Énergie

SC IE N CE S ET TE C HN O L O GI E
Biolo gie
La concept de vivant
Les caractéristiques des êtres vivants.
Une composante chimique et une organisation constantes.
On retrouve, dans des proportions différentes, les mêmes éléments chez tous les êtres
vivants (eau, glucides, lipides, protides, sels minéraux, vitamines, acides nucléiques).
La cellule est l’élément de base de chaque être : elle est toujours composée par un noyau et
un cytoplasme (comprenant des organites) et est délimitée par la membrane cytoplasmique. Si
l’être est unicellulaire, alors la cellule remplit toutes les fonctions (nutrition, reproduction,
communication), s’il est pluricellulaire, il y a alors une spécialisation de chaque cellule et une
hiérarchisation en cellules, tissus, organes, appareils (cf. plus loin…).
Les êtres vivants entretiennent entre eux et avec le milieu une relation
de dépendance.
-
Relations de nature alimentaire. Elles sont de l’ordre de la matière (alimentation,
excrétion) ou de l’énergie (respiration ou photosynthèse) :
Les échanges peuvent être gazeux entre un individu et son milieu (entrée d’O2 et sortie de
CO2 ou l’inverse pour les plantes chlorophylliennes)
Entrée de matière organique ou minérale et excrétion pour les animaux ou entrée de sels
minéraux et sudation pour les plantes.
-
Relations de communication. Deux niveaux, externe à l’animal et interne :
Cas d’un signal émis par le milieu ou un autre animal. La communication est du type
« stimulus-réponse » et implique la présence d’un organe récepteur (un sens) qui transforme le
signal en influx nerveux, l’envoie au cerveau qui transmet une réponse aux organes effecteurs.
Communication entre deux organes : elle peut être nerveuse ou hormonale.
Les êtres vivants passent par différentes étapes au cours de leur vie et
assurent leur pérennité.
Voir, plus loin, la reproduction.
Les êtres vivants présentent une grande diversité qui est le résultat de
leur évolution au cours des temps géologiques.
Les espèces n’ont pas toujours existé : des groupes apparaissent, se développent et
disparaissent, d’autres se transforment assez pour continuer… il y a aujourd’hui près de 2
millions d’espèces animales identifiées… Il en existe peut être 10 à 100 fois plus !
Une organisation hiérarchisée des êtres
vivants pluricellulaires.
Chaque fonction a pour support un organe ou un appareil.
Organisme : être complet pourvu de fonctions vitales assurées par différents systèmes ou
appareils.
Système ou appareil : groupe d’organes. Chacun accomplit une fonction spécifique et
participe au fonctionnement de l’ensemble.
Organe : ensemble de tissus différents, chacun accomplissant une fonction spécifique.
Tissu : ensemble de cellules ayant des caractéristiques communes et accomplissant la même
fonction.
Cellule : unité de base du vivant, elle présente un plan d’organisation constant mais varie
sur la taille, la forme et l’abondance ou non de certains organites. Elle est donc spécialisée
pour une tâche précise.
Une approche systémique du vivant.
Chaque être présente des « entrées » de matière, d’énergie, et des « sorties » : échanges
constants avec le milieu, c’est un système ouvert.
L’évolution des espèces et la classification.
La notion d’espèce.
Deux êtres vivants sont d’une même espèce s’ils se ressemblent (critère de similitude) et
s’ils sont interféconds (critère d’interfécondité).
Elles sont désignées selon la nomenclature binominale de Linné (XVIIIe siècle) : Canis
Lupus (le loup…), Canis désigne le genre (ici, canidés) et Lupus l’espèce (le loup).
L’apparition des espèces.
Bactérie primitive : 3,5 milliards d’années.
Premiers vertébrés : 400 millions d’années
Premiers mammifères : 200 millions d’années.
Premiers hommes : 3 millions d’années.
L’idée d’évolution.
Elle est l’œuvre de Lamarck (XVIIIe) puis de Darwin (XIXe) et précise que les espèces, par
la sélection naturelle, ont évolué pour s’adapter à leur milieu. Elles transmettent à leurs
descendance des caractères communs et ces modifications. Si l’on trouve le même caractère chez
deux individus d’espèce différente, alors ils ont un ancêtre commun, hypothétique. Il est dit
exclusif, n’étant pas l’ancêtre d’autres espèces n’ayant pas ce trait là (les recherches sur l’ADN ont
considérablement fait avancer cette idée).
D’autre part, une espèce animale ou végétale est toujours issue d’une espèce plus ancienne
dont elle a dérivé par transformations successives. L’étude des fossiles nous permet de montrer
ses évolutions.
La compréhension de la diversité du vivant : des classifications
traditionnelles à la phylogénie.
Trier et classer sont deux opérations différentes.
Trier : discriminer des objets selon un mode binaire (possède/na possède pas de vertèbres,
de pattes…). Le lecteur est donc guidé par un choix simple afin de trouver le bon nom. Trier
permet de reconnaître une espèce (généalogie : qui descend de qui ?).
Classer : mettre ensemble des objets sur la base de critères communs. Pour les
scientifiques, il s’agit de regrouper les espèces sur la base de caractères communs qui vont être
hiérarchisés. Cela créée des groupes emboîtés (phylogénie : qui est plus proche de qui ?).
Le cycle de développement des êtres vivants.
Thème. Croissance et développement des êtres vivants, notion de cycle.
Les étapes de développement diffèrent selon les espèces en fonction
de l’aspect du jeune à la naissance.
Si le petit ressemble à l’adulte (homme, chat, poule, escargot…) on lui donne le nom de
jeune et on parle de développement direct.
S’il diffère (grenouille, crabe, papillon, huître…), il prend le nom de larve et on parle de
développement indirect. Les transformations conduisant à l’âge adulte sont appelées
métamorphoses. Elles peuvent être progressives (de têtard à la grenouille) ou avoir des phases
très marquées (stade nymphal de la chenille au papillon, par exemple, la nymphose). Ces
métamorphoses peuvent être liées à un changement de milieu (larve aquatique de la libellule,
adulte aérien) ou de régime alimentaire (du têtard végétarien à la grenouille carnivore). Elles
peuvent enfin êtres complètes (développement indirect avec nymphose marquée) ou incomplètes
(le développement des organes se fait progressivement, par mues successives sans que l’animal ne
se transforme totalement, les organes sont ébauchés dès la naissance). Les jeunes y sont souvent
improprement dénommés larves.
La croissance.
Elle est continue lorsque le revêtement cutané n’est pas rigide (mammifères…).
Chez les animaux à carapace ou à squelette externe non extensible (arthropodes),
l’augmentation de la taille ne peut se faire qu’au cours des mues, quand l’animal sort de sa
carapace et que sa nouvelle cuticule se rigidifie. La croissance est discontinue et en paliers.
Étapes du développement et croissance
chez les plantes à fleurs.
De la graine à la plantule : les étapes de la germination.
Une graine contient l’embryon, les réserves et les téguments (enveloppe de la graine). La
germination commence par le développement de la radicule (partie du plantule constituant la
racine embryonnaire) qui s’enfonce dans le sol. La tige se développe peu après. Dans cette phase,
le plantule puise dans les réserves. Dès l’apparition des feuilles vertes, la plante peut fabriquer sa
propre matière organique.
Il y a deux types de germination : la germination hypogée (de hypo-, en dessous et -gé, terre),
la tigelle ne se développe pas et reste dans le sol (blé ou pois) ; la germination épigée (de epi-, au
dessus et -gé, terre), la tigelle se développe et emmène avec elle les cotylédons (enveloppes
contenant les réserves) qui flétrissent.
La germination conduit à la formation de méristèmes, massifs de cellules indifférenciées.
L’un d’eux, au sommet de la tige, va provoquer la formation de la tige, un autre, à l’extrémité de
la racine, va développer tout le réseau souterrain.
Les conditions de la germination.
Eau, oxygène, température sont indispensables. Souvent bien des graines sont en
dormance : elles ne germent qu’après le passage du froid, afin d’éviter une germination en
automne qui exposerait la jeune plante aux gels de l’hiver. Dans cet état, les graines ont une vie
ralentie et réduisent les échanges avec le milieu au minimum.
Au retour du printemps, la graine se gorge d’eau, les échanges reprennent et la germination
débute.
De la plantule à la plante : croissance, étapes du développement et
conditions nécessaires.
Croissance en grandeur et en largeur discontinue, soumise au rythme des saisons, mais sans
arrêt jusqu’à la mort de l’individu : allongement en hauteur par le développement de nouvelles
tiges, dues aux bourgeons terminaux (des méristèmes) et l’apparition de feuilles ; accroissement
en épaisseur du au fonctionnement des cellules situées sous l’écorce ; allongement et ramification
des racines. Elle nécessite lumière (photosynthèse), obscurité (synthèse des hormones de
croissance), air, eau, sels minéraux et une température appropriée.
Floraison et fructification sont cycliques et dépendent du rythme des saisons.
La notion de cycle de développement et de
cycle saisonnier chez les plantes et les
animaux.
Cycle de développement : évolution depuis la formation de l’œuf jusqu’à la formation d’une
nouvelle génération.
Les étapes de l’œuf à l’adulte ont une durée très variable selon l’espèce (de quelques jours à
plusieurs années…).
Les phases de reproduction varient elles aussi. Si l’animal ne vit que très peu de temps, une
seule fois dans sa vie (coccinelle) ; une fois l’an pour les plantes annuelles ou les plantes et
animaux liés au rythme des saisons (nécessité d’une dormance ; volonté que les jeunes soient
aptes à passer l’hiver) ; tous les deux ans (oignons), plusieurs fois au cours d’une année (souris…)
ou encore sans aucune relation avec le milieu autre que la période de fécondité de la femelle et le
temps de gestation (qui interdit toute fécondation), comme chez l’homme. Des paramètres d’auto
régulation de population peuvent accélérer ou ralentir les périodes de fécondité.
Particularités du cycle de développement
chez l’homme
Allongement de la taille entre la naissance et l’âge adulte est de près de 300 % (de 50 cm à
1,50/1,85m). La croissance est continue mais pas régulière : deux périodes d’accélération de la
croissance vers 6 ans puis à la puberté.
Le jeune n’a pas terminé le développement de son système nerveux ni celui de ses systèmes
musculaire et osseux. Il y a deux dentitions successives.
Le développement pubertaire est important : garçons et filles connaissent de profonds
changements physiques et comportementaux.
Les caractéristiques du développement pubertaire.
Voir tableau p.351 du Hatier.
Le développement de la denture.
Dents de lait vers 6 ou 7 mois en général. À 3 ans, la première dentition est complète (20
dents de lait). Les bourgeons des dents définitives se développent dans la mâchoire et résorbent
les racines des dents de lait qui tombent. Les dents définitives apparaissent entre 6 et 11 ans, les
dents de sagesse vers 20. Dentition complète : 32 dents.
La croissance osseuse et les facteurs de croissance.
Le squelette est d’abord cartilagineux et s’ossifie progressivement. La croissance dépend de
multiples facteurs :
-de facteurs externes : alimentation, facteurs psy, climatiques (le soleil permet a synthèse de
la vitamine D antirachitique), qualité du sommeil profond (pendant lequel est synthétisée
l’hormone de croissance).
-de facteurs internes hormonaux (hormone de croissance sécrétée par l’hypophyse ; autres
hormones de la thyroïde et des parathyroïdes.
-de facteurs génétiques héréditaires.
La reproduction sexuée des animaux et de l’homme.
Thème 1. Reproduction sexuée des animaux.
Les étapes antérieures à la fécondation :
des individus sexués à la formation de l’œuf.
Les caractères sexuels différencient les mâles et les femelles d’une
même espèce.
Les caractères sexuels primordiaux et primaires correspondent au sexe déterminé
physiologiquement chez l’embryon : testicules, spermiducte, pénis chez le mâle, ovaire, oviducte,
utérus, vagin chez la femelle).
La gamétogenèse (formation des gamètes) a lieu dans les gonades, l’ovaire pour
l’ovogenèse, testicules pour la spermatogenèse. Les gamètes sont des cellules composées d’un
cytoplasme et d’un noyau qui n’est composé que de la moitié des chromosomes. La rencontre des
deux gamètes rétablit le nombre exact.
Les caractères sexuels secondaires ou morphologiques n’ont aucun rapport anatomique
avec l’appareil reproductif, il permet d’identifier les individus selon leur genre : dimorphisme
sexuel. Les mâles sont souvent plus colorés, ont des attributs particuliers (crête du cop, crinière
du lion) et sécrètent des phéromones. Des comportements variés permettent l’approche des deux
partenaires : visuels, sonores, olfactifs, tactiles. De véritables parades nuptiales permettent
l’accouplement ou la ponte ovulaire.
La fécondation : un événement fondamental.
Fusion de deux gamète, elle a pour résultat la cellule-œuf ou zygote. Elle peut avoir lieu
dans le corps de la femelle (fécondation interne) ou pas (fécondation externe) et être, ou pas, le
résultat d’un accouplement.
Les étapes postérieures à la fécondation :
les modalités de développement de la
cellule-œuf.
Elle se divise un certain nombre de fois et les cellules se différencient en un embryon qui se
développe alors hors du corps de la femelle (ovipares) ou dedans (ovovivipares et vivipares).
Les ovipares pondent des œufs dans le milieu extérieur. Ils sont pourvus d’une réserve
énergétique dans laquelle l’embryon puise, sans aucun lien nutritionnel avec la femelle. Dans
l’eau, ils ont une enveloppe protectrice et sont à l’abris de la déshydratation et des écarts de
température. Vulnérables, le grand nombre d’œufs pondus équilibre les pertes. Sur terre, ils sont
protégés par une coquille plus ou moins dure qui les protègent des variation climatiques.
Les ovovivipares pondent des œufs qui restent à l’intérieur du corps de la femelle, sans
aucun lien avec elle (sauf chez quelques espèces).
Les vivipares conservent l’œuf fixé à l’utérus. L’embryon se développe en lien étroit avec la
mère, via le placenta organe provisoire qui gère les échanges entre les systèmes sanguins de la
mère et de l’enfant (gaz respiratoires, nutriments, déchets). Ce développement ne prend fin
qu’avec la parturition (accouchement).
Les attitudes envers la progéniture sont très variées : certains animaux abandonnent les
œufs, en les mettant ou pas près d’une source de chaleur ou de nourriture ou pas ; d’autres s’en
occupent ; ils peuvent ensuite protéger et nourrir les petits, seulement les protéger ou alors les
laisser…
Œuf et cellule-œuf : le point sur le
vocabulaire.
Le langage courant n’utilise le mot œuf qu’afin de désigner l’œuf de la poule. Il est
nécessaire d’élargir cette conception restreinte. Il faut aussi passer d’une vision macroscopique de
l’œuf, visible, à celle de l’œuf microscopique ou même de cellule-œuf caché dans le corps de la
femelle. Les scientifiques préfèrent parler de cellule-œuf pour désigner la première cellule issue de
la fécondation, laissant le vocable œuf pour celui des ovipares, qui désigne alors aussi bien la
cellule-œuf que l’œuf lui-même, pourvu d’importantes réserves énergétiques.
Des particularités : hermaphrodisme et
parthénogenèse.
Hermaphrodisme. Cas des escargots, des lombrics : ils développent les deux appareils
génitaux, mais sont rarement en mesure de se féconder seuls, ils échangent des spermatozoïdes
lors de l’accouplement.
Parthénogenèse. Certaines espèces (puceron, daphnie, phasme…) peuvent donner
naissance sans intervention du mâle. À partir d’une ovule qui par divisions et différenciation
donne une femelle identique. Ce système permet la prolifération d’une espèce à la belle saison,
mais est toujours couplé à une reproduction sexuée afin d’assurer la variabilité génétique de
l’espèce.
Chez les abeilles, ce mode permet la différenciation des individus de la société : les
ouvrières ou les reines naissent d’œufs fécondés, tandis que la parthénogenèse donne des mâle
(ou faux-bourdons).
Thème 2. Reproduction humaine et sexualité.
De la fécondation à la nidation dans
l’utérus.
Quelques heures après la fécondation, la cellule-œuf commence à se diviser. Elle continue
son trajet dans l’oviducte pour finalement se fixer à l’utérus autour du 6e jour. Cette nidation
marque le début de la grossesse.
Le développement et la croissance du futur
bébé.
Il dure environ 9 mois (2 mois en tant qu’embryon, fœtus ensuite). Les principales
fonctions sont crées à ce moment là.
0 mois : ébauche de cœur et de cerveau
1 mois : le cœur bat let le sang circule, poumons et intestins se forment, des bourgeons de
membres apparaissent.
2 mois : le cerveau grandit, l’œil apparaît, le visage et les membres se forment. Tous les
organes sont individualisés à la fin de cette période embryonnaire.
3 mois : le sexe est reconnaissable, le fœtus est animé de mouvements.
4 mois : l’appareil circulatoire est formé, les reins fonctionnent, le fœtus bouge maintenant
de manière perceptible.
5 mois : Le squelette s’organise, les ongles sont formés, les organes grandissent.
6 mois : le réflexe de succion est en place.
7 mois : le fœtus ouvre les yeux et perçoit les sons.
8 mois : la croissance générale se poursuit.
9 mois : parturition.
Les échanges placentaires.
L’embryon se développe dans la poche amniotique composée d’un liquide, l’amnios. Son
système respiratoire ne fonctionne pas, il récupère l’oxygène dont il a besoin par le placenta qui
permet de puiser dans le sang de la mère ce qu’il a besoin et d’y rejeter ses déchets. Il est relié au
placenta par le cordon ombilical, composé d’une veine et d’une artère ombilicales. La veine
achemine les nutriments vers l’embryon, tandis que l’artère collecte les déchets et les envoie dans
le corps de la mère.
La reproduction sexuée et asexuée des plantes à fleur.
Thème 1. Reproduction sexuée des plantes à fleur.
Tous les végétaux qui ont des fleurs ont des graines. Ceux qui ne font pas de fruit
produisent un ovule gymnosperme (gymnos-, nu ; -sperma, semence), sans ovaire ; avec un fruit
(donc un ovaire), ils sont angiospermes (angio-, enveloppe).
De la fleur au fruit
Exemple de la fleur de cerisier (p. 370 du Hatier). Elle est constituée de pétales (deux
groupes de 5), d’une vingtaine d’étamines contenant du pollen dans une petite poche nommée
anthère et d’un pistil composé d’un ovule sis au cœur d’un ovaire surmonté d’un style terminé par
un stigmate (une tige se préparant à recevoir du pollen venu d’un autre arbre…). Après la
fécondation, les feuilles tombent pendant que les étamines flétrissent. L’ovaire grossit tandis que
l’ovule a durci : le fruit se forme. Finalement, étamines et pétales sont tombés, seuls demeurent
l’ovaire qui est devenu un fruit charnu dur à l’intérieur : la graine.
Des gamètes à la graine
Voir p. 371 du Hatier.
Deux étapes : pollinisation et fécondation.
La pollinisation est le transport du pollen des étamines sur le stigmate du pistil. Une fois
fixé sur le stigmate, le pollen germe et émet un tube pollinique dans le stigmate jusqu’à l’ovule. À
l’intérieur : deux spermatozoïdes différenciés. L’un d’eux va féconder la cellule femelle ou
oosphère : c’est la fécondation principale qui va donner le nouvel individu. Le deuxième féconde
un ensemble de deux autres noyaux cellulaires de ce même ovule : cette deuxième cellule-œuf va
évoluer en substances de réserve.
La pollinisation.
Différents types de pollinisation.
Les étamines et le pollen sont mûrs en même temps : il y a possibilité d’autopollinisation, le
pollen est fécondant pour cette fleur.
Les étamines et le pollen ne sont pas mûrs en même temps : le pollen peut être fécondant
pour une autre fleur dont le pistil est arrivé à maturité, il y a une pollinisation croisée.
Certaines fleurs comme la tulipe bénéficient des deux types de pollinisation.
Si les fleurs possèdent soit les étamines, soit le pistil, que les fleurs mâles et femelles soient
sur le même plant (maïs) ou pas (dattier, kiwi…), il y a nécessité de pollinisation croisée.
Agents de transport du pollen.

