter en énergie des régions éloignées.
​Énergie produite variable selon la saison et les nuages.

Technologie coûteuse.
Éolienne​Énergie produite par le vent.
​​Énergie renouvelable.
Production de gaz à effet de serre nulle.
​Production de pollution visuelle et sonore.

Énergie produite variable selon le vent.

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Le flux d'énergie émis par le Soleil

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

​Le flux d'énergie émis par le Soleil correspond à l'ensemble du rayonnement électromagnétique qui s'échappe de sa surface pour se propager dans l'espace.

Le flux d'énergie varie en raison de divers facteurs.

  • L'heure de la journée influence directement l'insolation, puisque le rayonnement solaire est nul si une surface de la Terre est du côté opposé par rapport au Soleil, soit durant la nuit.
  • Les saisons influencent l'insolation. Puisque l'axe de rotation est incliné, une surface peut recevoir une plus grande quantité d'énergie solaire dépendamment de sa position par rapport au Soleil.
  • La latitude influence également l'insolation, puisque les régions plus nordiques ne reçoivent pas autant d'énergie solaire que les régions plus près de l'équateur.

Une partie de l'énergie solaire est absorbée avant de se rendre dans les océans et les sols. Lorsque cette énergie atteint la surface de la Terre, les surfaces foncées absorberont le rayonnement solaire, alors que les surfaces claires réfléchiront le rayonnement solaire.

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Le système Terre-Lune et les marées

​La marée est le mouvement du niveau des eaux causé par l’effet des forces de gravitation de la Lune et du Soleil.
Les côtés de la Terre se situant en ligne avec la Lune sont en période de marée haute, alors que les zones perpendiculaires à la Lune sont en période de marée basse. Lorsque la Terre aura effectué un quart de sa rotation, les zones de marées basse et haute seront inversées. Il se produira alors deux marées hautes et deux marées basses par jour en raison de la rotation de la Terre.

s1605i15.png

Source
Le Soleil agit aussi sur l'importance des marées. L'action combinée de la Lune et du Soleil peut provoquer deux types de marées sur la Terre.

  • Lorsque le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés, les forces d’attraction se renforcent mutuellement et provoquent alors des périodes de fortes marées, que l'on nomme marées de vives-eaux.
  • Lorsque le Soleil, la Lune et la Terre forment un angle droit, les forces d’attraction s’atténuent et provoquent alors des périodes de faibles marées, nommées marées de mortes-eaux.

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L'univers technologique

Les standards de représentation

Il existe différents types de schémas qui peuvent être utilisés pour représenter un objet.

  • Le schéma de construction est un dessin qui représente les pièces et les matériaux utilisés dans la fabrication d'un objet technique. De plus, certaines informations nécessaires à la construction des différentes pièces de même que les liaisons et les guidages entre celles-ci sont indiquées.
  • Le schéma de principe est un dessin qui représente le fonctionnement d'un objet technique: on y indique les forces et les mouvements en jeu.
  • Le schéma électrique est un dessin simplifié qui représente l'agencement des composantes d'un circuit électrique à l'aide de symboles normalisés.

Les symboles permettent de représenter le mouvement ou les forces exercées sur certaines pièces. Le tableau ci-dessous résume les principaux symboles utilisés.

Forces Flexion
Traction
Compression
Cisaillement Torsion
Symboles
es1606i9.jpg
es1606i10.jpg es1606i11.jpg
es1606i12.jpg
es1606i13.jpg

Mouvements Translation rectiligne unidirectionnelle
Translation rectiligne bidirectionnelle
Rotation unidirectionnelle
Rotation bidirectionnelle
Hélicoïdal bidirectionnel
Symboles
es1606i4.jpg es1606i5.jpg es1606i6.jpg es1606i7.jpg es1606i8.jpg

Le tableau suivant montre quelques types de ligne utilisés en dessin technique.

