Programmes de sciences physiques des cycles moyen, secondaire

SOMMAIRE
Page
Partie introductive
2
Programmes du cycle moyen
20
Programme de 4ème
22
Programme de 3ème
38
Programmes du cycle secondaire
56
Programme de 2èmeS
57
Programme de 1ère S1 et S2
100
Programme de Terminale S
135
Programme de 2ème L2
181
Programme de 1ère L2
198
Programme de Terminale L2
213
Références bibliographiques
229
Recueil d’activités d’intégration
230
Annexes
238
REPUBLIQUE DU SENEGAL
Un Peuple - Un But – Une Foi
Ministère de l’Education
Inspection Générale de l ‘Education Nationale
Commission nationale de sciences physiques
.
PROGRAMMES DE SCIENCES PHYSIQUES DES CYCLES
MOYEN, SECONDAIRE GENERAL ET TECHNIQUE.
Tome 1 : programmes des cycles moyen et secondaire général.
Août 2008
IGEN - : 864 58 83 Fax : 864 58 83 Dakar -Sénégal
Email: [email protected] Site web: http://www. igen.education.sn
1
Partie introductive
2
La présente réforme tient compte des résultats fournis par une analyse de la situation
pédagogique et didactique existante, la mise en application des programmes de 99 et les
pratiques des enseignants.
La réussite de la réforme interpelle en premier lieu les enseignants acquis déjà à des
pratiques qui « marchent » et qui sont chargés d’appliquer cette réforme sur le terrain.
Il convient de maîtriser les courants pédagogiques/didactiques qui ont dominé l’élaboration
des curricula et l’enseignement ainsi que les champs théoriques qui les soutendent et
d’accepter de changer de comportement et de rapport au savoir à l’apprentissage afin
d’aider les élèves à apprendre en les mettant dans des situations de production et de
réalisation de projets
I La genèse du programme de sciences physiques.
Le programme de sciences physiques en vigueur jusqu’en juillet 2008 matérialise
l’aboutissement d’un long processus de réforme progressive qui a débuté depuis des années
avec la promulgation la loi 71-36 du 03 juin 1971, abrogée par celle de 92.
La lecture que l’on peut faire de ces réformes successives est que trois entrées principales
ont prévalu dans l’élaboration des programmes : l’entrée par les contenus, l’entrée par les
objectifs et l’entrée par les compétences :
•
Au début des indépendances le programme officiel de sciences physiques du
Sénégal est pour l’essentiel le programme français des années 60.
La lecture que l’on pouvait faire de ce programme est qu’il était réduit à une liste de
contenus. Pour l’essentiel ce programme a prévalu jusqu’aux années 75 ; même si quelques
réaménagements ont été faits, il n’y a pas eu de modifications profondes.
De 1975 à 1986 le programme s’est progressivement modernisé. L’expérience des
classes pilotes testée à cette époque dans les lycées Lamine Guèye, Blaise Diagne et
Delafosse et pour laquelle un accent particulier était mis sur la dimension expérimentale de
l’enseignement de la physique, a largement contribué à cette modernisation.
Il faut attendre 1987 pour assister à la première réforme des programmes par la
commission nationale de sciences physiques. Cette réforme est marquée par :
-
la redistribution des contenus des différentes parties de la physique et de la chimie dans
les niveaux d’étude,
-
la
présentation
de
chaque
chapitre
sous
forme
de
« contenus »
suivi
de
« commentaires ».
On notera que la méthodologie adoptée repose encore pour l’essentiel sur une « entrée par
les contenus ».
En 1995, sous l’égide du Programme de Développement des Ressources Humaines
(PDRH), ont été élaborés des guides pédagogiques, par des équipes regroupant la
3
commission nationale, des formateurs de la Faculté des Sciences et Technologies de
l’Education et de la Formation (FASTEF), de la Faculté des Sciences et Techniques (FST).
Les
programmes
sont
alors
présentés
en
« référentiels
d’objectifs »
suivis
de
« commentaires ».
Ici la méthodologie adoptée repose sur l’entrée par les objectifs.
La dernière réforme date de 1999, sur instruction du ministre de l’éducation.
Le programme se présente sous forme d’un « référentiel de compétences » suivi de
commentaires. L’entrée est de type « entrée par les compétences ».
Ce programme est mis en œuvre depuis une dizaine d’année.
Le paragraphe qui suit fait l’économie de la pédagogie par objectifs et de l’approche par
compétences.
II Deux courants pédagogiques qui ont dominé l’élaboration des
curricula et l’enseignement : la pédagogie par objectifs (PPO) et
l’approche par compétences (APC)
•
Une des premières tentatives développées dans les pays pour définir les résultats
attendus de l’action éducative, essentiellement entre la fin des années 60 et le début des
années 80 (un peu plutôt aux Etats-Unis), a consisté à définir des objectifs pédagogiques
décrivant de manière précise les comportements attendus de l’élève au terme d’une activité
d’apprentissage ainsi que les critères qui servent à l’évaluer.
Cette pédagogie dite par objectifs repose sur la définition d’objectifs, le découpage des
contenus d’enseignement en petites unités et l’identification d’itinéraires précis pour les
apprentissages.
La PPO a eu l’immense mérite de mettre pour la première fois l’élève au centre des
préoccupations des programmes scolaires. Au lieu de donner une liste de contenus à
transmettre aux élèves, les programmes listent désormais des objectifs que les élèves
doivent atteindre.
La communication des objectifs à l’élève est un facteur de motivation pour celui-ci qui
améliore l’efficacité de l’enseignement. L’élève peut contrôler ses acquis, mesurer ses
propres progrès, s’auto évaluer,
L‘évaluation est facilitée pour l’enseignant, qui peut contrôler son enseignement et procéder
à des régulations.
Toutefois, beaucoup de recherches en didactique ont montré le peu de réinvestissement et
de transfert des acquis scolaires dans divers domaines du savoir, par les élèves. Ce qui
frappe c’est moins l’absence de connaissances des élèves que l’incapacité d’en faire un
usage approprié.
4
Dans la PPO, les objectifs sont déclinés presque exclusivement à partir des directives de
l’institution et de l’analyse de la matière sans prise en compte systématique de l’élève
La décomposition du savoir en objectifs nombreux et variés empêche l’élève de relier les
actions les unes aux autres et ainsi d’appréhender le phénomène dans sa globalité.
La maîtrise et l’accumulation de savoirs isolés ne permettent pas à l’élève de résoudre des
problèmes concrets de la vie. Apprendre ce n’est pas accumuler mais c’est mettre en
relation ; on n'apprend pas dans des situations simplistes mais à travers des activités
complexes s’apparentant à la réalité.
•
La deuxième tentative est apparue à la fin des années 80 et connaît actuellement un
développement important. Développée sous le terme pédagogie de l’intégration [1],
l’approche par compétences (APC) a été opérationnalisée progressivement dans plusieurs
pays d’Europe et d’Afrique depuis les années 90, essentiellement à l’école élémentaire et
dans l’enseignement technique professionnel. Elle consiste à définir des compétences (voir
paragraphe suivant) en partant des finalités de l’enseignement et de situation- problèmes
significatives.
L’APC s’inscrit dans une conception de l’apprentissage selon laquelle un savoir-faire
s’acquiert plus aisément dans un contexte pertinent.
Elle repose sur des principes constructivistes ou interactionnistes qui mettent l’accent sur
l’appropriation active des connaissances par l’apprenant
Noter que le passage de la pédagogie par objectifs à la pédagogie de l’intégration est
un changement de paradigme qui s’inscrit à la fois dans la rupture et dans la
continuité :
- la continuité réside dans le fait que les savoirs et savoir-faire continuent d’être l’objet
d’apprentissage, l’élève étant au centre des activités.
- la rupture se situe à un autre niveau : ce sont les savoirs et savoir-faire qui servent
à résoudre des problèmes et des tâches qui sont sélectionnés, permettant de donner du
sens à l’apprentissage.
III La notion de compétence - formulation
•
Définition de la compétence
Il est évident que l’approche par compétences repose sur une nouvelle acception de la
notion de compétence. Le terme compétence lui-même est polysémique. Si dans la définition
des anciens programmes le terme a signifié aptitude, parfois capacité [2] et même
connaissance, dans l’approche par compétences il a une signification différente, qui viendrait
du milieu professionnel
L’approche serait initialement retenue dans la formation
professionnelle et au niveau de l’entreprise [3]. Elle serait ensuite adoptée dans
5
l’enseignement
technique
plus
proche
du
monde
professionnel
puis
étendue
à
l’enseignement général.
D’une revue critique de la littérature assez exhaustive on a pu retenir la définition suivante :
La compétence est un ensemble intégré de savoirs, savoir-faire, savoir-être qui
permettent, face à une catégorie de situations, de résoudre des problèmes ou des
tâches, de réaliser des projets.
Les savoirs, savoir-faire et savoir-être désignent ce que Roegiers appelle « ressources » [4]
Il ne suffit pas à l’apprenant d’acquérir des savoirs, savoir-faire et savoir-être isolés pour
pouvoir résoudre des problèmes. Il doit apprendre à mobiliser, à combiner judicieusement,
ou à intégrer ces ressources.
Intégrer des savoirs et des savoir-faire, c’est les utiliser de façon concrète dans des
situations de la vie courante. L’apprenant doit être capable de transférer ses apprentissages
du contexte scolaire à un contexte quotidien.
La situation cible correspond au contexte et aux conditions dans lesquelles s’exerce la
compétence.
Le problème en question doit être un problème auquel l’apprenant est confronté dans sa vie
quotidienne. C’est donc un problème complexe par essence mais qui a du sens pour lui
•
Formulation d’une compétence
Comme pour les objectifs la compétence est formulée à l’aide de critères ; les éléments
constitutifs pour la formulation d’une compétence sont :
- l’emploi du verbe « intégrer »
C’est l’activité essentielle pour mobiliser les ressources; d’où la formulation « à l’issue de
l’année l’élève doit intégrer…. »
- l’indication des contenus
Il s’agit de préciser les connaissances et les savoir-faire sur lesquels portent les
apprentissages ponctuels,
- l’indication de la situation
Là il faut préciser l’environnement dans lequel se trouve l’enfant et où il doit exercer la
compétence.
- l’indication du résultat attendu : le problème ou de la tâche à résoudre
NB : souvent il n’est pas aisé de distinguer la situation et le problème ou la tâche (c’est à dire
le résultat attendu)
Exemple de formulation d’une compétence d’année :
A l’issue de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
en mécanique (forces, conditions d’équilibre), doit les intégrer dans des situations familières
de résolution de problèmes de statique : prévision, réalisation, explication et exploitation
d’équilibres de solides.
6
Remarques importantes
1. La compétence est une acquisition, c’est le résultat d’un apprentissage, il ne s’agit
pas d’un potentiel que détiendrait l’apprenant en dehors de tout apprentissage
2. Une compétence ne peut s’acquérir à court terme, à l’issue d’une séance ou d’une
leçon, en quelques heures; elle doit découler d’activités variées et mises à l’épreuve à
partir de situations relevant d’une famille de situations. Le problème à résoudre ou la
tâche à réaliser doit être complexe.
La compétence s’acquiert à long terme à l’issue d’une séquence pouvant durer des mois
ou plus …
Définir une compétence sur chaque leçon revient pratiquement à la PPO qui repose sur
le morcellement du savoir.
IV Pratiquer la pédagogie de l’intégration
La pédagogie de l’intégration repose sur la mise en place d’un processus d’enseignement
apprentissage qui ne se contente pas de cumuler des savoirs et savoir-faire.
Elle se développe en trois phases :
• Une phase d’acquisition des ressources.
Dans l’apprentissage par compétence, les savoirs, savoir-faire et savoir-être continuent à
être l’objet d’apprentissages ponctuels mais on met en priorité ceux qui se rapportent à la
compétence visée..
• .Une phase d’intégration :
Dans cette phase, il s’agit de faire apprendre à l’élève à mobiliser ses ressources dans des
situations cibles données pour résoudre des problèmes ou réaliser des tâches.
Il importe à ce niveau de préciser que l’approche par compétences ne dispense pas des
objectifs spécifiques. On continue à développer les objectifs en prenant soin toutefois de les
rendre significatifs afin que les élèves sachent à quoi servent les savoirs acquis.
Les objectifs généraux classiques de l’enseignement de la discipline trouvent encore toute
leur place dans la définition des programmes (cf. paragraphe VI).
Dans la pédagogie de l’intégration, seule une partie des apprentissages change par rapport
aux pratiques actuelles. En plus des apprentissages ponctuels qui visent l’acquisition des
ressources, des moments d’intégration sont aménagés. La pédagogie de l’intégration
n’élimine pas donc les pratiques actuelles, elle les complète plutôt. L’approche par
compétences affirme que sans tourner le dos aux savoirs, sans nier qu’il y ait d’autres
7
raisons de savoir et de savoir-faire, il importe de relier les savoirs à des situations dans
lesquelles ils permettent d’agir au-delà de l’école [5].
• Une phase d’évaluation
Dans la pédagogie de l’intégration l’évaluation constitue un maillon essentiel du système
enseignement/apprentissage. Evaluer une compétence revient à demander à l’apprenant de
réaliser une tâche complexe dans une situation appartenant à la même famille que la
situation cible ayant servi à construire cette compétence.
Comme das les autres méthodes, dans l’APC, on envisage des moments d’évaluation
formative et des moments d’évaluation sommative.
De façon opérationnelle l’évaluation de la compétence se fait selon les étapes classiques
définition de critères, conception d’une situation d’évaluation, définition des indicateurs et
d’un barème de correction.
V Le nouveau programme (août 2008)
1 La nécessite de reconfigurer le programme de 99.
L’état des lieux de la mise en application des programmes de 99 permet de relever des
points forts et les points à améliorer.
Si le programme de 99 est moderne, d’un niveau scientifique compétitif sur le plan
international, cohérent dans son ensemble avec une bonne progression, il reste à en adapter
le volume avec l’horaire prévu en allégeant certains chapitres et surtout à clarifier la logique
de compétences qui le fonde.
En effet, l’approche par compétences est différemment interprétée par les enseignants.
De fait, on relève une situation assez contrastée entre l’approche par compétences dictée
par les instructions officielles et la pédagogie par objectifs pratiquée sur le terrain par les
enseignants. Dès lors, il est apparu impératif de mieux formuler les compétences et
d’accorder au mieux la configuration du programme avec une entrée par les compétences.
La reconfiguration des programmes par rapport à l’approche par compétences, entreprise
par la commission nationale, a consisté à :
- préciser clairement les profils de sortie des élèves par la définition de compétences claires
et correctement exprimées,
- proposer, en relation avec les profils dégagés, des activités d’apprentissage significatives.
- mieux articuler les apprentissages d’un niveau à un autre.
A terme, les grandes lignes du programme qui découle de cette reconfiguration se
présentent comme décrit dans le paragraphe qui suit.
8
2 La présentation du format du nouveau programme.
•
Les compétences de cycle (OTI)
Dès le début, pour chaque cycle, sont précisées les compétences de cycle suivant les
différents domaines d’étude.
Les compétences de cycle définissent les profils de sortie des apprenants au terme d’un
cycle. Ce sont des macro compétences qui recouvrent l’ensemble des savoirs, savoir-faire
et savoir-être d’un cycle (deux ans pour le moyen, et trois pour le secondaire).
La compétence de cycle ainsi définie correspond à l’objectif terminal d’intégration (OTI )
défini par Deketele et Roegiers [4] et repris par Miled [6].
L’appellation « compétence de cycle » est retenue pour éviter toute confusion avec l’objectif
général qui, comme son nom l’indique, désigne dans la PPO, une intention pédagogique
générale.
Pour formuler cette compétence on se demande : à quel type de situations l’élève doit-il faire
face dans sa vie quotidienne et plus tard dans sa vie professionnelle ?
•
Les compétences d’année
Pour chaque niveau, aussi bien en physique qu’en chimie, sont précisées les compétences
d’année déclinées des compétences de cycle et définissant le profil de sortie des apprenants
au terme de l’année.
•
Le référentiel d’objectifs
Les chapitres sont déclinés en « référentiels d’objectifs » et en « commentaires ».
Le référentiel d’objectifs est un tableau à trois colonnes indiquant les objectifs, les contenus
d’enseignement et les activités d’apprentissage. On remarquera que la colonne des
compétences du programme de 99 est remplacée ici par une colonne des objectifs.
- Sur la colonne des « objectifs » sont formulés les objectifs spécifiques à atteindre.
- Les « contenus » sont articulés autours de quelques concepts clefs, des lois, des principes
et mesures ; ces contenus induisent les parties essentielles des différentes leçons.
- Dans la dernière colonne de la grille du référentiel sont précisées les « activités
d’apprentissage ». Les activités proposées sont diversifiées et peuvent aller de simples
observations à des expériences où les élèves manipulent réellement avec ou sans
l’assistance du professeur. L’option ainsi prise de proposer des activités d’apprentissage est
de centrer véritablement le cours sur les élèves.
•
Les commentaires.
Les « commentaires » explicitent les contenus, en précisant les limites pour le niveau
d’étude considéré et proposent des approches et/ou des déroulements possibles qui
débutent par des activités préparatoires.
9
- La place des activités préparatoires.
L’objectif visé par les activités préparatoires est de faire le lien du cours avec
l’environnement des élèves et leurs préoccupations quotidiennes.
Ces activités préparatoires sont menées par les élèves avant le cours; de préférence en
groupes pour susciter des conflits sociocognitifs entre eux. Elles sont diversifiées. Elles
peuvent être, entre autres, des recherches documentaires, des enquêtes, des visites
d’usines et de sites, de la confection de matériels didactiques, des expériences inédites.
L’exploitation des activités préparatoires en classe par l’enseignant permettra, entre autres,
d’introduire le cours, de recueillir les représentations des élèves sur l’objet du cours, de
connaître les obstacles sur lesquels ils ont buté et les questions qu’ils se posent.
Naturellement, l’enseignant, en toute connaissance de cause, devra user des moyens
pédagogiques qui permettent aux élèves de franchir ces obstacles et de répondre à leurs
interrogations.
- L’importance des activités d’intégration.
