Sciences, technologies et société: Guide pratique en 300 questions

Par Michel Wautelet et Damien Duvivier

300 questions et réponses pour mieux comprendre les technologies ainsi que leurs implications au sein de notre société. Cette nouvelle édition, liée aux dernières avancées technologiques, contient 50 questions supplémentaires.

Nous vivons incontestablement dans une société où les sciences et les technologies jouent un rôle essentiel. Étant donné le nombre grandissant de questions cruciales, possédant un ou plusieurs aspects technoscientifiques, il est nécessaire que chacun puisse se faire une idée, personnelle, mais justifiée. Mais, entre le spécialiste, le technicien et le citoyen, une étape est généralement manquante. Lorsqu’on essaye d’en savoir plus sur une technologie donnée ou un problème scientifique complexe pour essayer d’effectuer des calculs d’ordres de grandeur, on trouve peu de données utiles. C’est le point de départ de cet ouvrage : associer des connaissances suffisantes de notions fondamentales de sciences à des données techniques afin d’en savoir plus sur une technologie donnée ou un problème scientifique complexe.

C’est donc au travers de 300 questions et réponses que le lecteur pourra appréhender des thématiques aussi diverses que le bâtiment, l’informatique, les énergies ou encore les transports. Ce livre s’adresse à plusieurs catégories de lecteurs. D’abord, au citoyen désireux de se faire une opinion sur certains thèmes à caractère technoscientifique. Au curieux aussi, qui veut savoir sur quoi reposent différentes technologies, quels sont leurs liens et implications avec la société. Aux enseignants, qui trouveront des données numériques, des formules de base pour illustrer leur cours de sciences. La volonté de cet ouvrage est de démontrer qu’il est possible d’appréhender des problèmes de société majeurs, à partir de notions scientifiques vues dans le secondaire. N’est-ce pas une voie à suivre pour recréer une dynamique nouvelle dans l’enseignement des sciences, et pour montrer aux enseignants et aux jeunes l’utilité des cours de sciences ? Ce livre s’adresse aussi à tous ceux qui ont mission d’informer le public. Ils trouveront ici des données, des raisonnements utiles pour, selon leurs propres sources, réévaluer certains chiffres officiels, analyser certains discours techniques ou politiques à l’aide de faits scientifiques et techniques.

La plupart des réponses aux 300 questions qui suivent sont donc accessibles au plus grand nombre, ce qui fait de cet ouvrage un guide pratique à l’usage de tous !

À PROPOS DE LA COLLECTION ACTION!

La pédagogie dans l'enseignement secondaire.
Une collection de pédagogie, pluridisciplinaire, qui propose aux enseignants des pistes concrètes et des outils pour optimaliser leurs pratiques.

• Langue: Français
• Éditeur: De Boeck (Pédagogie et Formation)
• Date de sortie: 17 mars 2017
• ISBN: 9782804186654

Aperçu du livre

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TABLE DES MATIÈRES

Couverture

Titre

Copyright

Collection

Les auteurs

Avant-propos à la 4e édition

Introduction

1. Quels sont les liens entre les sciences, les technologies et la société ?

2. Quelles sont les catégories principales de problèmes scientifiques vis-à-vis de leurs implications pour la société ?

3. Comment les scientifiques réagissent-ils par rapport à la place de la science dans la société ?

4. Quels sont les liens entre sciences fondamentales, sciences appliquées et technologies ?

Chapitre 1 - Les énergies

Introduction

5. Pourquoi l’énergie est-elle nécessaire dans notre civilisation occidentale ?

6. Quelles sont les principales questions qui se posent à notre société concernant le problème de l’énergie ?

7. Quels sont les principaux types d’énergie disponibles ?

8. Quelles sont les principales utilisations actuelles des énergies ?

9. Quelles seront les parts des différents types d’énergie vers 2050 ?

Les énergies fossiles

10. Quelle quantité de carbone y a-t-il sur Terre ?

11. Que sont les réserves d’énergies fossiles ?

12. Quelles sont les réserves estimées d’énergies fossiles ?

13. Qu’est-ce que le « pic du pétrole » ?

L’énergie solaire

14. Quelle est la quantité d’énergie fournie par le Soleil au niveau de la Terre ?

15. Qu’est-ce qui régit le rendement des transformations d’énergie ?

16. Quels sont les rendements des diverses transformations d’énergie ?

L’énergie photovoltaïque

17. Quel est le principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques ?

18. Quel est le rendement de transformation d’énergie lumineuse en énergie électrique des cellules photovoltaïques ?

19. En Europe, quelle aire de cellules photovoltaïques serait-elle nécessaire pour fournir une puissance électrique moyenne de 1 kW ?