Type de ligne Exemple
Ligne de contour visible
Ligne de contour caché
Ligne de cote
Ligne d'attache
Ligne d'axe

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Les projections orthogonales

Une projection à vues multiples est une représentation en deux dimensions de différentes vues d'un objet, chacune des vues correspondant à une des faces de l'objet.

s1603i31.JPG 

Source

Habituellement, trois vues sont suffisantes pour décrire les caractéristiques et les dimensions d'un objet. Par convention, on utilise les vues de face, de droite et de dessus.

s1603i32.jpg 

Source

Une projection isométrique est la représentation en perspective d'un objet placé de manière à ce que les trois arêtes principales (qui correspondent aux trois dimensions de l'objet) forment des angles égaux de 120°. On peut se fier aux dimensions d'une projection isométrique pour connaître les dimensions réelles d'un objet. Toutefois, les angles sont déformés par rapport à la réalité.

s1603i33.jpg 

Source

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La cotation fonctionnelle

La cotation exprime l’ensemble des dimensions et des tolérances requises pour la fabrication, l’assemblage et le fonctionnement d’un objet.

La tolérance représente la précision exigée lors de la fabrication d'une pièce dans un objet. La dimension est indiquée sur le dessin ou le schéma de l'objet accompagné de l'écart toléré pour la conception de cette pièce.

La cotation fonctionnelle (ou tolérance spécifque) est l’écart admissible des dimensions de certains composants qui assure le bon fonctionnement d’un objet. On doit considérer les limites inférieure et supérieure et les possibilités de valeurs de cet intervalle.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de cotation fonctionnelle.

Le diamètre d'un piston est de |\small 10,00 \pm 0,05 \text { cm}|, alors que le diamètre de la seringue est de |\small 10,0 \pm 0,1 \text { cm}|. Ceci signifie que le piston peut mesurer entre |\small 9,95 \text { cm}| et |\small 10,05 \text { cm}|, alors que la seringue dans laquelle le piston glisse peut mesurer entre |\small 9,9 \text { cm}| et |\small 10,1 \text { cm}|.
En utilisant ces données, il est possible de noter que les pièces ne seront pas toujours compatibles: un pison de diamètre maximal |\small (10,05 \text { cm})| ne pourrait entrer dans la seringue de dimension minimale |\small (9,9 \text { cm})|.

On évalue le fonctionnement d'un objet technique selon sa cotation fonctionnelle.

  • Un objet fonctionnel signifie que les deux composants pourront toujours s'assembler ensemble.
  • Un objet possiblement non fonctionnel signifie que l’assemblage des composants ne permet pas un fonctionnement optimal de l’objet (par exemple, lorsqu'il y a présence de beaucoup d'espace entre un objet et l'orifice dans lequel il doit entrer).
  • Un objet non fonctionnel signifie qu'il n'est pas possible d'assembler deux composants.

Le jeu mécanique est l’espace prévu entre deux composants pour que ceux-ci puissent bouger librement.

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de jeu mécanique.

Un piston ayant un diamètre de |\small 10,0 \text { cm}| s'insère sans jeu mécanique dans une seringue de |\small 10,0 \text { cm}|, car il n'y a pas d'espace entre les deux composants.
Un piston ayant un diamètre de |\small 10,0 \text { cm}| possède un jeu mécanique dans une seringue de |\small 11,0 \text { cm}|, car il y a de l'espace entre les deux composants.

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Les développements

Un développement est la représentation, à plat, d'un solide qui est fabriqué par pliage (ou cambrage). Le développement permet de connaître la surface d'un matériau nécessaire pour fabriquer une pièce par pliage.

Dans des mises en situation, les représentations suivantes sont utilisées.

Type de ligne Exemple
Ligne de contour
Ligne de pliure


Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir des exemples de développements.

s1606i14.png s1606i16.png
​Prisme rectangulaire à base carrée
​Cône
s1606i17.png s1606i15.png
​Cylindre ​Pyramide à base carrée

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Les caractéristiques des liaisons mécaniques

Dans chaque objet technique, il existe des liaisons qui peuvent être caractérisées par quatre qualificatifs, soit un qualificatif pour chacune des paires présentées dans le tableau ci-dessous.

Types de liaison​
​Directe: Liaison qui ne nécessite pas d'organe de liaison entre les pièces à lier.
​Indirecte: Liaison qui nécessite un organe de liaison (vis, clou colle, etc.) entre les pièces à lier.
​Rigide: Liaison ne permet aucune déformation (aucun changement de position) des pièces. ​Élastique: Liaison qui présente un organe de liaison élastique ou un matériau élastique qui assure un mouvement de retour à la position initiale des pièces.
​Démontable: Liaison qui permet de séparer plusieurs fois les pièces sans endommager les surfaces des pièces ni l’organe de liaison.
​Indémontable: Liaison qui ne permet pas de séparer les pièces sans endommager les surfaces des pièces ou l’organe de liaison.
​Complète: Liaison qui ne permet aucune possibilité de mouvement entre les pièces liées.
​Partielle: Liaison dans laquelle les pièces doivent bouger les unes par rapport aux autres.


