C. SCIENCES PHYSQIUES ET PHYSIQUE – CHIMIE APPLIQUEES

baccalauréat technologique
série sciences et techniques industrielles (STI)
spécialité génie des matériaux
C. SCIENCES PHYSQIUES
ET
PHYSIQUE – CHIMIE APPLIQUEES
Programme pour les classes de première et terminale
Instructions et commentaires inclus
A. OBJECTIFS DU PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUE ET
CHIMIQUE – CHIMIE APPLIQUEES
La finalité de l’enseignement de la physique et de la chimie, dispensé aux élèves de la
spécialité « Génie des matériaux » en série STI, est de leur donner une méthodologie qui
conduise au développement de leur esprit scientifique, condition indispensable pour leur
permettre de poursuivre des études et d’avoir une activité professionnelle équilibrée.
Les prérequis correspondent aux connaissances du premier cycle du second degré et du tronc
commun de la classe de seconde générale et technologique.
Les contenus sur lesquels s’appuie la formation en physique et chimie ont été choisis :
•
pour assurer les bases d’une solide formation générale ;
•
pour donner les concepts et les connaissances spécifiques nécessaires à une bonne
compréhension des enseignements technologiques et plus particulièrement des
propriétés des matériaux.
Certains alinéas du programme ou des commentaires et instructions sont précédés du mot
« rappel », leurs contenus ont été traités dans les classes précédentes mais leur importance est
telle qu’elle nécessite un rappel dans la formation de première et terminale.
L’ordre adopté pour la rédaction des programmes n’est pas impératif pour son enseignement.
La proposition de pondération horaire présentée ci-dessous n’est qu’indicative, elle ne se veut
être qu’une aide à l’établissement de la progression annuelle :
•
CHIMIE 60 %
•
PHYSIQUE 40 %
Les travaux pratiques seront effectués en étroite relation avec le cours. Ils seront une aide
importante à la compréhension des notions théoriques du programme. Il est conseillé de les
regrouper en séances de deux heures par quinzaine.
Extrait du B.O. hors série du 30-12-1993
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A. PROGRAMME
C.1. CHIMIE
1. Rappel de la classe de seconde
Programme
1.1. Atomes, molécules, ions, radicaux :
•
La liaison covalente - Règle de l’octet.
•
Représentation de Lewis des molécules.
•
Notion sur la classification des éléments.
•
Nombre d’Avogadro, moles, masses molaires - volume molaire des gaz.
•
Equation-bilan d’une réaction chimique.
•
Etude quantitative d’une réaction chimique.
1.2. Chaîne carbonée des hydrocarbures, tétravalence du carbone:
•
Liaison simple, double.
•
Isomérie de constitution.
•
Isomérie spatiale Z-E.
•
Combustion complète et incomplète d’alcanes, pétroles, exemple de réaction de
polymérisation par addition (polyéthylène, polychlorure de vinyle, polystyrène).
1.3. Solutions. Caractérisation d’ions.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
Pour les connaissances et savoir-faire se reporter au B.O.E.N., numéro hors série du 24
septembre 1992, Tome 1.
Instructions et commentaires
Pour les instructions et commentaires se reporter au B.O.E.N., numéro hors série du 24
septembre 1992, Tome 1.
2. Structure de la matière
Programme
•
Liaisons intermoléculaires - Liaison hydrogène.
•
Edifices cristallins parfaits
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o Edifices cristallins covalents - Définition, exemples,
o Edifices ioniques - Définition, exemples,
o Edifices métalliques - Systèmes CC, CFC. HC.
•
Principaux défauts : définitions.
•
Notion de macromolécule:
o Définition d’un motif monomère,
o Définition d’un polymère.
o Définition d’un copolymère.
o Définition de molécules linéaires, ramifiées, réticulées,
o Définition de la masse molaire moyenne en nombre.
o Notion qualitative de polydispersité.
o Notion de stéréochimie - Tacticité; représentation des différents cas.
•
Etat amorphe - Etat cristallin - Cas des verres.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Connaître l’existence de la liaison hydrogène.
•
Citer des exemples de propriétés physiques en relation avec l’existence de la liaison
hydrogène (eau, alcools, polyamides).
•
Reconnaître sur un schéma, un modèle, les systèmes C - CC - CFC - HC (exemples du
chlorure de sodium, des fers α et γ , du diamant, du graphite).
•
Définir un cristal parfait.
•
Définir un défaut ponctuel ; linéaire ; plan.
•
Donner les principales définitions relatives aux macromolécules :
o monomère, polymère, degré de polymérisation, motif répétitif (sur des
exemples de macromolécules linéaires, de silicates),
o types de macromolécules : linéaire, ramifiée, réticulée,
o masse molaire moyenne, définie comme n A (A étant la masse molaire du
motif répétitif),
o structure isotactique (à reconnaître sur une représentation zigzag),
o copolymères (notion : existence de plusieurs types de motifs).
•
Température de transition vitreuse, température de ramollissement :
à reconnaître à partir de courbe de variation de grandeurs physiques en fonction de la
température.
•
Définir et savoir mesurer une masse volumique.
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Instructions et commentaires
•
La liaison hydrogène ne sera pas traitée en tant que telle. Elle sera présentée en
relation avec les propriétés physiques ( θ, ε ,…). Les exemples cités seront l’eau, les
alcools, les nylons, les silico-aluminates.
•
Edifices cristallins: les exemples seront choisis dans les domaines des: matières
plastiques, (citer le cas du P.E.),
€ des céramiques, des métaux et alliages surtout.
