La masse est une grandeur physique qui indique la quantité de matière présente dans un objet. Elle se note m et s’exprime en général en grammes (g) ou en kilogrammes (kg). On peut bien sûr convertir ces unités si besoin.
Pour la mesurer, on utilise une balance.
Attention à ne pas confondre masse et poids : La masse reste toujours la même, quelle que soit la planète où vous vous trouvez. Le poids, lui, dépend de la force d’attraction exercée par cette planète. Ainsi, un astronaute ayant une masse de 70 kg sur Terre aura toujours 70 kg sur la Lune… mais il "pèsera" beaucoup moins là-bas !
À retenir
Quelle est l’unité de la masse ?
Avec quel instrument mesure-t-on la masse ?
Votre masse change-t-elle si vous allez sur Mars ?
Le volume
Le volume est l’espace qu’occupe un objet ou une substance, qu’il s’agisse d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz. On le note V et il s’exprime en litres (L), en mètres cubes (m³) ou en centimètres cubes (cm³).
Pour les matières qui ne peuvent être versées
Pour les solide de formes simples (cube, sphère…), on peut calculer le volume à l’aide de formules géométriques. Pour les solides de formes irrégulières, on doit le mesurer directement en passant par la méthode de déplacement d'eau. Pour les gaz, on peut le mesurer avec une une méthode par déplacement d'eau adaptée : en le recueillant dans une éprouvette renversée remplie d’eau (le gaz prend la place de l’eau et la chasse). On peut aussi le mesurer en aspirant le gaz dans une seringue graduée.
À retenir
Quelles sont les unités courantes du volume ?
Comment mesurer le volume d’un liquide ?
Comment mesurer le volume d’un objet irrégulier comme une pierre ?
Comment peut-on mesurer le volume d’un gaz ?
Comparer des masses à volume égal
Prenons des cubes de même volume mais de matières différentes. En les posant sur une balance, on constate qu’ils n’ont pas la même masse : à volume égal, certaines matières sont plus lourdes que d’autres.
Exemple : un cube de 1 cm³ de fer est bien plus lourd qu’un cube de 1 cm³ de bois, lui-même plus lourd qu’un cube de 1 cm³ de mousse.
Masse et volume : une proportionnalité
Pour une même matière, si on prend deux fois plus de volume, on obtient deux fois plus de masse : la masse est proportionnelle au volume. Ainsi pour une même matière si le volume double, la masse double aussi. De même si la masse triple, le volume triple aussi.
Volume d’eau
Masse
1 L
1000 g
2 L
2000 g
3 L
3000 g
Pour l’eau : 1 L pèse 1000 g, donc 2 L pèsent 2000 g et 3 L pèsent 3000 g.
Prévoir l’ordre de deux liquides
Cette idée permet de prévoir comment se rangent deux liquides qui ne se mélangent pas (non miscibles) : à volume égal, le liquide le plus "lourd" descend au fond, le plus léger reste au-dessus.
Exemple : à volume égal, l’huile est plus légère que l’eau ; l’huile flotte donc au-dessus de l’eau.
À retenir
À volume égal, deux matières différentes ont-elles la même masse ?
Pour une même matière, que devient la masse si on double le volume ?
Entre deux liquides non miscibles, lequel se place au fond ?
La masse volumique, le lien entre masse et volume
La masse volumique indique combien de masse contient un certain volume d’un matériau. On pourrait dire que c’est « la lourdeur par unité de volume ». Par exemple, l’eau pure possède une masse volumique de 1000 g/L, ce qui signifie que 1 litre d’eau a une masse de 1000 g (ou 1 kg). À volume égal, un objet plus lourd possède donc une masse volumique plus élevée.
Cette notion explique aussi pourquoi certains liquides se superposent lorsqu’ils ne se mélangent pas (on dit qu’ils sont non miscibles). Le liquide ayant la plus faible masse volumique se place toujours au-dessus, et celui ayant la plus forte masse volumique descend au fond. C’est pourquoi l’huile flotte sur l’eau, ou encore pourquoi le miel coule sous l’eau.
Cette propriété est utile en cuisine pour créer des boissons ou desserts à couches, en chimie pour séparer des liquides par décantation, ou encore dans l’environnement pour récupérer du pétrole flottant à la surface de l’eau après une marée noire.
À retenir
Qu’est-ce que la masse volumique ?
Pourquoi l’huile flotte-t-elle sur l’eau ?
Dans quel ordre se superposent l’eau (1000 g/L), l’huile (920 g/L) et le miel (1400 g/L) ?
Donne un exemple concret d’utilisation de la différence de masse volumique.
Calculer et utiliser la masse volumique
On note la masse volumique avec la lettre grecque ρ (rhô). La relation fondamentale est :
$$\rho = \frac{m}{V}$$
où : $ρ$ est la masse volumique, $m$ la masse de l’objet, $V$ son volume.
Les unités doivent être cohérentes : si la masse est en grammes et le volume en litres, la masse volumique sera en g/L. Si la masse est en kilogrammes et le volume en mètres cubes, elle sera en kg/m³.
Exemple : un échantillon de 150 g occupe un volume de 0,2 L. On applique la formule :
$$\rho = \frac{150}{0,2} = 750 \ \text{g/L}$$
Cela correspond par exemple à la masse volumique de l’essence.
Chaque substance possède sa propre masse volumique, ce qui en fait une sorte de « carte d’identité ».
Tableau des Masses Volumiques
Matériau
Masse volumique (g/cm³)
Masse volumique (kg/m³)
Comportement dans l'eau
Utilisation courante
Métaux
Aluminium
2,70
2 700
Coule
Canettes, avions, ustensiles
Fer
7,87
7 870
Coule
Construction, outils
Cuivre
8,96
8 960
Coule
Câbles électriques, plomberie
Plomb
11,34
11 340
Coule
Batteries, protection radiologique
Or
19,30
19 300
Coule
Bijoux, électronique
Liquides
Eau
1,00
1 000
Référence
Boisson, nettoyage, transport
Huile d'olive
0,92
920
Flotte
Cuisine, cosmétiques
Essence
0,75
750
Flotte
Carburant automobile
Mercure
13,53
13 530
Coule
Thermomètres (historique)
Solides courants
Bois de pin
0,50
500
Flotte
Construction, meubles
Bois de chêne
0,75
750
Flotte
Meubles, tonnellerie
Plastique PET
1,38
1 380
Coule
Bouteilles, textiles
Verre
2,50
2 500
Coule
Fenêtres, contenants
Béton
2,40
2 400
Coule
Construction, routes
Glace
0,92
920
Flotte
Refroidissement, icebergs
Gaz (à 20°C, 1 atm)
Air
0,00120
1,20
Monte dans l'eau
Respiration, atmosphère
Hélium
0,00018
0,18
Monte dans l'air
Ballons, plongée
Dioxyde de carbone
0,00198
1,98
Descend dans l'air
Boissons gazeuses, extincteurs
En laboratoire ou dans la vie quotidienne, mesurer la masse volumique d’un matériau permet d’identifier une substance inconnue ou de vérifier sa pureté. Par exemple, l’eau pure à 4°C a exactement 1000 g/L ; si on trouve une valeur différente, cela signifie qu’il y a des impuretés (comme du sel dans l’eau de mer).
À retenir
Quelle est la formule de la masse volumique ?
Calcule la masse volumique d’un échantillon de 200 g occupant 0,25 L.
Comment identifier une substance inconnue grâce à sa masse volumique ?
Pourquoi la masse volumique de l’eau de mer est-elle plus élevée que celle de l’eau douce ?