Les degrés de liberté sont les six mouvements indépendants possibles entre les pièces dans un objet technique. Une pièce qui est liée partiellement à une autre est limitée dans la possibilité des mouvements qu'elle peut faire.

Il existe six types de liberté de mouvement.

  • La liberté de mouvement en translation dans les trois axes, identifiées |T_x|, |T_y| et |T_z|.
  • La liberté de mouvement en rotation dans les trois axes, identifiées |R_x|, |R_y| et |R_z|.

Dans une représentation d'un objet, on identifie les axes en y ajoutant une légende.

  • L'axe des x indique le mouvement gauche-droite.
  • L'axe des y indique le mouvement bas-haut.
  • L'axe des z indique le mouvement arrière-avant.

s1607i17.jpg 

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple sur les degrés de liberté.

Lorsqu'on ouvre une porte de voiture, celle-ci est limitée dans les mouvements qu'elle peut faire afin d'éviter que l'utilisateur ne se blesse en l'ouvrant. Elle est donc limitée à un mouvement de rotation selon l'axe des y.

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La fonction de guidage

Le guidage est la fonction d’un organe qui dirige le mouvement d’une pièce mobile selon une trajectoire précise. Un guidage implique un mouvement entre les composants: il n’y a donc pas de guidage dans une liaison complète.
Il existe trois types de guidage.

​Type de guidage
​Description
​Guidage en translation
​Guidage qui permet à une pièce mobile d'exécuter un mouvement de translation.
​Guidage en rotation
​​Guidage qui permet à une pièce mobile d'exécuter un mouvement de rotation.
​Guidage hélicoïdal
​​​Guidage qui permet à une pièce mobile d'exécuter un mouvement hélicoïdal. Pour qu’un guidage soit considéré comme hélicoïdal, il faut que le déplacement rectiligne de la pièce mobile s’effectue dans le même axe que l’axe de rotation.

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L'adhérence et le frottement entre les pièces

Le frottement est une force qui s'oppose au glissement d'une surface sur une autre. On considère qu'il y a frottement lorsque deux surfaces en contact peuvent glisser ou se déplacer l'une sur l'autre.

L'adhérence (ou frottement statique) est un frottement suffisamment important pour empêcher le glissement d'une surface sur une autre. On considère qu'il y a adhérence lorsque deux surfaces en contact peuvent glisser l'une sur l'autre, mais qu'elles ne glissent pas.

Le frottement et l'adhérence varient selon les facteurs suivants:

  • la nature des matériaux mis en contact;
  • la présence ou non d'un lubrifiant;
  • la force perpendiculaire (force normale) exercée par une surface sur une autre;
  • l'état des surfaces mises en contact.

Dans l'état des surfaces, on considère la surface du matériau et la surface du matériau avec laquelle le premier matériaux est en contact. Il faut considérer des paramètres tels que la texture (lisse ou texture), la granulosité et l'usure des matériaux dans l'analyse de la situation.


Plus l'adhérence entre deux pièces est grande, plus le frottement est grand lorsque ces deux pièces glissent l'une sur l'autre.

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Les particularités du mouvement des systèmes de transmission du mouvement

Les systèmes de transmission du mouvement représentent des mécanismes qui transmettent le mouvement d'une pièce vers une autre sans en modifier la nature. Le mouvement transmis peut être un mouvement de translation, de rotation ou hélicoïdal.

Voici les principaux mécanismes de transmission du mouvement.

​Mécanisme ​Représentation ​Description ​Avantages ​Inconvénients
​Roues de friction
s1602i12.pngMécanisme comprenant deux roues non dentées qui ont un point de contact entre elles.
​Permet la transmission du mouvement entre des pièces rapprochées.
Réversible.
​Peut s'user avec le temps.
Possibilité de glissement entre les deux roues.
​Engrenages (ou roues dentées)
s1602i13.png​Mécanisme comprenant deux roues dentées ayant un point de contact entre elles.
​Permet la transmission du mouvement entre des pièces rapprochées.
Réversible.
Présence de dents qui permettent d'éviter le glissement.
​Peut nécessiter une lubrification des pièces pour assurer un bon fonctionnement.
​Courroie et poulies
s1602i14.png​Mécanisme constitué de deux poulies reliées entre elles par une courroie.
​Réversible.

