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Sciences, technologies et société
Michel Wautelet et Damien Duvivier Avec la collaboration de Pierre ozer
ous vivons incontestablement dans une société où les sciences et les technologies jouent un rôle essentiel. Il est donc 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 : 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.
N
C’est donc au travers de 250 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. Tout d’abord, 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 ? Ensuite, 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. La plupart des réponses aux 250 questions qui suivent sont donc accessibles au plus grand nombre, ce qui fait de cet ouvrage un guide pratique à l’usage de tous !
ENSEIGNEMENT SECONDAIRE
Conception graphique : Primo&Primo
Cette édition contient des illustrations originales de
Pédagogie générale ISBN : 978-2-8041-0479-5
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Sciences & mathématiques Sciences humaines Ouvertures
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Sciences, technologies et société
Guide pratique en 250 questions
Sciences, technologies et société Guide pratique en 250 questions
table des matières Avant-propos à la 3e édition
5
Introduction 1. 2. 3. 4.
Quels sont les liens entre les sciences, les technologies et la société ? Quelles sont les catégories principales de problèmes scientifiques vis-à-vis de leurs implications pour la société ? Comment les scientifiques réagissent-ils par rapport à la place de la science dans la société ? Quels sont les liens entre sciences fondamentales, sciences appliquées et technologies ?
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Chapitre 1 Les énergies Introduction 5.
6. 7. 8. 9.
Pourquoi l’énergie est-elle nécessaire dans notre civilisation occidentale ? Quelles sont les principales questions qui se posent à notre société concernant le problème de l’énergie ? Quels sont les principaux types d’énergie disponibles ? Quelles sont les principales utilisations actuelles des énergies ? Quelles seront les parts des différents types d’énergie vers 2050 ?
Les énergies fossiles 10. 11. 12. 13.
Quelle quantité de carbone y a-t-il sur Terre ? Que sont les réserves d’énergies fossiles ? Quelles sont les réserves estimées d’énergies fossiles ? Qu’est-ce que le « pic du pétrole » ? tABle des MAtIères
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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 ?
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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 seraitelle 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 ?
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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 éolienne
27. Qu’est-ce que l’énergie éolienne ? 270
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28. 29. 30. 31.
Quel est le principe des éoliennes ? Quelles sont les quantités d’énergie éolienne disponibles ? Quels sont les avantages de l’énergie éolienne ? Comment peut-on évaluer la puissance fournie par une éolienne ? 32. Quelle est la puissance réellement fournie par une éolienne ?
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L’énergie hydroélectrique
33. Quel est le principe de fonctionnement des centrales hydroélectriques ? 34. Quel est l’état actuel du développement de l’énergie hydroélectrique ?
La biomasse
35. Qu’est-ce que la biomasse ? 36. Quelles sont les possibilités de la biomasse ? 37. Quelle superficie faudrait-il pour satisfaire les besoins énergétiques de l’Union européenne par la biomasse ? 38. Qu’entend-on par biocarburants de première, deuxième et troisième générations ? 39. Combien de litres de biocarburants sont-ils produits par ha de culture ? 40. Quels sont les problèmes liés à la valorisation énergétique de la biomasse ?
L’énergie de fission nucléaire 41. 42. 43. 44. 45.
46. 47. 48. 49. 50.
Comment appréhender la question nucléaire ? Quel est le principe de la fission nucléaire ? De quoi est constitué un réacteur nucléaire ? Quel est le rendement énergétique d’une centrale nucléaire ? Quel est le bilan énergétique et nucléaire d’une centrale nucléaire ? Qu’est-ce que le MOX ? Quelles sont les catégories de déchets nucléaires ? Qu’est-ce que le cycle du combustible nucléaire ? Quelles sont les solutions possibles pour se débarrasser des déchets nucléaires de haute activité ? Quels sont les risques d’accidents nucléaires ? tABle des MAtIères
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51. Quels sont les liens entre le nucléaire civil et le nucléaire militaire ? 52. Combien d’éoliennes, de cellules photovoltaïques sontelles nécessaires pour fournir la même quantité d’électricité qu’une centrale nucléaire de 1 GW ?
