QCM : Biophysique des gaz parfaits — 11 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle proposition définit le mieux une force mécanique ?

Un déplacement produit par un objet qui change de position dans l’espace
Une quantité d’énergie transférée lorsqu’un objet parcourt une distance
Une variation de vitesse provoquée par un mouvement déjà commencé
Une action mécanique exercée par un objet sur un autre, avec ou sans déplacement

Une action mécanique exercée par un objet sur un autre, avec ou sans déplacement

Explication

Une force est une action mécanique exercée par un objet sur un autre, et elle peut exister même sans déplacement. La présence d’un mouvement ne définit donc pas à elle seule une force.

2. Une personne maintient immobile un objet lourd pendant plusieurs secondes : quelle affirmation décrit correctement cette situation ?

Un travail mécanique est forcément produit dès qu’une force est exercée
Une force est exercée et une énergie peut être dépensée malgré l’absence de déplacement
Aucune force n’est exercée puisque l’objet ne change pas de position
L’énergie ne peut intervenir qu’après le déplacement de l’objet

Une force est exercée et une énergie peut être dépensée malgré l’absence de déplacement

Explication

Une force peut s’exercer sans déplacement, et une dépense d’énergie peut avoir lieu même lorsque le déplacement est nul. Confondre l’absence de mouvement avec l’absence de force conduit donc à une conclusion erronée.

3. Comment définit-on la pression exercée par une force sur une surface ?

Par le produit de la force appliquée par la surface, soit P=F×SP = F \times S
Par le rapport de la surface à la force appliquée, soit P=SFP = \frac{S}{F}
Par le rapport de la force appliquée à la surface, soit P=FSP = \frac{F}{S}
Par la différence entre la force appliquée et la surface, soit P=F−SP = F - S

Par le rapport de la force appliquée à la surface, soit $$P = \frac{F}{S}$$

Explication

La pression mesure une force répartie sur une surface et se calcule par P=FSP = \frac{F}{S}, en pascals. Le produit ou l’inversion des deux grandeurs ne correspondent pas à la définition de la pression.

4. Quelle relation d’unités exprime correctement la puissance ?

Le watt correspond à un joule multiplié par une seconde, soit W=J⋅s\mathrm{W = J \cdot s}
Le watt correspond à un newton par seconde, soit W=N⋅s−1\mathrm{W = N \cdot s^{-1}}
Le watt correspond à un joule par seconde, soit W=J⋅s−1\mathrm{W = J \cdot s^{-1}}
Le watt correspond à un kilogramme par mètre, soit W=kg⋅m−1\mathrm{W = kg \cdot m^{-1}}

Le watt correspond à un joule par seconde, soit $$\mathrm{W = J \cdot s^{-1}}$$

Explication

Le watt mesure une puissance et équivaut à une énergie ou un travail rapporté au temps, donc W=J⋅s−1\mathrm{W = J \cdot s^{-1}}. Le joule est une unité d’énergie, tandis que le newton mesure une force.

5. Pour une quantité fixe de gaz maintenue à température constante, que se passe-t-il lorsque le volume augmente ?

La pression diminue de façon à conserver le produit PVPV constant
La pression et le volume augmentent ensemble en conservant leur rapport constant
La pression reste constante puisque la quantité de gaz ne change pas
La pression augmente de façon à conserver la somme P+VP + V constante

La pression diminue de façon à conserver le produit $$PV$$ constant

Explication

À quantité de gaz et température constantes, la relation est PV=constantePV = \mathrm{constante} : une augmentation du volume entraîne donc une diminution de la pression. La quantité de gaz fixe ne suffit pas à maintenir la pression constante lorsque le volume change.

6. Quel enchaînement décrit correctement l’inspiration ?

Le diaphragme remonte, le volume pulmonaire diminue, la pression alvéolaire diminue et l’air entre
Le diaphragme remonte, le volume pulmonaire augmente, la pression alvéolaire augmente et l’air sort
Le diaphragme descend, le volume pulmonaire diminue, la pression alvéolaire augmente et l’air sort
Le diaphragme descend, le volume pulmonaire augmente, la pression alvéolaire diminue et l’air entre

Le diaphragme descend, le volume pulmonaire augmente, la pression alvéolaire diminue et l’air entre

Explication

Pendant l’inspiration, la descente du diaphragme augmente le volume pulmonaire et diminue la pression alvéolaire, ce qui permet l’entrée du gaz. La remontée du diaphragme et la sortie de l’air caractérisent plutôt l’expiration.