Les activités d’intégration donnent l’occasion aux élèves d’exercer la compétence dans des
situations cibles, donc de mobiliser leurs acquis pour résoudre le problème qui leur est posé.
Pour l’enseignant, il s’agit de placer les élèves devant une situation significative à travers
laquelle ils apprennent à intégrer leurs acquis.
Ces activités sont organisées en fin d’étape ou de cycle et correspondent à une phase
importante de la pédagogie de l’intégration par rapport aux pratiques actuelles centrées
essentiellement sur des apprentissages ponctuels.
A ce sujet, il importe de bien distinguer la situation d’intégration avec la situation didactique.
La situation d’intégration (situation cible, situation d’investissement) peut être considérée
comme une occasion d’exercer la compétence, ou comme une occasion d’évaluer la
compétence. Elle intervient en fin d‘étape ou de cycle. La situation d’intégration correspond à
une situation-problème complexe, et pas à un simple exercice.
La situation didactique elle, a pour fonction de développer de nouveaux apprentissages de
concepts, de ressources ; elle intervient dans le déroulement de la leçon.
Avertissements
Les activités préparatoires et les activités d’intégration formulées dans le document
programme sont des activités possibles parmi tant d’autres. Elles sont proposées à titre
indicatif.
Les propositions faites dans le document ne dispensent pas l’enseignant de puiser de
son expérience et de son répertoire pour proposer d’autres activités plus pertinentes
parce que mieux adaptées au contexte de son enseignement.
10
Pour des raisons de commodité, les activités dont les énoncés sont longs et comportent des
schémas ou des graphiques sont consignées à la fin du document (cf. recueil d’activités
d’intégration).
Remarque :
A la fin des domaines d’étude, sont indiquées des activités d’intégration possibles.
Les activités préparatoires et les activités d’intégration sont des activités d’apprentissage ;
elles sont formulées à l’attention des élèves.
3 Quelques modifications apportées dans les chapitres.
•
Modifications du programme du cycle moyen
Au niveau de la classe de 4ème
Dans le chapitre C2 qui traite de la structure de la matière, l’ion simple sera introduit comme
étant une entité chimique qui résulte de l’atome par un gain ou une perte d’un ou de
plusieurs électrons. Mais la présentation devra être simple (voir commentaires dudit
chapitre). La notation chimique de l’ion simple sera présentée à partir d’exemples.
L’existence des ions polyatomiques sera signalée et pour les exemples on se limitera aux
ions H3O+, HO-, SO42- ; NO3-, et PO43- .
Le principe d’écriture de la formule statistique d’un composé ionique sera expliqué à partir
d’exemples.
La présentation des ions complexes est hors programmes.
Au niveau de la classe de 3ème
En physique, la calorimétrie ne fait plus l’objet d’un chapitre. L’étude qualitative de la
calorimétrie sera intégrée dans le chapitre P7 qui traite des transformations d’énergie. On se
limitera à la transformation possible de l’énergie thermique en d’autres formes d’énergie. Les
calculs de quantités de chaleur absorbées ou cédées, de températures d’équilibre et les
mesures calorimétriques ne seront pas traités.
En chimie, l’introduction des ions dès la classe de quatrième entraîne des modifications sur
les chapitres C2 et C3 qui portent respectivement sur l’étude des acides et des bases et
celle des propriétés chimiques des métaux usuels
On présentera le caractère ionique des solutions acides et la présence, dans ces solutions,
de l’ion hydrogène que l’on notera H+ pour simplifier (cf. commentaires du chapitre C2).
Le caractère ionique des solutions basiques et la présence, dans ces solutions, de l’ion
hydroxyde aqueux que l’on notera HO-, seront également à présenter
Pour l’action des acides sur les métaux on écrira les équations ioniques d’interprétation et
les équations globales, exception faite de l’action de l'acide nitrique.
11
•
Modifications apportées sur le programme du secondaire.
En attendant la généralisation effective de l’enseignement des sciences physiques en classe
de quatrième l’essentiel des contenus du programme du secondaire est maintenu.
Toutefois, quelques modifications sont apportées sur les programmes des classes de
première et de terminale scientifiques :
En classe de première S.
L’étude du condensateur (chapitre P8) sera traitée en première S même si le chapitre P9
relatif à l’amplificateur opérationnel n’est pas encore programmé, faute de matériels. L’étude
vise l’installation des connaissances de base relatives au condensateur (nature d’un
condensateur, symbolisme, opération de charge, décharge, capacité, relation entre charge et
tension aux bornes, énergie d’un condensateur) servant de pré requis pour l’étude complète
du dipôle (R, C) prévue en terminale.
En classe de terminale S.
- les chapitres P8 et P9 qui jadis traitent des phénomènes d’induction et d’auto induction sont
supprimés. Un nouveau chapitre intitulé « Induction magnétique - étude d’un dipôle (R, L) »
est introduit. Ce chapitre débute par une étude qualitative et sommaire du phénomène
d’induction et se termine par une étude complète de l’établissement /suppression du courant
dans une bobine (R, L).
- le chapitre P10 intitulé « condensateur » est dorénavant remplacé par « Etude d’un dipôle
(R, C). L’étude qualitative des condensateurs faite en classe de première est ici complétée
par l’étude expérimentale de la charge/décharge du dipôle (R, C) suivie d’une étude
théorique.
- les chapitres P11 et P13 relatifs aux oscillations électriques libres et oscillations électriques
forcées seront regroupés permettant de faire une étude systémique et synthétique des
oscillations électriques.
4 Les horaires.
Pour l’essentiel les horaires ont été maintenus aux différents niveaux même si à certains
endroits des modifications ont été apportées dans les programmes.
L’horaire est réparti en heures de classe entière (pour les cours, TP-cours et TD/devoirs) et
en heures de travaux pratiques où la classe est généralement répartie en groupes.
Conformément à l’esprit des programmes un poids important est accordé aux travaux
pratiques individuels et collectifs et aux TP cours (qui remplacent avantageusement les
cours théoriques), activités qui donnent l’occasion aux élèves de manipuler et par suite
d’acquérir un savoir faire expérimental (un des objectifs prioritaires de l’enseignement des
sciences expérimentales).
12
Un horaire important doit être réservé aux TD parce que ceux ci complètent le cours et
constituent un moyen permettant de faire acquérir aux élèves une démarche de résolution de
problèmes.
Cycle moyen.
Dans le cycle moyen les programmes des classes de quatrième et troisième sont établis sur
la base d’un horaire hebdomadaire de 2 heures/élève par classe.
Cycle secondaire général.
Pour les classes de seconde et de première des séries scientifiques (S1, S2 et S3) les
programmes de sciences physiques ont été établis sur la base d’un horaire hebdomadaire
de 5 h élève et 7 heures professeur et cela pour une durée annuelle de 24 semaines soit 120
h d’enseignement par élève et 168 h professeur.
En terminale scientifique général S1 et S2 et en terminale scientifique technique S3 l’horaire
prévu est 6 h élève et 8 h professeur soit dans l’année 144 h /élève et 192 h/professeur.
Pour la série littéraire L2 les programmes des classes de seconde, première et terminale sont
établis sur la base d’un horaire de 2 heures élève et 4 heures professeur soit un horaire
annuel de 48 heures /élève et 96 heures/ professeur.
Cycle secondaire technique.
Le programme et l’horaire qui lui est réservé en série technique pour les sciences physiques
tiennent compte du fait que certaines parties de la discipline sont dispensées en technologie
(l’électromagnétisme et la mécanique y sont largement développées).
L’horaire imparti au programme de la série technique T1 et T2 est de 6h/élève en classe de
2ème, de 4h/élève en 1ère et de 3 h/élève en terminale.
Le tableau ci-après donne un récapitulatif de l’horaire hebdomadaire/élève pour l’ensemble
des séries.
CLASSE
HORAIRE HEBDOMADAIRE / ELEVE(h)
Cycle moyen Cycle secondaire général
Cycle secondaire technique
4ème
2
3ème
2
S1
S2
L2
S3
T1
T2
2ème
5
5
2
5
6
6
1ère
5
5
2
5
4
4
Term
6
6
2
6
3
3
13
VI Finalités et objectifs généraux.
La quête constante de l’amélioration de ses conditions d’existence oblige l’homme à
maîtriser les phénomènes physiques de la nature, ce qui l’amène à agir de manière
consciente et réfléchie sur celle-ci. D’où l’importance que jouent les sciences de la Nature et
de la Vie et les sciences de la Matière dans l’épanouissement même de l’homme et le
progrès universel.
VI-1) Les finalités.
Les classes de quatrième et seconde constituent à l’heure actuelle des classes d’initiation
aux sciences physiques. L’enseignement de cette discipline expérimentale vise à susciter
chez les élèves en question une vocation scientifique. L’acquisition d’un certain nombre de
savoirs, savoir-faire et de savoir-être contribue à les aider à avoir une vision assez complète
de leur environnement afin de pouvoir agir sur celui-ci tout en préservant son équilibre.
A partir de l’étude de phénomènes simples, il s’agit de développer chez les élèves :
-
un esprit d’observation : le but recherché consiste à aiguiser la curiosité de l’élève,
à l’amener à s’intéresser d’avantage à son milieu, à rendre son esprit vif. Toutes ses facultés
sensorielles doivent se développer. Au cours de l’étude d’un phénomène il doit être attentif
au moindre changement.
-
un esprit d’analyse : en utilisant son bon sens, l’élève doit découvrir lui-même les
grandeurs qui caractérisent un phénomène. Après chaque expérience, il doit être capable de
déduire l’influence de chaque grandeur physique sur le phénomène. Il doit être en mesure
d’organiser les étapes de la résolution d’un problème posé.
-
un esprit de synthèse : en partant de l’influence de chaque grandeur physique sur le
phénomène l’élève doit pouvoir tirer les conclusions qui s’imposent et établir la loi physique.
Il doit connaître le domaine de validité d’une loi et les applications pratiques qui en
découlent.
-
un esprit critique : l’élève doit se poser des questions sur le choix et la pertinence
d’une méthode expérimentale. Il doit pouvoir apprécier si les résultats d’une mesure sont
acceptables ou non. Il doit posséder le sens de l’ordre de grandeur. Si une expérience ne
marche pas, il doit pouvoir apporter des correctifs pour y remédier ou la changer.
-
un esprit d’initiative : l’élève doit organiser ses connaissances à partir des objets
tirés de son milieu : artisanat, produits chimiques locaux (khémé ou soude locale, acide
local…). Il doit expliquer à son entourage le danger que représentent certains produits
chimiques, les mesures de sécurité à observer pour leur manipulation et leur utilisation,
comment préserver le milieu contre la pollution et la désertification, comment employer avec
précaution certains appareils (bouteilles de gaz, appareils électroménagers,..).
14
-
un esprit de créativité : à partir de matériel de récupération l’élève doit
confectionner du matériel didactique (support de dipôles, électrolyseurs…).
En définitive l’étude des sciences physiques doit contribuer à développer les facultés
mentales et intellectuelles de nos élèves. Elle doit les amener à se prendre en charge dans
le choix de leur future carrière. Ils pourront ainsi participer plus tard de manière harmonieuse
et responsable au développement de la nation.
VI-2) Les objectifs.
Les objectifs de savoir :
Il s’agit de :
- acquérir des connaissances théoriques : concepts, principes , théorèmes et lois,
- définir des grandeurs physiques,
- donner les unités des grandeurs physiques,
- connaître le matériel scientifique,
- acquérir le vocabulaire et le symbolisme scientifiques : nomenclature de la chimie,
noms et symboles des dipôles…,
- connaître la démarche scientifique,
- connaître les étapes de la résolution de problèmes,
Les objectifs de savoir-faire :
-
Savoir faire théorique :
L’élève doit parvenir à :
- formuler des hypothèses pour expliquer un phénomène ou une expérience,
- interpréter voire critiquer le résultat d’une mesure
- faire le schéma correct d’une expérience : l’élève doit pouvoir utiliser les
représentations normalisées des appareils,
- utiliser le langage scientifique : l’élève doit utiliser des mots simples conformes au
vocabulaire scientifique,
- manipuler de façon adéquate l’outil mathématique : l’élève doit savoir utiliser la
proportionnalité , les puissances de 10, les équations du premier degré, les systèmes
d’équations, les relations trigonométriques, les conversions dans le système
métrique, l’équation d’une droite, le tracé d’une droite, le calcul de diverses grandeurs
physiques etc….,
- accéder aux connaissances par d’autres moyens : l’élève doit parfaire son savoir en
lisant des revues scientifiques et des textes sur l’histoire des sciences, en regardant
des films scientifiques à la télévision, en visitant des usines, des sites naturels et des
centres de recherche,
- utiliser un modèle physique : ex atome de Bohr, théorie corpusculaire de la lumière,
15
- organiser les étapes de la résolution d’un problème : l’élève doit assimiler les
méthodes de résolution des problèmes de sciences physiques en respectant les
différentes étapes,
-
Savoir faire pratique :
L’élève doit parvenir à :
- réaliser un protocole expérimental à partir d’un schéma donné,
- mesurer une grandeur physique : l’élève doit connaître le principe de
fonctionnement d’un appareil et réaliser une bonne mesure en respectant les
mesures de sécurité nécessaires,
- confectionner du matériel didactique à partir du matériel et des produits locaux .
Les objectifs de savoir-être :
L’enseignement des sciences physiques a pour objectifs de doter l’élève d’un certain
comportement qui consiste à :
- rechercher la rigueur scientifique : l’élève doit avoir pour soucis constant la
recherche de la vérité. Il doit acquérir une honnêteté intellectuelle et morale. Il doit
être exigent envers lui même,
- posséder l’esprit de groupe : il doit apprendre à travailler en groupe en donnant le
meilleur de lui même,
- avoir le sens de responsabilité individuelle et collective : il doit pouvoir prendre ses
responsabilités au sein du groupe et assumer à la fois les responsabilités du groupe.
(Ex : au cours des travaux pratiques de groupe ou d’exposés collectifs l’élève doit
faire preuve d’esprit de groupe, il doit se sentir responsable de la qualité du travail
demandé),
- porter un jugement critique : à tout moment de son apprentissage et à l’occasion
d’accès aux connaissances par d’autres moyens ( films, cassettes vidéo..) l’élève doit
avoir l’esprit critique ; il doit également s’interroger et s’auto-évaluer régulièrement,
- prendre des initiatives tendant à se protéger, protéger les autres et son milieu :
l’élève doit être préparé à agir judicieusement, à tout moment, sur son environnement
pour le préserver,
- prendre des mesures de sécurité : l’élève doit utiliser les appareils et les produits
chimiques avec précaution
16
VII Objectifs spécifiques de l’enseignement des sciences physiques
dans les séries littéraires (L2)
L’enseignement des sciences physiques dans cette série entend surtout développer chez les
élèves une culture scientifique en montrant que le monde est intelligible.
Un petit nombre de lois physiques universelles permet d’expliquer la nature malgré sa
complexité apparente. En conséquence, dès le début on évitera de présenter la physique
comme une discipline incompréhensible et inaccessible. Au contraire l’analyse des
phénomènes pris dans le voisinage immédiat des élèves permet de les intéresser et de les
mettre en confiance. Ce n’est que progressivement que l’on abordera des exemples plus
compliqués.
Les programmes de physique et chimie de la série L2 s’appuient sur des thèmes
conducteurs : - pour la classe de seconde L il s’agit de traiter des thèmes « eau » en chimie,
« interaction et électricité domestique en physique » - en première L2 débutent les thème
« énergie » et « lumière » dont l’étude est complétée en classe de terminale L2 où on traite
également des « matières plastiques ».
Ces thèmes sont certes des supports pour assurer l’acquisition de connaissances pour la
discipline à travers des activités à caractère expérimental surtout. Mais ils constituent aussi
un moyen pour « coller » l’enseignement de la discipline à l’environnement immédiat de
l’élève et à ses préoccupations quotidiennes.
Par ailleurs ces thèmes permettent de développer des activités d’interdisciplinarité , de prise
de conscience de la nécessité de préserver l’environnement et de prendre des mesures de
sécurité pour la consommation de certains produits et médicaments et la manipulation de
divers appareils.
Tout au long de ce programme les élèves seront formés à des activités de recherche et
d’analyse de diverses sources d’informations (encyclopédies, manuels scolaires, livres, films,
cassettes vidéo, Internet). A l’occasion d’excursions ils pourront visiter des usines et des
sites naturels : stations de collecte, d’épuration d’eau, fabriques de boissons, centrales
électriques, station météo ….Ce qui permet des ouvertures sur des applications et surtout
des réalités extérieures à l’école (problèmes de traitement de l’eau, d’industrie alimentaire,
mouvements des objets célestes, problèmes des saisons, éclipses)
Le professeur veillera à enseigner des éléments d’histoire des sciences pour mettre en
valeur le caractère évolutif des connaissances et poser ainsi les premières bases
d'épistémologie.
17
VIII
Objectifs
spécifiques
de
l’enseignement
des
sciences
physiques dans les séries techniques T1 et T2 – Méthodologie.
Les objectifs spécifiques
Le profil de formation des élèves des séries techniques vise à :
-
assurer la formation de techniciens pouvant entrer dans le secteur productif
immédiatement après le baccalauréat
-
former des diplômés qui entreprendront des études supérieures pour embrasser des
carrières d’ingénieurs ou autres.
Ces deux exigences induisent des objectifs spécifiques de formation :
*Plus que dans les autres séries, l’enseignement des sciences physiques doit être
ouvert ici sur les techniques qui ont leur fondement dans cette discipline. Il doit faire
ressortir les relations transversales entre la physique, la chimie et les autres disciplines
principales de la série (technologie d’électricité, technologie de fabrication et construction
mécanique). Il doit en particulier mettre en exergue le fait que c’est grâce à la théorie et aux
recherches fondamentales que les applications et les techniques ont vu le jour et que celles
ci peuvent induire des besoins de recherche et d’approfondissement de la connaissance
scientifique.
*L’enseignement des sciences physiques doit permettre à tous les élèves
d’approfondir leur formation méthodologique notamment en développant leur maîtrise de la
démarche expérimentale, ce faisant il forme leur esprit à la rigueur et à la critique
intellectuelles
*Cet enseignement participe à la formation générale des élèves et leur assure une
culture scientifique indispensable à l’aube du troisième millénaire.