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L’énergie de fusion nucléaire
53. Qu’est-ce que l’énergie thermonucléaire ou de fusion nucléaire ? 54. Quelles sont les conditions requises pour obtenir la fusion nucléaire contrôlée ? 55. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement inertiel ? 56. Qu’est-ce que la fusion nucléaire par confinement magnétique ? 57. Quels sont les principaux obstacles à la réalisation de réacteurs de fusion nucléaire ?
Utilisation rationnelle de l’énergie
58. En quoi consiste l’utilisation rationnelle de l’énergie ? 59. Quelles sont les possibilités de l’utilisation rationnelle de l’énergie ?
Stockage de l’énergie
60. 61. 62. 63. 64. 65. 66.
Quels sont les moyens de stockage d’énergie ? Quels sont les types de stockage thermique de l’énergie ? En quoi consiste le stockage par chaleur sensible ? En quoi consiste le stockage par chaleur latente ? En quoi consiste le stockage chimique ? Quelles sont les possibilités du stockage électrique ? Quelle quantité d’énergie peut-on stocker dans une batterie au plomb ?
Les risques technologiques
67. Quels sont les risques des sources d’énergie ? 68. Comment comparer les risques liés à diverses sources d’énergie ? 272
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69. Le fait d’inclure les catastrophes nucléaires modifie-t-il le classement des risques des différentes centrales énergétiques ?
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Énergie et environnement 70. Quel est l’effet direct de la production énergétique de l’humanité sur le réchauffement climatique ? 71. Quelle énergie est-elle nécessaire à la fabrication de divers éléments de notre vie quotidienne ?
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Émission, piégeage et stockage du CO2 72. Quelles sont les principales sources de CO2 dues à l’activité humaine dans le monde ? 73. 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 % ? 74. Quelles sont les méthodes de piégeage du CO2 ? 75. Quelles sont les méthodes de stockage du CO2 ? 76. 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 ? 77. 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
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Le transport
Introduction 78. Quels sont les problèmes liés à l’énergie de la voiture et des transports ?
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Énergétique de la voiture à moteur à combustion
79. Quelle énergie est fournie par la combustion d’un litre d’essence ? 80. Quelle est la quantité de CO2 émise par une voiture à essence ou au diesel ? 81. Quelle énergie dépense une automobile moyenne pour parcourir cent kilomètres ? 82. Quelle est la puissance dissipée par une voiture roulant à vitesse constante sur une route horizontale ? 83. Comment varie la puissance dissipée par une voiture roulant à vitesse constante, en fonction de l’inclinaison de la route ? 84. 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 ? 85. Quel est le rendement énergétique d’une voiture moyenne à moteur à essence roulant à 90 km/h ? Et à 120 km/h ?
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Les biocarburants
86. Quelle est la superficie cultivée nécessaire pour obtenir 1 000 litres de biocarburant liquide ? 87. Si le parc automobile de l’Union européenne était alimenté uniquement par des biocarburants, quelle serait la superficie de biomasse nécessaire ?
La voiture électrique
88. Qu’est-ce qu’une voiture électrique ? 89. Quels sont les types principaux de voitures électriques ? 90. Quelle est l’énergie minimale dépensée par une voiture électrique pour parcourir 100 km à une vitesse constante de 90 km/h ? 91. 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 90, avec une autonomie de 100 km ? 274
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Les batteries
92. Quels sont les types de batteries envisageables pour alimenter une voiture électrique ? 93. Comment fonctionne une batterie au plomb ? 94. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable par kilogramme de batterie au plomb ? 95. 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 ? 96. Comment fonctionne une batterie au nickel-cadmium ? 97. Quelle est la quantité d’énergie électrique stockable par kilogramme de batterie au nickel-cadmium ? 98. 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 ? 99. Quelles sont les performances d’autres types de batteries ?