Par les animaux (souvent des insectes) attirés pour puiser du nectar, ils se poudrent
de pollen et se déplacent d’une fleur à l’autre (du coup ces fleurs sont souvent très
colorées).

Par le vent. Fleurs apétales (ou avec des pétales peu attractives pour les insectes)
avec de longues et souples étamines, aisément agitées par le vent. Les stigmates
sont plumeux afin de récupérer les pollen libéré.
Différents types de fruits
Il comprend trois parties (épicarpe, mésocarpe, endocarpe)
Si le mésocarpe regorge de réserve, le fruit est charnu :

Avec un endomètre qui se solidifie, on obtient un fruit à noyau (cerise)

Si l’endomètre ne se solidifie pas, on obtient un fruit à pépins (raisins)
Si le mésocarpe ne comprend que très peu de réserves, on a un fruit sec :

S’il s’ouvre à maturité pour laisser échapper des graines, on a un fruit déhiscent
(gousse de haricot)

Sinon, on a un fruit indéhiscent (samare de frêne)
Un vrai fruit est issu de l’ovaire (cerise), s’il est constitué du réceptacle hypertrophié de la
fleur, c’est un fruit composite (fraise, dont les vrais fruits sont les akènes disposés à la surface du
réceptacle ou la pomme, composée d’un fruit et d’un composite, soudés).
Thème 2. Reproduction asexuée ou multiplication végétative des
plantes à fleurs
Elle vient toujours en complément d’une reproduction sexuée. Elle permet la formation de
nouveaux individus à partir de fragments d’un individu initial. Les nouveaux individus sont tous
identiques entre eux et permettent une rapide colonisation du milieu.
Elle est possible à partir des racines (framboisiers) ; de stolons, tiges aériennes rampantes
qui s’enracinent au contact du sol (fraisiers) ; de tubercules, tiges souterraines dont les bourgeons
se développent (pomme de terre) : de bulbes contenant un bourgeon floral se développant à l’air
mais dont les réserves sont aussi utilisées pour produire un nouveau bourgeon bulbe.
Cette reproduction a permis de développer des techniques de multiplication végétative
artificielles :

Le bouturage consiste à enterrer en partie ou totalement un fragment d’organe
végétal pour donner une nouvelle plante (géraniums).

La marcottage : on enterre une partie de la tige d’une plante, en liaison avec elle.
Elle se développe puis on coupe la liaison (fraisiers, vignes…).

L’éclatage consiste à fragmenter une plante en plusieurs parties qui se développent
une fois remises en terre.