7. Quel enchaînement décrit correctement l’expiration ?

Le diaphragme remonte, le volume pulmonaire augmente, la pression diminue et le gaz entre
Le diaphragme descend, le volume pulmonaire diminue, la pression augmente et le gaz entre
Le diaphragme remonte, le volume pulmonaire diminue, la pression augmente et le gaz sort
Le diaphragme descend, le volume pulmonaire augmente, la pression diminue et le gaz sort

Le diaphragme remonte, le volume pulmonaire diminue, la pression augmente et le gaz sort

Explication

Lors de l’expiration, le diaphragme remonte, le volume des poumons diminue et la pression interne augmente, poussant le gaz vers l’atmosphère. Une baisse de pression associée à une entrée de gaz correspond au mécanisme de l’inspiration.

8. Dans une situation où la température et la pression restent constantes, que se passe-t-il si l’on ajoute des molécules de gaz dans un récipient extensible ?

La température du gaz augmente et sa quantité reste stable
La pression du gaz augmente tandis que le volume reste fixe
La masse volumique du gaz diminue sans changement de volume
Le volume occupé par le gaz augmente

Le volume occupé par le gaz augmente

Explication

À pression et température constantes, l’ajout de molécules exige un volume plus grand pour accueillir le gaz. L’augmentation de pression correspond plutôt au cas où le volume et la température sont maintenus constants.

9. Une montgolfière déjà pleine est chauffée à volume et pression constants. Quel enchaînement explique sa montée ?

Les molécules s’échappent, la quantité de gaz diminue et l’air intérieur devient moins dense
Les molécules se condensent, la quantité de gaz augmente et l’air intérieur devient plus dense
La pression augmente, l’air intérieur devient plus dense et le ballon s’élève
Le volume diminue, les molécules se rapprochent et la masse d’air augmente

Les molécules s’échappent, la quantité de gaz diminue et l’air intérieur devient moins dense

Explication

Le chauffage accroît l’agitation moléculaire, ce qui fait sortir une partie de l’air par l’ouverture; la quantité et la densité de l’air chaud diminuent alors, favorisant l’ascension. Confondre ce phénomène avec une hausse de pression néglige l’évacuation de gaz propre à une montgolfière ouverte.

10. Quelle relation décrit l’état d’un gaz parfait en reliant sa pression, son volume, sa quantité de matière et sa température ?

PV=nRTPV = \frac{n}{RT}
P=n+RTVP = n + RTV
P+V=nRTP + V = nRT
PV=nRTPV = nRT

$$PV = nRT$$

Explication

L’équation des gaz parfaits s’écrit PV=nRTPV = nRT : le produit de la pression et du volume dépend de la quantité de matière et de la température. Une somme ou une division différente ne représente pas cette relation physique.

11. Quelles unités conviennent aux grandeurs de l’équation PV=nRTPV = nRT dans le système international ?

P en pascals, V en mètres cubes, n en moles et T en kelvins
P en moles, V en kelvins, n en pascals et T en mètres cubes
P en kelvins, V en pascals, n en mètres cubes et T en moles
P en mètres cubes, V en moles, n en kelvins et T en pascals

P en pascals, V en mètres cubes, n en moles et T en kelvins

Explication

Dans cette équation, la pression se mesure en pascals, le volume en mètres cubes, la quantité de matière en moles et la température en kelvins. La température n’est donc pas exprimée en pascals et la pression ne se mesure pas en kelvins.

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Qu'est-ce que la force en mécanique ?

L'action mécanique d'un objet sur un autre sans nécessiter de mouvement.

Pourquoi une dépense d'énergie peut-elle avoir lieu sans déplacement ?

Parce que l'énergie représente un potentiel de travail indépendant du mouvement.

Quelle est la formule de la puissance en fonction du travail et du temps ?

P=WsP = \frac{W}{s}

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