20. Quelle serait l’aire du parc de cellules photovoltaïques nécessaire pour alimenter l’Union européenne en électricité par cette seule énergie ?

21. Le photovoltaïque est-il plus utile dans les pays en voie de développement qu’en Europe ?

22. Quels sont les problèmes du développement de l’énergie photovoltaïque ?

23. Quelle est la quantité actuelle d’énergie fournie par l’énergie photovoltaïque ?

L’énergie solaire thermique

24. Quel est le principe de fonctionnement du chauffe-eau solaire ?

25. Dans nos régions, combien d’énergie peut-on espérer récupérer par an par m2 de panneau solaire ?

26. Dans le nord de la France et en Belgique, quelle aire de panneaux solaires est-elle nécessaire pour fournir l’énergie de la moitié de l’eau chaude sanitaire d’une famille ?

L’énergie solaire thermodynamique

27. Qu’est-ce que l’énergie solaire thermodynamique ?

28. Comment utilise-t-on un moteur Stirling pour utiliser l’énergie solaire ?

29. Quel est le principe des cheminées solaires ?

30. Quel est le principe des centrales solaires à capteurs cylindro-paraboliques ?

31. Quel est le principe des centrales solaires à concentration ?

32. En 2012, la production mondiale d’électricité se montait à Eel,m = 22600 TWh. En supposant un rendement moyen de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de Rt = 20 %, quelle aire de désert serait-elle nécessaire pour alimenter (H =) 90 % de l’humanité en électricité par l’énergie solaire ? On suppose que C = 50 % des centrales solaires sont occupées par des héliostats ; le reste sert à l’entretien et à l’infrastructure des centrales solaires. On néglige les pertes dans les lignes électriques entre les déserts et l’utilisateur.

L’énergie éolienne

33. Qu’est-ce que l’énergie éolienne ?

34. Quel est le principe des éoliennes ?

35. Quelles sont les quantités d’énergie éolienne disponibles ?

36. Quels sont les avantages de l’énergie éolienne ?

37. Comment peut-on évaluer la puissance fournie par une éolienne ?

38. Quelle est la puissance réellement fournie par une éolienne ?

L’énergie hydroélectrique

39. Quel est le principe de fonctionnement des centrales hydroélectriques ?

40. Quel est l’état actuel du développement de l’énergie hydroélectrique ?

41. Quelle est la puissance électrique potentiellement fournie par le barrage des Trois Gorges (Chine) ?

La géothermie

42. En quoi consiste la géothermie ?

43. Une installation géothermique typique fournit de l’eau chaude à Tin = 70 °C, à un débit de Dgeo = 200 m3.h–1. L’eau circule dans les installations de chauffage de plusieurs bâtiments, et en sort à Tfin = 40 °C. Quelle est la puissance thermique utile, Pth, de cette installation géothermique ?

44. Quelle est la quantité de CO2 par an non rejetée dans l’atmosphère, grâce à l’utilisation géothermique précédente ?

La biomasse

45. Qu’est-ce que la biomasse ?

46. Quelles sont les possibilités de la biomasse ?

47. Quelle superficie faudrait-il pour satisfaire les besoins énergétiques de l’Union européenne par la biomasse ?

48. Qu’entend-on par biocarburants de première, deuxième et troisième générations ?

49. Combien de litres de biocarburants sont-ils produits par ha de culture ?

50. Qu’est-ce que les algocarburants ?

51. Comment évalue-t-on le rendement réel de la synthèse des algocarburants ?

52. Tous les avions volant dans le monde consomment environ 200 milliards de litres de kérosène par an. Quelle serait la superficie de cultures de micro-algues à cultiver pour alimenter ces avions ?

53. Quels sont les problèmes liés à la valorisation énergétique de la biomasse ?

L’énergie de fission nucléaire

54. Comment appréhender la question nucléaire ?

55. Quel est le principe de la fission nucléaire ?

56. De quoi est constitué un réacteur nucléaire ?

57. Quel est le rendement énergétique d’une centrale nucléaire ?

58. Quel est le bilan énergétique et nucléaire d’une centrale nucléaire ?

59. Qu’est-ce que le MOX ?

60. Quelles sont les catégories de déchets nucléaires ?

61. Qu’est-ce que le cycle du combustible nucléaire ?

62. Quelles sont les solutions possibles pour se débarrasser des déchets nucléaires de haute activité ?

63. Quels sont les risques d’accidents nucléaires ?

64. Quels sont les liens entre le nucléaire civil et le nucléaire militaire ?

65. Combien d’éoliennes, de cellules photovoltaïques sont-elles nécessaires pour fournir la même quantité d’électricité qu’une centrale nucléaire de 1 GW ?