•
On se limitera à la notion de maille conventionnelle ; la notion de motif est hors
programme.
•
Pour les défauts on se limitera
o aux défauts ponctuels : lacunes et interstices,
o aux défauts linéaires : dislocation,
o aux défauts plans : joints de grains, macles.
•
Pour les macromolécules l’étude sera faite à l’aide de schémas ou de modèles.
Ce paragraphe porte essentiellement sur les matières plastiques. Par extension des
acquis, on présentera les silicates dont la structure n’est pas abordée par ailleurs.
•
Un aspect important de ce paragraphe est la liaison entre les propriétés et la structure
des différents matériaux (propriétés mécaniques, électriques, thermiques).
3. Les solutions aqueuses
Programme
•
Réaction acido-basiques
PH. Définition
Couple acide/Base Définition selon Branstedt.
•
Réaction d’oxydo-réduction :
o Définition de l’oxydation, de la réduction
o Couple oxydoréducteur
o Potentiel standard définition
o Piles - prévision des réactions à intensité nulle
o Phénomène de corrosion - notions qualitatives
o Oxydo-réduction par voie sèche
•
Application des réactions d’oxydo-réduction :
o aux généralités sur la métallurgie,
o aux propriétés chimiques générales des métaux.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
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•
Connaître la définition du pH. Savoir utiliser la formule.
•
Connaître la définition d’un couple acide/base (selon Branstedt)
•
Savoir définir la constante d’équilibre acide/base, Ka, ainsi que le p Ko et utiliser cette
donnée pour comparer les différents acides et bases faibles.
•
Ecrire l’équation de la réaction entre acides et bases dans le cas de monobases et de
monoacides forts et de l’acide sulfurique (considéré comme un diacide fort).
•
Savoir utiliser la formule CAVA = CBVB (ou CAVA = 2CBVB dans le cas de l’acide
sulfurique) en relation avec les travaux pratiques.
•
Connaître la définition de l’oxydation et de la réduction.
•
Savoir écrire une demi-équation rédox dans des cas simples:
Mn+/M ; H3O+/H2 ; CR2072-/Cr3+ ; MnO4-,/Mn2+.
•
Savoir classer les couples redox connaissant les potentiels standards.
•
Savoir prévoir une réaction bilan en milieu acide, connaissant les potentiels standards
à pH = 0 (voir tables). Savoir écrire l’équation bilan correspondante.
•
Savoir prévoir la polarité d’une pile connaissant les potentiels standards (exemple de
la pile Daniell).
•
Savoir que la corrosion est un phénomène électrochimique.
•
Connaître les principaux matériaux susceptibles de se corroder.
•
Connaître les grandes méthodes de lutte contre la corrosion (revêtement imperméable,
protection anodique, choix de certains alliages).
•
Savoir écrire des équations d’oxydo-réduction par voie sèche :
o l’oxydant étant le dioxygène dans les cas de Na, Al, Fe, S, NH3
o dans le cas de réactions importantes dans l’industrie (réduction des oxydes de
fer par CO, de l’alumine par voie électrochimique).
Instructions et commentaires
Réactions acide-base :
•
Aucun calcul de pH ne sera demandé sauf dans le cas des mono acides et monobases
forts.
•
Couples acide-base. Ce chapitre sera l’occasion de présenter des équilibres
chimiques de façon simple, qualitative, par des exemples :
o autoprolyte de l’eau, définition de Ke,
o couples acide-base faibles, définition de Ka, pKa.
•
Les réactions acide-base seront étudiées dans le cas d’un acide fort et d’une base
forte. Le dosage correspondant fera l’objet de travaux pratiques.
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•
Par extension des acquis, on présentera le cas de quelques oxydes acides ou basiques
:
Al203*,Si02*,C02 CaO, Na20 (* en relation avec la métallurgie de l’aluminium, l’industrie des
céramiques).
Réactions d’oxydo réduction :
•
L’action entre les métaux et les acides sera présente ici.
•
La notion de potentiel standard sera présentée expérimentalement.
•
La formule de NERNST n’est pas au programme.
•
Les demi réactions relatives aux couples rédox seront équilibrées en considérant la
conservation des charges, de la matière.
•
La notion de nombre d’oxydation pourra être présentée dans des cas simples
(justification de la nomenclature Fer Il) mais ne fera pas l’objet de questions à
l’examen.
•
Lors de l’étude des piles, des réalisations commerciales seront présentées. Les bornes
+ et - seront identifiées en fonction du sens du courant.
•
Les phénomènes d’électrolyse seront présentés en relation avec les piles. Les
applications importantes seront données (métallurgie, purification électrochimique
des métaux...). L’électrolyse ne fera pas l’objet de questions à l’examen.
•
La corrosion sera présentée simplement. L’importance de l’électrochimie sera
évoquée (existence de piles due :
o à la présence d’impuretés dans un métal,
o aux hétérogénéités de structure,
o à la présence de solution aqueuse ionique à la surface d’un métal.
(Le cas particulier de la protection par électrode sacrificielle sera signalé).
•
Dosages redox (voir travaux pratiques).
•
Les réactions d’oxydoréduction par voie sèche seront l’occasion de prendre
connaissance de réactions importantes dans l’industrie (métallurgie du fer,
élaboration des céramiques).
4.- Thermodynamique
Programme
•
Température : échelle Kelvin, échelle Celsius, mesure des températures.
•
Dilatations, définitions, coefficients thermoélastiques relatifs aux solides, liquides et
gaz - application aux matériaux du programme.
•
Dilatation des gaz parfaits : équation d’état, généralisation de la notion d’équation
d’état.