Ne nécessite pas de lubrification.
Doit avoir des axes de rotation parallèles pour être efficaces.

La courroie peut glisser sur les poulies.
​Chaîne et roues dentées
s1602i15.png​Mécanisme constitué de deux roues dentées reliées entre elles par une chaîne.
​Réversible.
Présence de dents qui permettent d'éviter le glissement.
​Doit avoir des axes de rotation parallèles pour être efficaces.
​Peut nécessiter une lubrification des pièces pour assurer un bon fonctionnement.
​Vis sans fin et roue dentée
s1602i16.pngMécanisme constitué d'une vis et d'une roue dont les dents sont en contact avec les filets de la vis.
​Permet une transmission du mouvement très précise.
Présence de dents qui permettent d'éviter le glissement.
​Irréversible.
​Peut nécessiter une lubrification des pièces pour assurer un bon fonctionnement.

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Les particularités du mouvement des systèmes de transformation du mouvement

Un système de transformation du mouvement est un mécanisme qui modifie la nature d'un mouvement lorsqu'il est transmis d'une pièce vers une autre. Le mouvement transformé peut être un mouvement de translation ou de rotation.

Il existe divers types de mécanismes de transformation du mouvement.

​Mécanisme ​Représentation ​Description ​Avantages ​Inconvénients
Pignon et crémaillère
s1602i17.pngMécanisme comprenant une roue dentée (le pignon) qui, en tournant, entraîne la crémaillère dans un mouvement de translation.
​Réversible.

Présence de dents qui permettent d'éviter le glissement.
Peut nécessiter une lubrification des pièces pour assurer un bon fonctionnement.

Nécessite des ajustements précis entre les dents de la roue et celles de la crémaillère.
Vis et écrou
s1602i18.pngMécanisme comprenant une vis qui, en tournant, entraîne la translation de l'écrou.
​Permet de soutenir et d'exercer des forces importantes.
​Irréversible.

Beaucoup de frottement, donc lubrification nécessaire.
Bielle et manivelle
s1602i19.png​Mécanisme comprenant une bielle, qui effectue un mouvement de translation, reliée à une manivelle, qui effectue un mouvement de rotation.
​Réversible.
Permet des transformations du mouvement à haute vitesse.
Beaucoup de frottement, donc lubrification nécessaire.
Came et tige-poussoir
s1602i20.pngMécanisme qui comprend une came qui, en tournant, entraîne la translation de la tige-poussoir.
​Aucun glissement.

Permet une réduction de vitesse significative.
​Irréversible (la came est toujours l'organe moteur).

Lubrification constante nécessaire.

Pour avoir accès à d'autres exemples et à plus d'explications sur cette notion, n'hésite pas à consulter la bibliothèque virtuelle.

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Les changements de vitesse

Le changement de vitesse est le rapport entre la vitesse de rotation de l'organe moteur et la vitesse de rotation de l'organe récepteur (ou organe mené).

Ce rapport dépend des dimensions de l'organe moteur et de l'organe récepteur (ou organe mené): les organes intermédiaires n’interfèrent pas lors d’un changement de vitesse. Trois scénarios peuvent se produire.

​Scénarios ​Caractéristiques du système
​Augmentation de la vitesse
​L'organe mené a un diamètre plus petit (ou un nombre de dents moins élevé) que l'organe moteur.
Diminution de la vitesse​​L'organe mené a un diamètre plus grand (ou un nombre de dents plus élevé) que l'organe moteur.
​Conservation de la vitesse​​L'organe mené a un diamètre égal (ou un nombre de dents égal) à l'organe moteur.

Pour calculer le changement de vitesse, il faut utiliser la formule suivante:
|\text{Changement de vitesse}| = |\displaystyle \frac{\text{Diamètre de la roue menante}}{\text{Diamètre de la roue menée}}|
ou
|\text{Changement de vitesse}| = |\displaystyle \frac{\text{Nombre de dents de la roue menante}}{\text{Nombre de dents de la roue menée}}|

Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple de calcul sur le changement de vitesse.