Les piles à combustible
100. Qu’est-ce qu’une pile à combustible ? 101. Quels sont les types de piles à combustible ? 102. Quelle est la quantité d’énergie fournie par mole (et kilogramme) d’hydrogène dans une pile à combustible ? 103. Quel est le rendement thermodynamique des piles à combustible ? 104. Quelle serait la consommation d’hydrogène d’une voiture électrique moyenne circulant à 90 km /h sur une distance de 100 km ? 105. En supposant que l’hydrogène soit stocké dans des bonbonnes, sous une pression p = 7 × 107 Pa, quel serait le volume d’hydrogène nécessaire pour une autonomie de 100 km dans les conditions précédentes (Valeur donnée par les constructeurs) ? 106. Quelles sont les autres méthodes envisagées pour le stockage de l’hydrogène dans les véhicules ? 107. Comment stocker l’hydrogène sous forme d’hydrure ? 108. Comment peut-on produire de l’hydrogène par décomposition de l’ammoniac ?
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109. En quoi consiste le stockage par adsorption sur des nanotubes de carbone ? 110. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthane ? 111. Quelle est la quantité théorique d’énergie nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par réaction de reformage du méthanol ? 112. Quelle est la quantité d’énergie électrique nécessaire pour fabriquer 1 mole (et 1 kilogramme) d’hydrogène par électrolyse de l’eau ?
Les centrales électriques
113. À quoi sont destinés les véhicules électriques ? 114. 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 ? 115. En considérant le cycle total de l’énergie, la voiture électrique avec batteries est-elle plus ou moins énergivore que la voiture à essence ? 116. 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 ? 117. Si le parc automobile actuel de l’Union européenne était remplacé par des voitures avec piles à hydrogène, combien d’éoliennes ou de cellules photovoltaïques seraient-elles nécessaires pour l’alimenter ? 118. 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 ? 119. Quelle est la situation actuelle et future des véhicules électriques ?
La voiture solaire
120. La voiture solaire est-elle une solution réaliste ? 276
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Autres voitures
121. 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 ?
142
Énergétique de la construction automobile
122. Quelle quantité d’énergie est-elle nécessaire pour la fabrication d’une automobile moyenne ? 123. 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 ? 124. Si l’énergie était fournie par des centrales électriques, combien de centrales seraient-elles nécessaires pour fabriquer le parc automobile de l’Union européenne ? 125. Si la durée de vie des automobiles doublait, comment varierait l’énergie nécessaire à la fabrication automobile de l’Union européenne ? 126. Si la durée de vie des automobiles doublait, comment varierait le nombre de centrales électriques nécessaires à la fabrication automobile de l’Union européenne ? 127. 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 ?
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Le train
128. Quelle est la puissance nécessaire pour déplacer un TGV à une vitesse de 300 km/h ? 129. Quelle est l’énergie consommée par un TGV pour parcourir 100 km ? 130. Sachant qu’un Thalys peut transporter 377 passagers, quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ? 131. 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 ?
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L’avion
132. Quelle est l’énergie dépensée par un Airbus A310 pour parcourir 100 km ? 133. Sachant qu’un Airbus A310 peut transporter 246 passagers, quelle énergie par passager est-elle nécessaire pour parcourir 100 km ? 134. 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 ?
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151
Les transports et l’environnement
135. Quelle est la quantité de CO2 émise chaque année dans l’atmosphère par les transports ? 136. Quelle est la quantité de gaz à effet de serre (CO2) émise lors du transport des aliments ? 137. Quelle est l’émission de CO2 due au transport de haricots du Kenya vers l’Europe ? 138. Quelle est l’émission de CO2 due au transport d’une pomme de Nouvelle Zélande vers l’Europe ?