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•
Aspects énergétiques :
o transfert d’énergie sous forme de chaleur : conséquences - enthalpie thermique
massique
o changement de phase d’un corps pur, enthalpie massique de changement de
phase - application aux matériaux.
o variation d’enthalpie au cours d’une réaction chimique
•
Diagramme de phase binaire isobare, différents types de diagrammes :
o cas des mélanges complètement miscibles ou non miscibles,
o points spécifiques,
o mélanges eutéctiques,
o mélanges azéotropiques.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Connaître la formule T = Θ + 273
•
Connaître l’existence des dilatations linéique et volumique
•
Connaître et€savoir utiliser l’expression λ =
•
Savoir que le retrait est un cas particulier de la dilatation
•
Connaître les conséquences pratiques de la dilatation des gaz
€
Connaître la définition de l’enthalpie thermique massique à pression constante
ΔH
Cp =
m.Δθ
•
€
1 l − l0
×
l0 θ −θ 0
•
Savoir lire un diagramme de changement de phase d’un corps pur ne comportant
qu’une seule variété allotropique.
•
Savoir interpréter un diagramme binaire isobare (composition massique) : dans le cas
de la non miscibilité reconnaître les points caractéristiques (existence de mélange
entectique et de composés chimiquement définis); connaître et savoir utiliser la règle
des moments; savoir déterminer la composition molaire d’un composé chimiquement
défini. Cette étude sera faite sur les exemples ci-après :
o diagramme plomb - étain
o diagramme fer - carbone simplifié
o diagramme silice - alumine simplifié.
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Instructions et commentaires
•
Les contenus de ce paragraphe sont nécessaires à la bonne compréhension des
enseignements technologiques. Ils doivent être traités simplement en limitant l’aspect
calculatoire.
•
Les élèves n’ont pas à connaître de valeurs numériques par coeur, c’est l’ordre de
grandeur qui est important.
•
Il est souhaitable d’entraîner les élèves à utiliser des graphiques du type
•
La dilatation volumique sera traitée qualitativement, c’est l’existence du phénomène
qui importe.
On insistera sur les ordres de grandeurs des valeurs des coefficients
de dilatation de
€
solides, liquides et gaz.
•
On évoquera les applications suivantes: assemblage de différents matériaux,
résistance au choc thermique retrait d’une pièce.
•
L’équation d’état f(P,V,T) d’un gaz parfait, PV = nRT sera présentée, utilisée, mais
ne fera pas l’objet de questions à l’examen.
•
Les gaz présents dans les fours d’élaboration des céramiques pourront être choisis
comme exemples d’étude des gaz.
On insistera sur les conséquences pratiques de la dilatation des gaz lors de la mise en
oeuvre des matériaux.
•
Des ordres de grandeur de valeur Cp seront données pour différents matériaux
(plastiques, métaux, alliages, céramiques) et pour l’eau.
•
Il est conseillé de choisir l’eau comme exemple d’étude de diagramme de changement
de phase d’un corps pur (on ne considérera que la variété de glace I).
•
Dans le cas des diagrammes binaires isobares on se limitera aux transformations
liquide-solide.
Cette étude sera faite dans des cas limités soit de mélanges complètement miscibles en
toute proportion, soit de mélanges non miscibles, et dans le cas de mélanges en
équilibres. Cet enseignement sera une base pour les études plus appliquées et
complexes des enseignements technologiques.
•
Une construction de diagramme binaire sera faite en travaux pratiques.
Les mélanges azéotropiques ne sont pas au programme de l’examen.
•
La variation d’enthalpie au cours d’une réaction chimique sera étudiée dans le cas de
réaction de combustion en relation avec les enseignements professionnels. Ce sujet
pourra aussi donner lieu à des travaux pratiques de calorimétrie (réactions acidebase,…).
l − l0
= f (θ )
l0
5. Cinétique chimique
Programme
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•
Définition de la vitesse de formation d’une espèce chimique.
•
Influence de la température (étude qualitative).
•
Catalyseur ; définition.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Connaître la définition d’une vitesse moyenne de réaction entre deux dates t1 et t2.
•
Connaître des exemples de vitesse de réactions lentes, moyennes, rapides.
Instructions et commentaires
•
II est souhaitable que les élèves connaissent la différence entre vitesse moyenne et
vitesse instantanée.
•
Des calculs de vitesses pourraient être faits à partir de courbes de variation, du
nombre de modes d’un constituant en fonction du temps, ceci en relation avec
renseignement des mathématiques.
•
Les amorceurs seront définis dans le cas de l’élaboration des polymères par
polymérisation par addition.
6. Chimie organique et application aux polymères
Programme
•
Etude de fonctions :
o Alcool,
o Phénol
o Amine
o Formol
o Acides carboxyliques et fonctions dérivées (chlorures, esters, amides)
•
Applications :
o Polyesters thermoplastiques, thermodurcissables
o Polyméthacrylate de méthyle
o Phénoplastes
o Polyamides existence de liaisons hydrogène et conséquences
o Matériaux composites (exemples).
•
Mise en oeuvre des réactions de polymérisation - Notions.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
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•
Connaître:
o la réaction d’estérification (réactifs: alcool, acide),
o la réaction d’alkylation des phénols (exemple de la réaction phénol-formol),
o les propriétés basiques des amines - la réaction entre les amines et les chlorures
d’acide.
•
Savoir écrire et utiliser les types de réactions ci-dessus dans le cas des exemples des
polymères du programme seuls les bilans seront demandés.