L’énergie de fusion nucléaire

66. Qu’est-ce que l’énergie thermonucléaire ou de fusion nucléaire ?

67. Quelles sont les conditions requises pour obtenir la fusion nucléaire contrôlée ?

68. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement inertiel ?

69. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement magnétique ?

70. Quels sont les principaux obstacles à la réalisation de réacteurs de fusion nucléaire ?

Utilisation rationnelle de l’énergie

71. En quoi consiste l’utilisation rationnelle de l’énergie ?

72. Quelles sont les possibilités de l’utilisation rationnelle de l’énergie ?

Stockage de l’énergie

73.  Quels sont les moyens de stockage d’énergie ?

74. Quels sont les types de stockage thermique de l’énergie ?

75. En quoi consiste le stockage par chaleur sensible ?

76. En quoi consiste le stockage par chaleur latente ?

77. En quoi consiste le stockage chimique ?

78. Quelles sont les possibilités du stockage électrique ?

79. Quelle quantité d’énergie peut-on stocker dans une batterie au plomb ?

80. Quel est le principe du stockage de l’énergie électrique par les barrages ?

81. Quelle puissance électrique est-elle délivrée par les barrages de Grand’Maison (Isère, France) et de Coo (Belgique) ?

Les risques technologiques

82. Quels sont les risques des sources d’énergie ?

83. Comment comparer les risques liés à diverses sources d’énergie ?

84. Le fait d’inclure les catastrophes nucléaires modifie-t-il le classement des risques des différentes centrales énergétiques ?

Énergie et environnement

85. Quel est l’effet direct de la production énergétique de l’humanité sur le réchauffement climatique ?

86. Quelle énergie est-elle nécessaire à la fabrication de divers éléments de notre vie quotidienne ?

Émission, piégeage et stockage du CO2

87. Quelles sont les principales sources de CO2 dues à l’activité humaine dans le monde ?

88. Quelle est la quantité de CO2 émise par seconde par une centrale thermique électrique (TGV) de Pel = 300 MW, dont on suppose que le rendement énergétique est de Rt = 40 % ?

89. Quelles sont les méthodes de piégeage du CO2 ?

90. Quelles sont les méthodes de stockage du CO2 ?

91. Quelle est la masse de CaCO3 ou de MgCO3 solides à évacuer par an d’une centrale thermique de 300 MW ? Combien de camions (charge utile de 40 t) seraient-ils nécessaires ?

92. D’après différents scénarios, le potentiel de piégeage de CO2 est estimé à 9–12 % des émissions mondiales en 2020. En supposant que les émissions seront alors de 15 Gt par an, quels seront les volumes correspondants de CO2 gazeux (conditions standard) ou stockés sous forme de MgCO3 ?

Chapitre 2 - Le transport

Introduction

93. Quels sont les problèmes liés à l’énergie de la voiture et des transports ?

Énergétique de la voiture à moteur à combustion

94. Quelle énergie est fournie par la combustion d’un litre d’essence ?

95. À quelle puissance (énergie par seconde) remplit-on son véhicule à la pompe à essence ?

96. Quelle est la quantité de CO2 émise par une voiture à essence ou au diesel ?

97. Quelle est la quantité de CO2 émise par unité d’énergie (J, kWh) lors de la combustion de l’essence ?

98. Quelle énergie dépense une automobile moyenne pour parcourir cent kilomètres ?

99. Quelle est la puissance dissipée par une voiture roulant à vitesse constante sur une route horizontale ?

100. Comment varie la puissance dissipée par une voiture roulant à vitesse constante, en fonction de l’inclinaison de la route ?

101. La puissance nominale des voitures est beaucoup plus importante que ce qui serait nécessaire pour atteindre les vitesses maximales permises sur autoroutes. À quoi sert cette puissance supplémentaire ?

102. Quel est le rendement énergétique d’une voiture moyenne à moteur à essence roulant à 90 km/h ? Et à 120 km/h ?

Les biocarburants

103. Quelle est la superficie cultivée nécessaire pour obtenir 1 000 litres de biocarburant liquide ?

104. Si le parc automobile de l’Union européenne était alimenté uniquement par des biocarburants, quelle serait la superficie de biomasse nécessaire ?

La voiture électrique

105. Qu’est-ce qu’une voiture électrique ?

106. Quels sont les types principaux de voitures électriques ?

107. Quelle est l’énergie minimale dépensée par une voiture électrique pour parcourir 100 km à une vitesse constante de 90 km/h ?