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Chapitre 3 Le bâtiment Le chauffage
139. Comment peut-on évaluer les caractéristiques thermiques d’un bâtiment ? 140. Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation rationnelle de l’énergie thermique d’un bâtiment en hiver ? 141. Quelles sont les conditions à remplir pour une utilisation rationnelle de l’énergie thermique d’un bâtiment en été ? 142. Quel est le rôle du thermostat ? 143. Quelles sont les sources de chaleur dans un bâtiment de bureaux ? 144. Quelle est la quantité de chaleur dégagée par un être humain ? 145. Quelles sont les sources de pertes de chaleur dans un bâtiment ? 278
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146. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux lorsque la température extérieure varie ? 147. En hiver, comment varie la consommation d’énergie d’un bâtiment de bureaux en fonction de son isolation thermique ? 148. En quoi le bilan thermique d’une maison familiale est-il différent de celui d’un immeuble de bureaux ? 149. En fonction de l’isolation thermique, comment varie la consommation d’énergie d’une maison familiale en hiver ? 150. Comment se comparent la consommation d’énergie, en hiver, d’une maison quatre façades et celle d’une maison deux façades ? 151. 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 ? 152. En quoi la domotique est-elle utile pour effectuer des économies d’énergie ?
Vitrages isolants et colorés 153. Quels sont les rôles du verre dans les habitations ? 154. Quel est le principe d’action des verres à couches ? 155. Quelles sont les caractéristiques lumineuses et énergétiques des vitrages ? 156. Qu’est-ce qui différencie un vitrage adapté au climat chaud de celui adapté au climat froid ? 157. Quel est le principe du verre à couches coloré ?
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Sécurité et surveillance 158. Quels sont les principaux types de détecteurs permettant de repérer une présence dans l’obscurité ? 159. Quelle est la nature du rayonnement émis naturellement par le corps humain et son environnement ? 160. Dans l’infrarouge, comment distinguer le corps humain de son environnement ? 161. Comment mesurer les pertes thermiques d’un bâtiment ?
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Le four à micro-ondes 162. Quel est le principe du four à micro-ondes ?
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163. Pourquoi y a-t-il des endroits plus froids que d’autres dans un plat chauffé dans un four à micro-ondes ? 164. Pourquoi un four à micro-ondes est-il plus « écologique » qu’un four traditionnel ?
Chapitre 4
165. Quelles sont les origines des TIC ? 166. Quels sont les éléments des systèmes d’information et de communication ? 167. De quoi sont matériellement constitués les systèmes d’information et de communication ?
Les ordinateurs
Qu’est-ce qu’un ordinateur ? De quoi sont constituées les machines intelligentes ? En quoi un ordinateur est-il une machine intelligente ? Quels sont les éléments d’un ordinateur ? Quelle est la consommation électrique d’un ordinateur ?
La vie des ordinateurs
173. Comment fabrique-t-on un ordinateur ? 174. Pourquoi la fabrication d’un ordinateur requiert-elle de nombreuses étapes ? 175. Quelle est l’évolution prévue de la taille minimum des éléments des ordinateurs ? 176. Comment parvient-on à dessiner les éléments d’un ordinateur un grand nombre de fois ? 177. Quels sont les principaux produits chimiques utilisés pour la fabrication des puces électroniques ? 178. Comment pourrait-on réduire la quantité de produits chimiques nécessaires à la fabrication des puces électroniques ? 179. Quelle est la quantité d’énergie nécessaire à la fabrication d’un ordinateur ? 280
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Les technologies de l’information et de la communication
Les origines
168. 169. 170. 171. 172.
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180. Quelle est la composition moyenne d’un ordinateur et de ses accessoires ? 181. Pourquoi le recyclage d’un ordinateur est-il difficile ? 182. Comment se comparent les bilans écologiques des ordinateurs et des machines à écrire ?
Capacités de stockage
183. Quel est le langage utilisé par les ordinateurs ? 184. Que fait-on lorsqu’on appuie sur une touche du clavier d’un ordinateur ? 185. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une page de texte ? 186. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une seconde de son ? 187. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker une image ? 188. Qu’est-ce que la compression d’images ? 189. De quelle capacité de mémoires d’ordinateur a-t-on besoin pour stocker un film commercial moyen ? 190. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son et de film peut-on stocker sur un CD-ROM ? 191. Combien de pages de texte, d’images, de secondes de son et de film peut-on stocker sur un DVD ? 192. Qu’est-ce que la mémoire Flash ? 193. Quelle est la capacité de stockage d’une clé USB à mémoire Flash ?