Les conseils méthodologiques.
Pour atteindre ces objectifs l’enseignement des sciences physiques devra s’appuyer
largement sur des activités pratiques et expérimentales. Celles ci donnent lieu à des activités
personnelles individuelles ou de groupes centrées sur les élèves.
Chaque professeur reste maître de l’ordonnancement du programme et de ses conceptions
pédagogiques.
Toutefois, pour tenir compte des liens étroits entre les différentes disciplines et surtout de
leur complémentarité, il est vivement recommandé que le professeur de sciences physiques
travaille en collaboration avec les professeurs de technologie et ceux qui assurent les
travaux pratiques.
Ainsi, dès le début de l’année, une programmation annuelle des enseignements pourrait se
faire d’un commun accord par les professeurs de la même classe.
18
MODALITES D’APPLICATION
1 Les nouveaux programmes de sciences physiques seront appliqués dans
les cycles moyen et secondaire général conformément au chronogramme
suivant :
Classes de 4ème, 2ème S et 2ème L2 : entrée en vigueur à la rentrée 2008
Classes de 3ème, 1ères S1, S2 et L2 :
entrée en vigueur à la rentrée 2009
Classes de Terminales S1, S2 et L2 :
entrée en vigueur à la rentrée 2010
2 Pour la série technique, jusqu’à nouvel ordre le programme en vigueur reste
celui de 1999.
Ce 18 septembre 2008
Pour la commission nationale.
19
PROGRAMMES DE SCIENCES PHYSIQUES
DU CYCLE MOYEN
Août 2008
20
REFERENTIEL DE COMPETENCES DU CYCLE MOYEN.
DOMAINE
COMPETENCE DE CYCLE
A la fin du cycle moyen, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et
Mécanique
savoir-être
en
mécanique
(forces,
conditions
d’équilibre,
transformations d’énergie), doit les intégrer dans des situations de
résolution de problèmes d’équilibres de solides soumis à deux forces et
PHYSIQUE
d’échanges d’énergie.
Electricité
A la fin du cycle moyen, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et
savoir-être (électrisation, dipôles, circuits simples, lois du courant), doit
les intégrer dans des situations d’explication, de prévision ou de
propositions
de
solutions
relatives
à
des
problèmes
simples
d’électrocinétique.
Optique
A la fin du cycle moyen, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et
savoir-être en optique (principe de propagation de la lumière, lois de la
réflexion, réfraction, dispersion, lentilles), doit les intégrer dans des
situations d’explication, de prévision ou de propositions de solutions
relatives à des phénomènes lumineux.
Structure de la
matière
CHIMIE
A la fin du cycle moyen, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et
savoir-être sur la structure de la matière (mélanges, analyse immédiate,
entités chimiques), doit les intégrer dans des situations d’explication, de
prévision ou de propositions de solutions relatives à la matière.
Quantités
de
matière
Transformations
chimiques
A la fin du cycle moyen, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et
savoir-être
sur
les
transformations
chimiques
(transformations
chimiques, équation-bilan, bilan molaire), doit les intégrer dans des
situations familières de résolution de problèmes de chimie.
21
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE QUATRIEME
HORAIRE : 2 h / ELEVE
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
CHAPITRE
Numéro
Horaire(h)
Titre
P1
Introduction aux sciences physiques
2
P2
Grandeurs physiques et mesures
2
P3
Masse, masse volumique et densité
5
P4
Poids- Relation entre poids et masse.
5
P5
Introduction à l’électricité.
9
P6
Sources et récepteurs de lumière.
1
P7
Propagation rectiligne de la lumière
4
P8
Réflexion et réfraction de la lumière
2
Total
.
30
PROGRAMME DE CHIMIE
CHAPITRE
Numéro
Horaire(h)
Titre
C1
Mélanges et corps purs
6
C2
Structure de la matière
3
C3
Mole et grandeurs molaires
3
C4
Réaction chimique
6
Total
18
22
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE QUATRIEME.
PROGRAMME DE PHYSIQUE
Les compétences d’année.
Compétence 1 :
A l’issue de la classe de quatrième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre sur les constantes physiques et grandeurs caractéristiques d’un corps (masse, masse
volumique densité, poids), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes : caractérisation, identification.
Compétence 2 :
A la fin de la classe de quatrième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en électrocinétique (circuits électriques, effets du courant, intensité et tension électriques),
doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes liés aux circuits
électriques simples : explication, prévision, réalisation de circuits, fonctionnement de dipôles
simples.
Compétence 3 :
A la fin de la classe de quatrième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en optique (principe de la propagation rectiligne de la lumière, lois de Descartes pour la
réflexion, phénomène de réfraction), doit les intégrer dans des situations familières de
résolution de problèmes liés à la lumière et à son cheminement dans certains milieux
simples.
Les différents chapitres.
Chapitre P1 :
Introduction aux sciences physiques Durée : 2 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Distinguer les phénomènes Sciences Physiques : exemple
de sciences expérimentales
physiques des
Phénomènes
physiques,
phénomènes chimiques.
phénomènes chimiques
Identifier
les
différents
Etats
de
la
matière
;
changements d'état,
- Rappeler l’importance de la changements d'états
physique et de la chimie dans
divers domaines
Activités d'apprentissage
- Observer des phénomènes
physiques.
- Observer des phénomènes
chimiques.
- Réaliser des Changements
d'état.
23
Commentaires :
Activités préparatoires possibles
Thème : recherche documentaire sur sciences, sciences expérimentales, physique et chimie (leur
domaine d’étude, leurs apports, leur intérêt)
Préciser l’objet de la physique et de la chimie. Dès l’introduction de ce chapitre l’élève doit
découvrir l’importance de la physique et de la chimie et par delà celle des sciences
expérimentales. Divers exemples permettront d’atteindre cet objectif : chimie et l’agriculture,
chimie et santé, chimie et environnement, physique et nouvelles technologies, etc.
L'observation de phénomènes physiques et chimiques tels que : mouvements, dilatation,
changements d'états, phénomènes lumineux, effets du courant électrique, dissolution du
sucre (saccharose) ou du sel (chlorure de sodium), effet du jus de citron ou du vinaigre sur le
calcaire, action de l'acide nitrique sur le cuivre (observer les mesures de sécurité
nécessaires)…permettra de dégager les notions de phénomène physique et de phénomène
chimique et les distinguer.
L'étude qualitative des changements d'états sera précédée d'un rappel sur les trois états de
la matière. Illustrer ces changements d'état physiques par des expériences simples telles
que la fusion, la vaporisation. Faire un schéma récapitulatif des différents changements
d'états.
Chapitre P2:
Grandeurs physiques et mesures. Durée : 2 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
de Grandeurs physiques
- Unités de mesures
- Appareils de mesure
- Savoir utiliser les puissances - mesures
Conversion des unités
de dix (conversions, calculs).
- Savoir critiquer une mesure.
utilisation
- Savoir présenter les résultats des puissances de 10
de
grandeur
d'une
mesure en notation Ordre
scientifique.
vraisemblance des résultats
Chiffres significatifs
Notation scientifique
- Choisir un instrument
mesure adéquat.
- Utiliser des instruments de
mesure.
- Effectuer correctement des
: mesures.
-
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherchez les appareils de mesure utilisés fréquemment à domicile ou dans votre environnement
immédiat et essayez de les utiliser en prenant les mesures de sécurité nécessaires, au besoin
demander conseil. Amenez un certain nombre en classe
En s’appuyant sur les activités préparatoires, le professeur pourra introduire le cours et faire
faire des activités de consolidation en classe. A partir des mesures effectuées par les élèves,
avec des instruments ou appareils familiers (règle, verrerie graduée, chronomètre ou
24
montre…), dégager la notion de grandeur physique. Donner le symbole de la grandeur
physique et l'unité dans le système international (S.I). Donner les unités usuelles et les
conversions possibles et utiliser les puissances de 10. Montrer aux élèves que toute mesure
est entachée d'erreur, sans formules ni calcul d’incertitude. Insister sur les notions d'ordre
de grandeur, de chiffres significatifs (cf. guide du professeur) et de vraisemblance des
résultats (analyse critique). Ces notions seront renforcées au fil des chapitres. Initier les
élèves à la notation scientifique.
Chapitre P3 :
Masse, masse volumique et densité
Durée : 5 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
Masse
- Connaître différents types de - Balance
- Définition
balances.
-Déterminer la masse d’un objet - Unités
- mesures
- Déterminer la masse volumique Masse volumique
d'une substance homogène.
- Utiliser la relation entre la
masse, la masse volumique et le
volume.
- Vérifier la pureté d'un corps à
Densité
partir de sa masse volumique.
- Déterminer la densité relative.
- Prévoir la disposition des
constituants d'un mélange liquide
hétérogène.
- Utiliser une balance.
- Utiliser rationnellement des
masses marquées.
- Déterminer la masse et le
volume
d'une
substance
homogène.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Thème :
Faire des recherches sur les balances : types de balances, caractéristiques et utilisations courantes.
- Définir la masse comme grandeur caractéristique d'un corps : celle que l'on détermine à
l'aide d'une balance. Préciser que la masse est une grandeur constante. Donner l'unité du
système international de masse : le kilogramme (kg), ses multiples et ses sous-multiples.
- Définir la masse volumique d'une substance comme étant la masse d'une unité de volume
de cette substance. Donner son unité dans le système international (le kilogramme par mètre
cube). On adoptera la notation conventionnelle kg.m-3 à la place de l’écriture kg/m3. On
donnera quelques unités usuelles : kg.L-1, g.L-1, kg.dm-3, g.cm-3.
Préciser que la masse volumique est une grandeur caractéristique de la substance.
Déterminer expérimentalement la masse volumique de quelques substances homogènes
(entre autres par la méthode de l’éprouvette). Donner des exemples de valeurs numériques.
Introduire expérimentalement la notion de densité
25
- Définir la densité puis l’exprimer par le rapport de deux masses volumiques : d A / B =
ρ
;
ρ
A
B
ρB étant la masse volumique de la substance de référence. Signaler que pour les liquides et
les solides l'eau est en général prise comme référence, et pour les gaz, l'air. Indiquer
quelques applications : corps flottants, ballon à hydrogène qui monte dans l'air, liquides non
miscibles (leur disposition dans le mélange hétérogène) etc.
On fera un rappel systématique des formules de calcul des volumes de corps ayant une
forme géométrique régulière (sphère, cylindre, cube, parallélépipède).
Chapitre P4 :
Poids, relation entre poids et masse
Durée : 5 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Identifier le poids comme Poids
grandeur vectorielle à partir de - Mise en évidence
- Définition
ses caractéristiques.
- Caractéristiques
- Représenter le vecteur poids - mesures, unités
- Représentation vectorielle
d’un objet
- Distinguer poids et masse d’un Relation entre poids et masse
- Intensité de la pesanteur
corps
- Utiliser la relation entre le poids - unité de l’intensité de la
et la masse (P = m*g).
pesanteur
- Réaliser des expériences
pour mettre en évidence le
poids.
- Utiliser un dynamomètre.
- Déterminer le centre de
gravité d'un solide plat et mince
(homogène
d’épaisseur
constante...
- Montrer expérimentalement
que le rapport P/m est
constant.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Masse ou poids ? Relevez sur différents objets de votre entourage les indications relatives à ces
deux grandeurs. Quelles remarques peut-on faire ?
2 Masse et poids représentent-ils la même grandeur physique ? Si non quelle (s) différence(s) faire
entre ces deux grandeurs ?
- A partir de l'observation du mouvement de chute d'un corps (pierre, bille…) et de la
déformation d'un ressort auquel est suspendu un corps, mettre en évidence le poids puis le
définir.
- Dégager expérimentalement les caractéristiques du poids (droite d'action, sens, point
d'application : centre de gravité, intensité).
- Présenter le dynamomètre comme appareil de mesure de l'intensité du poids. Donner
l'unité du système international de l'intensité du poids : le newton (N).
- Etablir expérimentalement la relation P = m*g, où g est l'intensité du champ de la pesanteur
au lieu où se fait l'expérience.
- Donner des valeurs de l’intensité de la pesanteur g en différents lieux pour montrer qu’elle
est caractéristique du lieu et qu’elle varie d’un lieu à un autre
- Insister sur la différence entre le poids et la masse : faire un tableau récapitulatif.
26
Chapitre P5 :
Introduction à l'électricité
Durée : 9 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Utiliser quelques dipôles.
Schématiser
un
circuit
électrique.
- Réaliser un circuit à partir du
schéma.
- Distinguer expérimentalement
un conducteur d'un isolant.
Le courant électrique
- Circuit électrique
- Dipôles et symboles
- Conducteurs et isolants
électriques
- Circuit série, circuit parallèle
- Effets du courant électrique :
calorifiques,
lumineux,
chimiques et magnétiques
- Sens
conventionnel
du
courant
- Reconnaître les effets du
courant électrique (dans divers
appareils).
- Indiquer le sens conventionnel
du courant électrique.
- utiliser un ampèremètre,
- Utiliser un voltmètre
- Placer un ampèremètre, un
voltmètre dans le schéma d’un
circuit électrique.
Intensité
- Ampèremètre
- unité internationale
- Ordre de grandeur
- Loi d'unicité
- Loi des nœuds
- Utiliser la loi de l'unicité de
Tension
l'intensité dans un circuit série.
- Voltmètre
- Utiliser la loi des nœuds.
- unité internationale
- Ordre de grandeur
- Utiliser les lois des tensions.
- Lois des tensions
- Réaliser plusieurs circuits
permettant
d'allumer
une
lampe.
- Etudier le circuit d'une lampe
de poche.
- Intercaler dans un circuit
électrique divers objets pour
classer les substances qui les
constituent
en
substances
conductrices et substances
isolantes.
- Observer et décrire les effets
qui accompagnent le passage
du courant dans un circuit
électrique.
- Observer l'inversion du sens
de certains effets quand les
connexions aux bornes du
générateur sont interverties.
- Mesurer une intensité.
- Vérifier les lois de l'intensité.
- Mesurer une tension.
- Vérifier les lois de la tension.
- Prendre les précautions pour
protéger les personnes et les Courant électrique et mesures
de sécurité
appareils.
- Appliquer et faire appliquer les consignes de sécurité liées au
courant électrique.
-
- Recherche
Courant alternatif et courant (recommandé)
continu
Mesures de sécurité
documentaire.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherchez dans votre environnement divers appareils et composants électriques, relevez les
indications marquées sur ces appareils. Quelles grandeurs physiques évoquent ces indications ?
2 Pouvez vous faire fonctionner ces composants électriques ? Attention, pour des raisons de sécurité
pour vous et pour éviter de détériorer ces appareils, demandez conseil et assistance à des
connaisseurs avant de faire fonctionner ces appareils.
3 Court circuit, courant continu, courant alternatif, fusible, disjoncteur, prise de terre : rechercher la
signification et éventuellement le rôle s’il s’agit d’appareil.
Le chapitre étant vaste il est conseillé de le scinder en deux parties :
- Généralités sur le courant électrique.
- Intensité et tension électriques.
27
La leçon pourrait être introduite par l'observation d'un objet technique tiré de l’environnement
de l’élève tel que la lampe de poche… Par la suite, les élèves apprendront à réaliser des
circuits simples à partir de dipôles (pile, lampe, électrolyseur, moteur). On mettra à profit les
activités préparatoires
- La notion de circuit est abordée à partir de l'environnement de l'élève (lampe de poche).
- Donner le symbole de quelques dipôles. Faire réaliser des circuits à partir de schémas
normalisés.
- Mettre en évidence expérimentalement les notions de conducteur et d'isolant électrique,
l'interrupteur peut être introduit à ce niveau.
- Donner le sens conventionnel du courant.
- La nature du courant électrique est hors programme.
- Introduire les notions de tension et d'intensité de manière expérimentale. L'intensité est
définie comme une grandeur mesurée par un ampèremètre, son unité est l'ampère (A). La
tension est définie comme une grandeur mesurée par un voltmètre, son unité est le volt (V).
- Insister sur le mode de branchement de l'ampèremètre et du voltmètre, le choix du calibre
et la lecture.
- Introduire le multimètre comme appareil de mesure d'intensité et de tension électriques.
- Montrer expérimentalement la loi d'unicité de l'intensité dans un circuit série, la loi des
nœuds dans un circuit parallèle et la loi des tensions.
- Faire la distinction entre le courant continu et le courant alternatif.
La partie relative à la sécurité peut être traitée sous forme d'exposé : insister sur les mesures
de sécurité que requiert l'utilisation du courant électrique (rôle du fusible, du disjoncteur et de
la prise de terre….)
Chapitre P6 :
Sources et récepteurs de lumière
Durée : 1 heure
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Distinguer une source primaire Sources réelles (ou primaires)
(réelle) d'une source secondaire de lumière
Sources apparentes (ou
(apparente).
secondaires) de lumière
- Distinguer les sources des Récepteurs de lumière
récepteurs de lumière.
- Observer des
sources
lumineuses.
Utiliser des sources de
lumière.
- Observer le comportement
d'un récepteur dans l'obscurité
et sous la lumière.
Commentaires :
Activités préparatoires possibles
1 Considérez les objets qui meublent le salon de votre maison (ou votre chambre). Les classer en
objets qui produisent la lumière et en objets qui reçoivent la lumière.
2 A quelle(s) condition (s) ces objets vous sont visibles ?
28
- Partir du vécu de l'élève ; par exemple l'obscurité (de nuit dans une salle close), on ne voit
rien. Le fait d'allumer une lampe ou une allumette permet de voir la lampe ou la flamme,
mais aussi les objets environnants.
- Dégager les concepts de source réelle ou primaire (filament de la lampe ou flamme),
source secondaire ou apparente (objets environnants) et de récepteur de lumière.
- Donner ensuite d'autres exemples de sources et les classer en :
sources réelles (ou primaires) : Soleil, étoiles, corps incandescents, luciole… qui
produisent la lumière.
Sources apparentes (ou secondaires) : Lune, planètes…qui renvoient la lumière.