Quel est le changement de vitesse entre les deux roues représentées ci-dessous sachant que la roue de gauche est la roue moteur (menante)?
s1605i18.JPG
||\begin{align} \text{Changement de vitesse} &= \displaystyle \frac{\text{Diamètre de la roue menante}}{\text{Diamètre de la roue menée}}\\
\text{Changement de vitesse} &= \displaystyle \frac{\text{4 cm}}{\text{2 cm}} \\
\text{Changement de vitesse} &= 2 \end{align}||

Les concepts de couple moteur et couple résistant ne seront pas évalués à l'examen ministériel.

Un couple moteur a pour effet d'engendrer un mouvement ou d'en augmenter la vitesse de rotation.

Un couple résistant a pour effet de s'opposer au mouvement ou d'en ralentir la vitesse de rotation.

Les changements de vitesse occasionnés par la différence d'intensité des couples moteur et résistant respectent les règles suivantes.

Comparaison de l'intensité des couples ​Effet sur la vitesse des organes
​Couple moteur = couple résistant​Aucun changement de vitesse
​Couple moteur > couple résistant​Augmentation de la vitesse
​Couple moteur < couple résistant​Diminution de la vitesse

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La fonction d'alimentation

Dans un circuit électrique, la fonction d'alimentation est la capacité à générer un courant électrique.

Il existe différents types de sources de courant qui peuvent assurer la fonction alimentation dans un circuit électrique.

​Composante ​Description
​Pile​Dispositif électrochimique qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en énergie électrique
​Pile solaire
​Dispositif permettant de produire de l'électricité à partir de l'énergie lumineuse du Soleil
​Prise de courant
​Dispositif muni de contacts destinés à recevoir les lames d'une fiche d'alimentation et relié de façon permanente au réseau électrique
​Alternateur​Machine rotative qui convertit l'énergie mécanique fournie au rotor en énergie électrique à courant alternatif
​Piézoélectricité​Propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on applique un champ électrique
​Thermoélectricité​Propriété que possèdent certains matériaux de transformer directement de la chaleur en électricité

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La fonction de conduction et d'isolation

Dans un circuit électrique, la fonction de conduction est la capacité à laisser passer un courant électrique. Les métaux sont de bons conducteurs électriques.

Quatre facteurs influencent la conductibilité électrique dans un fil électrique.

  • La longueur du fil: plus un fil est long, plus sa résistance est grande et plus sa conductibilité est petite.
  • La grosseur du fil: plus le diamètre du fil est petit, plus sa résistance est grande et plus sa conductibilité est petite.
  • La nature du matériau: certains métaux (argent, cuivre, or, aluminium) sont de meilleurs conducteurs que d’autres (fer, plomb).
  • La température: plus la température du fil est élevée, plus la résistance du fil sera grande et plus sa conductibilité sera petite.

Dans un circuit électrique, la fonction d'isolation est la capacité à empêcher le passage d'un courant électrique. Le caoutchouc, la céramique et le plastique sont des exemples d'isolants.

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Le code de couleur

Le code de couleur est utilisé pour déterminer la résistance électrique d'un résistor.

Sur une résistance, cette valeur est indiquée à l'aide d'une série de bandes de couleur.

  • La première bande donne le premier chiffre de la valeur de la résistance.
  • La deuxième bande donne le deuxième chiffre de la valeur de la résistance.
  • La troisième bande donne le nombre de zéros qui suivent (facteur multiplicateur).
  • La quatrième bande donne la précision de la résistance, c’est-à-dire le pourcentage d’erreur (la marge d’erreur de la résistance).
Clique sur l'onglet ci-dessous pour voir un exemple d'utilisation du code de couleur.

Quelle est la résistance de ce résistor?
s1607i18.JPG
Pour déterminer la valeur de ce résistor, il faut utiliser le tableau de référence.
s1533i15.PNG
La première bande, de couleur rouge, donne le premier chiffre, soit 2.
La deuxième bande, de couleur orange, donne le deuxième chiffre, soit 3.
La troisième bande, de couleur grise, donne le nombre de zéros qui suivent, soit 8.
La quatrième bande, de couleur argent, donne la précision de la résistance, soit 10 %.
La valeur de la résistance est donc (2 300 000 000 ± 10 %) ohms.

