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Les matériaux : familles, propriétés et choix
Familles de matériaux (métaux, plastiques, organiques, céramiques, composites), propriétés mécaniques, thermiques, électriques, choix d'un matériau selon le cahier des charges, impact environnemental
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Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Les matériaux : familles, propriétés et choix
Familles de matériaux (métaux, plastiques, organiques, céramiques, composites), propriétés mécaniques, thermiques, électriques, choix d'un matériau selon le cahier des charges, impact environnemental
Durée : 55 min – Sans document – Sur 20 points · Technologie 3ᵉ
Les réponses doivent être rédigées et justifiées. Soigne l'orthographe et la présentation.
Exercice 1 – Identifier quatre échantillons (lecture d'un tableau)
(4 pts)- a)Au laboratoire, on soumet quatre échantillons à plusieurs tests.
Identifier les métaux A et B, et préciser pour chacun s'il est ferreux ou non ferreux.Échantillon Aspect Attiré par l'aimant Conduit le courant ρ (g/cm³) Chauffé à 150 °C A gris, brillant oui oui 7,8 aucun changement B gris clair, mat non oui 2,7 aucun changement C blanc, opaque, souple non non 0,95 ramollit puis fond ; peut être remoulé D brun clair, compressible non non 0,24 ne ramollit pas - b)Donner la famille et la sous-famille de C, puis nommer le matériau à l'aide des masses volumiques suivantes : PP 0,90 g/cm³ ; PEHD 0,95 g/cm³ ; PVC 1,40 g/cm³.
- c)D provient de l'écorce d'un arbre. Nommer ce matériau et sa famille. Flotte-t-il sur l'eau ? Justifier.
- d)Un élève range C et D ensemble : « Ils ne sont pas attirés par l'aimant et ne conduisent pas le courant, donc ce sont deux plastiques. » Expliquer son erreur.
Exercice 2 – Masse volumique et conversions
(4 pts)- a)Une plaque d'aluminium (ρ = 2,70 g/cm³) mesure 20 cm × 15 cm × 4 mm. Calculer son volume en cm³, puis sa masse en grammes.
- b)La fiche technique d'un acier indique ρ = 7 850 kg/m³. Convertir cette valeur en g/cm³, calculer la masse de la même plaque en acier, puis le pourcentage de masse gagné en choisissant l'aluminium (arrondi à l'unité).
- c)Un cube métallique de 3,0 cm d'arête a une masse de 229,5 g. Calculer sa masse volumique et identifier le métal.
Métal aluminium acier laiton cuivre ρ (g/cm³) 2,70 7,85 8,50 8,90 - d)Plongée dans une éprouvette, une pièce en plastique de 70 g fait passer le niveau de l'eau de 120 mL à 170 mL. Léa trouve 1,4 g/cm³ ; Hugo trouve 1 400 kg/m³ et affirme qu'ils n'ont pas identifié le même plastique. Qui a raison ? La pièce flotte-t-elle ? (PVC : 1,40 g/cm³.)
Exercice 3 – Choisir le matériau d'une coque de drone (cahier des charges et matrice de choix)
(4 pts)- a)Extrait du cahier des charges d'une coque de drone de loisir : elle doit résister aux chocs (contrainte impérative : note au moins égale à 3 sur 5) ; elle doit aussi être légère, peu coûteuse et, si possible, recyclable. Notes sur 5 :
Calculer le score total de chaque matériau.Critère (coefficient) Composite carbone ABS Aluminium PLA masse (×3) 5 4 3 4 résistance aux chocs (×3) 4 3 3 2 coût (×2) 1 5 3 5 recyclabilité (×1) 1 3 5 3 - b)Un matériau doit être éliminé avant tout classement. Lequel, et pourquoi ?
- c)Quel matériau est retenu ? Donner sa famille, sa sous-famille, et un avantage de cette sous-famille pour la fin de vie de la coque.
- d)Un élève affirme : « Le composite carbone est le meilleur matériau : c'est le plus léger et le plus résistant aux chocs. Il fallait le choisir. » Expliquer son erreur.
Exercice 4 – Le fer à souder (propriétés thermiques et électriques)
(4 pts)- a)Un fer à souder électrique (230 V) chauffe sa pointe, la panne, pour faire fondre un fil de soudure (fusion vers 220 °C).