- Faire remarquer que certaines sources sont naturelles (Soleil, Lune, étoile, luciole…),
d'autres artificielles (lampe, bougie…).
- Réaliser une expérience montrant le comportement d'un récepteur : sous l'effet de la
lumière, un récepteur subit une transformation.
- Donner des exemples de récepteurs :
récepteurs naturels : feuilles des plantes chlorophylliennes, œil…
récepteurs artificiels : pellicules photographiques, chlorure d'argent, lunettes
photosensibles…
-
Faire la distinction entre source apparente et récepteur de lumière.
Chapitre P7 : Propagation rectiligne de la lumière
Durée : 4 heures
ème
Classe : 4
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Identifier
transparents,
opaques.
des
milieux
translucides et
- Expliquer la formation des
ombres et des pénombres.
- Expliquer
d'éclipse.
le
phénomène
Activités d'apprentissage
Propagation rectiligne de la
lumière
Faisceaux
lumineux
(convergent,
divergent,
cylindrique)
- Rayon lumineux
- Milieu homogène
- Milieu transparent, translucide,
opaque
- Vitesse ou célérité de la lumière
- Année lumière
Ombres et pénombres
- Ombre propre et ombre portée
- Pénombre propre et pénombre
portée
Applications
- Visée
- Chambre noire
- Eclipses
- Utiliser le "Kitoptic".
- Utiliser le banc d'optique.
-
Déterminer
expérimentalement le
caractère transparent,
translucides et opaques
d’un milieu.
- Visualiser sur un écran
l'ombre portée et la pénombre
portée d'un objet.
- Déterminer la hauteur d'un
objet par visée.
-
Réaliser des visées.
- Confectionner une chambre
noire à partir d’un matériel
local.
29
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Chercher une boîte opaque. Découper l’une des faces et la remplacer par un verre dépoli de même
dimension (ou du papier huilé).
Percer une très petite ouverture sur la face opposée au verre dépoli.
Orienter
l’ouverture
vers
un
objet
tel
qu’une
bougie
allumée.
décrire ce que l’on observe sur le verre dépoli.
Interpréter.
- A partir d'expériences simples (observation d'une source lumineuse à travers de petites
ouvertures percées dans des écrans opaques, boîte à fumée…), montrer la propagation
rectiligne de la lumière et définir les différents milieux (transparent, translucide et opaque).
- On introduira expérimentalement les notions de faisceau lumineux (convergent, divergent
et cylindrique), pinceau et rayon lumineux.
- A partir de l'éclairement d'un objet opaque (ballon…) par une source lumineuse, visualiser
sur un écran les ombres et pénombres portées que l'on distinguera respectivement de
l'ombre propre et de la pénombre propre.
- On leur expliquera la formation des images dans une chambre noire. On demandera, si
possible à chaque élève, de réaliser une chambre noire.
- A titre d'application on leur expliquera les éclipses de Lune et de Soleil.
- On donnera la valeur approchée de la vitesse de la lumière dans le vide (300000 km.s-1)
ainsi que la définition de l'année lumière pour exprimer des distances astronomiques dont on
donnera quelques exemples.
-
On pourra déterminer les dimensions d'un objet (arbre, immeuble,…) par visée en
utilisant des aiguilles ou une règle.
Chapitre P8 : Réflexion et réfraction de la lumière
Durée : 2 heures
Classe : 4ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Utiliser les lois de la réflexion.
- Construire l'image d'un objet
donné par un miroir plan.
- Donner les caractéristiques de
l'image d'un objet réel donnée
par un miroir plan.
- Appliquer la réflexion et la
réfraction dans la vie courante.
Activités d'apprentissage
Réflexion de la lumière
- Réflexion diffuse et réflexion
spéculaire
- Miroir plan
- Milieu réfringent
- Point d'incidence
- Rayon incident, rayon réfléchi
- Angle d'incidence, angle de
réflexion
- Lois de Descartes pour la
réflexion
- Objet réel
- Image virtuelle
Réfraction de la lumière
- rayon réfracté, - Angle réfracté
Applications
- Utiliser
le "Kitoptic" ou
équivalent.
- Utiliser le « dispositif avec
tableau magnétique ».
Réaliser l'expérience des deux
bougies.
- Réaliser des expériences de
réfraction (exemple du bâton
brisé).
30
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Thème : Recherche documentaire sur la formation des images.
- On mettra d'abord en évidence la réflexion diffuse, puis la réflexion spéculaire (c'est à dire
par un miroir) puis on les distinguera. On pourra en profiter pour définir les miroirs plans.
- On fera ensuite une étude expérimentale pour définir les concepts (rayon incident, rayon
réfléchi…) et vérifier les lois de Descartes pour la réflexion.
- Le phénomène de réfraction sera abordé expérimentalement, mais aucune formulation
mathématique ne doit être faite ; on ne parlera pas des indices de réfraction. Par la
suite, on montrera la réflexion totale.
- Comme applications on expliquera les reflets, les fibres optiques, les fontaines lumineuses,
le four solaire, mirages, périscope, pêche au harpon…
Activités d’intégration possibles
1 Perdre du poids sans changer de masse.
L’agence de voyage “ Expérience inédites ” propose dans son dépliant une véritable
révolution en matière de cure d’amaigrissement. Ce nouveau type de régime propose aux
voyageurs une méthode qui marche à coup sûr : Perdre du poids sans changer de masse.
Il faut signaler aussi qu’une expertise faite par une équipe de physiciens cautionne cette
méthode. C’est la preuve que la nouvelle méthode marche pour tout le monde
En intégrant les acquis du cours dire si cette méthode est plausible ou non.
2 Etude de la lampe torche (si ce n’est pas fait en cours).
Ouvrir une lampe torche et identifier les éléments constitutifs de la lampe.
A l’aide d’un schéma utilisant des symboles normalisés expliquer le fonctionnement de la
lampe.
3 Simulation d’une installation domestique.
Faire un schéma illustrant l’installation électrique de votre domicile.
Soit à simuler cette installation en classe. Pour cela faire l’inventaire du matériel nécessaire
et réaliser le montage.
4 Se mirer
Très tôt le matin, après le bain, vous vous mettez devant un miroir pour achever votre
toilette. La lampe étant allumée, vous apercevez votre image. Mais brusquement, il y a
coupure de courant et la toilette se trouve ainsi interrompue.
Mettre au point une démarche permettant d’expliquer les faits observés et de vérifier les lois
qui régissent le phénomène physique en jeu.
31
Les compétences d’année en chimie
Compétence 4 :
A la fin de la classe de quatrième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
sur la structure de la matière (mélanges, analyse immédiate, élément, atomes, molécules et
ions), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes : séparation
de mélanges, traitement de l’eau, identification des éléments constitutifs un corps pur dans
des cas simples.
Compétence 5:
A la fin de la classe de quatrième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
sur les transformations chimiques (caractéristiques des transformations, équation-bilan,
bilan molaire) dans des situations familières de résolution de problèmes : détermination du
degré de pureté d’une substance, préparation de produits
Les chapitres.
Chapitre C1 :
Mélanges et corps purs
Durée : 6 heures
ème
Classe : 4
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Distinguer mélange homogène et
mélange hétérogène.
- Connaitre quelques méthodes
de séparation.
- Caractériser l'eau par ses
constantes physiques.
- Distinguer corps pur simple et
corps pur composé.
- Distinguer mélange et corps pur.
Activités d'apprentissage
Mélange
- Mélange hétérogène
- Mélange homogène
Méthodes de séparation
- Décantation
- Filtration
- Distillation fractionnée
- Congélation fractionnée
Corps purs
- constantes physiques
- critères de pureté
Corps purs composés corps
purs simples
Divers exemples de mélanges et
de méthodes de séparation
- Mélange gazeux : air
- Mélange solide : fer- soufre
- Mélange liquide (liquides non
miscibles, liquides miscibles)
- Mélange liquide- gaz
Distinction entre mélange et
corps pur
- Observer de l’eau naturelle.
- Réaliser des expériences de
séparation des constituants
d’un mélange.
- Réaliser l’électrolyse et la
synthèse de l'eau.
Réaliser
l’analyse
qualitative et quantitative de
l'air.
32
Commentaires :
Activités préparatoires possibles
Faire des recherches sur :
-
Le traitement de l’eau.
-
Le cycle de l’eau.
- Définir la notion de mélange à partir d'une eau boueuse et salée.
- Réaliser la décantation et définir un mélange hétérogène (mélange dont on peut distinguer
certains constituants à l'œil nu).
- Réaliser la filtration et définir un mélange homogène.
- Réaliser la distillation du filtrat pour définir un corps pur (impossibilité d'en extraire deux
fractions différentes). Introduire des critères de pureté en utilisant les constantes physiques
de l'eau (masse volumique, température d'ébullition, température de fusion). Donner d'autres
exemples de mélanges (dont l’air) et d'autres méthodes de séparation (tri, tamisage…)
- Tout au long des expériences, familiariser les élèves avec le matériel de chimie et donner
les consignes de sécurité (fragilité de la verrerie).
- A partir d'un circuit simple, réaliser l'électrolyse de l'eau. Noter l'apparition de gaz aux
électrodes et leur proportion à tout instant. Identifier expérimentalement ces deux gaz (le
dihydrogène qui provoque une légère détonation au contact d’une flamme
et le dioxygène
qui ravive un point incandescent.
- En déduire que l'eau qui a donné naissance à ces deux gaz est un corps pur composé. Le
dihydrogène et le dioxygène sont des corps purs simples. Définir alors les notions de corps
pur simple et de corps pur composé.
- A partir d'expériences simples, procéder aux analyses qualitative et quantitative de l'air.
Donner les constituants majoritaires : diazote (78%), dioxygène (21%) et les constituants
minoritaires : 1% en volume vapeur d’eau, dioxyde de carbone ou gaz carbonique et gaz
rares (argon, hélium, néon, krypton…). Montrer la présence de vapeur d'eau dans l'air
(condensation sur la bouteille sortie du réfrigérateur) et dioxyde de carbone ou gaz
carbonique (respiration, photosynthèse, trouble l'eau de chaux longtemps exposée à l'air).
33
Chapitre C2 : Structure de la matière
Durée : 3 heures
ème
Classe : 4
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
Structure de la matière
- Discontinuité de la matière
- Molécule
- Atome
- Ion simple,
- Ion polyatomique
- Elément chimique
Notation chimique
- Donner l'ordre de grandeur des
- Symbole des éléments
dimensions et masses des
- Formule d'un corps pur
atomes et des molécules.
- Mettre en évidence quelques
éléments chimiques.
Modèle
atomique
moléculaire
- Donner la notation chimique
(éléments, corps purs, ions)
Citer les entités chimiques
constituant
la
matière
(atomes,
molécules,
ions
simples : ions positifs et ions
négatifs)
-Mettre expérimentalement en
la discontinuité de
évidence
la matière.
- Mettre expérimentalement en
évidence l’élément chimique
- Ecrire la formule d'un corps
pur.
- Ecrire la formule d’un
et composé ionique.
- Utiliser une formule chimique.
-Distinguer un corps pur simple
d'un corps pur composé
utiliser
moléculaires.
des
modèles
- Construire
moléculaires.
des
modèles
- Distinguer un corps pur
simple d'un corps pur composé
à partir de la composition, de la
formule.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Faire des recherches sur l’historique de l’atome : sens étymologique, découverte des particules
subatomiques, modèles d’atomes.
- Le caractère discontinu de la matière sera dégagé à partir d'observations dans la vie
courante : exhalaison d'odeur, dispersion d'un colorant …
- La notion de molécule sera dégagée à partir d'une division successive de l'eau distillée.
- En utilisant les résultats de l'électrolyse de l'eau, on admettra que la molécule d'eau est
constituée d'atomes d'oxygène et d'hydrogène.
- A partir d'expériences de mise en évidence du carbone dans plusieurs échantillons de
matière (bois, pétrole, papier, sucre, alcool…), on introduira la notion d'élément chimique.
- On distinguera un corps pur simple d'un corps pur composé par la nature et le nombre des
atomes
qui le constituent. On montrera la nécessité de représenter ces atomes
par des
symboles et les corps purs par des formules. On donnera les formules de quelques corps
purs usuels.
- Apprendre aux élèves que l’atome comprend un noyau central chargé positivement
et des électrons chargés négativement qui gravitent autour du noyau et qu’à l’état
fondamental (normal) la charge des électrons compense celle du noyau. Et que par
34
perte ou gain d’un ou de plusieurs électrons l’atome donne un ion positif ou un ion
négatif. On ne représentera pas la structure électronique de l’atome par des modèles.
La notation des ions sera donnée.
Introduire l’ion polyatomique et se limiter aux exemples suivants : H3O+, HO-, SO42- ;
NO3-, et PO43Ne pas traiter des ions complexes.
On donnera des exemples familiers de composés ioniques. On expliquera le caractère
neutre de tout composé ionique. On traduira les composés ioniques par des formules
statistiques dont on expliquera le principe d’écriture
-
La construction et l'utilisation de modèles moléculaires permettront la description des
structures des corps familiers.
Chapitre C3 :
Mole et grandeurs molaires
Durée : 3 heures
ème
Classe : 4
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
La mole
- Unité de quantité de matière
- Constante d'Avogadro
Masse molaire
- Masse molaire atomique
- Masse molaire moléculaire
Volume molaire
- Loi d'Avogadro- Ampère
- Volume molaire
Densité d'un gaz par rapport à
l'air
- Distinguer les différentes
grandeurs molaires et leurs
unités
- Déterminer la masse molaire
d'un corps pur
- Exprimer une quantité de
matière par :
n=
m
v
;n =
M
VM
- Exprimer la densité d’un gaz
- Lier le volume molaire d'un gaz
aux conditions de température et
de pression.
Distinguer
les
deux
significations
d'une
formule
chimique.
- Utiliser un extrait du tableau
de classification périodique des
éléments
(les
masses
atomiques).
-Calculer la masse molaire d'un
corps pur à partir de sa
formule.
-Utiliser les relations :
m
v
M
n = ;n =
et d =
M
VM
29
- Etablir la relation d =
M
.
29
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Pouvez vous compter le nombre de grains de mil d’une récolte ? Expliquez comment on estime
cette récolte.
2. Combien d’atomes de fer y a – t -il dans un échantillon d’un mètre cube sachant que la masse
-3
-23
volumique du fer est de 7,8 g. cm et que la masse d’un atome de fer est de 8,9.10
kg ?
- On pourrait, à partir de l'estimation d'une production (agricole, industrielle…) à grande
échelle, montrer la nécessité de choisir une unité appropriée (sac, caisse…). Par analogie,
on montrera la nécessité du choix d'une unité de quantité de matière pour les très petits
35
"corpuscules" que sont les atomes, les molécules. On définira la mole (mol) sans faire
référence à l'atome de carbone. On donnera la constante d'Avogadro. On précisera à la fois
les entités qui définissent la mole.
- On définira la masse molaire atomique et la masse molaire moléculaire, on donnera l'unité
du système international (kg.mol-1) et l'unité usuelle (g.mol-1).
- Qualitativement on pourra montrer que le volume d'une masse invariable de gaz à la
pression atmosphérique est fonction de la température.
- On énoncera la loi d'Avogadro- Ampère. On précisera le volume molaire dans les
conditions normales de température et de pression, son unité du système international
(m3.mol-1) et son unité usuelle (L.mol-1). A l'aide des formules des corps chimiques courants
(eau, dioxygène, dihydrogène, dioxyde de carbone…) on fera des calculs de masses
molaires.
- On établira l'expression de la densité d'un gaz par rapport à l'air : d =
M
(M est la masse
29
molaire du gaz exprimée en g.mol-1). Les élèves seront amenés à utiliser les relations
:n =
m
v
M
;n =
et d =
M
VM
29
Chapitre C4 :
Réaction chimique
Durée : 6 heures
ème
Classe : 4
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Réaction chimique
Exemples
de
réactions
chimiques
- Réactif
- Produit
Caractéristiques
d'une
réaction chimique
- Aspect énergétique
- Loi de Lavoisier
Equation-bilan d'une réaction
l'équation-bilan
(échelles
chimique
macroscopique
et - Ecriture.
- Interprétation.
microscopique).
Application : résolution de
- Résoudre des problèmes de problèmes de chimie
chimie
sur
les
réactions
chimiques.
- Distinguer les réactifs des
produits d'une réaction chimique.
- Donner la signification d'une
réaction chimique.
- Utiliser la loi de conservation de
la matière.
- Ecrire l'équation-bilan d'une
réaction chimique.
- Donner la signification de
- Prendre des mesures de
sécurité par rapport aux dangers
de certaines réactions chimiques.
Activités d'apprentissage
- Réaliser des exemples de
réactions
chimiques
(combustions du carbone dans
le dioxygène, actions
fersoufre ; acide chlorhydrique calcaire…).
- Ecrire les équation-bilan de
ces réactions
Faire
une
documentaire.
recherche
- Appliquer la démarche à
suivre
pour résoudre un
problème de chimie par la
méthode du nombre de mole
36
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Thèmes (exploitation sous forme d’exposés) :
1. Pollution liée aux transformations chimiques.
2. Protection de l’environnement et mesures de sécurité à l’encontre de la production de substances
nocives.
- A partir d'expériences simples telles que les combustions du carbone dans le dioxygène et
du mélange fer- soufre, de l'action de l'acide sur le calcaire, on dégage la notion de réaction
chimique. D'autres exemples de réactions chimiques seront données (électrolyse et
synthèse de l'eau …)
- On insistera sur la différence entre phénomène physique et phénomène chimique.
- A partir d’exemples on définira les réactions exothermique, endothermique et athermique.
- La loi de conservation de la matière sera vérifiée expérimentalement.
- Les élèves apprendront à représenter une réaction chimique par une équation- bilan
équilibrée.
- A travers des exemples on initiera les élèves à la démarche de résolution d'un problème de
chimie.
- La résolution du problème de chimie par le bilan molaire (proportionnalité des quantités de
matière de réactifs et produits mises en jeu) est à systématiser. (cf. fiche méthodologique).
Activités d’intégration possibles.