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Le circuit imprimé

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Un circuit imprimé est un circuit électrique gravé sur une plaquette rigide ou semi-rigide qui lui sert de support. Les circuits imprimés ont pour avantage de contenir une grande quantité de composantes électroniques sur une très petite surface.

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La fonction de protection

Dans un circuit électrique, la fonction de protection est la capacité à interrompre le passage du courant électrique dans une situation anormale. Les fusibles et les disjoncteurs sont des exemples d'éléments permettant d'assurer une protection dans un circuit électrique. Ces deux éléments vont ouvrir le circuit électrique lorsqu'un courant électrique trop élevé (surcharge) ou un court-circuit se produisent dans un circuit donné.

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La fonction de commande

Dans un circuit électrique, la fonction de commande est la capacité à contrôler le passage du courant électrique. Les interrupteurs permettent de déterminer quand le courant électrique peut circuler.

Il existe différents types d'interrupteurs.

​Interrupteurs ​Description
​LevierInterrupteur équipé d'un levier qu'il faut actionner pour permettre le passage d'un courant électrique.
​PoussoirInterrupteur actionné par un bouton-poussoir sur lequel il faut appuyer pour permettre le passage d'un courant électrique.
​Bascule​Interrupteur actionné par un levier installé à plat qu'il faut déplacer pour permettre le passage du courant électrique. C'est cet interrupteur que l'on retrouve dans les maisons.
​Commande magnétique
​Interrupteur qui permet le passage du courant électrique en fonction de la présence ou non d'un champ magnétique.

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Les types d'interrupteurs

Il existe plusieurs types d'interrupteurs.

​Types d'interrupteurs
​Description ​Symbole
​Unipolaire​Interrupteur qui permet de contrôler l'ouverture et la fermeture d'un seul circuit.s1607i20.jpg
​Bipolaire​Interrupteur qui permet de contrôler le fonctionnement de deux circuits, mais en permettant le fonctionnement d'un seul circuit à la fois.
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​Unidirectionnel​Interrupteur qui n'offre qu'un seul chemin aux électrons.s1607i22.jpg
​Bidirectionnel​Interrupteur qui offre la possibilité de suivre deux chemins distincts.s1607i23.jpg

L'interrupteur bipolaire ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

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La fonction de transformation de l'énergie

Dans un circuit électrique, la fonction de transformation de l'énergie est la capacité d'un élément de transformer l'énergie électrique en une autre forme d'énergie. Il existe plusieurs éléments qui permettent de transformer le courant électrique, tels que les ampoules, les résistors et les moteurs électriques. L'énergie électrique est principalement transformée en énergie thermique, en énergie lumineuse et en énergie mécanique.

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Les autres fonctions électriques (condensateur, diode, transistor, relais)

Un condensateur est un dispositif qui agit comme des réservoirs d'électricité en emmagasinant l'énergie électrique afin de la fournir ultérieurement.

Une diode a pour fonction de ne permettre le passage du courant électrique que dans un seul sens. Elle permet donc de transformer le courant alternatif en courant continu et d'empêcher le courant de circuler dans le sens inverse, ce qui assure un rôle de protection.

Le transistor ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Un transistor est un dispositif servant à bloquer ou à amplifier un courant. Il est composé de trois éléments essentiels: le collecteur, la base et l'émetteur. Le courant circule du collecteur vers l'émetteur en passant par la base. Celle-ci contrôle le passage du courant, en le bloquant ou en le facilitant.

Un relais est un dispositif utilisé entre deux circuits électriques et qui permet la commande à distance d'un circuit à haute tension par un circuit à basse tension. Il permet de donc contrôler le fonctionnement d'un circuit électrique à l'aide d'un signal électrique provenant d'un autre circuit.

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Les contraintes des matériaux

Une contrainte correspond à la force extérieure exercée sur un matériau et qui tend à le déformer.

Il existe cinq principaux types de contraintes.

Type de contrainte Description Symbole
CompressionForces qui ont tendance à écraser le matériau. s1605i19.PNG
TractionForces qui ont tendance à étirer le matériau.
s1605i20.PNG
TorsionForces qui ont tendance à tordre le matériau. s1605i21.PNG
FlexionForces qui ont tendance à courber le matériau.
s1605i22.PNG
CisaillementForces qui ont tendance à fendre ou à déchirer le matériau.
s1605i23.PNG

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La caractérisation de propriétés mécaniques

Une propriété mécanique indique comment un matériau se comporte lorsqu’il est soumis à une ou plusieurs contraintes.