Le réseau Internet
194. Qu’est-ce que le réseau Internet ? 195. Quelles sont les vitesses de transfert sur Internet ? 196. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une page de texte par le réseau Internet ? 197. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une seconde de son par le réseau Internet ? 198. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’une image par le réseau Internet ? 199. Comment peut-on évaluer le temps de transfert d’un document filmé par le réseau Internet ?
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200. Quels sont les moyens physiques utilisés pour transmettre l’information par le réseau Internet ?
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Les fibres optiques 201. Quels sont les avantages des fibres optiques par rapport aux fils métalliques pour la transmission de l’information ? 209 202. Quel est le principe de la transmission de l’information par fibres optiques ? 203. Comment sont constituées les fibres optiques ?
209 210
204. Quelles sont les catégories principales de fibres optiques ? 211
205. Quelles sont les capacités de transfert des fibres optiques ? 212 206. Comment pourrait-on transmettre plusieurs messages simultanément dans une seule fibre optique ?
216
GSM et UMTS 207. Quel est le principe de fonctionnement des GSM ?
208. Quel est le principe de fonctionnement de l’UMTS ?
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218
Big Brother ? 209. Combien de bits sont-ils nécessaires pour identifier chaque être humain ?
210. Combien d’objets différents peut-on identifier grâce à un nombre de 8 octets = 64 bits ?
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Le système GPS 211. Quel est le principe de fonctionnement du système GPS ?
221
Télécommunications et champs électriques 212. Quelle est la valeur du champ électrique à laquelle nous sommes exposés lorsque nous utilisons un GSM ?
213. 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 ? 282
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Chapitre 5
Micro- et nanosciences
Introduction
214. 215. 216. 217.
Microsciences et nanosciences : science-fiction ? Comment reculer les limites de la miniaturisation ? Qu’entend-on par microtechnologies et nanotechnologies ? Pourquoi cherche-t-on à diminuer la taille des composants ? 218. Quelles sont les différences majeures entre notre monde et les domaines des micro- et nanosciences et nanotechnologies ?
Les lois d’échelle
219. Quelle est l’utilité des lois d’échelle ? 220. Comment varient les différentes forces mécaniques lorsque L varie ? 221. Comment varient les énergies lorsque L varie ? 222. Comment varient les fréquences de résonance lorsque L varie ? 223. Comment varient les tensions subies par les matériaux solides lorsque L varie ?
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Les fluides
224. Comment varient les mouvements dans les fluides lorsque L varie ?
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Électromagnétisme
225. Comment varient les grandeurs électriques lorsque L varie ?
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Thermodynamique
226. Comment varient les grandeurs thermodynamiques lorsque L varie ?
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Optique
227. Comment varient les paramètres optiques lorsque L varie ? 244 tABle des MAtIères
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Mécanique quantique
228. Comment varient les grandeurs quantiques lorsque L varie ?
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Le monde de Microcosmos
229. Quelles dimensions doivent avoir les pattes des petites bêtes pour que celles-ci supportent leur propre poids ? 230. Quelles sont les forces qui gouvernent l’adhésion des petites bêtes sur le sol, les murs, le plafond ? 231. Pourquoi les petites bêtes ne sont-elles pas des êtres à sang chaud ? 232. Pourquoi les yeux des petites bêtes sont-ils différents des nôtres ? 233. Pourquoi les petits animaux semblent-ils se déplacer plus vite que les grands ? 234. Les petits animaux entendent-ils les mêmes sons, aux mêmes fréquences que les grands ? 235. Pourquoi les petits animaux sautent-ils aussi haut ? 236. Pourquoi de petits animaux arrivent-ils à pousser des masses beaucoup plus importantes qu’eux-mêmes ?
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Les microtechnologies
237. En photolithographie, qu’est-ce qui détermine la taille des éléments que l’on peut obtenir ?
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La physique des microtechnologies
238. Quelles sont les différences entre les machines thermiques classique et micrométrique ? 239. Comment tourne un micromoteur électrique ? 240. Comment varie le nombre de Reynolds dans les petites canalisations ? 241. Les micromachines sont-elles plus sensibles que les macromachines ?