1 Détermination du degré de pureté du zinc
Un laborantin dispose de 20 g de zinc impur. Pour déterminer le degré de pureté de
l’échantillon, il se propose d’utiliser l’action de l’acide chlorhydrique (H+ + Cl-).
La réaction produit du dihydrogène et du chlorurure de zinc (ZnCl2).
1 Décrire le protocole expérimental, schémas à l’appui et expliquer précisément les étapes à
suivre.
2 Trouver le degré de pureté du zinc si la concentration de l’acide utilisé est de 0,40 mol.L-1
et le volume de gaz recueilli dans les conditions normales de 5 L.
3 Evaluer le volume minimal d’acide que le laborantin doit avoir utilisé.
M(Zn) = 65 g.mol-1
2. Traitement de l’eau naturelle.
37
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE TROISIEME
HORAIRE : 2 h / ELEVE
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
CHAPITRE
Numéro
Horaire (h)
Titre
P1
Lentilles minces
4
P2
Dispersion de la lumière
2
P3
Forces
3
P4
Travail et puissance mécaniques.
3
P5
Electrisation par frottement, le courant électrique.
4
P6
Résistance électrique.
6
P7
Energie et rendement.
2
Total
24
PROGRAMME DE CHIMIE
CHAPITRE
Numéro
Horaire(h)
Titre
C1
Notion de solution
6
C2
Acides et bases
4
C3
Quelques propriétés chimiques des métaux
4
C4
Les hydrocarbures
4
Total
18
38
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE TROISIEME
PROGRAMME DE PHYSIQUE
Les compétences d’année en physique
Compétence 1:
A la fin de la classe de troisième, l’élève doit intégrer les savoirs, savoir-faire et savoir- être
acquis en optique (phénomène de dispersion, lentilles minces) dans des situations
familières de résolution de problèmes liés à des phénomènes lumineux : explication du
fonctionnement d’appareils utilisant les lentilles minces, explication de phénomènes liés à la
dispersion………..
Compétence 2
A l’issue de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre en mécanique (forces, conditions d’équilibre) doit les intégrer dans des situations
familières de résolution de problèmes de statique : prévision, réalisation, explication et
exploitation d’équilibres de solides ..
Compétence 3 :
A la fin de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en électricité, doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
fonctionnement de dipôles simples ; installation électrique.
Compétence 4
A l’issue de la classe de troisième l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre sur l’énergie (différentes formes d’énergie, leurs transformations réciproques) doit les
intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes.
39
Les chapitres.
Chapitre P1 :
Les lentilles minces
Durée : 4 heures
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
Lentilles minces
Lentilles convergentes,
- Utiliser un kit et/ou un banc
divergentes
d'optique.
- Axe optique
- Mise en évidence du foyer image
- Centre optique
d'une lentille convergente.
- Foyer objet
- Déterminer expérimentalement
les caractéristiques d'une lentille
- Foyer image
- caractériser les images.
mince (centre optique, foyers et
- Distance focale
distance focale).
- Vergence
- Expliquer
les différentes - Objet réel
anomalies de la vision et leur - Image réelle
- Construire l'image donnée d'un
correction.
- Image virtuelle
objet
réel
par
une
lentille
- Image droite
convergente.
- Utiliser une lentille convergente. - Image renversée
- Construire l'image donnée d'un
- Grandissement
Applications
objet réel situé en avant du foyer
- Anomalies de la vision et image d'une lentille divergente.
correction
- Loupe
- Faire une mise au point.
- Objectif photographique
- Déterminer, à partir d'une
- Projecteur de diapositives
construction, les caractéristiques
de l'image donnée par une lentille
divergente (objet en avant du foyer
image.
- Utiliser une lentille convergente
en loupe.
- Déterminer un grandissement.
Donner les symboles des
lentilles minces (convergente et
divergente).
- Identifier une lentille.
Donner les caractéristiques d’une
lentille.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Faire des recherches sur :
1. L’œil, anomalies, verres correcteurs.
2 La loupe, objectif photographique, le microscope.
- Partir d'objets familiers tels que les verres correcteurs, la loupe, les jumelles... pour aborder
la leçon.
- rappeler la propagation rectiligne de la lumière, le principe de la chambre noire et les
notions de géométrie (dont la symétrie).
- En TP, distinguer les lentilles convergentes des lentilles divergentes par leur action sur un
faisceau parallèle ou cylindrique (utiliser un kit d'optique).
40
- Mettre en évidences les caractéristiques des lentilles : foyer objet, foyer image, distance
focale. A partir de la distance focale f, donner la vergence c, et son unité : la dioptrie (δ);
préciser que ces deux grandeurs sont positives pour les lentilles convergentes et négatives
pour les lentilles divergentes.
- Mettre en évidence l'image d'un objet réel par une lentille convergente; distinguer 2 cas :
. objet placé entre l'infini et le foyer objet.
. objet placé entre le foyer objet et la lentille.
- Mettre en évidence l'image donnée d'un objet par une lentille divergente ; se limiter au
seul cas où l'objet est situé en avant du foyer image de la lentille.
- Construire l'image donnée d'un objet réel par une lentille convergente ; déterminer
graphiquement ses caractéristiques (réelle/ virtuelle/, droite/ renversée, plus grande/ plus
petite / égal), définir le grandissement et le comparer à l’unité.
- Construire l'image donnée d'un objet réel par une lentille divergente (objet en avant du
foyer image), déterminer graphiquement ses caractéristiques et le comparer à l’unité.
- La relation de conjugaison et les associations de lentilles sont hors programme.
- Citer quelques applications des lentilles : verres correcteurs (myopie, hypermétropie,
presbytie), loupe, objectif photographique, lentilles de projection.
Chapitre P2 :
Dispersion de la lumière
Durée : 1 heure
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Donner l'ordre de dispersion de Phénomène de dispersion
Spectre de la lumière : ordre de
la lumière.
Expliquer la couleur des dispersion
Lumière monochromatique
objets.
Lumière polychromatique
Applications
- Expliquer qualitativement la Recomposition de la lumière
formation l'arc-en-ciel.
- Réaliser une expérience
dispersion de la lumière.
de
- Réaliser une expérience
recomposition de la lumière
de
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Faire des recherches sur les thèmes :
1. Les couleurs
2. L’arc – en –ciel
- Au moyen d'objets divers (prisme, verre d'eau légèrement incliné, bulles de savon...) faire
observer le phénomène de dispersion (décomposition de la lumière blanche en plusieurs
couleurs).
- faire noter l'ordre de dispersion de la lumière blanche.
41
- dégager qualitativement les conditions d'obtention de la dispersion : lumière tombant sur
des faces non parallèles d'un milieu transparent, réfractions (au moins deux réfractions). Ne
pas donner de valeurs d'angle d'incidence.
- Définir :
•
Spectre lumineux continu
•
Lumière monochromatique (formée d'une seule couleur)
•
Lumière polychromatique
L'étude des indices de réfraction est hors programme.
- Pour les applications, expliquer la formation de l'arc-en-ciel en se contentant de dire que la
lumière se réfracte (au moins deux fois) dans les gouttes d'eau et subit une dispersion
comme pour un prisme, l'irisation d'une goutte d'essence ou d'huile à la surface de l'eau.
- Montrer que la couleur d'un objet peut changer en fonction de la lumière qui l'éclaire.
- Montrer expérimentalement la recomposition de la lumière à l'aide d'une lentille
convergente ou du disque de Newton.
Chapitre P3 :
Forces
Durée : 3 heures
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Définir une force à partir de ses
effets.
- Donner l'unité internationale
d'intensité de force.
- Donner des exemples de forces
et les classer.
- Représenter un vecteur force.
- Donner les caractéristiques de
différentes forces (Poids, tension
d'un fil, réaction d'un support).
- Donner des exemples de solides
en équilibre sous l'action de deux
forces.
Appliquer
les
conditions
nécessaires d'équilibre d'un solide
soumis à deux forces.
Activités d'apprentissage
Forces
- effets statiques, effets
- Mesurer l'intensité d'une force
dynamiques
à l'aide d'un dynamomètre.
- Types de forces
- Exemples de forces
- Caractéristiques d'une force
- Unité d'intensité de force
- Représenter une force par un
- Représentation vectorielle
vecteur.
Equilibre d'un solide soumis à
l'action de deux forces
- Notion d'équilibre
- Réaliser l'équilibre d'un solide
soumis à deux forces.
- Conditions nécessaires
d'équilibre
- Forces directement opposés
- Réaliser des exemples faisant
principe des actions
intervenir le principe des
réciproques
actions réciproques.
Enoncer le principe des actions
réciproques
42
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherchez, dans votre environnement, des corps en interaction. Précisez s’il s’agit d’interaction à
distance ou d’interaction de contact.
2 Parmi ces corps, lesquels sont en équilibre ?
3. Dans quelle condition un corps peut-il être en équilibre ?
- Les acquis du chapitre P4 de la classe de 4ème (Poids d'un corps), complétés par des
exemples variés tirés de l'environnement de l'élève permettront de dégager la définition
d'une force à partir de ses effets dynamique et statique. Donner les caractéristiques d'une
force (droite d'action, point d'application, sens et intensité) ; indiquer la méthode de mesure
de l'intensité d'une force et donner son unité du système international : le newton (N).
Il est formellement interdit de parler de kilogramme force.
- Tout au long de ce chapitre, veiller à la distinction entre droite d'action et sens d'une force ;
distinguer également :
. les forces à distance, des forces de contact
. les forces localisées, des forces réparties.
- A partir d'une étude expérimentale, dégager les conditions nécessaires d'équilibre d'un
solide soumis à deux forces : les deux forces ont même droite d'action, même intensité mais
de sens opposés (les deux forces sont dites directement opposées) la réciproque est fausse.
Donner des exemples de solides en équilibre sous l'action de deux forces, ces exemples
permettront d'introduire la réaction d'un support, la tension d'un fil ou d'un ressort.
- A l'aide d'une étude expérimentale simple (interaction aimant - aimant, aimant - clou...)
introduire le principe des actions réciproques et en donner des illustrations (propulsion par
réaction, recul d'une arme à feu, tourniquet...).
Chapitre P4 :
Travail et puissance mécaniques
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Donner la nature d'un travail Travail mécanique
- Travail moteur
(moteur, résistant ou nul).
- Donner les conditions de nullité - Travail résistant
du travail.
- Travail nul
- Travail du poids
- Unité du SI : le joule (Joule)
- Utiliser les expressions du
travail et de la puissance Puissance mécanique
- Unité du SI : le watt (W)
mécanique.
- Donner l'ordre de grandeur de
certaines puissances.
Durée : 3 heures
ème
Classe : 3
Activités d'apprentissage
Utiliser l'expression W = FxL.
Utiliser l'expression P = W/t.
Calculer le travail d'une force
constante
colinéaire
au
déplacement.
- Calculer le travail du poids d'un
corps.
Calculer
une
puissance
mécanique.
- Etablir l'expression de la
puissance mécanique (P = FxV)
à partir de son expression
P = W/t..
43
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Faire une enquête pour trouver des situations où on parle de travail dans le langage courant. Peut-on
caractériser le travail par des grandeurs physiques déjà étudiées dans le cours de physique ?
lesquelles ?
- A partir d'exemples appropriés, faire la distinction entre le travail au sens courant du terme
(effort physique et peine) et la grandeur physique "travail". Au concept de travail, associer
force et déplacement.
- Se limiter au calcul du travail d'une force constante et colinéaire au déplacement
( exception faite du travail du poids).
- Donner l'expression du travail pour une force constante colinéaire au déplacement :
W = FxL.
- Donner l'unité du système international de travail (le joule : J), ses multiples (kilojoule : kJ ;
mégajoule : MJ). Il est formellement interdit de parler de kilogramme-mètre.
- Faire la distinction entre le travail moteur (la force agit dans le sens du déplacement) et le
travail résistant (la force agit dans le sens contraire du déplacement).
- Donner les conditions de nullité du travail d'une force ; admettre que le travail d'une force
dont la droite d'action est normale au déplacement est nul.
- Admettre que le travail du poids ne dépend pas du chemin suivi et donner son expression :
W = mgh.
- Définir la puissance moyenne P et donner son expression générale : P =
W
.
t
La puissance instantanée est hors programme.
Donner l'unité du système international de puissance : le watt (W), ses multiples (kilowatt :
kW ; mégawatt : MW ; ...). On évoquera l'existence du cheval vapeur (ch), ancienne unité de
puissance (ch). Une distinction sera faite entre cheval fiscal (c.v) (utilisé dans la vie
courante) et le cheval vapeur.
-
-
Etablir l'expression de la puissance P = FxV dans les conditions suivantes :
•
la force est constante, colinéaire et de même sens que le déplacement,
•
le déplacement du point d’application de la force se fait à vitesse constante
Donner l'ordre de grandeur quelques puissances.
44
Chapitre P5 : Electrisation par frottement, le courant
électrique
Durée : 4 heures
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
Electrisation par frottement.
- Les deux types d'électricité
- Atome
- Electrons
- Citer les deux espèces - Charges électriques
d'électricité.
- Conducteurs et isolants
électriques
- Citer quelques conducteurs et
- Conducteur métallique.
isolants électriques.
- Interpréter le phénomène
d'électrisation.
- Réaliser
des
d'électrisation.
expériences
- Classer des corps en isolant et
conducteur à partir d'une expérience
d'électrostatique.
Le courant électrique
- Interpréter la nature du
Montrer expérimentalement que
- Porteurs de charges
courant électrique.
certaines solutions sont conductrices.
- Conducteur électrolytique
- Citer quelques électrolytes.
- Sens conventionnel du
q
- Utiliser les relations : I = , courant électrique
t - Nature du courant électrique
- Intensité du courant
q = ne.
électrique, relations :
I=
q
,
t
q = ne
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherchez quelques objets de votre environnement. Pouvez-vous les classer en conducteurs et
isolants électriques ? Frottez divers objets pris parmi ces deux catégories, approchez-les à de petits
bouts de papier. Notez vos observations.
- En classe de 4ème l'intensité d'un courant électrique a été introduite de manière
expérimentale : c'est la grandeur que l'on mesure avec l'ampèremètre.
- Le présent chapitre vise donc essentiellement à compléter les premières notions
d'électrocinétique vues en classe de 4ème. Ce complément devra nécessairement être
précédé de concepts clefs d'électrostatique.
- Pour plus de clarté, il est souhaitable de subdiviser ce chapitre en deux parties :
Première partie (électrostatique) : Electrisation par frottement
- En introduction on citera quelques faits courants :
* poussières qui adhèrent sur des pièces plastiques frottées,
* production d'étincelles lors de frottement de tissus synthétiques, etc...
- On amènera les élèves à réaliser quelques expériences simples d'électrisation en classe :
* "bic" frotté contre les cheveux et qui attirent de petits morceaux de papier ou qui dévie un
mince filet d'eau,
* bâton de verre frotté qui fait dévier un pendule, etc...
45
- On parlera de l'existence de charges électriques à la surface des corps électrisés par
frottement.
- Après avoir mis en évidence les deux espèces d'électricité on les nommera
conventionnellement :
* charges positives (celles portées par le verre frotté avec de la laine),
* charges négatives (celles portées par l'ébonite frottée avec une peau de chat).
- Rappeler la notion d’ion vue antérieurement (4è)
- On expliquera le caractère neutre de l'atome, puis son caractère chargé par perte ou
gain d'électrons : atome chargé appelé ion.
- Une distinction des notions d'isolants et de conducteurs sera faite : pour un isolant les
charges électriques restent localisées sur la partie frottée ; quant au conducteur les charges
engendrées par frottement d'une partie se répartissent uniformément.
Deuxième partie (électrocinétique) : le courant électrique
- Cette partie pourrait débuter par des rappels : rôle de quelques dipôles (générateurs et
électrolyseurs), effets du courant électrique, sens conventionnel du courant, conducteurs et
isolants etc...
- On indiquera la nature du courant électrique : déplacement d'électrons dans les
conducteurs métalliques, déplacement d'ions dans les électrolytes (on rappellera qu'un ion
est un atome ou un groupement d'atomes présentant un excès ou un défaut d'électrons) et
enfin on définira la nature courant électrique en utilisant le terme de déplacements de
porteurs de charge.
- La notion d'intensité sera rappelée, les relations I =
q
et q = ne seront données.
t
- Le rôle de l'ampèremètre, son branchement et son utilisation seront rappelés.
- Le chapitre pourrait être clos par le rappel des propriétés de l'intensité dont
* la loi d'unicité de l'intensité dans un circuit série,
* la loi des nœuds.
Chapitre P6 :
Résistance électrique
Durée : 6 heures
ème
Classe : 3
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Enoncer la loi d'ohm pour un Conducteur ohmique
résistor.
- Résistor
- Loi d'Ohm
- Tracer la courbe U = f(I) à partir - Résistance
d'un tableau de mesure.
- Unité : Ohm
- Résistivité
- Déterminer la résistance d'un - Résistance d'un fil cylindrique
résistor.
homogène de section constante
- Résistor équivalent
- Utiliser la loi d'Ohm.
- Résistance équivalente
Activités d'apprentissage
- Etudier expérimentale du résistor
. faire le relevé point par point de la
caractéristique d'un résistor ;
vérifier l'expression de la résistance
d'un fil cylindrique homogène de
section constante.
- Vérifier expérimentalement les
lois d'association des résistors.
-
- Utiliser l'expression de la
résistance d'un fil cylindrique
Rhéostat
homogène.
Potentiomètre
- Utiliser l'expression de la
résistance équivalente pour deux
résistors montées en série ou
montées en parallèle (l’inverse
de la résistance équivalente =
somme des inverses).
Calculer
équivalente
associés
la
de
résistance
résistors
- Tracer la courbe U = f(I) à partir
d'un tableau de mesure.
-
Déterminer la résistance d'un
résistor.
46
Commentaires.
Activités préparatoires possibles
Visite chez le réparateur de radios :
1. Découvrir différents conducteurs ohmiques (types, formes).
2 Relever les indications marquées sur quelques conducteurs ohmiques. Que signifient ces indications ?
Quelle grandeur physique principale caractérise un conducteur ohmique ? Quelle est son unité S.I ?