108. Les constructeurs de voitures électriques conçoivent que chaque propriétaire pourra recharger les batteries à domicile, via une simple prise de 230 V, 16 A. Dans ces conditions, combien de temps faudra-t-il pour recharger la voiture étudiée à la question 107, avec une autonomie de 100 km ?

109. Certains constructeurs annoncent que les batteries de la voiture électrique pourront être rechargées en des temps courts, d’environ tch = 5 minutes. Quelle sera alors la puissance fournie par l’alimentation électrique du chargeur d’électricité pour recharger la voiture étudiée à la question 107, avec une autonomie de 100 km ? On suppose que le rendement (optimiste) de la charge est de Rt = 90 %.

Les batteries

110. Quels sont les types de batteries envisageables pour alimenter une voiture électrique ?

111. Comment fonctionne une batterie au plomb ?

112. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable par kilogramme de batterie au plomb ?

113. Quelle serait la masse de batteries au plomb nécessaire à une voiture électrique moyenne circulant à 90 km/h, avec une autonomie de 100 km ?

114. Comment fonctionne une batterie au nickel-cadmium ?

115. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable par kilogramme de batterie au nickel-cadmium ?

116. Quelle serait la masse de batteries au nickel-cadmium nécessaire à une voiture électrique moyenne circulant à 90 km/h, avec une autonomie de 100 km ?

117. Quelles sont les performances d’autres types de batteries ?

Les piles à combustible

118. Qu’est-ce qu’une pile à combustible ?

119. Quels sont les types de piles à combustible ?

120. Quelle est la quantité d’énergie fournie par mole (et kilogramme) d’hydrogène dans une pile à combustible ?

121. Quel est le rendement thermodynamique des piles à combustible ?

122. Quelle serait la consommation d’hydrogène d’une voiture électrique moyenne circulant à 90 km /h sur une distance de 100 km ?

123. En supposant que l’hydrogène soit stocké dans des bonbonnes, sous une pression p = 7 x107 Pa, quel serait le volume d’hydrogène nécessaire pour une autonomie de 100 km dans les conditions précédentes (Valeur donnée par les constructeurs) ?

124. Quel serait le volume d’hydrogène liquide nécessaire pour une autonomie de 100 km dans les conditions précédentes (Valeur donnée par les constructeurs) ? La masse volumique de l’hydrogène liquide est ρ.–3) = 71 kg.m2(Hl

125. Quelles sont les autres méthodes envisagées pour le stockage de l’hydrogène dans les véhicules ?

126. Comment stocker l’hydrogène sous forme d’hydrure ?

127. Comment peut-on produire de l’hydrogène par décomposition de l’ammoniac ?

128. En quoi consiste le stockage par adsorption sur des nanotubes de carbone ?

129. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthane ?

130. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthanol ?

131. Quelle est la quantité d’énergie électrique nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par électrolyse de l’eau ?

Comparaison des sources d’énergie

132. Quel est le volume d’hydrogène liquide nécessaire pour fournir la même énergie qu’un litre d’essence ? Et la superficie de colza à cultiver ? Et la masse de batteries au Pb, au Ni-Cd, au Li ?

Les centrales électriques

133. À quoi sont destinés les véhicules électriques ?

134. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures électriques avec batteries, combien de centrales électriques seraient-elles nécessaires pour l’alimenter ?

135. En considérant le cycle total de l’énergie, la voiture électrique avec batteries est-elle plus ou moins énergivore que la voiture à essence ?

136. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, combien de centrales électriques seraient-elles nécessaires pour l’alimenter ?

137. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, quelle serait la consommation annuelle de gaz naturel nécessaire pour l’alimenter ?

La voiture solaire

138. La voiture solaire est-elle une solution réaliste ?

Autres voitures

139. Quelle est la puissance du compresseur domestique devant fournir de l’air comprimé à une voiture à air comprimé, avec une autonomie de 100 km à 90 km/h, sachant que la compression prend 2 h ?

Énergétique de la construction automobile

140. Quelle quantité d’énergie est-elle nécessaire pour la fabrication d’une automobile moyenne ?

141. Si une automobile avait une durée de vie moyenne de cinq ans, de combien d’énergie aurait-on besoin, par an, pour fabriquer le parc automobile de l’Union européenne ?

142. Si l’énergie était fournie par des centrales électriques, combien de centrales seraient-elles nécessaires pour fabriquer le parc automobile de l’Union européenne ?

143. Si la durée de vie des automobiles doublait, comment varierait l’énergie nécessaire à la fabrication automobile de l’Union européenne ? Et le nombre de centrales électriques nécessaires à la fabrication automobile de l’Union européenne ?