•
Connaître les matériaux composites cités ci-dessous :
o matériaux fibreux: polyesters chargés de fibres de verre
o matériaux particulaires : polymères chargés de silice ou de talc.
Instructions et commentaires
•
L’étude des fonctions en chimie organique sera limitée aux réactions :
o qui sont caractéristiques de ces fonctions ;
o qui interviennent dans la préparation des polymères cités dans le programme.
•
La mise en oeuvre des réactions de polymérisation ne fera pas l’objet de questions à
l’examen et sera traitée très succinctement.
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C.2. PHYSIQUE
1. Vibrations – propagation – ondes - optique
Programme
•
Mise en évidence expérimentale de la propagation d’un signal : célérité.
•
Etude expérimentale de phénomènes vibratoires entretenus et de leur propagation
longueur d’onde.
•
Réflexion, réfraction, indice de réfraction, dispersion de la lumière.
•
Formation des images - lentilles.
•
Radiations lumineuses infra-rouge, ultra-violet, visible.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Enoncer la définition de la longueur d’onde.
•
Savoir la relation λ = c × T
•
Connaître l’ordre de grandeur de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide,
de celle du son dans l’air.
Enoncer€les lois de Descartes.
•
•
Appliquer la relation λ = c × T pour calculer une longueur d’onde, une vitesse de
propagation.
•
Tracer le trajet géométrique d’un rayon lumineux dans le cas de la réflexion et dans le
cas de la réfraction.
€
•
Tracer l’allure du trajet d’un rayon lumineux se propageant dans une fibre optique
multimodes.
•
Tracer le trajet d’un faisceau lumineux à travers une lentille, et construire l’image d’un
point objet.
•
Savoir utiliser les formules de conjugaison et de grandissement :
1 1 1
p'
− + =
et γ = −
p p' f
p
Instructions et commentaires
€
•
€
Diverses expériences
permettent, en classe de première, de mesurer des célérité
(d’ébranlements, de rides capillaires, de sons, etc...), soit directement en suivant la
Δl
propagation d’un front d’onde ( c = ), soit par l’application de la formule λ = c × T
Δt
€
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€
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spécialité génie des matériaux
•
Les émetteurs et récepteurs d’ultrasons à 40 kHz, très répandus, permettent de rendre
concrètes ces notions, en faisant pratiquer aux élèves des mesures convaincantes à
l’aide du matériel dont ils disposent usuellement (générateurs BF, oscilloscopes).
•
Si l’on choisit cette manière d’opérer, on fera remarquer aux élèves que les signaux
électromagnétiques, eux, n’ont pas besoin de support matériel pour se propager.
•
En utilisant un demi cylindre de plexiglass, on détermine l’indice moyen » de la
lumière visible ou l’indice du jaune, pour ce matériau. On signale que les fibres
optiques (particulièrement les fibres à saut d’indice) utilisent les lois de la réflexion et
de la réfraction, On montre expérimentalement que la réflexion et la réfraction sont
des phénomènes qui affectent d’autres types d’ondes que les ondes lumineuses.
•
Les lentilles seront présentées en travaux pratiques.
•
Radiations lumineuses: il s’agit de notions qualitatives. On expliquera qu’un même
éclairement énergétique peut correspondre à des sensations lumineuses différentes si
la composition spectrale de la lumière n’est pas la même. On parlera de l’absorption
de la lumière par les matériaux en se limitant à une présentation qualitative.
N.B. Les trois premiers alinéas du programme sont des rappels du programme de
seconde.
2. Electricité
2.1. Lois générales de l’électricité en courant continu
Programme
•
Lois relatives aux réseaux : lois des mailles, des noeuds, loi d’Ohm pour un dipôle.
Analyse générale d’un circuit.
•
Sources de tension, sources de courant.
•
Puissance électrique reçue ou fournie par un dipôle, loi de Joule pour une résistance,
bilan des puissances pour un dipôle contenant un électro-moteur.
•
Condensateurs : capacité, association de condensateurs: énergie électrostatique stockée
1
dans un condensateur W = × C × V 2
2
Champ électrique uniforme entre les armatures d’un condensateur plan. Force subie
par une charge électrique placée dans un champ électrique.
€
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
•
Enoncer :
o la définition de l’intensité d’un courant i =
Δq
Δt
€
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o la loi des mailles,
o la loi des noeuds
o les lois d’association des résistances (pour les résistances montées en parallèle
R .R
on se limite à R équ = 1 2 dans le cas de deux résistances quelconques et
R1 + R 2
R
R équ = dans le cas de n résistances égales).
n
•
Enoncer la loi
€ d’Ohm pour une résistance ou un dipôle actif linéaire, écrite
respectivement, soit avec la convention récepteur, soit avec la convention générateur.
• € Représenter le schéma de montage des appareils de mesure (voltmètre, ampèremètre,
ohmmètre).
•
Respecter les conditions de sécurité :
o mise en service de l’alimentation après vérification du montage,
o coupure de l’alimentation avant toute intervention manuelle dans le circuit.
•
Appliquer la loi d’Ohm, ta loi des noeuds et la loi des mailles des circuits linéaires très
simples contenant des dipôles actifs et passifs; exprimer en particulier la tension aux
bornes d’un générateur en charge, d’un récepteur traversé par un courant.
•
Identifier un diviseur de tension : connaître le protocole permettant de calculer la
tension utile.
•
Donner le résultat d’un calcul avec un nombre de chiffres significatifs compatible avec
celui de la donnée utile la moins précise.
•
Citer l’unité d’énergie et l’unité de puissance du Système International.
•
Citer l’expression générale de la puissance électrique
•
Relier puissance et énergie dans le cas de régimes continus permanents.