3 Citer quelques utilisations courantes des conducteurs ohmiques.
- En TP, à l'aide d'une source de tension réglable, on procédera à la mesure des valeurs
prises par l'intensité du courant traversant un conducteur ohmique pour différentes tensions
appliquées à ses bornes.
- Le tracé de la caractéristique intensité- tension (courbe U = f(I)) permettra de déduire :
* La valeur de la résistance, son unité (la notion de conductance est hors programme),
* la loi d'Ohm pour un conducteur ohmique (relation et énoncé).
On se limitera à la partie de la caractéristique pour laquelle U et I sont positifs.
- Donner la signification physique de la notion de résistance à partir d’expériences simples
- Une étude expérimentale de la résistance d'un fil cylindrique, homogène de section
l
s
constante conduira à vérifier l'expression : R = ρ .
- Les lois étudiées en électrocinétique (propriétés de l'intensité et de la tension) pourront être
rappelées, puis utilisées pour établir les lois d'association des résistors ; lois qui seront l'objet
d'une vérification expérimentale.
- A titre d'application on expliquera la constitution du rhéostat et son utilisation pratique pour
faire varier l'intensité du courant dans un circuit.
Chapitre P7 :
Transformations d’énergies
Durée : 2 heures
ème
Classe : 3
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Citer des formes d'énergie.
- Utiliser les expressions de
l'énergie cinétique, de l’énergie
potentielle,
- Définir l’énergie mécanique
.- Utiliser les expressions de
puissance et d'énergie électriques
dissipée par effet Joule.
- Utiliser la loi de Joule.
- Prendre conscience de la
pollution liée à certaines formes
d'énergie.
Activités d'apprentissage
Energie
- Notion d’énergie
- Unité du SI : le joule (J)
- Formes d'énergie : énergie
électrique, énergie thermique ou
calorifique, énergie lumineuse,
énergie éolienne, énergie chimique
- énergie potentielle (élastique et
de pesanteur), énergie cinétique.
Transformation d'énergie
- Exemples
- Rendement d'une transformation
d'énergie
Energie et puissance électriques
- Energie électrique : W = UIt
- Puissance électrique : P = UI
- Effet Joule
2
- Loi de Joule : W = RI t
Mettre
en
évidence
expérimentalement
des
transformations d'énergie.
Mettre
en
évidence
expérimentalement l'effet Joule.
Recherches
documentaires
(formes d’énergie, pollution…)
47
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Visite d’une centrale hydroélectrique.
2. Recherche sur les sources d’énergies renouvelables.
- La notion d'énergie pourrait être amenée en évoquant avec les élèves divers exemples
familiers de systèmes susceptibles de produire du travail. On précisera alors qu'un système
possède de l'énergie s'il peut produire du travail.
- Dès lors on justifiera l'équivalence entre les grandeurs physiques énergie et travail et par la
suite le choix du joule comme unité SI d'énergie.
- A partir d'exemples simples et variés, le professeur devra :
* évoquer différentes formes d'énergie,
* donner des exemples de transformation d'énergie.
- L'expression de l'énergie cinétique sera donnée dans le cas d'un solide en translation
rectiligne uniforme : Ec = ½ mV 2.
- L'expression de l'énergie potentielle de pesanteur EP = mgh sera donnée. Pour l'énergie
potentielle élastique, on s'en tiendra à signifier qu'elle dépend des paramètres de position
imposée (contraintes) au corps élastique.
- L'énergie mécanique n'est pas à formuler, on dira simplement qu'elle est la somme de
l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique.
- L'analyse de transformations d'énergie à travers des cas pratiques (moteurs, turbines,
pompes,....) permettra de distinguer "l'énergie utile" de "l'énergie reçue" par un système.
Ensuite on définira le rendement énergétique du dispositif de transformation :
R=
énergie utile
(toujours inférieure à 1) ; R en %.
énergie reçue
- On signalera qu'une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Ce qui
correspond à une forme dégradée d'énergie appelée énergie calorifique ou thermique.
- A ce niveau, introduire dans les transformations d’énergie, des notions de calorimétrie mais
se limiter à la transformation possible de l’énergie thermique (quantité de chaleur) en
d’autres formes d’énergie.
Les calculs de quantités de chaleur absorbées ou cédées, de températures d’équilibre
et les mesures calorimétriques ne seront pas traités.
48
- L'expression de la puissance électrique P = UI sera donnée et pourra être vérifiée. Puis on
en déduira l'expression de l'énergie électrique : W = UIt. On introduira à ce niveau l'unité
usuelle d'énergie électrique : le kilowattheure (1kWh = 3,6.106 J).
- On mettra en évidence expérimentalement l'Effet Joule. On établira théoriquement à partir
de la Loi d'Ohm et de l'expression de l'énergie électrique la Loi de Joule : W = RI2t.
- On donnera les différentes expressions de la puissance mise en jeu dans un résistor :
P = UI ; P = RI2 ; P =
U2
.
R
- Diverses applications de l'effet joule (avantages et inconvénients) seront fournies : fer à
repasser, réchaud électrique, chauffe eau, échauffement des appareils électriques.
- On parlera d'économie d'énergie et de la pollution liée à certaines formes d'énergie.
Activités d’intégration possibles
1 Arc-en-ciel
Après l’orage, un de vos camarades contemple un bel « arc-en-ciel » qui est sans doute un
des phénomènes naturels les plus spectaculaires. Il cherche à trouver une explication
qualitative à ce phénomène mais il n’y parvient pas. Aidez-le à comprendre.
Comment expliquer qualitativement ce phénomène ?
Concevoir et réaliser une expérience qui puisse étayer qualitativement vos propos.
(Après avoir identifié le matériel dont vous aurez besoin, vous irez le chercher à la salle de
rangement ).
2 Equilibre d’une araignée
Pendant que Binta se détendait dans sa chambre, son attention fut attirée par une grosse
araignée suspendue par son fil dans un coin de la pièce. Elle se demande pourquoi
l’araignée reste dans cette position fixe. Expliquer lui pourquoi. Faire un schéma à l’appui.
3 Circuit d’un vélo
Le vendeur de charbon du quartier vient d’acheter un « vélo d’occasion » ne possédant pas
de circuit d’éclairage.
Proposer lui une liste du matériel à acheter ; faites le schéma annoté du montage à réaliser
pour son circuit d’éclairage et aider le à réaliser et faire fonctionner correctement ce circuit.
4. Fonctionnement d’un appareil électroménager simple.
49
PROGRAMME DE CHIMIE
Les compétences d’année en chimie.
Compétence 5
A la fin de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être sur les
solutions aqueuses (solutions aqueuses, dissolution, dilution, caractère acide, basique et
neutre,dosage) ; doit les intégrer
dans des situations familières de résolution de problèmes :
caractérisation des solutions, préparations diverses.
Compétence 6
A la fin de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être sur
solutions aqueuses (acides, bases, métaux) doit les intégrer dans des situations familières de
résolution de problèmes : traitement des métaux, protection, utilisation des métaux.
Compétence 7
A la fin de la classe de troisième, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être sur les
hydrocarbures, doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
utilisation, impact sur l’environnement.
Les chapitres
Chapitre C1 :
Solutions aqueuses
Durée
heures
:
6
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Utiliser les expressions des
concentrations molaire et massique
volumiques
- Préparer une solution de
concentration donnée
Activités d'apprentissage
Solution
- Solvant
- Soluté
- Solution saturée
- solubilité
Concentration molaire volumique
-Montrer l’importance des solutions - définition, formulation
dans la vie courante
- unité
- Utiliser rationnellement les produits Concentration massique
dans la préparation des solutions.
- Respecter les consignes de - définition, formulation
sécurité en manipulant certains
- unités
produits.
Applications
- dilutions
- Préparation de solutions
- Etudier expérimentalement
la solubilité du sel dans l'eau
en fonction de la température.
- Calculer une concentration
molaire volumique.
- Calculer une concentration
massique volumique.
- Etablir la relation entre la
concentration molaire
volumique et la concentration
massique volumique.
- Préparer une solution de
concentration donnée par
dissolution et par dilution
avec un choix de matériel
adapté (pipette, fiole,...).
50
Commentaires :
Activités préparatoires possibles
Considérer des mélanges liquides de votre environnement. Les classer en mélanges homogènes et en
mélanges hétérogènes. Pouvez vous séparer les constituants des mélanges homogènes ? Si oui
comment ? A l’inverse réaliser des mélanges liquides homogènes en partant de corps purs de votre
environnement.
- On pourrait se servir de l'exemple de dissolution du sel de cuisine dans l'eau pour définir
les concepts de solution, soluté (sel) et solvant (eau).
- Les phénomènes de saturation et solubilité pourront être illustrés par des exemples.
- On pourra déterminer la solubilité du sel dans l'eau et montrer expérimentalement qu'elle
dépend de la température.
- Dans un souci de généralisation, on donnera d'autres exemples en phase liquide
* liquide solide (eau + sucre...)
* liquide - liquide (eau + alcool...)
* liquide - gaz (eau + dioxyde de carbone, eau + dioxygène...)
- Définition d'une solution : mélange homogène de deux ou plusieurs corps.
- On définira la concentration molaire volumique C et la concentration massique Cm et on
précisera leur unité usuelle : C : mol.L-1 et pour Cm = g.L-1. On établira la relation entre les
deux concentrations : Cm = MC, avec M = masse molaire du soluté en g.mol-1.
- En TP on procédera à la préparation de quelques solutions ; tout au long de ce travail, on
expliquera le principe de la dilution (quantité des produits, matériel utilisé et protocole
expérimental).
51
Chapitre C2 :
Acides et bases
Durée : 4 heures
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Identifier le caractère acide, basique
ou neutre d’une solution en utilisant le
BBT.
Classification des solutions
- Solutions acides
- Solutions basiques
- Solution neutre
- Indicateur coloré
Propriétés des acides et des
bases
- Conductibilité électrique
- Action des acides sur le
calcaire
- Mettre en évidence le Caractère
ionique des solutions d’acide et de
+
bases (présence d’ions H dans les
solutions d’acides et de HO dans les
Réaction
entre
l'acide
solutions basiques).
chlorhydrique et la soude
- Réaction exothermique
Ecrire l'équation-bilan de la - Neutralisation
réaction entre l'acide chlorhydrique et - Equation bilan
la soude (écrire l’équation ionique
d’interprétation).
Dosage colorimétrique
- Equivalence acido-basique
- Relation à l'équivalence
- Utiliser la relation à l'équivalence :
nA = nB.
- Prendre les précautions nécessaires
pour la manipulation des acides.
- Montrer l'importance des acides et
du dosage acido-basique dans la vie
courante.
- Classer expérimentalement des
solutions aqueuses à l'aide du
BBT.
- Mettre en évidence
expérimentalement de la
conductibilité des solutions
acides et basiques.
Réaliser
l'expérience
de
neutralisation
entre
l'acide
chlorhydrique et la soude, mettre
en évidence l'effet thermique et le
sel formé.
- Titrer une solution acide ou
basique à l'aide d'un dosage
colorimétrique.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Revenir sur les activités préparatoires possibles du chapitre précédent. Prélever environ 2 mL de chacun
des liquides homogènes obtenus et ajouter quelques gouttes de jus de « bissap blanc » dilué Noter les
observations. Conclure.
- A l'aide du BBT on classera certains produits (jus de citron, vinaigre, infusion d'oseille, jus
de tamarin, lessive, cendre, eau de chaux...) en solutions acides et en solutions basiques :
* Une solution acide donne une coloration jaune en présence de BBT,
* Une solution basique donne une coloration bleue en présence de BBT,
* Une solution neutre donne une coloration verte en présence de BBT.
Signaler l’existence d’autres indicateurs colorés
-
On donnera d'autres exemples de solutions aqueuse acides (H++Cl-) ; (2H++SO42-) ;
(H++NO3-) et basiques (Na++OH-), (K++OH-), (Ca2++ 2OH-), (NH4,+,+OH-), leurs propriétés
52
communes (conductibilité électrique, action sur le calcaire) ainsi que des applications dans la
vie courante (détartrage...).
- On soulignera le caractère ionique des solutions acides et la présence, dans ces
solutions, de l’ion hydrogène aqueux que l’on notera H+ pour simplifier.
On pourra signaler qu’en réalité en solution aqueuse ce qui existe est l’ion hydronium
ou oxonium H3O+ mais par soucis de simplification, dans la suite, on utilisera la
notation H+
De la même manière on soulignera le caractère ionique des solutions basiques et la
présence, dans ces solutions, de l’ion hydroxyde aqueux que l’on notera HO-.
- On réalisera la réaction entre
une solution d'acide chlorhydrique et une solution
d'hydroxyde de sodium. On mettra en évidence le caractère exothermique de la réaction, les
produits formés et l'équivalence acido-basique.
On écrira l’équation ionique de la réaction sous la forme
H
+
+ HO
-
H2 O
On écrira l’équation globale.
Lorsque l'équivalence acido-basique est atteinte, on montrera que la quantité de matière
initiale d’ions H+
soude) ajouté
(d'acide chlorhydrique) est égal la quantité de matière d’ions HO- (de
(nA = nB) ou inversement. On en déduira la relation à l'équivalence :
CAVA = CBVB.
- On réalisera un dosage colorimétrique d'une solution d'acide chlorhydrique par une solution
d'hydroxyde de sodium ou inversement (utiliser le BBT).
Chapitre C3 :
Propriétés chimiques des métaux usuels
Durée : 4 heures
Classe : 3ème
(Al, Zn, Fe, Pb, Cu)
Contenus
Objectifs d’apprentissage
Activités d'apprentissage
- Reconnaître un métal par son Propriétés physiques
aspect physique.
- Comparer les propriétés
Propriétés chimiques
physiques des métaux usuels.
- Oxydation à froid
- Ecrire les équation-bilan des
réactions (équations ioniques).
- oxydation à chaud
- Prendre conscience de l'intérêt
de la protection des métaux.
- Choisir le métal le mieux
adapter pour une utilisation
donnée.
Action des acides dilués
(H++Cl-) ; (2H++SO42-) ;
(H++NO3-). à froid sur les
métaux.
- Observer d'échantillons
métalliques non oxydés.
- Observer d'échantillons
métalliques oxydés.
- Réaliser des réactions
d'oxydation à chaud
- Réaliser des réactions à froid des
acides sur les métaux.
Prendre
les
précautions
nécessaires pour la manipulation
des acides et l'utilisation du
brûleur.
53
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Quels sont les métaux que vous connaissez ?
2. Où trouve-t-on ces métaux ? A quelles fins les emploie-t-on ?
3. Citez quelques propriétés caractéristiques de ces métaux.
- La présentation d'échantillons métalliques permettra de faire une première reconnaissance
voire une distinction entre les métaux usuels.
- Un tableau de synthèse de leurs propriétés physiques (masse volumique, température de
fusion, conductibilité thermique, conductibilité électrique...) sera présenté.
- On insistera sur les propriétés chimiques de ces métaux dont l'étude sera expérimentale et
portera exclusivement sur deux thèmes :
-
Action de l'air sur les métaux
Pour l'action de 'air humide sur les métaux, on fera l'observation et l'interprétation. On écrira
que les équation-bilan suivantes : 4Fe + 3O2
2Fe2O3 et 4Al + 3O2
2Al2O3.
Pour les autres métaux on s'en tiendra à nommer les produits formés. On expliquera le
phénomène de corrosion et on indiquera les moyens de lutter contre. Pour l'action de l'air à
chaud sur ces métaux, elle sera traduite par des équation-bilan.
-
Action des acides dilués à froid sur les métaux
(H+ + Cl-) ; (2H+ + SO42-) ; (H++ NO3-) dilués à froid sur les
On fera l'action des acides
métaux. On établira les équation-bilan de ces réactions exceptée celle avec l'acide nitrique.
On écrira les équations ioniques d’interprétation et les équations globales.
Par exemple l’action de l’acide chlorhydrique sur le zinc sera traduite par les
équations suivantes :
Equation ionique : 2H
+
+ Zn
+
-
Equation globale : 2(H + Cl ) + Zn
H2 + Zn2+
-
H2 + (Zn2+ + 2Cl )
N. B : l'action des acides chlorhydrique et sulfurique dilués à froid sur le plomb a
effectivement lieu mais est quasi stoppée par la formation d'une couche insoluble de chlorure
ou de sulfate de plomb (consulter la table des potentiels normaux).
Sécurité : On insistera sur les précautions à prendre pour la manipulation des acides
et l'utilisation des brûleurs à gaz.
54
Chapitre C4 :
Les hydrocarbures
Durée : 4 heures
Classe : 3ème
Contenus
Objectifs d’apprentissage
- Identifier la famille à laquelle
appartient un hydrocarbure à partir
de sa formule brute.
- Ecrire l'équation-bilan de la
combustion complète d'un
hydrocarbure dans le dioxygène.
- Utiliser l'équation-bilan de la
combustion complète d'un
hydrocarbure dans le dioxygène.
- Prendre conscience de
l'importance des hydrocarbures
dans la vie courante.
- Prendre conscience des risques
liés à l'utilisation domestique des
hydrocarbures et de la pollution.
Activités d'apprentissage
Hydrocarbures
- Définition
- Familles et formules générales
- Formules brutes de quelques
hydrocarbures
Combustion
d'hydrocarbures
dans le dioxygène
- Combustion complète
- Combustion incomplète
- Applications industrielles des
hydrocarbures
Hydrocarbures et environnement
- Réaliser des combustions
complètes d'hydrocarbures
dans le dioxygène.
- Régler la flamme d'un bec
bunsen ou d'un réchaud à
gaz pour mettre en évidence
la combustion incomplète.
Recherches documentaires
(pétrole, gaz naturel, matière
plastique…)
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Thème : Recherche documentaire
1. Chimie des composés organiques et médicaments.
2. Pétrole, gaz naturel, matières plastiques
- On peut introduire la leçon en expliquant brièvement la formation du gaz naturel et du
pétrole.
- On commencera par définir un hydrocarbure (composé organique dont la molécule
renferme uniquement l'élément carbone et l'élément hydrogène).
- On citera les familles
d'hydrocarbures (alcanes, alcènes, alcynes) en donnant leurs
formules brutes générales.