144. Sachant que, selon certaines estimations, un recyclage adéquat des matériaux permettrait d’économiser un tiers de l’énergie nécessaire à la fabrication des automobiles, combien de centrales électriques seraient-elles nécessaires pour l’Union européenne ?

Le train

145. Quelle est la puissance nécessaire pour déplacer un TGV à une vitesse de 300 km/h ?

146. Quelle est l’énergie consommée par un TGV pour parcourir 100 km ?

147. Sachant qu’un Thalys peut transporter 377 passagers, quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ?

148. En tenant compte de la chaîne énergétique, de l’énergie primaire au TGV, le TGV est-il plus ou moins énergivore (par passager) que la voiture ?

L’avion

149. Quelle est l’énergie dépensée par un Airbus A310 pour parcourir 100 km ?

150. Sachant qu’un Airbus A310 peut transporter 246 passagers, quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ?

151. Quelle serait la superficie des ailes d’un avion alimenté à l’énergie solaire, avec les mêmes caractéristiques que celles d’un Airbus A310 ? On suppose que le Soleil est au zénith de l’avion.

152. Dans le futur, certains envisagent de couvrir les ailes des avions de panneaux photovoltaïques, afin de fournir tout ou partie de l’énergie électrique nécessaire à alimenter les ordinateurs de bord et autres accessoires. Sachant que la superficie utile des ailes d’un Airbus A310 est d’environ Aailes = 200 m2, quelle puissance électrique serait-elle fournie ainsi ? On suppose que le Soleil est à 45° au-dessus de l’horizon.

153. En tenant compte de la chaîne énergétique, de l’énergie primaire à l’énergie consommée, l’avion est-il plus ou moins énergivore (par passager) que la voiture ? Et que le TGV ?

Les transports et l’environnement

154. Quelle est la quantité de CO2 émise chaque année dans l’atmosphère par les transports ?

155. Quelle est la quantité de gaz à effet de serre (CO2) émise lors du transport des aliments ?

156. Quelle est l’émission de CO2 due au transport de haricots du Kenya vers l’Europe ?

157. Quelle est l’émission de CO2 due au transport d’une pomme de Nouvelle Zélande vers l’Europe ?

158. Qu’est-ce qu’une surface dépolluante à base d’oxyde de titane ?

159. Quels sont les principaux contaminants gazeux présents dans nos villes, et comment exprime-t-on leur quantité dans l’atmosphère ?

160. Combien de NO2 respire-t-on par jour ?

Chapitre 3 - Le bâtiment

Le chauffage

161. Quelles sont les caractéristiques thermiques des isolants, dans le bâtiment ?

162. Comment calcule-t-on le coefficient de transmission thermique, U, d’un mur entier ?

163. Qu’est-ce qu’un VIP (Vacuum Insulation Panel) ?

164. Quelle épaisseur de VIP faudrait-il pour obtenir la même performance que la laine de roche classique ?

165. Comment peut-on évaluer les caractéristiques thermiques d’un bâtiment ?

166. Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation rationnelle de l’énergie thermique d’un bâtiment en hiver ? En été ?

167. Quel est le rôle du thermostat ?

168. Quelles sont les sources de chaleur dans un bâtiment de bureaux ?

169. Quelle est la quantité de chaleur dégagée par un être humain ?

170. Quelles sont les sources de pertes de chaleur dans un bâtiment ?

171. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux lorsque la température extérieure varie ?

172. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux en fonction de son isolation thermique ?

173. En quoi le bilan thermique d’une maison familiale est-il différent de celui d’un immeuble de bureaux ?

174. En fonction de l’isolation thermique, comment varie la consommation d’énergie d’une maison familiale en hiver ?

175. Comment se comparent la consommation d’énergie, en hiver, d’une maison quatre façades et celle d’une maison deux façades ?

176. Combien d’énergie peut-on économiser lorsqu’on utilise l’énergie solaire entrant au travers des vitrages (effet de serre) si la maison est bien ou très bien isolée ?