•
Citer la loi de Joule pour une résistance.
•
Exploiter les expressions W = P × t , P = U × I , W = R × I 2 × t
•
•
Calculer la limitation en tension ou en courant d’une résistance connue pour laquelle
la puissance maximale dissipable est connue.
€ circuit simple.
€ de puissance
€ dans un
Effectuer un bilan
•
Connaître la relation entre champ, tension aux bornes d’un condensateur et capacité
o soit sous la forme q A = C × (v A − v B )
o soit sous la forme q = C × v , avec un dessin :
€
•
•
Citer l’unité de capacité.
€
Donner l’ordre de grandeur des capacités des condensateurs couramment rencontrés.
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€
•
Donner l’expression de l’énergie électrostatique stockée dans un condensateur :
1
W = ×C ×V 2
2
•
Ecrire les relations i =
Δq
Δv
=C×
Δt
Δt
Instructions et commentaires
•
€
L’algébrisation
des grandeurs électriques ne figure pas explicitement au programme
de la classe de Seconde. C’est une opération qui doit apparaître aux élèves de
première année de ce baccalauréat comme simplifiant les raisonnements relatifs à
l’électrocinétique; elle doit être mise en oeuvre dans des cas simples, en choisissant
chaque fois que cela est possible, des sens tels que la majorité des grandeurs
considérées soient positives. Son intérêt se dégagera progressivement quand il
apparaîtra que sans elle, il faudrait, dans certains cas, multiplier les schémas ou les
cas de figure pour prendre en compte la variation d’un paramètre.
•
Sans présenter de théorie générale des réseaux maillés, le professeur attache de
l’importance à la mise en équation de circuits simples constitués au plus de deux
mailles indépendantes.
•
La notion de capacité est introduite expérimentalement par utilisation d’un générateur
de courant dont la théorie n’est pas à présenter au cours de la leçon correspondante.
De même, si l’on utilise un dispositif de décharge automatique, le fonctionnement de
ce dernier n’a nullement à être expliqué dans le détail on se contente d’en indiquer la
fonction globale qui consiste à mettre le condensateur étudié en court circuit lorsque
la tension de celui-ci atteint un niveau déterminé. Ce court circuit cesse dès que la
tension aux bornes du condensateur est inférieure à un certain seuil.
•
On a présent à l’esprit que le seul regroupement de condensateurs couramment utilisé
est le groupement en parallèle.
•
Des condensateurs de 1 F associés à de petits moteurs à courant continu, permettent
de convertir plus de 30% de l’énergie électrostatique que l’on peut y stocker en
énergie potentielle mécanique (mgh).
•
La théorie et les expériences électrostatiques sont, pour les élèves, difficilement
reliées aux questions relevant de l’électrocinétique. Centré sur l’électrocinétique, le
programme exclut donc totalement les références à l’électrostatique classique pour ne
conserver que les résultats essentiels de la théorie du champ électrique. On profite
donc de l’étude des condensateurs pour introduire, à propos durmodèle
plan,
lar notion
r
r
de champ électrique uniforme, ainsi que les relations : ΔV = − E .Δl et F = q.E
•
On fait remarquer que l’animation de l’écran d’un oscilloscope est une conséquence
de cette dernière relation. On utilise à cet effet l’analogie entre champ électrique
uniforme et champ de pesanteur uniforme. €
€
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N.B. Les deux premiers alinéas du programme sont des rappels du programme de
seconde.
2.2. Electromagnétisme
Programme
•
Champ magnétique. Mesure de B à l’aide d’un capteur de champ magnétique. Vecteur
champ magnétique. Action d’un champ magnétique sur un aimant. Visualisation des
lignes de champ (spectres magnétiques).
•
Les courants sources de champ magnétique: proportionnalité (dans l’air) du champ
magnétique à l’intensité du courant qui le crée; expression du module du champ
magnétique produit par un solénoïde infiniment long.
•
Mise en évidence d’un champ magnétique par son action sur un faisceau d’électrons.
•
Action d’un champ magnétique uniforme sur un élément de circuit parcouru par un
courant: loi de Laplace.
•
Flux du champ magnétique à travers une surface finie. Expression du flux dans le cas
où la surface est plane et le champ uniforme. Règle du flux maximal.
•
Induction électromagnétique :
o mise en évidence expérimentale de la f.é.m. induite dans un circuit fixe placé
dans un champ magnétique variable et dans un circuit que l’on fait tourner ou
que l’on déforme dans un champ magnétique indépendant du temps,
o expression de la f.é.m. induite, loi de Faraday,
o courant induit, loi qualitative de Lentz.
•
Auto-induction; inductance propre d’un circuit. Energie électromagnétique
1
emmagasinée dans un circuit parcouru par un courant : W = × L × I 2 .
2
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
€
Définir une ligne de champ, un champ magnétique
uniforme.
•
Citer l’unité de champ magnétique.
•
Dessiner le spectre d’un aimant permanent (droit et en « U »).
•
Savoir déterminer la direction de B en un point à partir d’un spectre.
•
Savoir qu’il y a proportionnalité, dans l’air, entre le module du champ magnétique et
l’intensité du courant qui le crée : B = k × I (en relation avec les acquis du programme
de seconde).
•
Donner la direction, le sens et le module du champ magnétique dans un solénoïde très
allongé.
€
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15/24
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spécialité génie des matériaux
•
r
Orienter le champ B produit par le courant traversant une bobine suivant le sens du
courant dans l’enroulement.
•
Calculer le module du champ magnétique créé par un solénoïde très allongé, la
formule faisant
partie des données.