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Les nanotechnologies
242. Quelle serait la longueur d’un fil obtenu en mettant bout à bout tous les atomes contenus dans un litre d’air ? 284
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243. 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 cm 2 ? 244. Comment varie l’aire spécifique de cubes lorsque leur dimension diminue ? 245. 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 ? 246. Quel volume de gaz (azote) peut-on adsorber sur 1 g de la poudre de carbone de la question précédente ? 247. Combien d’atomes y-a-t-il aux sommets, sur les arêtes, les faces et à l’intérieur d’un cube ? 248. Comment varient les réactivités de poudres de nanoparticules cubiques en fonction du degré de découpage, n ? 249. Quelle est l’énergie requise pour placer un électron sur une nanoparticule ? 250. Comment se manifestent les effets quantiques ?
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Pour en savoir plus
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Remerciements
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Avant-propos à la 3e édition Une société technoscientifique en évolution Nous vivons incontestablement dans une société où les sciences et les technologies jouent un rôle essentiel. Après la Seconde Guerre mondiale, notre société occidentale a découvert la puissance de la science et des technologies. S’en est suivie une époque d’euphorie scientifique dans les années 1960-1970 – les Golden sixties. Tout le monde était persuadé que les sciences représentaient le sommet du génie humain. Les sciences allaient permettre de résoudre tous les problèmes. La conquête de l’espace, l’avènement de l’électroménager, l’automobile pour tous, la télévision, le confort domestique, l’abondance de biens étaient des facteurs qui ne pouvaient que développer notre croyance dans la toute puissance des sciences et des techniques. Puis, retour de manivelle, dans les années 1970-1980, les hommes découvrent la fragilité de ce nouveau monde. La crise pétrolière de 1973, les accidents de pétroliers, la chute de quelques avions porteurs de bombes nucléaires, la pollution de rivières et des villes, le réchauffement de l’atmosphère, la course effrénée aux armements entraînent un insidieux sentiment de catastrophisme. Tout cela est-il aussi sûr qu’on a voulu nous le faire croire ? Au catastrophisme des années 1980 succède la mise en perspective des problèmes dans la décennie 1990 avec, en prime, la fin de la Guerre froide et l’éloignement – mais pas la disparition – du spectre de la guerre nucléaire. Simultanément, on se rend compte que le développement anarchique ne peut se poursuivre indéfiniment. Et la préservation de l’environnement devient une préoccupation de toutes les générations. Il s’agit donc d’initier un système de « développement durable », dans lequel tout le monde devra trouver son compte. Le passage au nouveau millénaire voit le début de prises de décision importantes pour la survie de l’humanité. Et il ne s’agit pas que de nous, les citoyens des sociétés développées. Mais de toute l’humanité. Il ne faut pas que les habitants des régions en voie de développement atteignent un niveau satisfaisant de développement en répétant nos erreurs. Mais comment faire ? AvAnt-propos
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Un élément important de toute solution passera indubitablement par la prise en compte des aspects scientifiques et technologiques. On ne peut résoudre la question des énergies, de la pollution, etc. en oubliant ou négligeant les technosciences. Or, le monde est complexe, et les solutions le sont aussi.
De la nécessité d’évaluations de données technoscientifiques 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. Pour cela, des données numériques, des évaluations simples (mais non simplistes) sont nécessaires. À ce stade, on se retrouve souvent confronté à un dilemme : moi, non spécialiste, suis-je suffisamment informé pour me forger ma propre opinion, ou dois-je faire appel – et confiance – aux experts ? La réponse n’est pas évidente. Néanmoins, le point de départ de ce livre est que, moyennant des connaissances suffisantes de notions fondamentales de sciences – telles que vues dans l’enseignement secondaire – plus des données techniques, il est possible, dans de nombreux cas, de faire soi-même des calculs d’ordres de grandeur. Ceux-ci permettent, souvent, de faire la part des choses dans les discours de politiciens ou de décideurs, dans les articles généraux. Il s’agit d’une démarche citoyenne essentielle. Pour s’en convaincre, il suffit de lire quelques livres récents sur les projections de l’an 2050 1.