La greffage afin de multiplier les arbres fruitiers de bonne qualité : une bouture
(greffon) est prélevée et greffée sur un autre individu (le porte greffe).
Les fonctions de nutrition animale (1), alimentation,
digestion, absorption, excrétion, hygiène alimentaire.
Thème 1. Nutrition, alimentation, hygiène alimentaire.
La fonction de nutrition : un modèle systémique ouvert.
Voir le document 1 « Échanges nutritionnels entre un organisme et son milieu », p. 383 du
Hatier.
Globalement, il y a entrée d’énergie et de matière dans le corps par la prise d’aliments
(terme considéré au sens large : substance fournissant des composés utiles au corps, soit comme
éléments de croissance ou de réparation de l’organisme, soit comme éléments de régulation
vitale), qui sont ensuite synthétisés en énergie ou en matières organiques. Une fois utilisés, ils sont
évacués.
Les aliments minéraux ou organiques.
Les aliments minéraux sont des substances non synthétisées par des êtres vivants, mais
dont ils ont besoin (eau, sels minéraux).
Les aliments organiques sont synthétisés par les êtres vivants. Contiennent touts du
carbone, et sont classés en 4 catégories : glucides, lipides, protides et vitamines (catalyseurs de
réaction chimique, sont indispensables, mais nécessaires en très petites quantités).
Aliments simples ou composés, aliments complets.
Aliments simples : sont constitués d’une des trois catégories organiques, glucide
(saccharose), lipide (huile) ou protide (blanc d’œuf).
Aliments composés : deux ou trois catégories (farine, œuf…) d’aliments simples.
Aliments complets : composés de toutes les catégories (lait composé d’un glucide, le
lactose, d’un lipide, la crème et d’un protide, la caséine).
Se référer au tableau 2 p. 384 du Hatier sur les aliments organiques simples (glucides,
lipides et protides) et leur synthèse.
Aliments énergétiques, plastiques ou fonctionnels.
Énergétiques : produire de l’énergie.
Plastiques : fabriquer de la matière.
Fonctionnels : participer au fonctionnement de l’organisme.
Voir tableau p. 385 du Hatier ;
À retenir : Les glucides remplissent les trois fonctions (amis ont une nette dominante
énergétique…) ; les protides ont surtout un rôle plastique car ils fournissent les huit AAE (Acides
Aminés Essentiels) non synthétisés par l’être humain (il lui est donc impossible de les obtenir
autrement que par l’alimentation) ; les lipides ont aussi surtout un rôle plastique en fournissant les
trois AGE (Acides Gras Essentiels) qui entrent dans la constitution des membranes cellulaires.
Règles de l’hygiène alimentaire.
Un menu varié doit couvrir les besoins qualitatifs, apporter toutes les catégories d’aliments,
et quantitatifs, apporter une certaine dose de kilojoules (kJ), dont la quantité varie selon l’aliment.
Les plus énergétiques sont les lipides (coefficient de conversion de 37,62 : pour 100 g de lipides,
on produit 3762 kJ), les glucides et les protides sont équivalentes (coefficient : 16,72). Un menu
équilibré comprendra en théorie 58 % de glucides, 30 % de lipides, 12 % de protides. Cette prise
sera espacée au long de la journée : 30 % des kJ au petit-déjeuner, 40 % au déjeuner et 30 % au
dîner.
Les familles d’aliments.
Famille 1. Viandes, œufs, poissons (protéines d’origine animale)
Famille 2. Lait, fromages (calcium, protéines et lipides des produits laitiers, origine animale)
Famille 3. Beurre, huile, noix, charcuterie (lipides d’origine animale ou végétale)
Famille 4. Pain, pâtes, pommes de terre, riz (glucides dits « sucres lents », féculents)
Famille 5. Légumes cuits ou crus, fruits (fibres, non digestibles, et glucides dits « rapides »)
Famille 6. Eau, jus de fruits.
Déséquilibres alimentaires et maladies nutritionnelles.
Maladies par carence comme le Kwashiorkor, chez les enfants sevrés et nourris
uniquement de féculents (carence protéique en quantité et en qualité, absence des AAE) ou le
Marasme (carence globale en aliments protéiques ou énergétiques).
Maladies par excès sont des maladies cardiovasculaires et l’obésité.
Thème 2. Digestion et absorption, excrétion.
Un peu de vocabulaire…
Une enzyme est un catalyseur (molécule qui active certaines réactions). Dans le cas de la
digestion, elles permettent la simplification par hydrolyse (dégradation par l’eau) des molécules
des aliments en nutriments (molécule simple, petite et soluble : glucose, AGE et glycérol, AAE).
Parmi les enzymes on peut citer l’amylase, contenue dans la salive qui simplifie l’amidon cuit en
maltose ; la lipase pancréatique qui agit sur les lipides émulsionnées par la bile : la pepsine du suc
gastrique, une protéase qui agit sur les protides (longues chaînes de protéines) et les transforme
en peptides (chaînes plus courtes).
L’appareil digestif de l’homme et les étapes de la digestion.
Bouche : broyage et insalivation. Action de l’amylase en milieu basique.
Œsophage (longueur : 25 cm ; c’est un muscle…)
Estomac (contenance : 1,5 l ; sécrétion de suc gastrique : 2 l) : brassage des aliment. Action
de la protéase qui agit en milieu acide.
Intestin grêle (longueur : 5 à 6 mètres ; diamètre : 2 à 3 cm ; sécrétion de suc intestinal :
3 l) : brassage des aliments par les muscles de l’intestin. Action des sucs pancréatiques.
Foie (poids : 1,5 kg ; sécrétion de bile : 0,5 l). Sécrétion de la bile stockée dans la vésicule
biliaire. Elle n’est pas un suc digestif (ne contient aucune enzyme) mais permet l’émulsion des
graisses en fines gouttelettes afin de faciliter l’action de la lipase pancréatique.
Pancréas (sécrétion de suc pancréatique : 0,7 à 0,8 l). Sécrétion d’amylase, de lipase et de
protéases.
Gros intestin (longueur : 1 mètre ; diamètre : 5 à 8 cm). Fermentation de la cellulose et
putréfaction des protides sous l’action des nombreuses bactéries.
Les enzymes digestives et leur rôle.
Une enzyme est toujours spécifique à un type d’aliment. Elle se lie à une molécule
d’aliment afin de la dégrader ou d’en permettre la synthèse. Après cette action, elle est de
nouveau disponible pour une autre molécule : les besoins en enzyme sont donc très faibles.
La distribution des nutriments aux organes, une nécessaire continuité.
Le corps a tout le temps besoin de nutriments… mais la prise d’aliment est discontinue :
divers tissus ou organes ont pour fonction de stocker. Le foie, par exemple, stocke le glucose
sous forme de glycogène et le restitue à la circulation à raison de 0,8 g de glucose par litre de
sang. Les tissus adipeux mettent en réserve les lipides et des glucides, restitués sous forme des
AGE et de glycérol.
L’appareil digestif chez quelques animaux.
Le principe reste toujours le même : absorption d’aliment, assimilation, excrétion. Des
adaptation sont toutefois observées selon le milieu et le régime (estomacs multiples chez les
ruminants : la panse, le bonnet, le feuillet et la caillette ; jabot chez les oiseaux, avec un estomac
double, une partie glandulaire et un gésier, musculeux ou non…).
Les fonctions de nutrition animale (2), respiration et
circulation sanguine.
Thème 1. La respiration, description anatomique, mécanique
ventilatoire, échanges gazeux et production d’énergie.
L’organisation de l’appareil respiratoire de
l’homme.
Les voies respiratoires conduisent l’air jusqu’aux alvéoles pulmonaires sans participer aux
échanges gazeux :

les fosses nasales

Le pharynx (carrefour des voies digestives et respiratoires)

Le larynx (pomme d’Adam, lieu où sont situées les cordes vocales).

La trachée artère, maintenue béante par des anneaux cartilagineux incomplets.

Les bronches se divisent en bronchioles de plus en plue fines.

Les poumons sont entourés des deux feuillets de la plèvres. Organes élastiques, ils
comprennent les bronchioles qui se terminent par les alvéoles pulmonaires, lieu des
échanges gazeux.
La mécanique ventilatoire.
Le corps n’a aucune réserve d’oxygène : un renouvellement constant est obligatoire, il est
permis par la ventilation pulmonaire.
L’explication du gonflement des poumons.
La contraction du diaphragme et des muscles costaux augmentent la volume des poumons,
ce qui créée un appel d’air.
Le renouvellement de l’air dans les poumons.
Il n’est jamais total. L’air inspiré n’excède pas 0,5 litres en respiration normale. Ce chiffre
monte de 1,75 à 2,5 litres (selon l’âge, le sexe, la corpulence) en inspiration forcée, et il s’ajoute au
volume d’air respiratoire expiré lors d’une expiration forcée (0,75 à 1,5 litres). Ces trois volumes
ajoutés forment la capacité vitale, qui se situe donc entre 3 et 4,5 litres. Il reste encore de l’air
résiduel dans les poumons, à hauteur de 1 à 1,5 litres environ. La capacité totale d’air est donc
d’environ 6 litres.
Les échanges gazeux.
Nature et lieux des échanges.
La comparaison des volumes d’air expirés et inspirés montrent la diminution du volume
d’O2 (5 ml par cl d’air) et une augmentation des volumes de CO2 (près de 5 ml) et de H2O (à
saturation). La comparaison des teneurs en O2 et en CO2 entre le sang entrant et le sang artériel
des poumons montrent bien que les échanges gazeux s’y passent.
Au niveau des organes, une comparaison similaire montre que des échanges gazeux
inverses y ont lieu au niveau des cellules.
Comment se font les échanges ?
Ils se font par diffusion au niveau des membranes des capillaires sanguins et des cellules
par différence de pression de part et d’autre des surfaces d’échange. L’O2 et le CO2 sont tous
deux véhiculés par le sang combinés à l’hémoglobine (en oxyhémoglobine et en
carbaminohémoglobine) ou dissous dans le plasma pour le dioxyde de carbone (l’affinité du
monoxyde de carbone est deux cent fois supérieure qu’avec le dioxygène, ce qui explique
l’asphyxie rapide en cas d’exposition).
La production d’énergie au niveau
cellulaire.
Elle se fait par la combustion complète du glucose :
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + Énergie (ATP)
ATP : Adénosine Triphosphate
L’appareil respiratoire et la respiration chez
quelques animaux.
Les appareils respiratoires changent selon les animaux.
Chez les insectes, les échanges se font par trachées, canaux qui relient les organes avec le
milieu extérieur, sans système respiratoire.
Chez les animaux ayant un système respiratoire il y a toujours une surface d’échanges
permettant la diffusion des gaz entre le milieu extérieur et l’intérieur.
Thème 2. La circulation sanguine ; un transporteur : le sang, une
pompe : le cœur.
Description du cœur et des valvules.
Le cœur est un organe constitué de deux parties totalement séparées.
La droite accueille le sang appauvri en dioxygène par la veine cave dans l’oreillette droite.
Grâce à une valvule auriculo-ventriculaire, le sang passe dans le ventricule droit duquel une
contraction l’expulse via l’artère pulmonaire vers les poumons. Une fois les échanges gazeux
effectués, le sang reflue vers le cœur par la veine pulmonaire, y entre par l’oreillette gauche puis
passe dans le ventricule gauche qui l’expulse vers le corps via l’artère aorte.
Fonctionnement du cœur.
La systole est la période de travail du cœur. Cette contraction cardiaque est automatique et
se produit en moyenne 70 fois par minute et alterne avec la diastole ou période de repos.
Le cycle cardiaque commence par la contraction des oreillettes puis par celle des ventricules
et se termine à la fin du temps de repos du cœur (diastole). La contraction est commune aux deux
parties du cœur.
Comme tout muscle, le cœur a besoin de nutriments et de dioxygène pour fonctionner. Les
artères coronaires, ramifications de l’artère aorte, le ravitaille. Les veines coronaires ramènent ce
sang vers la veine cave. C’est ce système qui est le plus directement menacé par les risques de
bouchons : l’infarctus.
Le pouls artériel.
C’est un durcissement passager de l’artère dû à la propagation de l’onde de choc qui naît à
chaque systole ventriculaire.
Les fonctions de relation.
Thème 1. Fonctions sensorielles.
Les cinq sens et les organes sensoriels
correspondants.
Le goût : la langue (stimuli chimiques).
L’odorat : les fosses nasales (stimuli chimiques).
Le toucher : la peau (contact, pression, température, douleur).
L’ouïe : l’oreille (vibrations sonores).
La vue : l’œil (lumière).
Les récepteurs sensoriels : notion de stimulus
externe et de message nerveux.
Notre connaissance du monde découle uniquement des messages transmis depuis nos
récepteurs sensoriels par le système nerveux jusqu’au cerveau.
Les récepteurs sensoriels émettent des messages nerveux conduits par des fibres nerveuses
spécifiques (nerf optique, olfactif, auditif…) :

Bâtonnets pour la sensibilité lumineuse et cônes pour l’appréhension des
couleurs (de trois sortes dans l’œil humain : rouge, vert bleu).

Récepteurs cochléaires ou organe de Corti réagissant aux
vibrations sonores de l’oreille interne.

Corpuscules de la peau sensibles à la pression, au chaud, au froid, à la douleur.

Récepteurs gustatifs de la langue (sucré, acide, amer et salé).