€
•
Citer un dispositif utilisant la déviation magnétique d’un faisceau d’électrons.
•
Enoncer la loi de Laplace.
•
Citer au moins un dispositif usuel où une force est obtenue par action d’un champ
magnétique sur un conducteur parcouru par un courant.
•
Appliquer une règle d’orientation.
•
Déterminer les caractéristiques d’une force électromagnétique pour une portion
rectiligne de circuit.
•
Ecrire l’expression du flux d’un champ magnétique uniforme à travers une surface
plane limitée.
•
Citer l’unité de flux magnétique.
•
r
Calculer le flux à travers une spire ( B uniforme).
•
Citer les expressions de la loi de Faraday emoy =
•
€
Citer deux causes d’induction d’une f.é.m. dans un circuit:
ΔΦ
Δt
o variation de l’intensité du champ magnétique en fonction du temps.
€
o rotation ou déformation du circuit dans un champ magnétique constant.
•
Citer une application du phénomène d’induction électrique : machines électriques,
courants de Foucault.
•
Enoncer la loi de Lenz.
•
Appliquer la loi de Lenz pour trouver le sens d’un courant induit dans des cas simples.
•
Calculer la f.é.m. induite :
o dans une spire fixe placée dans un champ variable dont on connaît l’expression
en fonction du temps.
o dans une spire qui tourne dans un champ fixe.
•
Connaître la formule Φ = L × i définissant l’inductance d’un circuit.
•
Connaître l’unité d’inductance.
•
Connaître la formule donnant l’expression de la f.é.m. d’auto-induction.
€
•
Dessiner le modèle équivalent d’une bobine idéale :
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et
16/24
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•
1
Connaître l’expression de l’énergie W = × L × I 2
2
Ecrire l’expression de la tension aux bornes d’une bobine réelle, avec la convention
récepteur.
€
Instructions et commentaires
•
•
•
On fait remarquer aux élèves que le fonctionnement des machines électriques, comme
celui des hauts parleurs, etc... constitue le champ d’application des lois de cette série
de leçons. C’est ce qui permet d’ailleurs de donner à ces différentes lois l’illustration
expérimentale qui en fait ressortir le côté concret.
r
B
Le
vecteur
champ
magnétique
est
noté
, le vecteur excitation magnétique est noté
r
H . La théorie du capteur utilisé (effet Hall, magnétorésistance, ...) n’est pas au
programme.
•
€ partie du programme de mathématiques, il n’est donc
Le produit vectoriel ne fait pas
pas utilisé.
•
La règle du flux maximal, présentée expérimentalement, est destinée à faire acquérir
aux élèves de bons réflexes physiques susceptibles d’être utilisés par la suite pour
comprendre par exemple l’origine du couple électromagnétique développé par les
machines tournantes.
•
Les élèves doivent savoir calculer la f.é.m. induite dans un circuit (dans quelques cas
très simples). Ils doivent pouvoir contrôler le signe de la f.é.m. en utilisant la loi de
Lenz : il suffit pour cela d’imaginer que le circuit est fermé et qu’un courant induit est
susceptible de le parcourir.
•
En l’absence de milieu ferromagnétique, le flux à travers un circuit est proportionnel
à l’intensité i du courant qui parcourt ce dernier. Cette propriété reste vraie, dans la
limite de saturation du circuit magnétique pour des bobines à noyau ferro ou
ferrimagnétique. On montre à l’oscilloscope les effets de la f.é.m. d’auto-Induction qui
prend naissance lorsque i varie.
•
On avertit les élèves des risques que présente l’ouverture d’un circuit très inductif et
des précautions indispensables qui doivent accompagner cette opération.
€
2.3. Régimes sinusoïdaux
Programme
•
Caractéristiques générales des grandeurs périodiques : période, fréquence, valeur
instantanée, valeur moyenne, valeur efficace.
•
Application aux régimes sinusoïdaux : pulsation, valeurs efficaces de l’intensité et de
la tension.
•
Représentation algébrique d’une grandeur sinusoïdale. Vecteur de Fresnel associé.
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•
Dipôles linéaires élémentaires en régime sinusoïdal : Loi d’ohm, impédance,
admittance. Association de dipôles. Résonance.
•
Puissance en régime sinusoïdal. Puissance instantanée, puissance active, puissance
apparente. Facteur de puissance.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Déterminer, sur le graphe d’une fonction sinusoïdale, l’amplitude, la période, la phase
à l’origine.
•
Savoir qu’une fonction sinusoïdale a une valeur moyenne nulle.
•
Connaître la relation entre l’amplitude (ou valeur maximale) d’une fonction
sinusoïdale et sa valeur efficace.
•
Connaître les caractéristiques du vecteur de Fresnel associé à une grandeur
sinusoïdale.
•
Caractériser le déphasage (avance ou retard) entre deux fonctions sinusoïdales
synchrones (à l’examen la fonction sinus sera utilisée).
•
Effectuer la somme de grandeurs sinusoïdales de même fréquence en utilisant la
méthode de Fresnel.
•
Définir l’impédance Z d’un dipôle.
•
Connaître l’unité d’impédance.
•
Connaître l’expression de l’impédance d’une résistance, d’un condensateur parfait,
d’une bobine parfaite.
•
Enoncer la condition de résonance d’un circuit R. L, C, série : L × ω =
•
Déterminer, par une méthode graphique, l’impédance d’un dipôle « R.C. », R.L.,
« R.L.C. » de structure série.
€
Définir au moyen d’une formule :
•
1
C ×ω
o la puissance instantanée p = u.i,
o la puissance moyenne P ou puissance active.