Justifier le choix du cuivre pour la panne par deux propriétés chiffrées.Pièce Matériau λ (W/(m·K)) Température en service panne cuivre (fusion à 1 085 °C) 390 350 °C tube de liaison acier inoxydable 16 de 350 °C à 150 °C manche plastique thermodurcissable 0,2 40 °C - b)Combien de fois l'acier inoxydable du tube conduit-il moins bien la chaleur que le cuivre ? En déduire le rôle du tube.
- c)Donner deux raisons, l'une thermique et l'autre électrique, pour lesquelles le manche est en plastique.
- d)Pour baisser le prix, on propose un manche en polyéthylène, un thermoplastique qui ramollit vers 130 °C. Donner un avis argumenté.
Exercice 5 – Trois chaises de jardin (impact environnemental)
(4 pts)- a)On compare trois chaises de jardin (valeurs indicatives).
Calculer l'énergie nécessaire pour produire le matériau de chaque chaise.Chaise Masse Énergie pour produire le matériau Durée de vie Fin de vie chêne local 6,5 kg 5 MJ/kg 15 ans bois de chauffage ou compost polypropylène moulé 2 800 g 80 MJ/kg 5 ans recyclage limité aluminium (à moitié recyclé) 4,2 kg 100 MJ/kg 25 ans recyclable presque indéfiniment - b)Calculer l'énergie par année d'utilisation pour chaque chaise (arrondir au dixième), puis les classer de la plus sobre à la moins sobre.
- c)La chaise en aluminium demande presque deux fois plus d'énergie à produire que celle en polypropylène. Expliquer pourquoi elle est pourtant mieux classée, en tenant compte aussi de la fin de vie.
- d)Un fabricant affirme : « Notre chaise en polypropylène est la plus légère, c'est donc la plus écologique. » Critiquer cet argument, puis citer une situation qui dégraderait le bilan de la chaise en bois.
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Corrigé et barème – Les matériaux : familles, propriétés et choix
Familles de matériaux (métaux, plastiques, organiques, céramiques, composites), propriétés mécaniques, thermiques, électriques, choix d'un matériau selon le cahier des charges, impact environnemental
Durée : 55 min – Sans document – Sur 20 points · Technologie 3ᵉ
Exercice 1 – Identifier quatre échantillons (lecture d'un tableau)
(4 pts)- a)A : acier (attiré par l'aimant, ρ = 7,8 g/cm³), métal ferreux. B : aluminium (non attiré, conducteur, ρ = 2,7 g/cm³), métal non ferreux. (1)
- b)C : famille des plastiques, sous-famille des thermoplastiques (ramollit et se remoule) ; ρ = 0,95 g/cm³ → PEHD. (1)
- c)D : liège, matériau organique (origine végétale) ; ρ = 0,24 < 1 g/cm³ → il flotte. (1)
- d)Être isolant ne suffit pas : bois, liège, verre et céramiques sont aussi isolants. D ne ramollit pas et provient d'une écorce : c'est un organique, pas un plastique. (1)
Repère — Pour identifier un matériau, on croise plusieurs tests (aimant, conduction, masse volumique, comportement à la chaleur, origine) : un seul test ne suffit jamais.
Exercice 2 – Masse volumique et conversions
(4 pts)- a)4 mm = 0,4 cm ; V = 20 × 15 × 0,4 = 120 cm³ ; m = 2,70 × 120 = 324 g. (1)
- b)7 850 kg/m³ = 7,85 g/cm³ ; m = 7,85 × 120 = 942 g ; gain = 942 − 324 = 618 g, soit 618 / 942 ≈ 66 %. (1)
- c)V = 3,0³ = 27 cm³ ; ρ = 229,5 / 27 = 8,5 g/cm³ → laiton. (1)
- d)V = 170 − 120 = 50 cm³ ; ρ = 70 / 50 = 1,4 g/cm³ = 1 400 kg/m³ : même valeur, même plastique (PVC), Hugo a tort ; ρ > 1 → la pièce coule. (1)
Attention — On convertit toujours avant de calculer (mm en cm, mL en cm³, 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³) et le volume lu sur une éprouvette est une différence entre deux niveaux.