- Les notions d'isomérie, de liaison, de formules semi-développée ou développée et de
nomenclature sont hors programme.
- On se contentera de donner les formules brutes et quelques propriétés physiques
(solubilité, conductibilité électrique, état physique dans les conditions ambiantes) des
hydrocarbures suivants : méthane, éthane, propane, butane, éthylène, acétylène.
- On écrira les équations-bilan des combustions complètes des hydrocarbures précités dans
le dioxygène. - Ne pas écrire l'équation-bilan de la combustion incomplète, le danger lié
à la formation de monoxyde de carbone sera évoqué. On n’évaluera pas les élèves sur la
nomenclature.
Activités d’intégration possibles
1 Extraction de l’aluminium : traitement de la bauxite.
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document.(activité 5)
2 Transports et conservations des acides et des bases.
3 Pollution liée aux combustions de composés organiques
55
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES
DU CYCLE SECONDAIRE.
Août 2008
REFERENTIEL DE COMPETENCES DU CYCLE SECONDAIRE.
DOMAINE
COMPETENCE DE CYCLE
Mécanique
PHYSIQUE
Electricité
/
électromagnétisme
Signaux et ondes
mécaniques
Optique
Structure
matière
de
la
CHIMIE
Quantités
de
matière
Transformations
chimiques
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être en mécanique (principes, lois de la mécanique classique) doit les
intégrer dans des situations d’explication, de prévision ou de propositions de
solutions relatives à des problèmes d’équilibres / de mouvements de
systèmes mécaniques simples.
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être en électromagnétisme doit les intégrer dans des situations
d’explication, de prévision ou de propositions de solutions relatives à des
problèmes d’électromagnétisme : fonctionnement, utilisation de divers
composants électriques, prévision, montage, démontage et sécurité…
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être sur les ondes (principes et lois régissant propagation, réflexion,
diffraction, dispersion et interférences mécaniques) doit les intégrer dans
des situations d’explication, de prévision ou de propositions de solutions
relatives à des phénomènes ondulatoires.
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être en optique (propagation, réflexion, réfraction, dispersion,
interférences lumineuses).doit les intégrer dans des situations familières de
résolution de problèmes liés à des phénomènes lumineux :
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être sur la structure de la matière (entités chimiques, structure,
familles de composés organiques, électrochimie, solutions aqueuses
diverses, acides, bases) doit les intégrer dans des situations d’explication,
de prévision ou de résolution de problèmes..
A la fin du cycle secondaire, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire,
savoir-être sur les transformations de la matière (aspects théoriques,
qualitatifs et quantitatifs des transformations chimiques, calculs divers), doit
les intégrer dans des situations d’explication, de prévision de phénomènes
chimiques ou de résolution de problèmes
56
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES
DES CLASSES DE SECONDE S
Août 2008
57
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE SECONDE SCIENTIFIQUE (S)
HORAIRE : 5 h / élève
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
Numéro
CHAPITRE
Titre
Horaire (h)
ELECTRICITE ET ELECTRONIQUE.
P1
Phénomènes d’électrisation
3
P2
Généralités sur le courant électrique
3
P3
Intensité du courant électrique
5
P4
Tension électrique
5
P5
Dipôles passifs
6
P6
Dipôles actifs
4
P7
Amplificateur opérationnel : amplification d’une tension (rentrée 2000)**
6
MECANIQUE
P8
Généralités sur le mouvement
5
P9
Généralités sur les forces
4
P10
Le poids – La masse – Relation entre poids et masse.
5
P11
Equilibre d’un solide soumis à des forces non parallèles
6
P12
Equilibre d’un solide mobile autour d’un axe
5
OPTIQUE
P13
Propagation rectiligne de la lumière
3
P14
Réflexion de la lumière
5
P15
Réfraction – dispersion de lla lumière
7
Total
72
58
PROGRAMME DE CHIMIE
CLASSE DE 2°S
CHAPITRE
Numéro
Titre
Horaire (h)
C1
Mélanges et corps purs(introduction aux sciences)
5
C2
Eléments, atomes, classification périodique des éléments
5
C3
Liaisons chimiques
4
C4
Mole, grandeurs molaires.
4
C5
Réactions chimiques. Equation-bilan.
5
C6
Généralités sur les solutions aqueuses.
4
C7
Solution aqueuse acide.
6
C8
Solution aqueuse basique.
6
C9
Notion de pH – Indicateurs colorés.
6
C10
Caractérisation de quelques ions
3
Total
48
59
REFERENTIELS
ET
COMMENTAIRES
DU
PROGRAMME
DE
SECONDE
SCIENTIFIQUE (S)
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
Les compétences d’année.
Compétence 1 :
A l’issue de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en mécanique (sur les forces, la première loi de Newton, les conditions générales d’équilibre
d’un solide) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes de
statique : prévision d’équilibres, exploitation, réalisation…
Compétence 2 :
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en électricité (caractéristiques de différents dipôles, propriétés et lois du courant électrique,
lois d’associations) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes simples d’électrostatique et d’électrocinétique : installations domestiques,
fonctionnement d’appareils électriques simples, observations de règles de sécurité.
Compétence 3 :
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire, savoir-être en
optique (principes, lois de la réflexion, de la réfraction) doit les intégrer dans des situations
familières de résolution de problèmes liés à la propagation de la lumière et à son
cheminement dans des milieux homogènes et isotropes simples :
60
Les chapitres
PARTIE : ELECTROSTATIQUE, ELECTRICITE ET ELECTRONIQUE.
CHAPITRE : P1
Objectifs d’apprentissage
Phénomènes d’électrisation.
Durée : 3 h
CLASSE :
2° S
Contenus
*Quelques
modes
d’électrisation :
- Electrisation par frottement.
- Electrisation par contact.
- Electrisation par influence
Activités d'apprentissage
*Expériences d’électrisation : Stylo
frotté,
pendule
électrique,
électroscope.
Expériences de décharge
Charges électriques :
les
deux
espèces
d’électricité.
- unité
Interprétation
électronique :
- Electron.
- Proton.
- charge élémentaire
Conducteurs et isolants
* Distinguer un conducteur électriques.
d’un isolant électrique.
*
Analyser
un
texte
scientifique.
* Expériences de mise en évidence
des deux espèces d’électricité.
* Distinguer les modes
d’électrisation.
Réaliser l’électrisation par
frottement et par contact.
* Classer les corps dans
l’échelle triboélectrique.
* Décharger un corps
*
Utiliser
l’interprétation
électronique de l’électrisation
pour
expliquer
certains
phénomènes électriques.
*Déterminer le signe d’une
charge.
* Utiliser la relation Q = ne.
*Analyse documentaire : exemple sur
la foudre
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Fabriquer un versorium.
Pour fabriquer un versorium se procurer une gomme rectangulaire, une épingle, du papier aluminium
et de la pâte à fix.
Placer la gomme par sa plus petite face sur un support horizontal fixe. Planter l’une des extrémités de
l’épingle sur la face supérieure de la gomme.
Découper une petite hélice dans du papier aluminium et la placer sur l’extrémité supérieure de
l’épingle entre deux bouts de pâte à fix . L'hélice doit tourner librement ; on peut utiliser du talc pour
assurer la libre rotation.
1. Qu’observe- t – on lorsqu’on approche une règle de plexiglas ou de verre frotté du versorium ?
2 Comment s’explique cette observation ?
3. Quelle utilisation pratique fait-on du versorium ? Quel autre appareil est utilisé à cette fin ?
Ce chapitre pourrait débuter par la présentation de phénomènes électrostatiques dans la vie
courante : éclair, filet d’eau dévié par un bâton frotté avec de la laine, poussière qui adhère
sur un peigne, sur disque d’électrophone, etc.
Les élèves réaliseront quelques expériences sur l’électrisation par frottement, par contact et
par influence. L’interprétation de ces phénomènes conduira à la notion de charge électrique.
Les élèves réaliseront des expériences de mise en évidence des deux espèces d’électricité.
61
Ils retiendront que deux charges de même signe se repoussent et que deux charges de
signes contraires s’attirent. Par une série d’expériences, ils seront amenés à classer divers
corps électrisés en deux catégories : ceux qui sont chargés positivement et ceux qui le sont
négativement. Une brève présentation simplifiée de la structure de la matière permettra aux
élèves de comprendre que l’électrisation résulte d’un transfert d’électrons (dans le cas où
l’atome n’est pas encore étudié en chimie). Il suffira d’indiquer que le noyau est chargé
positivement, le cortège électronique négativement tel qu’à l’état fondamental l’atome soit
électriquement neutre. Le professeur donnera alors la relation Q = ne. Les élèves, par une
série d’expériences, classeront en conducteurs et isolants électriques plusieurs matériaux
tirés de leur environnement.
Des activités de recherche menées par les élèves sur des phénomènes de l’environnement
liés à l’électrisation tels que la foudre viendront en complément du cours.
On rappelle que le signe de la charge portée par l’objet frotté dépend du corps avec lequel
on le frotte (voir échelle triboélectrique).
CHAPITRE : P2 Généralités sur le courant électrique. Durée : 3h
Objectifs d’apprentissage
CLASSE :
2° S
Contenus
circuits Circuit électrique :
-Dipôles électriques :générateur
,récepteur,interrupteur…………
*
Donner
les
schémas - Symboles normalisés des
normalisés
des
différents dipôles et schéma d’un circuit.
dipôles.
- Conducteurs et isolants
* Donner le schéma du montage électriques
d’un circuit électrique.
- Types de circuit : série,
dérivation.
Activités d'apprentissage
* Réalisation du circuit pile ampoule électrique.
* Réalisation et distinction de
circuits série et de circuits en
dérivation
* Etude du circuit électrique
d’une bicyclette
* Etude de la maquette du
circuit d’une maison.
* Utiliser les effets du courant Effets du courant électrique.
électrique ;
donner
des
Sens
conventionnel
du
exemples d’utilisation possible.
courant électrique.
* Utiliser le sens du courant
électrique.
Nature du courant électrique.
* Expériences d’illustration pour
les effets du courant électrique
*
Réaliser
électriques.
des
* Utiliser de façon pratique
différents
appareils
d’une
maison : compteur, disjoncteur,
fusibles, boites de dérivation,
prises, prise de terre.
-
* Expérience de mise en
évidence du sens du courant
électrique
conducteurs métalliques,
électrolytes
Avantages,
dangers
du
courant électrique, mesures
de sécurité.
* Prise en compte de mesures
*Retenir les avantages et Masse électrique.
de sécurité.
inconvénients des deux types
principaux de circuit.
* Indiquer quelques dangers du
courant électrique.
* Prendre des mesures de
précaution contre les dangers
du courant électrique.
62
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Etudier la constitution et le fonctionnement d’une lampe torche.
2 Court circuit, courant continu, courant alternatif, fusible, disjoncteur, prise de terre : rechercher la
signification et éventuellement le rôle s’il s’agit d’appareil.
Dans ce chapitre qui introduit les premières notions d’électrocinétique, l’approche
expérimentale utilisant du matériel simple et familier aux élèves (pile, lampe, fils de nature
diverse, solutions..) est vivement recommandée.
Avec ce matériel, les élèves seront amenés à réaliser des exemples de circuits simples et on
leur fera découvrir, expérimentalement, le rôle de générateur de courant électrique joué par
la pile et le rôle de récepteur joué par les autres dipôles. Les symboles normalisés des
dipôles seront donnés au fur et à mesure. Le schéma normalisé d’un circuit électrique sera
donné. En intercalant dans le circuit divers objets, on distinguera conducteurs et isolants
électriques.
Diverses expériences permettront de mettre en évidence les effets du courant électrique. On
insistera sur quelques applications importantes de ces effets. Le professeur saisira
l’occasion pour informer les élèves sur les dangers du courant et les mesures de sécurité à
prendre. A partir d’expériences, les élèves pourront découvrir que certains effets du courant
sont liés au sens de branchement des bornes du générateur : on admettra que le courant
électrique possède un sens de circulation. Le professeur précisera le sens conventionnel du
courant électrique.
La comparaison de l’action d’un aimant sur un faisceau d’électrons (exemple celui d’un tube
de Crookes ou d’un oscilloscope) et sur un conducteur métallique parcouru par un courant
suggère une interprétation du courant électrique en termes de déplacements de porteurs de
charges (électrons dans les conducteurs métalliques, ions dans les électrolytes). On pourrait
aussi utiliser des expériences simulées par ordinateur.
A l’aide d’une maquette le professeur pourrait préciser le type de circuit et le rôle des
différents appareils utilisés dans une maison. Au fil des chapitres le professeur pourrait
revenir sur cet exemple pour montrer, dans la pratique, les avantages du montage en
dérivation Le circuit électrique de la bicyclette pourrait être également étudié comme
illustration.
On introduira la notion de masse électrique, une autre façon de fermer un circuit électrique
sur un conducteur et on donnera des applications courantes (lampe torche, bicyclette,
automobile).
63
CHAPITRE : P3
Intensité du courant électrique.
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Relier l’intensité du courant Notion d’intensité.
continu au débit de porteurs de - variation des effets et
charges.
intensité.
- Définition.
Durée : 5h
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
Expérience : relation entre
effets du courant et intensité
Appareils de mesure de * Mesure de l’intensité du
l’intensité.- ampèremètre :
courant dans un circuit.
- Branchement.
- Calibre.
- Classe et incertitude
Expériences : vérification des
* Propriétés de l’intensité
propriétés de l’intensité du
- unicité en circuit série.
courant.
de - Loi des nœuds.
de
* Utiliser convenablement un
ampèremètre.
* Choisir le calibre le mieux
adapté.
* Présenter le résultat d’une
mesure..
Vérifier
les
propriétés
l’intensité
à
l’aide
l’ampèremètre.
Appliquer les lois de l’intensité
du courant.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Visite chez des réparateurs de postes radio, de postes TV :
Quels sont les appareils de mesure utilisés ?
Quelles grandeurs mesurent-ils ? comment s’y prennent-ils ?
A partir d’expériences de cours le professeur pourrait mettre en évidence les variations des
effets du courant (exemple par utilisation d’un rhéostat, de l’électrolyseur). Ces variations
permettront de définir l’intensité du courant électrique: débit de porteurs de charges. La
détermination de l’intensité d’un courant continu se fera de façon pratique : en TP les élèves
apprendront à utiliser avec soin et sécurité un ampèremètre à aiguille (calibre, branchement,
classe, incertitude). On parlera du multimètre (numérique et analogique) et de son mode
d’utilisation. On donnera des exemples d’ordre de grandeur de l’intensité (par exemple : tube
de télévision 10 à 20 mA ; démarreur d’automobile 50 à 100A…).Au cours de séances de
travaux pratiques les élèves vérifieront les propriétés de l’intensité du courant (loi de l’unicité
et loi des nœuds). On en donnera l’interprétation en termes de conservation de la charge.
On donnera la convention de signe sur l’intensité : un sens positif arbitraire étant choisi
l’intensité est comptée positivement si le courant circule dans le sens positif, négativement
dans le cas contraire.
64
CHAPITRE : P4
Tension électrique.
Durée : 5 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Relier le passage d’un courant à Notion de tension électrique
l’existence
d’une
tension - détection de la tension.
Appareils de mesure de la
électrique..
tension : .
Utiliser
convenablement
un - Voltmètre, multimètre,
Branchement.
voltmètre.
Calibre.
Choisir le calibre le mieux adapté.
Présenter le résultat d’une
Classe et incertitude
- oscilloscope
mesure..
Propriétés de la tension
- loi d’additivité.
Vérifier les propriétés de la - unicité entre branches en
parallèle
tension électrique à l’aide du
Tensions variables.
voltmètre.
Appliquer les lois de la tension - tension variable
- tension alternative
électrique.
- tension sinusoïdale
Distinguer tension continue et Convention récepteur.
Mesures de sécurité.
tension variable,
tension alternative et tension non • - tension de sécurité.
alternative, tension sinusoïdale et • - intensité et tension limites
tension non sinusoïde, tension
périodique
et
tension
non
périodique
Utiliser les conventions de signes
pour i et u.
Donner la convention récepteur.
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
Expérience : approche du
concept de tension (détection
par un appareil)
Expérience : mesure de la
tension électrique.
Expériences : vérification des
propriétés de la tension : loi
d’additivité puis unicité entre
les bornes de deux dipôles en
parallèle
Visualisation
de
tension
variable
à
l’oscilloscopeDétermination des grandeurs
caractéristiques des tensions
périodiques
(la
tension
sinusoïdale en particulier)
Schématisation :
récepteur
convention
Prendre des mesures de sécurité.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Sur une lampe électrique on relève les indications : 20 V ; 45 W. Que signifient ces indications ?
2 Quelle importance revêt la tension électrique dans le fonctionnement des appareils électriques ?
Une approche expérimentale est conseillée pour introduire le concept de tension électrique :
l’oscillographe pourrait être avantageusement utilisé. Une brève présentation (sans entrer
dans des détails technologiques) de l’appareil sera faite. On fera observer sur l’écran le spot
ou la trace quand l’appareil est mis en marche puis le déplacement vertical du spot ou de la
trace lorsque les deux bornes d’une pile ou d’un dipôle tel qu’une lampe parcourue par un
courant sont reliées aux plaques horizontales de l’oscillographe. On affirmera alors qu’il
existe une tension entre les deux bornes du dipôle. Le sens de déplacement du spot ou de la
trace permettra de compter la tension soit positivement soit négativement et par la suite de
montrer que la tension électrique est une grandeur algébrique. A défaut d’un oscillographe
65
on pourrait utiliser un voltmètre à affichage numérique ou un voltmètre à zéro central. En TP
les élèves s’habitueront à utiliser un voltmètre avec soin et sécurité. On utilisera à nouveau
le multimètre. On donnera l’ordre de grandeur de quelques tensions d’utilisation courante
ainsi que la tension de sécurité (24 V pour le corps humain).
C’est aussi l’occasion de prévenir contre les risques liés aux courants d’intensité trop forte et
aux tensions élevées. Les propriétés de la tension seront vérifiées expérimentalement. Les
conventions de signe pour u et i seront précisées.
On introduira la convention récepteur qui permettra, entre autres, d’établir plus tard la
relation u = r i – e.