Instructions et commentaires
•
On met l’accent sur les appareils numériques qui, pour indiquer la valeur efficace X
d’une grandeur x(t), suivent point par point la démarche mathématique, à savoir :
transformation de la grandeur x(t) en son carré x2(t), puis élaboration de la valeur x2
de x2(t). et enfin extraction de la racine carrée de x2.
•
On effectue la démonstration de l’expression donnant la valeur efficace d’une
grandeur sinusoïdale d’amplitude donnée sans le formalisme de l’intégration. On fait
observer que de nombreux appareils (numériques ou analogiques) donnent
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spécialité génie des matériaux
correctement les valeurs efficaces des grandeurs sinusoïdales qui leur sont
appliquées, alors qu’ils indiquent des valeurs erronées dans le cas de grandeurs
revêtant d’autres formes. Ceci, parce qu’ils ne sont pas sensibles à la valeur efficace
de la grandeur considérée mais à d’autres caractéristiques de cette grandeur.
•
•
€
On peut écrire les grandeurs variant sinusoïdalement en fonction du temps sous
diverses formes : A 2 cos(ω × t + a) , A 2 sin(ω × t − b) , etc. La phase d’une telle
grandeur est l’argument de la fonction sinusoïdale utilisée : (ω × t + a) ou
(ω × t − b) selon le cas. La phase origine est la valeur de la phase lorsque la variable t
est nulle c’est (a) dans le premier cas, (b) dans l’autre.
€
€
Bien entendu, quand plusieurs grandeurs sinusoïdales
€ synchrones sont étudiées, on
choisit la même écriture générale pour les décrire toutes, et en général, la phase
origine
€ de l’une d’elles, prise€pour référence, est choisie nulle. Seules en effet, les
différences de phase, ou déphasage sont importants.
•
Bien qu’il soit possible d’effectuer d’autres choix cohérents, on prendra pour
référence, lorsque la situation s’y prêtera, la tension u = U 2 sin(ω × t) du réseau.
L’intensité s’écrit alors i = I 2 sin(ω × t − ϕ ) , ϕ étant le déphasage (ou retard) de i
par rapport à u.
•
On relie qualitativement la résonance en électricité
et la résonance mécanique.
€
€
€ installation, le fait de présenter un bon facteur
On montre l’intérêt
que revêt, pour une
de puissance.
•
2.4. Milieux ferro ou ferrimagnétiques
Programme
•
Vecteur excitation magnétique H.
•
Courbes d’aimantation. Hystérésis. Champ magnétique rémanent. Excitation
coercitive.
•
Circuits magnétiques de section constante, sans, et avec entrefer.
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Citer l’unité de champ magnétique B et celle de l’excitation magnétique H.
•
Citer la relation entre l’excitation magnétique et le champ magnétique.
•
Représenter l’allure d’une courbe de première aimantation.
•
Dessiner un cycle d’hystérésis : y repérer la position du champ rémanent et de
l’excitation coercitive.
•
Représenter l’allure d’un cycle d’hystérésis d’un matériau doux et d’un matériau dur.
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Instructions et commentaires
•
Il s’agit d’acquérir le vocabulaire et les connaissances de base sur les matériaux et
circuits magnétiques afin de fixer les propriétés fondamentales des vecteurs champ et
excitation ainsi que les divers ordres de grandeur de champs magnétiques et
d’excitations magnétiques. On attirera l’attention des élèves sur les qualités
extrêmement différentes des matériaux magnétiques « durs », comme ceux qui
constituent les aimants, et celles des matériaux « doux » comme ceux qui sont utilisés
pour former les tôles des transformateurs.
•
L’étude est avant tout expérimentale, aucune théorie n’est exigible des élèves.
3. Energétique
Programme
3.1. Les différentes formes de l’énergie
3.2. Transformations de l’énergie et conservation globale
Connaissances scientifiques et savoir-faire théoriques
•
Citer l’unité d’énergie
•
Enoncer la formule donnant le travail d’une force d’intensité constante dont le point
d’application se déplace selon sa direction.
•
Enoncer la formule donnant le travail d’un couple de forces de moment constant
tournant autour d’un axe fixe.
•
Enoncer la formule exprimant la puissance d’une force ou d’un couple de forces.
•
Appliquer les formules donnant le travail et la puissance d’une force ou d’un couple.
•
Calculer le transfert de chaleur subi par un corps dont la température varie, la formule
étant donnée.
•
Effectuer le bilan énergétique de différents convertisseurs.
Instructions et commentaires
•
Cette partie se prête bien au développement des compétences des élèves. Le premier
principe de la thermo-dynamique pourra être évoqué et utilisé O bon escient par les
élèves (transfert de chaleur...).
•
Les convertisseurs seront présentés comme des récepteurs leur étude
phénoménologique n’est pas au programme. Les données nécessaires seront fournies
aux élèves. L’objectif est de savoir effectuer des bilans énergétiques
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INSTRUCTIONS ET COMMENTAIRES
Introduction
Le découpage du programme de chimie autour de grands thèmes (structure de la matière,
acidobasicité et oxydo-réduction, thermodynamique, cinétique chimique, chimie des
polymères) vient favoriser un enseignement qui privilégie l’aspect transmatériaux. Ceci
implique la nécessité d’illustrer ces thèmes par des exemples concrets consacrés à l’étude des
différents matériaux et en particulier à la comparaison de leurs propriétés respectives.
Le programme de physique relève de la même logique. On l’illustrera en présentant les
propriétés optiques, électriques, magnétiques des matériaux usuels.