177. En quoi la domotique est-elle utile pour effectuer des économies d’énergie ?

Vitrages isolants et colorés

178. Quels sont les rôles du verre dans les habitations ?

179. Quel est le principe d’action des verres à couches ?

180. Quelles sont les caractéristiques lumineuses et énergétiques des vitrages ?

181. Qu’est-ce qui différencie un vitrage adapté au climat chaud de celui adapté au climat froid ?

182. Quel est le principe du verre à couches coloré ?

Surfaces super-hydrophobes

183. Qu’est-ce qu’une surface hydrophobe, hydrophile ?

184. Comment varie la hauteur d’une goutte d’eau posée sur une surface, en fonction du type de molécules présentes ?

185. Qu’est-ce qu’une surface super-hydrophobe ? Quelles en sont les applications potentielles ?

186. Sur une surface super-hydrophobe, quel est le pourcentage d’air et de matériau en contact avec une goutte d’eau ?

Sécurité et surveillance

187. Quels sont les principaux types de détecteurs permettant de repérer une présence dans l’obscurité ?

188. Quelle est la nature du rayonnement émis naturellement par le corps humain et son environnement ?

189. Dans l’infrarouge, comment distinguer le corps humain de son environnement ?

190. Comment mesurer les pertes thermiques d’un bâtiment ?

Le four à micro-ondes

191. Quel est le principe du four à micro-ondes ?

192. Pourquoi y a-t-il des endroits plus froids que d’autres dans un plat chauffé dans un four à micro-ondes ?

193. Pourquoi un four à micro-ondes est-il plus « écologique » qu’un four traditionnel ?

Éclairage

194. Quels sont les paramètres utiles dans la détermination des caractéristiques des lampes ?

195. Quelle est la puissance électrique consommée par une lampe à incandescence à filament de W de 100 W fournissant, sur une aire de 1 m2, le même éclairement lumineux que le Soleil. On suppose que la surface reçoit du Soleil une puissance électromagnétique de PSol = 900 W.m–2 ? Et une LED performante ?

196. De combien de % diminue-t-on la consommation énergétique des lampes, lorsque l’on remplace des lampes à incandescence de 100 W (kW = 17,5 lm/W) par des LED performantes (kLED = 200 lm/W) ? On suppose que l’éclairement lumineux reste inchangé.

Cités végétales

197. Quelle est la superficie de cultures nécessaires à l’alimentation d’un être humain pendant un an ?

198. Dans les conditions de la question précédente, quel est le pourcentage de la superficie de grands centres et agglomérations urbaines (F : Paris Île-de-France, Lille métropole, Lyon, Aire métropolitaine marseillaise ; B : Région de Bruxelles capitale) qui devrait être cultivée pour alimenter la population ?

199. Dans les agglomérations considérées dans la question précédente, quel est le pourcentage de leur superficie qui devrait être cultivée pour que la biomasse fournisse 10 % de leur énergie ? On suppose que 50 % de l’énergie de la biomasse est convertie en énergie utile.

Fermes verticales

200. Quelles seraient l’aire totale et l’aire au sol de fermes verticales de 30 étages (de même superficie chacune) capables de nourrir 10 000 personnes ? On suppose que le rendement énergétique est égal ou 4 fois celui du rendement des cultures habituelles.

201. Dans la ferme verticale de la question précédente, supposons que l’éclairement soit fourni par des lampes LED optimales, donnant le même éclairement que le Soleil. Quelle est la puissance électrique nécessaire pour alimenter ces LED’s ?

202. Dans les conditions précédentes, quelle est la consommation électrique par habitant nécessaire pour fournir l’alimentation d’un être humain ?

Chapitre 4 - Les technologies de l’information et de la communication

Les origines

203. Quelles sont les origines des TIC ?

204. Quels sont les éléments des systèmes d’information et de communication ?

205. De quoi sont matériellement constitués les systèmes d’information et de communication ?

Les ordinateurs

206. Qu’est-ce qu’un ordinateur ?

207. De quoi sont constituées les machines intelligentes ?

208. En quoi un ordinateur est-il une machine intelligente ?

209. Quels sont les éléments d’un ordinateur ?

210. Quelle est la consommation électrique d’un ordinateur ?

Les supercalculateurs

211. Qu’est-ce qu’un supercalculateur ?

212. Dans un ordinateur, combien d’énergie consomme une opération arithmétique de base (addition) ?

213. Quelle est la puissance électrique consommée par un supercalculateur de 1 Pflops ?

La vie des ordinateurs

214. Comment fabrique-t-on un ordinateur ?

215. Pourquoi la fabrication d’un ordinateur requiert-elle de nombreuses étapes ?

216. Quelle est l’évolution prévue de la taille minimum des éléments des ordinateurs ?

217. Comment parvient-on à dessiner les éléments d’un ordinateur un grand nombre de fois ?

218. Quels sont les principaux produits chimiques utilisés pour la fabrication des puces électroniques ?

219. Comment pourrait-on réduire la quantité de produits chimiques nécessaires à la fabrication des puces électroniques ?

220. Quelle est la quantité d’énergie nécessaire à la fabrication d’un ordinateur ?

221. Quelle est la composition moyenne d’un ordinateur et de ses accessoires ?

222. Pourquoi le recyclage d’un ordinateur est-il difficile ?

223. Comment se comparent les bilans écologiques des ordinateurs et des machines à écrire ?

Capacités de stockage

224. Quel est le langage utilisé par les ordinateurs ?

225. Que fait-on lorsqu’on appuie sur une touche du clavier d’un ordinateur ?

226. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une page de texte ?

227. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une seconde de son ?

228. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une image ?

229. Qu’est-ce que la compression d’images ?

230. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker un film commercial moyen ?

231. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son et de film peut-on stocker sur un CD-ROM ?

232. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son et de film peut-on stocker sur un DVD ?

233. Qu’est-ce que la mémoire Flash ?

234. Quelle est la capacité de stockage d’une clé USB à mémoire Flash ?

Le réseau Internet

235. Qu’est-ce que le réseau Internet ?

236. Quelles sont les vitesses de transfert sur Internet ?

237. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une page de texte par le réseau Internet ?

238. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une seconde de son par le réseau Internet ?

239. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une image par le réseau Internet ?

240. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’un document filmé par le réseau Internet ?

Les fibres optiques

241. Quels sont les avantages des fibres optiques par rapport aux fils métalliques pour la transmission de l’information ?

242. Quel est le principe de la transmission de l’information par fibres optiques ?

243. Comment sont constituées les fibres optiques ?

244. Quelles sont les catégories principales de fibres optiques ?

245. Quelles sont les capacités de transfert des fibres optiques ?

GSM et UMTS

246. Quel est le principe de fonctionnement des GSM ?

247. Quel est le principe de fonctionnement de l’UMTS ?

Le système GPS

248. Quel est le principe de fonctionnement du système GPS ?

Big Brother ?

249. Combien de bits sont-ils nécessaires pour identifier chaque être humain ?

250. Combien d’objets différents peut-on identifier grâce à un nombre de 8 octets = 64 bits ?

251. En supposant que, en moyenne, chaque habitant des pays développés téléphone 1 h/jour, combien d’octets sont-ils échangés chaque année par personne, par les habitants de la Belgique (11 M hab), de la France (65 M hab), de l’Europe (500 M hab), du monde développé (1 G hab) ?

252. Combien d’octets sont-ils stockés dans les ordinateurs des entreprises, au niveau mondial ?

253. Quelles sont les capacités de stockage de Google, de Facebook, de la NSA ?

254. Quelles sont les capacités de stockage requises par la multiplication des utilisations de smartphones, tablettes, etc. ?

255. Combien de bytes (B) sont-ils nécessaires pour cartographier la surface terrestre ?

256. Quelle est la capacité de stockage des GPS, permettant de se repérer en Europe ?

Télécommunications et champs électriques

257. Quelle est la valeur du champ électrique à laquelle nous sommes exposés lorsque nous utilisons un GSM ?

258. Quel est le champ électrique auquel nous sommes soumis de la part du Soleil, sachant que, au niveau du sol, la densité de puissance maximale est de  1 000 W/m2 ?

Chapitre 5 - Micro- et nanosciences

Introduction

259. Microsciences et nanosciences : science-fiction ?

260. Comment reculer les limites de la miniaturisation ?

261. Qu’entend-on par microtechnologies et nanotechnologies ?

262. Pourquoi cherche-t-on à diminuer la taille des composants ?

263. Quelles sont les différences majeures entre notre monde et les domaines des micro- et nanosciences et nanotechnologies ?