Récepteurs olfactifs des fosses nasales.
La perception de l’environnement : une
création de notre cerveau.
Les différentes informations sensorielles arrivent au cerveau par des canaux spécifiques à
des zones spécifiques qui communiquent entre elles. Ce travail aboutit à la perception consciente
du stimulus qui est reconnu et localisé. Des information sont stockées en mémoire qui est ainsi
réactivée afin d’identifier le stimulus.
La commande motrice : le rôle du cerveau.
Mouvement volontaire.
Les informations sensorielles sont transmises à une partie du lobe frontal qui les exploite et
programme la commande motrice et active le cortex moteur qui émet le message nerveux.
Transmis via la moelle épinière et les nerfs moteurs, le message provoque le déclenchement du
muscle.
Mouvements réflexes.
Il s’agit d’un mécanisme rapide non analysé par le cerveau et pris en charge par la moelle
épinière seule en cas de danger immédiat. Ce mécanisme est automatique mais contrôlable par la
volonté.
Thème 2. Modes de déplacement et mouvement.
La notion de « plan d’organisation ».
Il s’agit d’un plan d’organisation commun à tous les vertébrés :

Une ceinture pectorale ou pelvienne

Un os long formant le bras ou la cuisse (Humérus et fémur)

Deux os formant l’avant bras ou la jambe (radius et cubitus ; tibia et péroné)

Plusieurs petits os formant la main ou le pied (Carpes, métacarpes et phalanges
pour la main ; tarses, métatarses et phalanges pour le pied), dont les variations sont
surtout les témoins d’une adaptation à un milieu.
Des structures adaptées aux différents
modes de déplacement.
La marche et la course.
Bipède ou quadrupède, elle est une succession de déséquilibres, un pied au moins toujours
en contact ave le sol. La course est une succession de bonds, sans contact avec le sol.
Les dispositions changent selon l’espèce :

Disposition plantigrade (humains, ours…), tout le pied est en contact avec le sol.

Disposition digitigrade (chiens, chats…), seuls les doigts reposent sur le sol.

Disposition onguligrade (chevaux, ovins…), seule l’extrémité de la dernière
phalange repose sur le sol, en général protégée par un ongle ou un sabot. Cette
disposition s’accompagne souvent par une réduction du nombre de doigts (un seul
chez le cheval…).
La réduction du nombre de doigts ainsi que l’élévation du pied sont caractéristiques de
l’adaptation à la course.
Le saut.
Plusieurs phases :

Propulsion, due à la poussée des membres inférieurs sur le sol

Détente, le corps en extension sans appuis sur le sol

Réception au sol souvent suivie d’une nouvelle propulsion
Une adaptation au saut présente des caractéristiques très marquées. Les membres
postérieurs sont plus longs que les membres antérieurs et les trois segments ont la même
longueur (d’où la forme en Z caractéristique), le pied est très allongé afin de donner un meilleur
appui au sol et fournir une détente plus importante. Parfois une queue longue joue les
stabilisateurs en l’air.
La reptation.
Série d’ondulations rapides du corps. En conséquence le corps est allongé, sans pattes (ou
alors placées latéralement), la colonne vertébrale est souple et il sont pourvus d’un système
d’accroche au sol (type écailles, griffes…).
Le vol.
Si l’aile est un membre transformé (oiseaux, chauves-souris), le vol comporte trois phases.
L’envol ou prise d’élan ; le vol plané, ailes immobiles ou le vol ramé avec battement des ailes ;
l’atterrissage, pattes étendues, plumes des ailes et de la queue étalées et orientées afin de réduire la
vitesse.
Si l’aile est une extension de la carapace (insectes), elles effectuent un rapide mouvement de
rotation et de battement.
Le squelette et les organes sont donc légers (os creux, sacs aériens…), la forme de l’animal
aérodynamique, les muscles et le système respiratoire sont puissants.
La nage.
La propulsion est assurée par des :

Mouvements de queue et d’ondulation du corps chez les poissons.

Mouvements des pattes (grenouille, canard, certains insectes) présentant souvent
des particularités adaptives (palmes, membres aplatis, poils augmentant la portance)

Ondulations du corps chez les animaux sans membres.

Réactions avec expulsion de l’eau dans le corps (seiche).
En conséquence,
ils présentent certaines caractéristiques,
comme
une
forme
hydrodynamique ou une surface du corps glissante (écailles du poisson, mucus chez d’autres…)
Des solutions adaptées pour résoudre les
problèmes du milieu.
Quelque soit le milieu, l’animal doit vaincre un certain nombre de résistances. Dans l’eau, la
résistance est forte, donc la vitesse plus faible. Il se maintien dans le liquide sans aucun effort,
« porté » par l’équilibre des poussées d’Archimède et de la pesanteur. Dans l’air, l’animal utilise sa
musculature pour se déplacer, sur le sol, il doit résoudre un certain nombre de problèmes liés aux
frottements et à la pesanteur qui le colle au sol (recherche de points d’appuis).
Les divers organes du mouvement chez les
vertébrés.
Les os.
Organes passifs du mouvement, ils composent le squelette. On distingue os longs
(membres), os courts (colonne vertébrale, poignet, cheville) et os plats (omoplate, crâne,
ceintures).
Un os long comporte toujours une partie médiane (diaphyse) prolongée par les têtes
(épiphyses). Les épiphyses contiennent la moelle rouge où se forment les globules blancs et
rouges. La diaphyse est creusée d’un canal empli de moelle jaune. Ils sont capables de se
régénérer en cas de fracture.
Les articulations.
Les os sont fixés entre eux avec des jonctions plus ou moins mobiles : fixes au niveau des
os crâniens, semi mobiles pour les vertèbres, mobiles.
Les articulations mobiles présentent une cavité articulaire tapissée d’une membrane
sécrétant un liquide huileux, la synovie, éventuellement complétée par des tissus cartilagineux.
Type d’articulation
Situation dans le corps
Type rotule
Hanche, Épaule
Type pivot
Cheville, coude, genou
Type tenon
Type glissement
Type de mouvement
Flexion/extension
Rotation interne/externe
Poignet (articulation radio
cubitale)
Colonne vertébrale
Flexion/extension
Flexion/extension
Flexion latérale
Rotation spinale
Les muscles : ce sont les organes effectifs du mouvement.
Ils sont de formes et d’utilités différentes. Les muscles effecteurs de mouvement sont des
muscles « rouges ». Ils peuvent être en fuseau, en anneau. Ils sont formés de fibres musculaires
striées contractiles formant une partie renflée (ou ventre) prolongé à ses deux extrémités par des
parties effilées, les tendons.
Les autres muscles sont blancs (viscéraux) et le muscle cardiaque.
Le fonctionnement de l’ensemble :
contraction musculaire/adaptation à
l’effort.
Deux os rigides reliés entre eux par des ligaments se déplacent au niveau de l’articulation.
Le mouvement se fait par deux muscles antagonistes au moins, un fléchisseur et un extenseur,
reliés sur deux os différents, entraînent le déplacement des os sur lesquels ils sont fixés par des
tendons. L’arrivée d’un influx nerveux provoque la contraction des fibres musculaires, et donc
l'augmentation du volume du ventre du muscle et la diminution de sa longueur : il tire l’os auquel
il est attaché via les tendons.
Au repos, les cellules musculaires ne consomment que très peu d’énergie (sous forme
d’ATP – adénosine triphosphate), l’apport en O2 est couvert par la ventilation et celle de glucose
par le foie. En cas d’effort de type endurance, les besoins augmentent rapidement, car aucun
stock de l’ATP n’est possible : le foie libère du glucose dans le sang, la ventilation pulmonaire
augmente et le cœur accélère le mouvement afin d’envoyer vers les muscles sollicités ce dont il
sont besoin et qui transite par le sang (O2 et glucose).
Les êtres vivants dans leur milieu.
Thème 1. Les notions de milieu et d’écosystème.
Milieu : Endroit dans lequel vivent des êtres vivants spécifiques qui y trouvent leur
nourriture, un abri ou un support. Les êtres qui y vivent sont adaptés à ses conditions et ils s’y
répartissent en fonction de ses facteurs (lumière, humidité, température, nature du sol et du sous
sol…). Il y existe différents milieux (terrestres -forêts, prairies, garrigues…- , aquatiques -mares-,
rivières, mer…).
Écosystème : Système fonctionnel qui inclus une communauté d’êtres vivants, la
biocénose, en interaction entre eux et avec le milieu, le biotope.
Régime alimentaire : Type d’aliments consommés par les animaux, en fonction de
l’origine animale ou végétale de ces aliments. Il peut être végétarien (les animaux ne mangent que
des végétaux), carnivore (ou zoophage : que d’autres animaux) ou omnivore. Certaines espèces
ont un régime très strict (le ver à soie se nourrit UNIQUEMENT de feuille de mûrier), chez
d’autres, il peut changer au cours de la vie de l’animal (le têtard végétarien devient une grenouille
carnivore) ou de celui des saisons (le Renard, carnivore en hiver et au printemps ; omnivore en
été et à l’automne).
Préférences alimentaires : possibilité pour un animal de choisir les aliments
consommés.
Comportement alimentaire : ensemble des actions organisées par un être
vivant afin de se nourrir.
Chaîne alimentaire ou chaîne trophique : suite d’êtres vivants reliés par
une relation alimentaire où chacun mange celui qui le précède.
Des êtres vivants adaptés à une diversité de milieux.
Il existe une grande multitude de milieux. Les êtres qui y vivant ont établi des relations :

Entre les êtres et leur milieu, qui influence la répartition des êtres vivants, euxmêmes exercent une influence sur le milieu (modifications climatiques et du
substrat)