PARTIE 1
des commentaires
Instructions et commentaires
Les instructions et commentaires ont été intégrés au programme.
PARTIE 2
des commentaires
Activités supports : travaux pratiques de physique et chimie
Savoir faire expérimentaux
Techniques à connaître :
•
Réalisation d’un montage en chimie organique et utiliser des techniques de séparation.
•
Exploitation d’une courbe: Calcul d’une vitesse moyenne et instantanée dans le cas
d’une estérification.
•
Exploitation d’un spectre l-R.
•
Caractérisation d’ions.
•
Calorimétrie.
•
Mesure des températures.
•
Savoir donner le résultat d’une mesure avec un nombre raisonnable de chiffres
significatifs.
•
Utilisation de l’outil informatique pour la saisie et le traitement de données.
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Appareils à savoir utiliser
•
Verrerie de laboratoire.
•
pHmètre.
•
Conductimètre.
•
Modèles moléculaires.
•
Thermocouple, thermomètres.
•
Banc d’optique et périphériques.
•
Oscilloscope. Générateur basse fréquence.
•
Multimètre (fonctions ampèremètre, voltmètre, ohmètre).
•
Wattmètre.
•
Teslamètre.
•
Luxmètre.
•
Amplificateur opérationnel.
Thèmes d’études proposés
Laissés au libre choix du professeur. Cette liste n’a rien d’obligatoire ou d’héxaustif.
C1. CHIMIE
•
Conductimétrie appliquée O différents cas dont l’étude de suspensions utilisées dans
l’élaboration des céramiques.
•
Dosage acide fort, base forte :
•
par pH mètrie,
•
par utilisation d’indicateurs colorés.
•
Dosage d’acide éthanoïque (la réaction principale CH3COOH + OH- → CH3COO- +
H20 sera présentée comme une extension de la réaction acide fort - base forte).
•
Préparation de solutions de concentration connue.
•
€
Dosage d’oxydo réduction (exemple proposé: dosage des ions Fe2+ par les ions MnO4(Dosage de Ni ou Mn dans un acier).
•
Caractérisation d’ions (voir commentaires du programme de seconde).
•
Mesure de Cp.
•
Mesure d’enthalpie de changement de phase.
•
Mesure d’enthalpie de réaction (selon le matériel présent au lycée).
•
Construction d’un diagramme binaire isobare.
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spécialité génie des matériaux
•
Mesure de masse volumique de solide et de liquide.
•
Mesure de masse volumique apparente (cas des céramiques).
•
Cinétique chimique (estérification ou autre).
•
Modèles moléculaires.
•
Préparation du polystyrène (polymérisation par addition).
Polymérisation par condensation (phénoplastes, aminoplastes, polyamides polyesters).
Méthodes de séparation en chimie organique.
C.2. PHYSIQUE
•
Mesure de tension: application à l’utilisation d’un thermocouple.
•
Tracé d’une caractéristique à l’oscilloscope.
•
Etude des caractéristiques d’une grandeur vibratoire sinusoïdale à l’aide d’un
oscilloscope alimenté par un générateur basse fréquence.
•
Puissance fournie ou reçue par un dipôle, par une méthode ampèremètre voltmètre ou
(et) à l’aide d’un wattmètre.
•
Réalisation d’un générateur de courant à utiliser pour charger un condensateur.
•
Mesure de B à l’aide d’un teslamètre.
•
Visualiser la f.é.m. induite dans une bobine à l’aide d’un oscilloscope.
•
Etude de la résonance en intensité d’un circuit RLC série.
•
Amplificateur opérationel ; ces travaux pratiques seront l’occasion de présenter les
grandes fonctions de l’électronique amplificateur et suiveur, comparateur.
•
Cycle d’hystérésis.
•
Lentilles convergentes : savoir former l’image d’un objet réel.
•
Mesures d’indice de réfraction.
•
Etude de la propagation des sons et ultrasons dans différents milieux.
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PARTIE 3
des commentaires
Proposition de pondération horaire
La proposition pondérale donnée ci-dessous n’est qu’indicative. Elle est basée sur des années scolaires de 30
semaines.
La chimie occupe 60% du temps soit environ 90 heures sur les deux ans décomposés en :
§1 :
8 heures
§2 :
15 heures
§3 :
20 heures
§4 :
22 heures
§5 :
5 heures
§6 :
20 heures
La physique occupe 40% du temps soit environ 60 heures pour les deux années :
§1 :
5 heures
§2.1 : 10 heures
§2.2 : 15 heures
§2.3 : 15 heures
§2.4 : 5 heures
§3 :
10 heures
Une répartition entre les classes de première et terminale peut-être envisagée suivant le schéma suivant :
Classe de première
Chimie :
§1 :
§2 :
§3 :
§4 :
Physique
§1 :
§2.1 :
§2.2 :
8 heures
15 heures
(début) Réactions acide-base : 5 heures
(début) Température – Dilatation – Gaz parfaits : 8 heures
5 heures
10 heures
(début) Electromagnétisme (jusqu’à la loi de Laplace) : 7 heures
Classe de terminale
Chimie :
§3 :
(suite) Réactions d’oxydo-réduction : 15 heures
§4 :
(suite) Aspect énergétiques – Diagramme de phase : 14 heures
§5 :
5 heures
§6 :
20 heures
Physique
§2.2 : (suite) : Flux – induction – Autoinduction : 8 heures
§2.3 : 15 heures
§2.4 : 5 heures
§3 :
10 heures
N.B. : à ces horaires s’ajoutent les horaires de travaux pratiques.
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