Les lois d’échelle

264. Quelle est l’utilité des lois d’échelle ?

265. Comment varient les différentes forces mécaniques lorsque L varie ?

266. Comment varient les énergies lorsque L varie ?

267. Comment varient les fréquences de résonance lorsque L varie ?

268. Comment varient les tensions subies par les matériaux solides lorsque L varie ?

Les fluides

269. Comment varient les mouvements dans les fluides lorsque L varie ?

Électromagnétisme

270. Comment varient les grandeurs électriques lorsque L varie ?

Thermodynamique

271. Comment varient les grandeurs thermodynamiques lorsque L varie ?

Optique

272. Comment varient les paramètres optiques lorsque L varie ?

Mécanique quantique

273. Comment varient les grandeurs quantiques lorsque L varie ?

Le monde de Microcosmos

274. Quelles dimensions doivent avoir les pattes des petites bêtes pour que celles-ci supportent leur propre poids ?

275. Quelles sont les forces qui gouvernent l’adhésion des petites bêtes sur le sol, les murs, le plafond ?

276. Pourquoi les petites bêtes ne sont-elles pas des êtres à sang chaud ?

277. Pourquoi les yeux des petites bêtes sont-ils différents des nôtres ?

278. Pourquoi les petits animaux semblent-ils se déplacer plus vite que les grands ?

279. Les petits animaux entendent-ils les mêmes sons, aux mêmes fréquences que les grands ?

280. Pourquoi les petits animaux sautent-ils aussi haut ?

281. Pourquoi de petits animaux arrivent-ils à pousser des masses beaucoup plus importantes qu’eux-mêmes ?

Les microtechnologies

282. En photolithographie, qu’est-ce qui détermine la taille des éléments que l’on peut obtenir ?

La physique des microtechnologies

283. Quelles sont les différences entre les machines thermiques classique et micrométrique ?

284. Comment tourne un micromoteur électrique ?

285. Comment varie le nombre de Reynolds dans les petites canalisations ?

286. Les micromachines sont-elles plus sensibles que les macromachines ?

Les nanotechnologies

287. Quelle serait la longueur d’un fil obtenu en mettant bout à bout tous les atomes contenus dans un litre d’air ?

288. En supposant que l’on peut écrire (avec des atomes) une lettre dans un carré de 10 atomes sur 10 atomes, combien de dictionnaires peut-on écrire sur 1 cm2 ?

289. Comment varie l’aire spécifique de cubes lorsque leur dimension diminue ?

290. Quelle est l’aire spécifique d’une poudre de carbone (d’une masse totale de 1 g), formée de nanoparticules sphériques de rayon r = 10 nm ?

291. Quel volume de gaz (azote) peut-on adsorber sur 1 g de la poudre de carbone de la question précédente ?

292. Combien d’atomes y-a-t-il aux sommets, sur les arêtes, les faces et à l’intérieur d’un cube ?

293. Comment varient les réactivités de poudres de nanoparticules cubiques en fonction du degré de découpage, n ?

294. Quelle est l’énergie requise pour placer un électron sur une nanoparticule ?

295. Comment se manifestent les effets quantiques ?

Dimensions caractéristiques en nanotechnologies

296. Quel est le diamètre d’une sphère pour laquelle le nombre d’atomes en surface est égal à 1 ou 10 % du nombre total d’atomes de la particule ?

297. Quel est le nombre d’atomes dans une sphère pour laquelle le nombre d’atomes en surface est égal à 1 ou 10 % du nombre total d’atomes de la particule ?

298. Quelle est la longueur du côté d’un cube pour lequel le nombre d’atomes en surface est égal à 1 ou 10 % du nombre total d’atomes de la particule ?

299. Quel est le nombre d’atomes dans un cube pour lequel le nombre d’atomes en surface est égal à 1 ou 10 % du nombre total d’atomes de la particule ?

300. Qu’est-ce que l’effet gecko, et quelle force par cm2 peut supporter une surface à effet gecko ?

Pour en savoir plus

Remerciements

Cette nouvelle édition comporte des dessins inédits de

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L’éditeur remercie tous ceux qui ont accepté de lui accorder l’autorisation de publier dans le présent ouvrage les extraits dont ils détiennent les droits de reproduction.

En dépit de ses recherches et sollicitations, l’éditeur n’a pas réussi à joindre certains ayants droit.

Qu’ils soient avertis ici qu’il reste à leur disposition pour satisfaire, le cas échéant, à la législation sur le droit d’auteur.

Photo de couverture : probabl. Exposition internationale de Charleroi 1911 © coll. privée Rémi Bertrand

Maquette : Communications

Mise en pages : Nord Compo

Crédits : © Jean Imhof/Fotolia (question 209).

© De Boeck Éducation s.a., 2014

Fond Jean Pâques, 4 – 1348 Louvain-la-Neuve

Même si la loi autorise, moyennant le paiement de redevances (via la société Reprobel, créée à cet effet), la photocopie de courts extraits dans certains contextes bien déterminés, il reste totalement interdit de reproduire, sous quelque forme que ce soit, en tout ou en partie, le présent ouvrage. (Loi du 30 juin 1994 relative au droit d’auteur et aux droits voisins, modifiée par la loi du 3 avril 1995, parue au Moniteur du 27 juillet 1994 et mise à jour au 30 août 2000.)

La reprographie sauvage cause un préjudice grave aux auteurs et aux éditeurs.

Le « photocopillage » tue le livre !

EAN 978-2-8041-8665-4

Cette version numérique de l’ouvrage a été réalisée par Nord Compo pour le Groupe De Boeck. Nous vous remercions de respecter la propriété littéraire et artistique. Le « photoco-pillage » menace l’avenir du livre.

ACTION

Une collection pluridisciplinaire pour les enseignants, replaçant les grands enjeux de société au cœur de l’école !

BADA Fr., ROBINET C., Poésie et oralité. Comprendre le texte poétique pour le dire, 2014 (sciences humaines)

COBUT G. (sous