Propriété Définition
DuretéPropriété mécanique qui confère au matériau la capacité de résister aux rayures, à la pénétration et à la déformation.
ÉlasticitéPropriété mécanique qui confère au matériau la capacité de se déformer sous l’action d’une contrainte et de reprendre sa forme initiale quand la contrainte agissant sur le matériau cesse.
FragilitéPropriété mécanique qui confère au matériau la capacité de se casser sans se déformer lorsque soumis à diverses contraintes.
RésiliencePropriété mécanique qui confère au matériau la capacité de résister aux chocs en se déformant et de reprendre ensuite sa forme.
RigiditéPropriété mécanique qui confère au matériau la capacité de garder sa forme initiale lorsque soumis à diverses contraintes.
Résistance à la corrosionPropriété chimique d'un matériau de résister à l'action de substances corrosives (sels, produits chimiques, etc.) qui peuvent provoquer, entre autres, la formation de rouille.
Conductibilité électriquePropriété physique qui permet à un matériau de laisser passer le courant électrique.
Conductibilité thermiquePropriété physique qui permet à un matériau de transmettre la chaleur.
​Légèreté​Propriété physique qui qualifie un matériau ayant une faible masse volumique.
​Neutralité chimiquePropriété chimique qui qualifie un matériau non chimiquement actif lui permettant de résister aux agents chimiques.
Résistance à la chaleurPropriété physique qui permet à un matériau de résister à la chaleur tout en conservant ses propriétés mécaniques.

Il existe également des propriétés de mise en forme des matériaux.

Propriété Définition
DuctilitéPropriété mécanique d'un matériau de s'étirer sans se rompre.
MalléabilitéPropriété d'un matériau de s'aplatir ou de se courber sans se rompre.

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Les types de matières plastiques et leurs propriétés

Un plastique est un matériau synthétisé à partir de polymères. Il existe deux types de matières plastiques.

  • Les thermoplastiques sont des matières plastiques qui, sous l'effet de la chaleur, fondent ou se ramollissent suffisamment pour pouvoir être remodelées un nombre infini de fois sans perdre les propriétés mécaniques du plastique.
  • Les thermodurcissables sont des matières plastiques qui restent dures en permanence, même sous l'effet de la chaleur.

Les propriétés des deux types de plastiques sont résumées dans le tableau ci-dessous.

​Propriété ​Thermoplastiques ​Thermodurcissables
​Conductibilité électrique
​Nulle​Nulle
​Conductibilité thermique
Faible​Variable
​Dureté​Variable​Élevée
​Élasticité​ÉlevéeVariable
​Neutralité chimique
​ÉlevéeVariable
​Rigidité​Variable​Élevée
​Résistance à la chaleur
​Variable​Élevée
​Résistance à la corrosion
​Élevée​Élevée
​Résilience​Élevée​Élevée

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Les types de céramiques et leurs propriétés

Une céramique est un matériau solide obtenu par le chauffage d'une substance minérale, comme le sable ou l'argile.

Le tableau ci-dessous présente les propriétés des céramiques.

​Propriété Céramiques
​Conductibilité électrique
Faible ou ​Nulle
​Conductibilité thermique
Variable
​DuretéTrès élevée
​ÉlasticitéNulle
​Neutralité chimique
Élevée
​RigiditéTrès élevée
​Résistance à la chaleur
Très élevée
​Résistance à la corrosion
​Élevée
​RésilienceFaible

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Les types de matériaux composites et leurs propriétés

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Un matériau composite est formé de deux (ou plusieurs) matériaux différents afin d'en obtenir un nouveau possédant des propriétés améliorées par rapport à celles des matériaux de départ. Dans un matériau composite, un des matériaux de départ servira de matrice, soit le squelette du matériau composite qui donne la forme au matériau, alors que l'autre servira de renfort, qui vient modifier les propriétés de la matrice.

Les principales propriétés mécaniques des matériaux composites sont sa durabilité, sa dureté, son élasticité, sa légèreté, sa résilience, sa rigidité et sa résistance à la corrosion.

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Les modifications des propriétés (dégradation et protection)

La protection des matériaux consiste à utiliser des procédés et des traitements afin de ralentir ou d'empêcher leur dégradation.