Relations entre les êtres vivants, intraspécifique (comportements reproducteurs,
soins aux jeunes, vie en groupe, compétition pour le territoire, établissement de
hiérarchies entre dominants et dominés) ou interspécifiques (alimentaires).
Des relations alimentaires dans un milieu.
Un réseau de chaînes trophiques.
Basées sur le « qui mange qui ».
Producteur primaire : À la base de toute chaîne alimentaire, on trouve un végétal
chlorophyllien. Il est autotrophe (il produit lui-même sa matière carbonée).
Consommateurs : ce sont des êtres vivants qui consomment d’autres êtres vivants. Ils
fabriquent leur matière organique à partir de la matière d’autres êtres vivants, ils sont
hétérotrophes (ou producteurs secondaires). Phytophages, il se nourrissent de végétaux ;
zoophages d’animaux ; saprophages, détritivores ou saprophytes, ils se nourrissent de matière
organique morte (décomposeurs).
Décomposeurs : Ils fragmentent et décomposent la matière organique. Ce sont les
saprophages si ce sont des animaux, des saprophytes si ce sont des végétaux (champignons),
visibles à l’œil nu. Certains êtres microscopiques (champignons ou bactéries) réalisent l’ultime
transformation en minéralisant la matière organique.
Parasites : animal ou végétal vivant aux dépens d’un autre être vivant. Cette relation peut
être plus ou moins grave pour l’hôte et peut entraîner sa mort.
Un flux continu de matière et d’énergie.
D’un maillon d’une chaîne à l’autre, il y a circulation de matière et d’énergie. À chaque
niveau, il y a une grande perte de matière : seule une partie est utilisée à recréer de la matière, le
reste est expulsé… C’est ainsi qu’il faut toujours une grande quantité de matière végétale pour
créer de la matière animale. On peut ainsi représenter une chaîne trophique sous la forme d’une
pyramide : pyramide des nombres (nombre d’individus à chaque niveau trophique) ou pyramide
de biomasse (quantité de masse à chaque niveau). Le transfert de matière se fait donc avec un très
mauvais rendement.
La biomasse représente aussi une mesure de l’énergie accumulée à chaque niveau sous
forme chimique.
Le point sur la nutrition des végétaux
chlorophylliens.
À partir d’eau et de sels minéraux puisés dans le sol, ajouté au CO2 puisé dans l’air au
niveau des stomates des feuilles, les végétaux chlorophylliens synthétisent du glucose, mais
uniquement sous l’action de la lumière, au niveau des chloroplastes :
6 H2O + 6 CO2
C6H12O6 + 6 O2
Voir le document 4 p. 430 du Hatier sur la nutrition des végétaux vascularisés.
Au niveau des racines, des poils absorbants captent dans le sol l’eau et les sels minéraux qui
vont composer la sève brute. Cette sève est transportée de manière ascendante dans la plante par
les vaisseaux du bois. Le transport se fait grâce à l’évapo-transpiration de la plante par les
stomates : une dépression est créée qui fait « monter » la sève jusque dans les feuilles les plus
hautes. Au niveau des feuilles est réalisée la photosynthèse : le glucose créé ainsi est distribué
dans tout l’organisme par les vaisseaux du liber afin de permettre la respiration de la plante
(création d’énergie par oxydoréduction du glucose) ainsi que la création de grosses molécules
organiques utilisées pour la croissance, le développement, le fonctionnement, la restauration ou la
constitution de réserves.
Thème 2. L’action de l’homme sur son environnement.
Environnement : relations d’interdépendance entre l’homme et les composantes
physiques, chimiques, économiques, sociales et culturelles du milieu. Elles peuvent être
bénéfiques (protection de a nature par la création de parcs naturels, de stations d’épuration,
l’action de politiques de reboisement ou encore l’utilisation d’engrais verts) comme néfastes
(empiètements sur les espaces naturels pour y implanter des réseaux de circulation, des
habitations…, utilisation de technologies productrices de déchets non dégradables -plastiques,
piles…-, de ressources naturelles non renouvelables, d’utilisation abusive d’engrais ou encore par
la monoculture intensive empêchant tout autre développement naturel de plantes à moyen
terme).
Un écosystème est un équilibre fragile.
Sur une chaîne trophique, il suffit de l’absence d’un seul maillon pour que la chaîne soit
rompue (voir document 5 sur l’évolution de la population de cervidés an Arizona suite à
l’extermination de leurs prédateurs : on voit bien que le nombre de cervidés est ici limité d’un
côté par la présence de prédateurs, de l’autre par la quantité de nourriture disponible.
L’augmentation forte de la population a entraîné une baisse dramatique des réserves alimentaires
et une chute subséquente de la population des cervidés)
Les niveaux trophiques représentent donc un équilibre fragile qui permet un
renouvellement constant des différentes populations dans des proportions convenables.
Les cycles des éléments et la gestion des
ressources naturelles.
Le cycle de l’eau comme celui du carbone sont nécessaires… Certains déchets de l’homme
ne peuvent être transformés par le recyclage naturel : pollution.
Cycle du carbone : Passage continuel de l’état minéral à l’état organique du
carbone. Par la photosynthèse, le carbone minéral est incorporé à la matière organique.
Consommé ensuite par différents êtres vivants, il traverse tous les niveaux de la chaîne
trophique : tous les êtres vivants respirent et dégradent la matière carbonée en libérant du CO 2
dans le milieu.
Physique
Matière
Thème 1. États et changements d’état.
Les nuages. Ils sont constitués de fines gouttelettes d’eau et/ou de cristaux de glace en
suspension. En aucun cas, il ne peut s’agir de vapeur d’eau, elle est invisible. En fait, la vapeur
s’est condensée et le vent a rassemblé ces gouttes ou ces cristaux qui sont maintenus en
suspension par les mouvements de l’air ascendants. Lorsque l’effet de leur poids l’emporte, ils
tombent, mais peuvent se vaporiser (ou se sublimer…) avant d’atteindre le sol dans des régions
plus sèches. Un nuage est en constante transformation : des particules s’évaporent ou tombent
pendant que d’autres se condensent à partir de la vapeur d’eau contenue d’ans l’air.
Les états de la matière : aspects théoriques.
L’état solide est un état ordonné dans lequel les molécules occupent des positions
pratiquement fixes et sont séparées de leurs plus proches voisines par des distances de l’ordre de
leur propres dimensions. Elles vibrent autour de leur position d’équilibre, mais leur empilement
reste stable : les solides ont une forme propre.
L’état liquide est un état désordonné et condensé : libres les unes par rapport aux autres, les
molécules occupent néanmoins un espace déterminé. Un liquide est donc fluide, il coule et prend
la forme du récipient qui le contient.
L’état gazeux est un état désordonné et dispersé. Les molécules y sont éloignées les unes
des autres, s’y déplacent lentement. Un gaz occupe tout l’espace disponible.
Changement d’état des corps purs.
Nom des changements et paliers de température.
À pression normale de 1013 hPa (hectopascal) :

Gaz devient liquide : condensation ; liquide devient gaz : vaporisation.

Liquide devient solide : solidification ; solide devient liquide : fusion.

Solide devient gazeux : sublimation ; gaz devient solide : condensation solide.
Dans le cas des corps purs, la température reste constante tout au long de la transformation
d’un état à l’autre. Ces paliers sont une propriété générale des corps purs.
Pour l’eau, le palier de fusion/solidification est à 0 °C, celui de vaporisation/condensation
à 100 °C.
Vaporisation, évaporation, ébullition.
Si la vaporisation est limitée à la surface d’un liquide, on parle d’évaporation. Elle peut se
produire à des températures ordinaires, au contact de l’air. Sa vitesse dépend de sa nature (liquide
plus ou moins volatil), de l’agitation, du taux d’humidité de l’air, de la température, de la surface
du liquide.
Si la vaporisation a lieu à l’intérieur du liquide, on parle d’ébullition. Elle se traduit par
l’apparition de petites bulles agitant la surface du liquide. Pour un corps pur, elle intervient à
température constante.
NB. L’eau du robinet n’est pas un corps pur… Une expérience d’ébullition ne pourra donc
donner 100 °C comme température de vaporisation.
Masse et volume.
Au cours d’un changement d’état d’un corps pur, sa masse est conservée, mais son volume
varie. Le cas général indique une diminution de ce volume à chaque étape du solide au gazeux : le
volume en gaz est plus important que le volume liquide, lui même supérieur au volume solide.
L’eau est une exception : son volume augmente sous sa forme solide (ceci est dû à la manière
particulière de rangement des molécules d’H2O).
Chaleur et température.
La chaleur est une énergie, pas la température, qui est une mesure. Ainsi, l’apport de
chaleur ne se traduit pas forcément par une augmentation de température (par exemple : tant que
l’eau est en ébullition, sa température est stable alors qu’on chauffe la casserole).
Thème 2. Mélanges et solutions.
L’eau potable doit répondre à certaines normes. Elle est contrôlée régulièrement pour
éviter une intoxication. Elle ne doit pas avoir plus de 200 mg/l de chlorure, 250 mg/l de sulfates,
doit posséder un pH situé entre 6,5 et 9 par exemple.
Afin de séparer les constituants d’un mélange, on dispose de trois procédés, utilisables
selon la nature du mélange :
Décantation ou centrifugation si l’on souhaite isoler dans un mélange des
particules en suspension.
Filtration pour isoler tous les composés en suspension dans un liquide.
Distillation pour isoler des produits dissous dans un liquide : on joue sur les
températures différentes de vaporisation des composants, on condense ensuite les vapeurs
obtenues…
Corps purs et mélanges.
Les corps purs sont constitués de molécules ou d’ions appartenant à une seule espèce
chimique (CO2, H2O, CH4, le méthane…), tandis que les mélanges sont constitués de plusieurs
molécules ou d’ions appartenant à des espèces chimiques différentes (exemple de l’eau salée :
H2O, Na-, Cl+)… On reconnaît un corps pur notamment grâce à la présence de paliers lors de
leur fusion et vaporisation.
Mélanges et solutions.
Distinction d’usage. Le terme mélange est très général, mais on peut distinguer les
mélanges dans lesquels un composant joue un rôle très particulier et clairement différent des
autres. Ce mélange est alors dénommé solution et le composant est appelé solvant, tandis que le
reste est le soluté.
Mélanges homogènes ou hétérogènes.
Un mélange dans lequel on ne peut pas distinguer chacun des composants est un mélange
homogène. L’eau est un excellent solvant : elle peut créer des mélanges homogènes avec du sel,
du sucre, du vinaigre, des sirops… Le corps dissous est le soluté. Deux éléments créant un
mélange homogène sont dits miscibles entre eux.
La masse de la solution est alors égale à la masse de chacun des composants. On peut ainsi
calculer la concentration d’un élément dans un autre selon la formule :
C = m/V
Concentration en g/l, la masse (m) en gramme et le volume (V) en litres
Il existe une limite au delà de laquelle on ne peut plus dissoudre le solide dans l’eau : la
solution est saturée lorsqu’il reste du solide non dissous.
Dans un mélange hétérogène, il est possible de distinguer ses différents éléments (eau et
sable, par exemple). Avec deux liquides, le plus dense se trouve en dessous de l’autre (huile et eau,
par exemple). Si on les mélange fortement, on aperçoit la formation de petites gouttes de chacun
des liquides : il s’agit alors d’une émulsion.
Dans le cas de particules solides mélangées à un gaz, on parle de fumée.
Les eaux gazeuses.
Toutes contiennent du CO2 qu a la propriété d’être plus ou moins miscible à l’eau selon la
pression. Bouteille fermée, il est dissous dans l’eau, bouteille ouverte (à pression standard), il
apparaît car les bulles de gaz cherchent à s’échapper du liquide.
Lors du dégazage, la masse totale diminue, car le CO2 est pesant (1,9 g/l).
Thème 3. Propriétés physiques des gaz.
L’air est pesant : 1,2 à 1,3 g/l. On peut le mesurer à l’aide d’un ballon.
Composition simplifiée de l’oxygène (qui est un mélange) :
78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 1% d’autres gaz (en majorité de l’argon : 0,93 %, du CO2 :
0,03 %).
Matérialité des gaz.
Les gaz sont de la matière, même s’ils sont plus difficilement appréhendables pour nous. Ils
sont donc pesants, même si dans des valeurs très faibles : l’air pèse 1,2 g/l ; le CO2 1,9 g/l ; l’O2
1,4 g/l ; le diazote 1,2 g/l.
Grandeurs caractéristiques.
Quatre grandeurs principales sont utilisées pour caractériser des gaz :

Température (T) exprimée en kelvin (K)

Volume (V) en m3

Pression (p) en pascal (Pa)

Quantité de matière (n) en mole (mol) selon la formule qu’un mol d’un élément
équivaut à la quantité de matière de 6  1023 molécules de cet élément.
Compressibilité et expansibilité.
Un gaz occupe tout le volume disponible : on peut donc augmenter ou réduire son volume
en augmentant ou en réduisant le volume du récipient qui le contient : on force le rapprochement
entre elles de molécules du gaz. La diminution du volume entraîne une augmentation de la
pression.
L’atmosphère terrestre.
L’atmosphère est la pellicule gazeuse qui est retenue par la gravité issue de la rotation de la
terre. La composition des gaz, leur température ainsi que la pression varie selon l’altitude. La
moitié de l’air atmosphérique est comprise dans les 5 premiers km d’altitude, et 99 % dans les 30
premiers kilomètres.
La pression de l’air se mesure avec un baromètre et s’exprime en hectopascal (hPa) et vaut,
au sol, 1013 hPa. Elle diminue avec l’altitude, en même temps que l’air se raréfie.
Les vents.
Le soleil chauffe inégalement les différentes parties du globe, ce qui entraîne des écarts de
températures et de pressions. Les masses d’air des hautes pressions (anticycloniques > 1013 hPa)
ont une tendance globale à se déplacer vers les zones de basse pressions (dépressions : < 1013
hPa). Ces masses d’air constituent les vents. À cause de la rotation de la terre, les vents ne se
déplacent pas enligne droite d’une zone anticyclonique à une zone dépressionnaire : ils
s’enroulent et sont dévié vers la droite dans l’hémisphère nord, vers la gauche au sud.
La direction du vent se mesure avec une girouette, sa force avec un anémomètre, et
s’exprime encore en Beaufort (donne la force du vent à partir de ses effets sur la mer…) ou en
nœuds.
Énergie
Le concept d’énergie.
L’énergie peut être caractérisée par ses propriétés :

Elle peut être stockée : une source sert de réservoir dans lequel on peut
puiser de l’énergie. Dans une source donnée, elle stockée sous une certaine forme

Elle peut être transférée d’une source à une autre ou entre une source et
un convertisseur d’énergie