Exercice 3 – Choisir le matériau d'une coque de drone (cahier des charges et matrice de choix)
(4 pts)- a)Carbone : 15 + 12 + 2 + 1 = 30 ; ABS : 12 + 9 + 10 + 3 = 34 ; aluminium : 9 + 9 + 6 + 5 = 29 ; PLA : 12 + 6 + 10 + 3 = 31. (1)
- b)Le PLA : note de 2 aux chocs, inférieure à 3 ; la contrainte impérative n'est pas respectée, il est éliminé malgré ses 31 points. (1)
- c)L'ABS (34 points) : famille des plastiques, thermoplastique ; il peut être refondu et recyclé. (1)
- d)Le meilleur matériau dépend du cahier des charges : le carbone a 1 en coût et 1 en recyclabilité, total 30 < 34. Il ne gagnerait que si le coût comptait peu (drone de course). (1)
Le point clé — On élimine d'abord les matériaux qui ne respectent pas une contrainte impérative, puis on compare les totaux pondérés : un matériau n'est « le meilleur » que par rapport à un cahier des charges donné.
Exercice 4 – Le fer à souder (propriétés thermiques et électriques)
(4 pts)- a)Très bon conducteur thermique (λ = 390 W/(m·K)) : il transmet vite la chaleur au fil ; il fond à 1 085 °C, bien au-dessus des 350 °C de service. (1)
- b)390 / 16 ≈ 24 fois moins ; le tube freine la chaleur qui remonte de la panne vers le manche. (1)
- c)Isolant thermique (λ = 0,2) : la main reste à 40 °C ; isolant électrique : il protège l'utilisateur du 230 V en cas de défaut. (1)
- d)Avis défavorable : le tube atteint 150 °C à la jonction, au-dessus des 130 °C où le PE ramollit ; le manche se déformerait. Un thermodurcissable ne ramollit pas. (1)
À retenir — Un même objet associe conducteurs et isolants : on conduit la chaleur là où elle est utile, on la freine là où se trouve la main, et on compare toujours les températures de service aux limites du matériau.
Exercice 5 – Trois chaises de jardin (impact environnemental)
(4 pts)- a)Chêne : 6,5 × 5 = 32,5 MJ ; PP : 2,8 kg × 80 = 224 MJ ; aluminium : 4,2 × 100 = 420 MJ. (1)
- b)Chêne : 32,5 / 15 ≈ 2,2 MJ/an ; aluminium : 420 / 25 = 16,8 MJ/an ; PP : 224 / 5 = 44,8 MJ/an → chêne, aluminium, PP. (1)
- c)Elle dure 5 fois plus longtemps (25 ans contre 5), donc 16,8 MJ/an contre 44,8 ; en fin de vie, l'aluminium redevient matière première, le PP ne se recycle que quelques fois. (1)
- d)La masse ne suffit pas : le PP demande 80 MJ/kg et dure 5 ans, c'est la moins sobre (44,8 MJ/an). Bois dégradé si : bois tropical importé de loin, traité chimiquement ou issu d'une forêt non gérée. (1)
Erreur fréquente — Comparer des matériaux sur la seule masse ou sur la seule énergie de production est trompeur : il faut rapporter l'impact à la durée de service et tenir compte de la fin de vie.
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Ce contrôle de technologie 3ᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Les matériaux : familles, propriétés et choix » : 5 exercices, 55 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — Identifier quatre échantillons (lecture d'un tableau)/ 4 pts
- Exercice 2 — Masse volumique et conversions/ 4 pts
- Exercice 3 — Choisir le matériau d'une coque de drone (cahier des charges et matrice de choix)/ 4 pts
- Exercice 4 — Le fer à souder (propriétés thermiques et électriques)/ 4 pts
- Exercice 5 — Trois chaises de jardin (impact environnemental)/ 4 pts
Notions évaluées
Matière première, matériau, objet, Les cinq familles de matériaux, Métaux et plastiques : les sous-familles, Propriétés mécaniques et masse volumique, Propriétés thermiques, électriques et chimiques, Choisir un matériau selon le cahier des charges.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés et les problèmes.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 55 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Les matériaux : familles, propriétés et choix » ?
- 55 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 55 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de technologie de troisième ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Les matériaux : familles, propriétés et choix » du programme officiel de technologie en troisième, soit Matière première, matériau, objet, Les cinq familles de matériaux, Métaux et plastiques : les sous-familles, Propriétés mécaniques et masse volumique.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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