Les traitements utilisés pour contrer la dégradation des matériaux concernent l’ensemble des matériaux (plastiques, métaux, céramiques, bois). Il peut s’agir:

  • de plaquage de zinc (galvanisation), qui empêche la rouille de se former;
  • de traitement antirouille, qui empêche la rouille de se former;
  • d'application de peinture, qui protège tous les matériaux en empêchant l'action de l'eau et des champignons;
  • de vernis ou revêtement imperméable, qui protègent tous les matériaux en empêchant l'action de l'eau et des champignons;
  • d'ajout de pigments ou d’antioxydants, qui permet d'empêcher une dégradation accélérée des rayons ultraviolets.

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Les traitements thermiques

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Les traitements thermiques sont des moyens de modifier les propriétés des matériaux. Il existe certains types de traitements thermiques.

  • La trempe est une méthode qui consiste à chauffer un alliage à très haute température, puis de refroidir très rapidement à froid l'alliage. La trempe permet d'améliorer la dureté des pièces mécaniques, en les rendant toutefois un peu plus fragiles.
  • Le revenu se fait sur un alliage ayant déjà été trempé: il sera chauffé à une température précise, inférieure à celle de la trempe afin que l'alliage ne perde pas les propriétés acquises lors de la trempe. Le revenu permet de rendre un alliage un peu plus ductile, tout en lui permettant de conserver une certaine dureté.
  • Le recuit permet de restaurer les propriétés de l'alliage après une déformation en chauffant suffisamment l'alliage, puis en le laissant refroidir lentement par la suite. Il est donc possible d'effacer les traces laissées par les contraintes engendrées lors de la fabrication ou encore obtenir des alliages moins durs et plus faciles à usiner.

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L'usinage (perçage, taraudage, filetage, cambrage, pliage)

Il existe plusieurs techniques d'usinage (ou de façonnage) pour fabriquer un meuble.

​Technique d'usinage
​Description ​Outils
​Traçage​Action de tracer les dimensions d'une pièce sur les matériaux.​Règle et crayon à mine
​Mesurage​Action de mesurer les dimensions d'une pièce sur les matériaux.
​Pied à coulisse, ruban à mesurer
​Perçage
​Action visant à faire un trou dans une pièce.
​Perceuse, vilebrequin, chignole
​Sciage​Action visant à faire une coupe rectiligne dans une pièce.
​Scie à métal, égoïne, scie à onglets
​Découpage​Action visant à faire une coupe irrégulière d'une pièce en suivant des cotes précises.
​Scie à chantourner, scie sauteuse, scie à rubans, cisailles de métal
Filetage​​Action visant à former des filets, ou pas de vis, sur la surface externe d'un cylindre.
​Filière
​Taraudage​Action visant à tailler un espace évidé qui s'adaptera au pas de vis d'une pièce cylindrique.
​Taraud
​Cambrage​​Action visant à déformer une pièce en la pliant afin de lui donner une courbe. ​Plieuse
​Pliage​Action visant à déformer une pièce en la pliant afin de lui donner un angle.
​Plieuse
​Rabotage​Action visant à diminuer l'épaisseur d'une pièce.
​Rabot
​Tournage​Action visant à obtenir une forme complexe à l'aide de couteaux.
​Tour

Les outils ont des caractéristiques particulières selon les matériaux avec lesquels on doit travailler. Par exemple, pour percer du métal, on utilise un foret à pointe conique, alors que pour percer du bois, on utilise un foret à double lèvre.

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Les mesures directes (pied à coulisse)

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

La mesure directe permet de contrôler l'usinage d'une pièce. Ces mesures sont généralement prises avec des outils de précision tels que le pied à coulisse plutôt qu'avec une règle afin d'assurer une plus grande précision dans la prise de mesure.

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Le contrôle, la forme et la position

Ce concept ne sera pas évalué à l'examen ministériel.

Le contrôle permet de vérifier que la configuration des pièces construites en usine respecte les dessins faits au préalable. Il est donc nécessaire d'utiliser des instruments de mesure tels que la règle ou le pied à coulisse, ou des outils tels qu'un gabarit pour contrôler les dimensions, la forme, les angles ou la surface des pièces selon la précision exigée.

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Les vidéos
Les exercices
Les références