Elle peut être transformée par un convertisseur ou un transformateur
L’énergie peut être caractérisée par un principe fondamental de conservation.
Thème 1. Les formes d’énergie.
Les sources d’énergie.
La notion de source est à rapprocher de celle de réserve d’énergie. Le Soleil est à l’origine
de toutes les autres sources naturelles d’énergie, appelées aussi sources primaires (le vent, l’eau
des rivières ou des marées, l’eau d’altitude, l’eau chaude et souterraine, le charbon, le gaz…).
Celles qui n’existent pas telles quelles dans la nature et qui doivent donc être produites avant
d’être utilisées sont des sources secondaires (électricité produit par des piles ou des alternateurs).
On distingue aussi les énergies renouvelables, inépuisables des énergies non renouvelables,
qui sont en réalité renouvelables mais sur des temps très longs (millions d’années : énergies
fossiles).
Les formes d’énergie
Elles se distinguent par leur mode de stockage dans la source considérée : énergie interne
d’un système. Le physicien mesure l’énergie en fonction de ses caractéristiques (nature des
mouvements induits, positions, capacité à provoquer des transformation sur d’autres systèmes,
échauffement…).
L’énergie cinétique.
Elle renvoie aux éléments liés aux mouvements du système considéré. L’énergie d’un corps
de masse m animé d’une vitesse v est donnée par la relation :
Ec = ½ m.v2
Ec exprimé en joule (J), m en kilogrammes (kg) et v en mètre par seconde (m/s)
Forme d’énergie en jeu avec le vent ou le courant des rivières.
L’énergie potentielle de pesanteur.
Cette forme renvoie à de possibles variations de position relative de deux parties d’un
même système : on peut transférer de l’énergie en faisant varier l’altitude d’une masse de matière.
C’est cette forme utilisée dans les barrages à chute d’eau ou encore dans les balanciers d’une
horloge. Dans le champ gravitationnel terrestre, l’énergie potentielle d’un corps de masse m, à
une altitude h est donnée par la relation :
Ep = m.g.h
Ep en joule (J), m en kilogramme (kg), h en mètre (m), g (gravité) en newton par kg : 9,81 N/kg
L’énergie chimique.
C’est sous cette forme que se trouve stockée l’énergie dans une pile, dans un muscle ou
encore dans le pétrole. Elle est chimique à cause de la nature des relations qui impliquent le
transfert d’énergie (combustion dans la plupart des cas…).
L’énergie nucléaire.
Présente dans le soleil et dans l’uranium de nos centrales (voire de nos bombes). Les
réactions induisant le transfert d’énergie sont nucléaires : elles touchent à la modification du
noyau de l’atome et donc à des modifications de matière.
L’énergie interne liée au niveau de température.
Il s’agit de l’énergie stockée dans les sources « chaudes » que l’on peut récupérer en
refroidissant cette source, par transfert de chaleur.
Thème 2. Les modes de transfert d’énergie.
On distingue trois modes de transfert d’énergie lors de l’interaction de deux systèmes.
Le travail.
Travail mécanique : le transfert se fait lorsqu’une force agit sur un système qui se déplace
(éolienne actionnée par le vent)
Travail électrique : lorsque le support de l’échange d’énergie est un courant électrique. Ce
mode de transfert est très utilisé car très pratique et permet le transport d’énergie sur de longues
distances ainsi que des utilisations variées grâce à des dispositifs simples.
La chaleur ou transfert thermique.
Il se fait à chaque fois qu’il y a contact entre deux corps à température différente : un
radiateur et l’air ambiant par exemple. Ce transfert se fait par agitation moléculaire au niveau
microscopique et ne peut être réalisé que sur de très courtes distances et jamais dans le vide.
Le rayonnement.
Le transfert se fait par l’intermédiaire d’ondes électromagnétiques : ondes radio,
rayonnement infrarouge, rayonnement visible ou ultraviolets. Il est possible sur de très longues
distances, et même dans le vide : c’est ainsi que nous récupérons une part d’énergie solaire.
Thème 3. La conservation de l’énergie.
Principe de conservation : « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »
(Lavoisier). Si un système a gagné ou perdu de l’énergie sous forme de travail, de chaleur ou de
rayonnement, alors un ou plusieurs autres systèmes qui lui sont liés ont perdu ou gagné la même
quantité d’énergie.
L’énergie d’un système isolé est constante.
Les convertisseurs d’énergie.
Tout dispositif recevant une forme d’énergie d’un système A étant capable de la transférer à
un système B qui voit alors augmenter une de ses formes d’énergie (moteur électrique,
alternateur, centrale électrique…) est un « convertisseur » ou un « transformateur ».
Notion de chaîne énergétique.
Représentation de toutes les étapes du cheminement de l’énergie de la source à l’utilisateur,
en précisant la nature de la source, les formes d’énergie, les modes de transfert, les
transformateurs ou convertisseurs utilisés. Pour pouvoir faire un bilan énergétique complet, il
convient de considérer l’air ambiant avec lequel des échanges, surtout de nature thermiques, sont
faits.
Exemple avec une maquette de grue électrique (cf Schéma p. 458 du Hatier) :
Une pile fournit le courant (système A : chimique) qui alimente (travail électrique) un
moteur (convertisseur) d’énergie électrique monte une charge (système B : système masse-Terre,
travail mécanique). À chaque niveau, un transfert de chaleur se fait vers l’air ambiant (système C).
Une chaîne énergétique complète respecte le principe de conservation : le système de départ (A) a
perdu une partie de son énergie au profit du système terminal (C) via un ou plusieurs
convertisseurs d’énergie (B) qui sont consommateurs et qui eux aussi en libèrent dans l’air par
échauffement.
Rendement, énergie utile, pertes, dégradation de l’énergie.
Dans la plupart des systèmes énergétiques, une partie seulement de l’énergie est utilisée
pour obtenir l’effet recherché. Elle est appelée énergie utile. Le reste est considéré comme perte.
Le rendement énergétique est ainsi défini par
 = Eutile / Eentrée
Il est d’autant meilleur qu’il s’approche de 1.
Les machines thermiques sont les seules à pouvoir transformer de la chaleur en travail.
Mais cette chaleur ne peut être entièrement utilisée, une part importante est transférée à l’air
ambiant et perd sa qualité d’être transformable en travail : on parle alors de dégradation de
l’énergie.
Économie d’énergie
Il est souhaitable de tout mettre en œuvre pour économiser l’énergie et d’utiliser le plus
possible des formes « renouvelables » tout en recherchant le meilleur rendement possible.
Électricité
Thème 1. Générateurs et récepteurs
Valeurs nominales. Intensité et tension optimales pour le bon fonctionnement d’un
appareil électrique.
Nature du courant électrique et grandeurs
caractéristiques.
Au plan microscopique, le courant électrique est un mouvement ordonné de charges
électriques (ions) au sein de matériaux formant un circuit.
L’intensité I exprimée en ampères (A) correspond au débit d’électrons
dans le circuit. Dans une lampe de poche, ce débit peut être de 200 à 300 mA. Dans une plaque
de cuisson l’intensité peut s’élever jusqu’à 30 A. Une intensité de 10 mA peut déjà provoquer des
contractions musculaires.
La tension U exprimée en volts (V), appelée aussi différence de potentiel
correspond à la différence de niveau électrique mesure aux bornes d’un élément du circuit. C’est
cette différence de niveau qui est à l’origine de la mise en mouvement des électrons dans un
circuit.
Il y a deux sortes de courants, le courant continu et le courant alternatif. S’il est continu, le
courant conserve un sens constant, de la borne plus vers la borne moins par convention (l’inverse
en vrai…). Alternatif, le mouvement se fait alternativement dans un sens puis dans un autre. La
fréquence des changements est caractérisée par le nombre de cycles effectués en une seconde : il
s’agit de la fréquence électrique. En France, elle est de 50 hertz (Hz) soit 50 cycles par seconde,
donc 100 changements de sens par seconde.
D’autres grandeurs électriques sont utilisées :

La puissance électrique P exprimée en watts (W)

L’énergie électrique E exprimée en joules (J)
Des générateurs et des récepteurs variés.
Un générateur est un dispositif capable de faire circuler du courant dans un circuit
extérieur (une pile, une batterie, une dynamo…). Ils sont aussi appelés dipôles actifs.
Un récepteur est un dispositif qui a besoin d’être alimenté en courant électrique pour
fonctionner. Sans générateur, leur tension à leurs bornes est nulle (une lampe, une diode
électroluminescente ou DEL ou LED…). Ce sont des dipôles passifs.
Certains récepteurs sont insensibles au sens du courant (lampes) : ce sont des dipôles
symétriques ou non polarisés. En revanche, certains appareils fonctionnent différemment ou pas
selon le sens du courant (certaines DEL, certains moteurs dont le sens de rotation change selon
le sens du courant…). Ce sont des dipôles asymétriques ou polarisés.
Pour être optimale, une installation doit veiller à ce que la tension aux bornes de sortie du
générateur soit voisine à la tension nominale aux bornes du récepteur.
Quelques symboles électriques.
Voir le tableau p. 465 du Hatier.
Thème 2. Circuit électrique.
Circuit ouvert, circuit fermé.
Pour que l’électricité circule, il faut pouvoir former une boucle reliant les deux pôles du
générateur d’une chaîne. Si la chaîne est interrompue, il n’y a plus de courant dans l’installation.
Conducteurs et isolants.
Une substance permettant le passage du courant est dite conductrice, une autre qui ne le
permet pas est isolante. Dans les faits, les substances peuvent être plus ou moins conductrices ou
plus ou moins isolantes. Chaque corps a une résistance au courant électrique. Elle est faible pour
les métaux, un peu plus forte pour le corps humain ou l’eau, très forte pour l’air, qui est un très
bon isolant (mais pas tout le temps : foudre).
Cette résistance s’exprime en ohms et est notée . Elle dépend de la nature et de la forme
des éléments.
Court-circuit.
Il se produit lorsqu’on relie deux bornes d’un dipôle par un bon conducteur.
Récepteurs en série, récepteurs en
parallèle.
Dans un montage en série, les dipôles sont branchés les uns à la suite des autres : ils
forment une boucle simple, le courant qui les traverse est le même, ils se partagent la tension du
générateur et ne fonctionnent pas de manière autonome. Si un seul des dipôle lâche, le circuit est
ouvert. Un interrupteur placé à n’importe quel endroit du circuit le coupe.
Dans un montage en parallèle (ou dérivation) chaque récepteur est placé sur une branche
différente et reçoit à ses bornes la tension du générateur. La tension est donc la même pour tous
et le fonctionnement normal et indépendant des autres récepteurs.
Thème 3. Sécurité des personnes et des installations.
Caractéristiques du courant secteur EDF : tension alternative sinusoïdale, valeur efficace
voisine de 230 V ; fréquence 50 Hz.
Le courant du secteur.
Le courant arrive au compteur par deux fils : le fil de phase (de couleur autre que vert,
jaune et bleu…) et le fil de neutre (bleu ciel par convention). Les deux fils sont reliés au
transformateur, mais le fil de neutre est aussi relié à la terre, pas le fil de phase. Il n’y a aucun lien
avec le sens de circulation du courant (qui est alternatif, il circule donc dans les deux sens…).
Dans les habitations, un autre lien existe avec la terre par le fil de terre (bicolore vert et jaune).
Risques et protection des personnes.
Les risques.
Le passage du courant dans le corps humain est dangereux dès que l’intensité dépasse les
30 mA pendant plus de 30 ms ou dès que la tension dépasse 24 V. Le contact direct ou indirect
avec le fil de phase présente donc des risques potentiellement mortels.
Les moyens de protection.
Voir tableau p. 469 et 470 du Hatier. Mesures de bon sens, la plupart du temps.
Rôle de l’association prise de terre – disjoncteur différentiel.
La mise à terre des appareils à châssis métallique permet d’améliorer la sécurité de toute
personne entrant en contact avec l’appareil (la résistance offerte par la personne vers la terre
faisant que le courant passa par le fil de terre plutôt que la personne).
Un disjoncteur différentiel complète ce dispositif. Il peut détecter une différence d’intensité
entre le fil de phase et le fil de neutre, signe d’une fuite accidentelle du courant : il coupe le
circuit.
Risques et protection des installations.
Les risques viennent surtout de l’échauffement important de certaines sections de fil :
lorsque l’intensité est trop forte la chaleur augmente et peut produire un incendie. L’installation
d’un disjoncteur à maximum d’intensité ainsi que de fusibles adaptés peuvent prévenir ce genre
de risques. Il faut aussi veiller à ne pas brancher trop d’appareils électriques sur une même prise.
Mécanique
Thème 1. Équilibre
Équilibre et forces.
Une action mécanique est modélisée par une force caractérisée par sa direction, son sens, sa
valeur (intensité en newton N) et son point d’application. Elle est représentée par un segment
fléché.
Un corps est en équilibre lorsque les effets des forces qui s’exercent sur lui se compensent
et le maintiennent immobile. L’intensité d’une force se mesure à l’aide d’un dynamomètre.
Équilibre d’un solide mobile autour d’un
axe. Moment d’une force. Principe des
leviers.
Le principe des leviers est celui de l’équilibre des forces dans des situations de rotation
autour d’un axe fixe (point d’appui ou pivot).
L’effet d’une force est donné par le moment de la force (M) :
M=Fd
d longueur du bras de levier en mètres, F l’intensité de la force en newton (N)
Plus le bras de levier est donc long, plus la force sera importante : il convient donc
d’exercer la force le plus loin possible du pivot.
D’une manière plus générale, un solide mobile autour d’un axe est en équilibre si le
moment des forces qui s’exercent sur lui pour le faire tourner dans un sens est égal au moment
des forces qui tendent à le faire tourner dans l’autre sens.
Un levier transmet et multiplie la force motrice dans le rapport inverse des bras de levier.
Ce principe est utilisé dans de nombreux objets : ciseaux, casse-noix, sécateur, décapsuleur…
Théorème des moments :
MA = MB ou FA  OA = FB  OB
FA la force exercée en A, O l’emplacement du pivot et OA la distance entre A et O.
Masse et poids.
Distinguer ces deux notions.
La masse est une certaine quantité de matière. Elle est invariable et se calcule avec une
balance en kg. Le poids est une force, celle de la pesanteur terrestre. On parle alors de poids
terrestre. Il y a aussi un poids lunaire, un poids martien… Il est variable. Et s’exprime, comme
toutes les forces, en newton (N).
Relations masse et poids.
Le poids d’un corps est proportionnel à sa masse :
P=mg
P le poids en newton (N), m la masse en kg et g intensité de la pesanteur en N/kg.
En France, g ≈ 9,81 N/kg
Balances.
Instrument de mesure des masses basée sur la proportionnalité entre poids et masses.
Les balances à bras de fléau utilisent les lois de l’équilibre d’un solide autour d’un axe par
l’utilisation d’un contrepoids. L’équilibre est réalisé lorsque les moments des forces se
compensent. On peut alors calculer les masses en employant le théorème des moments. Pour les
balances de Roberval ou à trébuchet, la masse de l’objet est égale à celle des contrepoids. La
balance romaine utilise un contrepoids dont la masse est fixe mais qui se déplace sur un bras. La
distance de ce contrepoids indique la masse de l’objet à peser. Elle peut être utilisée dans d’autres
milieux que la Terre… C’est d’ailleurs la seule dans ce cas !
D’autres balances (pèse-personne, balance à ressort…) utilisent les déformations ou les
pressions exercées par les objets à peser. Ils font des mesures de poids, donc de force : ils sont
des dynamomètres et utilisent la proportionnalité entre masse et poids ; elles ne peuvent être
utilisées en dehors de notre atmosphère
Thème 2. Transmission et transformation de mouvements.
Dispositifs permettant la transformation d’un mouvement de rotation en mouvement de
translation (cf. p. 479 du Hatier)