Un chaînon manquant 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, à partir des principes scientifiques fondamentaux, essayer d’effectuer des calculs d’ordres de grandeur, on trouve peu de données utiles. Il est assez facile de trouver des articles ou ouvrages de vulgarisation. On trouve aussi, parfois, des données techniques pointues. Mais, entre les deux, il n’y a guère d’informations utiles. Ce fut la prin1 A. Nicolas, 2050. Rendez-vous à risques, Belin, Paris, 2004. M. Wautelet, Vivement 2050 ! Comment nous vivrons (peut-être) demain, L’Harmattan, Paris, 2007.
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cipale difficulté de la rédaction de ce livre : la collecte de données numériques, le « décorticage » de technologies et de questions scientifiques. Trouver un chiffre nécessaire à une évaluation requiert parfois plusieurs heures de recherche. Si le présent ouvrage permet aux lecteurs de trouver des informations manquantes, un de nos objectifs serait atteint.
Un public multiple 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. Il trouvera ici de quoi nourrir sa réflexion. 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. Notre volonté 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.
Des données qui évoluent et évolueront Le présent ouvrage est basé sur notre intérêt, sur nos opinions également. Lorsque l’on traite de problèmes de société, même à caractères scientifique et technique, il ne faut pas perdre de vue que l’être humain est subjectif. Nous en sommes conscients. Il convient que le lecteur aussi le sache. Le but de l’ouvrage est, certes, de donner des chiffres utiles, mais surtout de montrer comment traiter différents problèmes. Les données numériques sont tirées d’ouvrages, d’articles, de sites Internet trop nombreux pour être tous cités. Mais les chiffres évoluent, le lecteur peut avoir des informations différentes de celles présentées ici. Le but du livre est que tout lecteur puisse, à partir de ses propres informations, refaire ses propres calculs pour se forger sa propre opinion. AvAnt-propos
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Des thèmes personnels Bien entendu, les thèmes impliquant les sciences, les technologies et la société sont nombreux. Nous avons dû opérer une sélection en fonction des questions, nombreuses, que nous nous posons. C’est pourquoi, plutôt que de fournir un texte continu, nous avons préféré une suite de questions-réponses, aussi progressive que possible. D’autres questions sont possibles. Nous invitons le lecteur à nous les faire connaître. Ce livre n’est pas un texte fini, ni doctrinal. Il se veut honnête, le plus exact possible. Et lorsqu’il y a un doute ou matière à contestation des chiffres, cela est noté. Mais nous ne sommes pas omniscients. Bien entendu, pour rédiger l’ouvrage, des discussions, des échanges avec divers spécialistes ont eu lieu. Il ne faut pas perdre de vue que, ici, nous nous limitons à des problèmes simples. Nous nous intéressons à des questions du style « Yaka ». Restons cependant conscients que la solution pratique peut être – et est le plus souvent – complexe. Il est évident qu’il y a loin du principe de base à la réalisation technique pratique.
Des pré-requis… facultatifs Un livre comme celui-ci repose sur un certain nombre de connaissances de base, que nous supposerons acquises. Pour en profiter pleinement, le lecteur doit connaître, ou se rappeler, les notions fondamentales de sciences vues dans le secondaire. Pas de complexes, cependant. Moyennant un minimum d’efforts, le lecteur curieux pourra, nous le croyons, tirer profit de ce livre ! Il n’y a pas de formules mathématiques compliquées. À quelques rares exceptions près, il n’y a que des additions, soustractions, multiplications et divisions. De plus, il n’est pas nécessaire de comprendre chaque formule pour appréhender l’esprit de toutes les réponses faites aux problématiques abordées. La plupart des réponses aux 250 questions qui suivent sont donc accessibles au plus grand nombre, ce qui fait de cet ouvrage un guide pratique à l’usage de tous ! Michel Wautelet Damien Duvivier
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