Système vis – écrou. Une vis bloquée en translation saut avancer un écrou
bloqué en rotation (mâchoire mobile d’un étau)

Système vis – crémaillère. Une vis sans fin tourne sur elle-même
entraîne une crémaillère en translation (clef à molette)

Système pignon – crémaillère. Le pignon tourne autour de son axe et
entraîne la crémaillère en translation (direction d’une auto)

Système came – tige. En tournant autour de son axe, la came provoque
un mouvement alternatif de la tige.
Mouvement.
Il est souvent nécessaire de transmettre et de modifier un mouvement entre une source
d’énergie et son lieu d’utilisation. On peut modifier sa vitesse, son type, sa direction, son sens…
Un mouvement est caractérisé par sa trajectoire et sa vitesse.
Afin de déterminer si un objet est au repos ou en mouvement, il faut utiliser un objet
référentiel. On peut caractériser le mouvement par sa trajectoire (rectiligne, rotation, autres…) et
sa vitesse.
Lors d’un déplacement rectiligne, chaque point de l’objet décrit une trajectoire rectiligne.
Les trajectoires ont la même longueur. Lors d’une trajectoire en rotation, chaque point de l’objet
décrit un arc de cercle. Tous les arcs de cercles ont le même centre.
Mouvement et énergie.
Tous les dispositifs de transmission de mouvement transmettent de l’énergie sous forme
cinétique : l’énergie à la sortie du dispositif est toujours inférieure à celle de l’entrée. On remarque
des déperditions d’énergie en raison des frottements et de la dissipation sous forme de chaleur.
Transmission de mouvements.
Un mouvement de translation peut être obtenu avec une poulie (la force
nécessaire reste la même, mais le placement et le type d’effort à fournir sont plus simples pour
l’utilisateur).
Un mouvement de rotation peut être transmis par différents systèmes qui
permettent aussi de surmultiplier (augmentation de la vitesse de rotation) ou de démultiplier
(diminution) la vitesse. Il y a donc introduction d’un rapport de transmission T
T = N1/N2
N1 nombre de tours de la roue motrice (menante), N2 nombre de tours de la roue menée
Types de transmission :

Transmission directe par friction. Une roue motrice A est en contact avec une roue
B et l’entraîne grâce aux frottements qui existent à leur zone de contact. Le rapport
de circonférence des deux roues détermine T. B tourne dans l’autre sens que A
(plateau d’un tourne disque).

Transmission directe par engrenage. Identique au précédent à la différence de la
présence de dents aux roues : on peut modifier le nombre de dents afin de
déterminer T (essoreuse à salade).

Transmission indirecte par courroie. Une courroie entraîne le mouvement d’une
roue motrice à une roue menée par frottement. Le rapport de circonférence
détermine T (entraînement du tambour d’une machine à laver).

Transmission indirecte par chaîne. Identique au précédent mélangé avec
l’engrenage : une chaîne entraînée par une roue dentée en entraîne une seconde. Le
rapport du nombre de dents aux roues détermine T (pédalier de bicyclette).

Transmission indirecte par câble. Un câble flexible solidaire d’une roue motrice
entraîne une autre roue à laquelle il est solidaire aussi. Cette transmission permet de
modifier l’orientation du plan du mouvement (télécommandes filaires).

Transmission indirecte par cardan. Deux fourches imbriquées l’une dans l’autre
permettent la transmission d’un mouvement de rotation en modifiant l’orientation
du plan (commande de volets roulants, transmission auto de véhicules 44).
Transformation de mouvements.
Il y a transformation quand le mouvement change de nature. Le treuil est un excellent
exemple : il y a transmission d’une force appliquée sur une manivelle provoque la rotation du
tambour et soulève le poids. Le théorème des moments permet d’écrire : F  R = P  r (avec F la
force appliquée sur la manivelle de longueur R, P le poids soulevé par le tambour de rayon r).
L’efficacité du treuil est donc d’autant meilleure que sa manivelle est longue et le rayon de
son tambour petit.
Lu mièr e
Thème 1. Sources de lumière.
La nature de la lumière.
Il s’agit d’une forme de rayonnement à laquelle est sensible notre œil. Elle est formée
d’ondes électromagnétiques, caractérisée par une longueur d’onde () exprimée en mètres et une
fréquence en hertz (Hz). La lumière visible se situe antre 0,4 m et 0,8 m. En plus d’être une
longueur d’onde, la lumière est aussi composée de photons (mis en valeur par Einstein).
Les sources de lumière
Source primaire. Tout objet émettant sa propre lumière est une source primaire. Le
Soleil, bien sûr et toutes les lampes qu’elles soient à incandescence ou à tube fluorescent.
Source secondaire. Tout objet émettant de la lumière sans la produire : tout ou
presque, la Lune en particulier. L’objet peut transformer la longueur d’onde et donc les
caractéristiques de la lumière.
La couleur de la lumière.
À chaque longueur d’onde , l’œil associe une couleur. Une lumière monochromatique n’a
qu’une seule couleur et donc une seule longueur d’onde. L’inverse est donc une lumière
composée ou polychromatique. Les rayonnements provenant du soleil sont composés d’une
infinité de radiations : toutes les couleurs y sont observables après décomposition au moyen d’un
prisme. La composition d’une lumière colorée est connue par son spectre qui recense l’ensemble
des longueurs d’onde et leur intensité respective.
Un filtre permet d’obtenir une lumière colorée à partir d’une lumière blanche : un filtre
rouge absorbe toutes les radiations sauf celles qui transmettent le rouge.
La couleur des objets.
Les objets peuvent être considérés somme des sources secondaires de lumière : c’est donc
la composition de la lumière qu’il renvoie qui lui donne sa couleur. Cette composition varie à la
fois par la composition de la lumière reçue et aussi par les caractéristiques de l’objet en lui-même :
sa forme, sa composition peut absorber certaines couleurs et donc ne diffuser qu’une partie
seulement de celles avec lesquelles il a été exposé.
La synthèse des couleurs.
La couleur est perçue dans l’œil grâce à deux mécanismes distincts : les bâtonnets sensibles
à l’intensité lumineuse et des cônes sensibles au rouge, au bleu et au vert. Par leur combinaison,
on peut obtenir, en variant sur leurs quantités respectives, toutes les autres couleurs du blanc
(toutes les couleurs) au noir (absence totale de couleur) : c’est la synthèse additive des couleurs.
On peut aussi agir à l’inverse, par une synthèse soustractive des couleurs en additionnant
les filtres. Cette soustraction laisse apparaître trois couleurs dites primaires : jaune, cyan et
magenta. Ils sont utilisés en peinture, chacun des pigments jouant le rôle de filtre et leur mélange
équivaut à la superposition de filtres.
Thème 2. Propagation rectiligne de la lumière.
Propagation rectiligne.
Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se déplace en ligne droite. De part sa
nature d’onde électromagnétique, elle n’a pas besoin de milieu naturel pour se propager : elle se
déplace dans le vide, sa vitesse est toujours constante fixée à 299 792 458 m/s, soit c ≈
300 000 000 m/s ou 3.108 m.s-1.
Les « accidents de parcours » de la lumière.
Réflexion. La lumière est déviée et renvoyée dans une autre direction (miroirs, fibres
optiques).
Diffusion. La lumière est renvoyée dans toutes les directions (nuages…)
Transmission. La lumière traverse la matière et continue à se propager (vitre
transparente)
Absorption. La lumière est absorbée par un corps qui alors s’échauffe (corps noirs).
Dans le cas d’une lumière complexe, il se peut que certaines radiations soient absorbées quand
d’autres sont transmises. L’absorption est importante quand la transmission est faible.
Réfraction. La lumière est déviée lors du passage d’un milieu à un autre (passage
air/eau, air/verre, lentilles ou lunettes…)
Diffraction. Déviation sans réflexion ou réfraction (passage d’une fente).
Dispersion. Dispersion des différentes radiations composant une lumière
polychromatique.
Un corps est transparent s’il transmet la lumière sans la diffuser, opaque si le phénomène
de transmission est inexistant ou très faible (il diffuse et /ou réfléchit la lumière), translucide s’il
diffuse la lumière qui le traverse ou qu’il renvoie.
Ombre et pénombre.
Dans le cas d’une source lumineuse ponctuelle, on distingue :

L’ombre propre de l’objet, sa partie non éclairée par la source

Le cône ou la zone d’ombre projetée par l’objet

L’ombre portée par l’objet sur un écran par exemple.
Dans le cas d’une source lumineuse étendue, l’ombre portée se découpe en ombre (zone
qui ne reçoit aucune lumière de la source) et en pénombre (zone qui reçoit une partie de la
lumière de la source.
Astronomie
Thème 1. La Terre.
Se repérer sur la Terre.
Le rayon de la Terre est de 6 356 755 mètres aux pôles et de 6 378 140 à l’équateur. La
Terre est donc légèrement écrasée.
Une série de lignes imaginaires permettent de se repérer.
L’équateur sépare la Terre en deux hémisphères nord et sud ; le soleil y est au zénith
aux deux équinoxes.
Les pôles nord et sud correspondent aux points les plus au nord ou au sud. Leur axe est
l’axe de rotation de la Terre, orienté à 23° par rapport au plan de l’écliptique. Par rapport au
centre de la Terre et à l’équateur, ils forment chacun un angle de 90°.
Les parallèles sont l’ensemble des lignes parallèles à l’équateur. Leur calcul, la latitude
se fait à partir de leur angle avec l’équateur et le centre de la Terre (angle de latitude). Il y a en
tout 180°, 90 par hémisphère (le pôle nord ayant une latitude de 90° Nord, le pôle sud de 90°
sud).
Les tropiques (Nord : du cancer ; Sud : du Capricorne) sont les parallèles au dessus
desquels le soleil est au zénith respectivement au moment des solstices d’été et d’hiver. Ils sont
situés à 23° de part et d’autre de l’équateur.
Les méridiens sont les lignes qui rejoignent chacun des pôles. Leur calcul se fait par
l’angle qu’ils font avec le méridien d’origine (Greenwich, 0° de longitude) et le centre de la terre
au niveau de l’équateur (angle de longitude). Il y en a 360 en tout, 180 à l’est de Greenwich, 180 à
l’ouest. Le méridien de longitude 180°, situé dans l’Océan Pacifique, est la « ligne de changement
de date ». Chaque méridien fait à peu près 20 000 km.
L’alternance journée / nuit.
Des observations.
La journée. Dans l’hémisphère nord, le soleil apparaît le matin à l’Est, monte et culmine
plein Sud avant de descendre et de disparaître vers l’Ouest.
L’observation directe du soleil étant dangereuse (même avec des dispositifs teintés), on
préfèrera étudier l’évolution des ombres.
La nuit. Les étoiles et les constellations semblent avoir un mouvement circulaire autour de
l’étoile polaire (hémisphère nord seulement).
Un modèle explicatif.
Le modèle retenu est celui d’une Terre tournant sur elle-même suivant l’axe des pôles et en
rotation autour du soleil considéré comme un point fixe. Une moitié de la Terre est éclairée (c’est
le jour) pendant que l’autre est dans l’ombre (la nuit). La Terre tourne dans le sens inverse des
aiguilles d’une montre pour un observateur situé au dessus du pôle Nord.
Les fuseaux horaires.
Afin de coordonner les heures dans le monde entier, on a divisé la Terre en 24 fuseaux
horaires. L’heure est partout la même à l’intérieur du fuseau ; elle augmente d’une unité lorsqu’on
se déplace d’un fuseau vers l’Est et diminue d’une vers l’Ouest. Les limites des fuseaux horaires
coïncident le plus souvent avec les frontières des états. L’heure du méridien d’origine
(Greenwich) est l’heure de référence scientifique internationale (TU en français, GMT en anglais).
Plusieurs définition de jour.
Le jour est le temps qu’il faut à la Terre pour faire un tour complet sur elle même. Selon le
repère considéré, on peut définir « jour » de plusieurs façons :
Jour solaire vrai. Intervalle de temps séparant deux passages successifs du soleil dans la
même direction. Néanmoins, ce mouvement n’est pas régulier en raison de la variation de la
vitesse de révolution de la Terre (l’écart entre le jour le plus court et le jour le plus long pouvant
atteindre 50 secondes). Par définition, on a fixé la durée du jour solaire à 24 heures exactement et
ce temps divisé en 86 400 parties égales définit la seconde (s), unité de temps universelle. L’écart
cumulé sur plusieurs semaines entre le temps solaire vrai et le temps moyen peut atteindre jusqu’à
10 minutes. Une table, « l’équation du temps », donne ces écarts dont il faut tenir compte pour
utiliser correctement un cadran solaire.
Jour sidéral. Le repère est alors le passage d’une étoile dans une même direction. Son
intervalle est de 23h56 minutes, les 4 minutes manquantes étant dues au déplacement de la Terre
autour du soleil.
L’année des saisons.
Des observations.
La trajectoire apparente du soleil se modifie au cours de l’année et la durée de la journée
varie. En Europe, les évolutions sont :
Solstice d’hiver (21 ou 22 décembre). Le Soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest.
La journée dure ≈ 8 heures et la nuit ≈ 16 heures à Paris.
Équinoxes de printemps (20 ou 21 mars) et d’automne (22 ou 23 septembre), le Soleil se
lève exactement à l’est et se couche exactement à l’ouest. Jour et nuit sont de même longueur : 12
heures.
Solstice d’été (21 ou 22 juin), le Soleil se lève au nord-est et se couche au nord-ouest. La
journée dure ≈ 16 heures et la nuit ≈ 8 heures à Paris.
L’inclinaison des rayons reçus est différente selon les saisons : au solstice d’hiver, le soleil
forme en angle de près de 23° avec le sol et de près de 70° au solstice d’été. La même quantité
d’énergie est transmise, mais sur une surface plus grande en hiver : le réchauffement du sol et de
l’air est donc moins important en hiver, c’est la saison froide.
Un modèle explicatif.
La trajectoire autour de la Terre autour du Soleil en une année (365,25 jours) est très
voisine d’un cercle (au plus près du soleil, au périhélie, début janvier, la terre est à 147 millions de
km de son étoile, 152 à son plus loin, en aphélie, soit une variation de 3 %). La Terre tourne aussi
sur elle-même, mais avec une inclinaison fixe de 23°, cette inclinaison par rapport au plan de
l’elliptique explique toutes les variations (longueur des journées, saisons, températures…).
Astronomie et calendriers : le temps des
astres.
On retient trois cycles fondamentaux :
Jour solaire moyen : 24 heures
Lunaison (durée moyenne entre deux phases identiques de la lune) : 29 jours, 12 heures 44
minutes et 3 secondes (≈ 29,5 j)
Année trophique : 365 jours, 5 heures, 48 minutes et 46 secondes (= 365, 2422 j)
Il n’y a aucune relation simple entre les trois, d’où la difficulté de choisir un référent pour
un calendrier… On trouve donc les calendriers solaires (le nôtre, Grégorien), les calendriers
lunaires (musulman) ou encore luni-solaire (israélite).
Thème 2. Le système solaire.
Les cycles lunaires.
Une lunaison (durée entre lesquels revient une phase précise de la lune) est de 29,5 jours.
Elle commence traditionnellement à la nouvelle lune. Il y a huit phases en tout : nouvelle lune,
premier croissant, premier quartier, lune gibbeuse croissante, pleine lune, lune gibbeuse
décroissante, dernier quartier et dernier croissant.
La lune présente toujours la même face à la Terre, ce qui permet de distinguer face cachée
et face visible de la lune.
Le lune n’est visible que parce qu’elle est éclairée par le soleil, et encore de la Terre n’en
voyons nous pas toujours la totalité : ce sont les phases lunaires. D’autre part, le plan d’orbite de
la lune fait un angle de 6° par rapport à l’écliptique : le cône d’ombre projetée par la Terre ne
touche donc pas forcément la lune qu ne se trouve pas toujours sur la même ligne que celle
reliant centre de la Terre et centre du Soleil. Enfin, la période de révolution de la lune est de 27,3
jours. Elle est comparable à celle de la lunaison (29,5°, la différence résultant du chemin parcouru
par la Terre autour du soleil pendant ces 29 jours (1/12e de tour supplémentaire : la lune doit
donc aussi faire ce 1/12e supplémentaire !).
Le lune nous présente toujours la même face parce qu’elle fait un tour sur elle-même en
autant de temps qu’elle fait un tour autour de la Terre : sa période de rotation égale sa période de
révolution.
Définitions.
Astre : tout corps céleste.
Étoile. Astre produisant et émettant sa propre lumière. Au cœur de ces étoiles se jouent
des réactions de fusion thermonucléaire dégageant d’importantes quantités d’énergie sous forme
de rayonnements. On peut classer les étoiles en triant leurs tailles, leur constitution, leurs
températures… Antarès, géante rouge a une température de surface de 3000° ; notre Soleil de
6000°, Véga de 30 000°… L’étoile la plus proche du système solaire est Alpha du Centaure
(Cen) située à 4,3 années lumières (soit ≈ 40 000 milliards de km). Sa lumière met 4,3 ans à
nous parvenir.
Planète. Astre non lumineux par lui-même en révolution autour d’une étoile.
Satellite. Astre non lumineux par lui-même en révolution autour d’une planète (la
Lune).
Astéroïdes. Petits astres solides (dimensions n’excédant pas l’ordre de la centaine de
km) qui gravitent autour d’une étoile (petites planètes…). On en distingue une ceinture entre
Mars et Jupiter (ceinture principale) et une autre au-delà de Pluton (Ceinture de Kuiper).
Comètes. Astres en révolution sur une orbite très excentrée autour du Soleil, formés
de glace et de poussières. Quand elle s’approche du Soleil, la comète développe une queue très
brillante qui correspond à l’éjection de matière sous l’effet du rayonnement solaire. La comète de
Halley revient tous les 76 ans, ses derniers passages datent de 1910 et 1986, le prochain sera en
2062.
Galaxie. Ensemble d’étoiles et de matière interstellaire (gaz et poussières) dont la
cohésion est assurée par des forces de gravitation. Des milliers existent dans l’Univers (non
dénombrable) et peuvent être de différentes sortes, en spirale (Voie Lactée), elliptiques,
irrégulières. La galaxie d’Andromède dans la constellation du même nom (2,2 millions d’années
lumière) est l’objet le plus lointain observable à l’œil nu.
Nébuleuse. Vaste nuage de gaz et de poussières enveloppant une étoile ou situé entre
des étoiles. La nébuleuse d’Orion, dans la constellation d’Orion, est la plus connue.
Amas de galaxies. Rassemblement de galaxies. La nôtre appartient à l’Amas local.
La structure du système solaire.
Le système solaire est l’ensemble constitué par l’étoile Soleil et tout ce qui se trouve dans
son champ gravitationnel (planètes, anneaux, satellites, comètes, astéroïdes…). On compte 9
planètes dans le système solaire et toutes, hormis Pluton, ont une orbite quasi circulaire sur
l’écliptique autour du soleil. Kepler (1571-1630) a démontré que toutes avaient des orbites
elliptiques.
On distingue deux catégories de planètes : les planètes telluriques (ou intérieures : Mercure,
Vénus, Terre et Mars) et les planètes géantes, non pourvues de surface solide (Jupiter, Saturne,
Uranus et Neptune). Pluton est un cas à part car pourvue d’une surface solide.
Thème 3. L’Univers.
Notre Soleil se trouve sur un bras de notre galaxie. Elle a pour nom « Voie Lactée » car
depuis la Terre, nous ne pouvons distinguer individuellement les étoiles qui la compose, mais
nous percevons l’addition de leur lumière qui laisse apparaître une trace laiteuse caractéristique.
Les constellations ont été fixées en 1925 par l’Union Astronomique Internationale (UAI).
Leur nombre est de 88 et leur nomenclature est commune (issue du latin). Chaque étoile d’une
constellation est nommée en fonction de sa luminosité en fonction de l’alphabet grec. L’étoile la
plus brillante de la Grande Ourse (Ursa Major, UMa), Dubhe est donc nommée UMa. Parmi les
constellation les 13 constellation zodiacales sont un cas à part (12 habituelles + Ophiucus) :elles
se trouvent à la verticale du plan de l’écliptique.
La structure de l’Univers.
Elle n’est que théorique… Néanmoins, on peut différencier des systèmes imbriqués les uns
dans les autres.
La Terre (12 800 km de diamètre, 110-9 A. L.) appartient au système solaire (6 milliards de
km / 0,0006 A. L.) qui lui même fait partie de la Voie Lactée (100 000 années lumière ou A. L.)
qui elle est située dans un amas, l’Amas Local (5 000 000 A. L.) lui même dans l’Univers (15
milliards d’A. L. ?).
L’évolution de l’Univers.
Théorie du « Big Bang » : explosion initiale suivie d’une expansion dans toutes les
directions. Deux hypothèses quant à la fin de l’Univers : une expansion indéfinie ou une
contraction jusqu’à disparition totale (« Big Crash »). La validité d’une ou l’autre des hypothèses
dépend de la densité de l’Univers, densité inconnue à l’heure actuelle.