La notion de tension variable pourrait être introduite à partir d’expériences simples telles que
la mise en rotation d’un aimant au voisinage d’une bobine connectée à un voltmètre ou
mieux à un oscillographe. On distinguera tension continue et tension variable, tension
alternative et tension non alternative, tension périodique et tension non périodique.
La visualisation des tensions à l’oscillographe sera d’un grand apport pour cette partie.
A partir de cette visualisation à l’oscillographe les élèves apprendront à déduire la valeur
maximale, la période et la fréquence d’une tension sinusoïdale ou d’une tension
rectangulaire. On donnera la relation entre tension efficace et tension maximale d’une
tension sinusoïdale.
66
CHAPITRE : P5
Dipôles passifs.
Durée : 6 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Distinguer dipôle actif et dipôle Dipôles
passif.
- notion de dipôle
- catégorisation,
Réaliser
un
montage
montage potentiomètrique.
Dipôle passif linéaire
potentiomètrique.
-caractéristiques
couranttension (et tension-courant )
Tracer les caractéristiques de -loi d’ohm,
dipôles passifs
-résistance et conductance,
- lois d’association des résistors.
Exploiter les caractéristiques de
Dipôles passifs non linéaires.
dipôles passifs.
Reconnaître les caractéristiques • VDR,
de
quelques
dipôles • Diodes
passifs(résistor,
varistance,
diode simple et diode Zener)
Appliquer la loi d’ohm pour un Limites de fonctionnement.
résistor.
intensité et tension limites
Utiliser les lois d’association des
mesures de sécurité.
résistors.
Donner l’utilisation pratique de
quelques
dipôles
passifs
(résistor, VDR, diodes…)
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
Expérience : réalisation de
circuits pour la catégorisation
des dipôles en dipôles passifs et
dipôles actifs.
Réalisation
du
potentiomètrique.
montage
Etude
expérimentale
du
conducteur ohmique
.Expérience : lois d’association
des résistors.
Expérience : détermination des
facteurs
dont
dépend
la
résistance d’un fil métallique
homogène de section constante
Etude expérimentale : tracé de
caractéristiques ; visualisation à
l’oscilloscope.
Tenir compte des limites de
fonctionnement d’un dipôle.
Prendre des mesures de
sécurité pour l’utilisation des
dipôles.
Commentaires.
Activités préparatoires possibles
Rechercher les composants électriques utilisés fréquemment. Les classer en générateurs de courant
et en récepteurs de courant. Quelle (s) utilisation (s) pratiques fait-on de ces appareils ?
L’étude devra être expérimentale et se faire dans la mesure du possible en TP. La réalisation
de circuits simples (exemple allumer une ampoule au moyen d’un dipôle donné et de fils de
connexion ou mesurer la tension à vide) permettra de classer les dipôles en dipôles actifs et
dipôles passifs. L’étude du conducteur ohmique sera l’occasion d’utiliser le montage
potentiométrique .
Les valeurs mesurées pour l’intensité du courant traversant le résistor et la tension entre ses
bornes permettront aux élèves de tracer la caractéristique courant tension U = f(I) ou tension
courant I = f(U) du dipôle. L’exploitation de cette caractéristique leur permettra de découvrir
le caractère linéaire et symétrique de ce dipôle et de confirmer son caractère passif.
67
On en déduira la résistance du dipôle (ou sa conductance) mais également la loi d’Ohm pour
le conducteur ohmique. Le multimètre sera utilisé en ohmètre pour la détermination pratique
de la résistance. D’autres dipôles passifs seront étudiés parmi lesquels la varistance
(exemple de dipôle passif symétrique non linéaire) et les diodes à jonction (dipôles passifs
non symétriques). Les caractéristiques de ces dipôles pourraient être tracées point par point
après le relevé des mesures et/ou visualisées à l’oscillographe.
Cette étude sera ponctuée au fur et à mesure par des explications sur l’utilisation courante
qui est faite de chaque type de dipôle.
La prise en compte des limites de fonctionnement des dipôles et les mesures de sécurité
dont il faut se prémunir pour leur emploi sont à souligner.
68
CHAPITRE : P6
Dipôles actifs.
Objectifs d’apprentissage
Durée : 4 h
Contenus
convention Rappels et compléments
et
convention - Dipôle actif.
- Convention générateur.
Dipôles actifs linéaires
Exploiter la caractéristique d’un - Force électromotrice
- Résistance interne
dipôle actif linéaire.
Déterminer la fem et la - loi d’ohm,
résistance interne d’un dipôle - intensité de court circuit
actif linéaire.
- lois d’association en série
Utiliser la loi d’Ohm pour un directe et série inverse.
Générateurs usuels.
dipôle actif linéaire
- source de tension idéale.
Utiliser la loi d’association en - accumulateur,
série directe ou inverse des - redresseurs,
dipôles actifs linéaires.
- photopiles,
Donner quelques exemples de - loi de Pouillet
générateurs usuels de courant.
Donner quelques utilisations
pratiques de dipôles actifs.
Prendre des mesures de
sécurité.
Distinguer
générateur
récepteur.
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
Schématisation :
convention
générateur
Etude expérimentale de la pile
Expérience : lois d’association.
Etude de la caractéristique d’un
accumulateur.
Expérience : vérification de la loi
de Pouillet.
Appliquer la loi de Pouillet.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Que signifient : pile, batterie, photopile, accumulateur, générateur ?
2 Recherche documentaire sur l’historique des piles
A titre introductif la représentation symbolique d’un dipôle actif sera rappelée et l’on
introduira à ce niveau la convention générateur. Distinction en sera faite avec la convention
récepteur.
On utilisera la convention générateur pour établir la relation entre la tension aux bornes
d’une pile UPN et l’intensité du courant qui la traverse. Pour cela, en TP, les élèves
réaliseront le montage potentiométrique afin de dresser un tableau de mesures de UPN et I.
Ils pourront utiliser aussi simplement un circuit série comportant une pile et un rhéostat.
Ils pourront tracer la caractéristique courant-tension dont l’exploitation graphique et
analytique permettra de déduire les paramètres caractéristiques de la pile (f.e.m, résistance
interne) et le courant de court-circuit.
On en déduira la loi d’Ohm pour un dipôle actif linéaire en précisant les conventions
utilisées :
69
UPN = E – r I (convention générateur)
UNP = r I - E (convention récepteur)
Dans la suite, pour éviter les confusions on s’en tiendra à la convention récepteur qui
présente l’avantage de permettre d’établir la loi d’Ohm généralisée sous la forme u = ri – e
A partir de cette étude générale du dipôle actif linéaire, on déduira les cas limites constitués
par la source idéale de tension et l’accumulateur.
On
soulignera
l’utilisation
faite
de
quelques
générateurs
usuels :
accumulateurs
(automobiles), redresseurs (chargeurs de batteries), photopiles (chauffage, électricité
domestique)
La loi de Pouillet sera établie dans le cas simple d’un circuit série comportant un dipôle actif
et un ou plusieurs résistors.
CHAPITRE : P7 Amplificateur opérationnel : amplification d’une Durée : 6H CLASSE : 2° S
tension
Objectifs d’apprentissage
Distinguer
les
bornes
d’un
amplificateur
opérationnel
(
entrées inverseuse E , non
+
inverseuse E et sortie S).
Utiliser
la
représentation
symbolique d’un A.O.
Utiliser
les
propriétés
de
l’amplificateur opérationnel parfait
+
en régime linéaire( UE = UE ou
+
ε=0; I =I =0)
Distinguer
les
montages
amplificateurs
inverseur,
non
inverseur avec le montage
suiveur.
Réaliser des montages avec l’A.O
Calculer
le
gain
d’un
amplificateur.
Contenus
Activités d'apprentissage
Amplificateur opérationnel.
Observations
- Description
et Expérience descriptive.
caractéristiques.
- Fonctionnement d’un A.O.
Expériences :
montages
Amplification d’une tension.
amplificateurs
inverseur,
- Gain d’un amplificateur
non inverseur, montage
- Montage amplificateur non suiveur.
inverseur
- Montage
amplificateur
inverseur
- Montage suiveur
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire : utilisation pratique de l’amplificateur opérationnel
Ce chapitre complète l’utilisation des « composants » déjà entamée en électrocinétique
(chapitre P5) et constitue une initiation à l’électronique. A travers ce chapitre et dans d’autres
qui seront étudiés en classe de première les élèves devront découvrir que les amplificateurs
opérationnels (A .O) apportent des solutions simples et élégantes à de nombreux problèmes
de l’Electronique moderne : ils permettent soit d’amplifier des tensions avec un gain positif
70
ou négatif, soit de réaliser des « opérations mathématiques » : addition, soustraction,
multiplication, combinaison linéaire….de deux tensions.
A partir d’une étude expérimentale on pourrait :
- présenter concrètement l’amplificateur opérationnel de façon que les élèves puissent
découvrir ses huit bornes et distinguer surtout les entrées E+, E-, la sortie S et les bornes
d’alimentation + VCC et - VCC
- expliquer la polarisation de l’A.O par des alimentations symétriques.
- distinguer « tension entrée non inverseuse », « tension entrée inverseuse » et « tension
de sortie » (on expliquera que dans l’amplificateur opérationnel les tensions sont évaluées
par rapport à la « masse »)
- distinguer « courants d’entrée » I+, I- et le « courant de sortie » Is
Les élèves apprendront à utiliser correctement l’A.O et à le représenter symboliquement
avec les tensions et intensités caractéristiques ou inversement à lire et exploiter la
représentation d’un montage avec l’A.O.
Deux cas de fonctionnement de l’A.O retiendront l’attention : le fonctionnement en saturation
et le fonctionnement linéaire.
Le cas idéal important de l’A.O parfait en régime linéaire sera retenu et utilisé pour toute la
suite.
L’utilisation de l’A.O pour l’amplification d’une tension sera expérimentale : la réalisation d’un
montage amplificateur non inverseur avec visualisation à l’oscilloscope permettra de
comparer tension d’entrée et tension de sortie et par suite de découvrir le rôle d’amplificateur
que peut jouer l’A.O ; le gain sera défini. Les résultats expérimentaux seront retrouvés
théoriquement à partir des acquis des chapitres P3 et P4 (application des propriétés de
l’intensité et de celles de la tension électrique). On traitera de même le montage
amplificateur inverseur et le montage suiveur.
Activités d’intégration possibles
1/ Circuit électrique du vélo.
Le vendeur de charbon du quartier vient d’acheter un « vélo d’occasion » ne possédant pas
de circuit d’éclairage.
Proposer lui une liste du matériel à acheter ; faire le schéma annoté du montage à réaliser
pour son circuit d’éclairage et aider le à réaliser et faire fonctionner correctement ce circuit.
2/ Réalisation d’un circuit va et vient.
3/ Simulation d’une installation domestique permettant d’allumer de manière
indépendante trois lampes.
71
PARTIE : MECANIQUE
CHAPITRE : P8 Généralités sur le mouvement. Vitesse
Durée : 5 h
CLASSE :
2° S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
Illustrer la notion de mouvement par
des exemples.
Illustrer la relativité du mouvement par
des exemples.
Relier trajectoire d’un mobile et
référentiel.
Faire un choix judicieux du référentiel
et du repère pour l’étude d’un
mouvement.
Exploiter des enregistrements
Distinguer translation et rotation.
Déterminer la mesure de la vitesse
(calcul, exploitation de documents et
d’expériences).
Déterminer le vecteur vitesse d’un
point matériel.
Déterminer la vitesse angulaire
Mouvement.
Exemples.
Relativité du mouvement
Référentiels. Translation et rotation.
concept de référentiel et exemples
(héliocentrique, géocentrique et
terrestre).
Repères d’espace et de temps.
Trajectoire et référentiel.
Translation et rotation.
Vitesse.
Vitesse d’un point matériel.
Vecteur vitesse.
.Vitesse angulaire
Observations (chute des
corps, véhicule, tapis roulant)
Observations.
Exploitation
d’enregistrements
(voir documents CN)
Observations.
Calculs.
Exploitation d’enregistrements
(voir documents CN).
Schématisation.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Mouvement et repos ? Quelle frontière ? Répondre en prenant des exemples dans votre entourage.
2 Enregistrer le mouvement d’un objet ponctuel sur un disque en rotation dans les cas suivants :
- l’objet est fixé en un point du disque par de la colle,
- l’objet est lancé initialement suivant un rayon du disque, du centre vers la périphérie.
Pour chaque cas, déterminer la trajectoire de l’objet par rapport au disque lui-même, puis par rapport à la
table sur laquelle repose le tourne-disque.
Des exemples familiers aux élèves (bicyclette, chute d’objets, véhicule, tapis roulant…)
pourraient permettre d’illustrer la notion de mouvement et de montrer son caractère relatif.
On justifiera alors la nécessité du choix d’un référentiel et d’un repère associé pour l’étude
du mouvement.
A partir d’exemples on pourrait faire la distinction entre translation et rotation.
La vitesse pourrait être introduite à partir du mouvement d’un point matériel.
L’exploitation de résultats de mesures ou d’enregistrements devrait permettre d’asseoir les
concepts de vitesse moyenne, vitesse instantanée et vecteur vitesse mais aussi de la notion
de vitesse angulaire et de sa mesure (dans des cas simples de rotation).
72
CHAPITRE : P9
Généralités sur les forces
Durée : 4 h
Objectifs d’apprentissage Contenus
Identifier certaines interactions entre
objets
Distinguer interaction de contact et
interaction à distance.
Identifier une force par ses effets.
Rappeler les caractéristiques d’une
force.
Représenter une force.
Utiliser le principe des interactions.
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
Interaction entre objets.
Observations simples
Interaction de contact
Expériences
Interaction à distance
système
La force
Expériences
Effets
Schématisation.
Caractéristiques et représentation :
tension d’un fil ou d’un ressort, réaction
d’un support.
.Forces localisées et forces réparties. Illustrations
.Forces extérieures et forces intérieures.
Le principe des interactions
Enoncé du principe
Exemples d’illustration.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Citez des corps en interaction. Quels types d’interactions connaissez vous ?
2 Dans le langage courant à quelles occasions parle-t-on de force ? Quelle signification donner au
concept de force ?
A partir d’observations et d’expériences (raquette- balle de tennis, aimant- aimant, pendulependule …) on pourrait illustrer /distinguer l’interaction de contact et l’interaction à distance.
Pour des raisons d’ordre pédagogique le phénomène d’interaction sera d’abord étudié entre
objets pris au voisinage immédiat de l’élève ; l’interaction gravitationnelle ne sera étudiée
que plus tard en terminale.
Le concept de force pourrait être introduit comme représentant l’action que subit un objet en
interaction avec un autre. Par la suite, par des exemples variés, on montrera comment la
force peut être caractérisée ou définie par ses effets dynamiques et statiques.
Les caractéristiques d’une force pourraient être dégagées à partir de l’analyse d’un exemple
simple de force tel que la force s’exerçant par l’intermédiaire d’une tige ou d’un câble. La
représentation vectorielle de la force suivra.
Le dynamomètre sera présenté comme appareil servant à mesurer l’intensité d’une force ;
on expliquera brièvement son principe. Des exemples de dynamomètres seront donnés.
On illustrera le principe des interactions à partir de cas simples. On en donnera la
formulation.
73
CHAPITRE : P10 La masse. Le poids. La relation entre
poids et masse.
Objectifs d’apprentissage
- Déterminer les valeurs de la masse
et du volume d’une substance solide
ou liquide , sa masse volumique
- Donner les valeurs numériques de
la masse volumique ou de la densité
de quelques substances (eau, air)
- Utiliser la relation entre la masse,
la masse volumique et le volume..
- Déterminer la densité relative.
- Déterminer les caractéristiques du
poids d’un corps et de celles du
vecteur champ de pesanteur.
- Faire la représentation vectorielle
du poids d'un corps.
- Distinguer le poids et la masse.
- Utiliser la relation entre le poids et
la masse (P = m*g).
Durée : 5h
Contenus
CLASSE : 2° S
Activités d'apprentissage
Masse
-
Définition
Mesures, unités
Masse volumique - Densité
- Définition
- mesures
Poids
- Mise en évidence
- Caractéristiques
- mesures, unités
- Représentation vectorielle
Relation entre poids et masse
- Intensité de la pesanteur
Expérience :
utilisation
de la balance.
Expérience :
détermination
de
la
masse volumique et de la
densité.
Expérience : recherche
des caractéristiques du
poids,
utilisation
du
dynamomètre.
Expérience :
établissement
de
la
relation entre poids et
masse.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Masse ou poids ? Relevez sur différents objets de votre entourage les indications relatives à
ces deux grandeurs. Quelles remarques peut-on faire ?
2 Masse et poids représentent-ils la même grandeur physique ? Si non quelle (s) différence(s)
faire entre ces deux grandeurs ?
- Insister sur les propriétés caractéristiques de la masse : grandeur scalaire extensive, valeur
constante indépendante du lieu pour un corps donné. Présenter la balance et faire réaliser
des mesures avec. Donner l'unité de masse dans le système international ainsi que ses
multiples et ses sous-multiples.
- Définir la masse volumique d'une substance comme étant le rapport de la masse sur le
volume de cette substance. Donner son unité dans le système international ( le kilogramme
par mètre cube : kg.m-3) et quelques unités usuelles (kg.L-1, g.L-1, kg.dm-3, g.cm-3). Préciser
que la masse volumique est une grandeur caractéristique de la substance.
Déterminer expérimentalement la masse volumique de quelques substances homogènes.
Donner des exemples de valeurs numériques de masse volumique
-
Présenter la densité relative comme le rapport de deux masses volumiques : d A / B =
ρ
;
ρ
A
B
B étant la substance de référence. Signaler que pour les liquides et les solides l'eau est
en général prise comme référence, et pour les gaz, l'air.
74
- A partir de l'observation du mouvement de chute d'un corps (pierre, bille…) et de la
déformation d'un ressort auquel est suspendu un corps, mettre en évidence le poids puis le
définir.
- Dégager expérimentalement les caractéristiques du poids (droite d'action, sens, point
d'application : centre de gravité, intensité).
- Etablir expérimentalement la relation P = m*g, la constante g étant l'intensité du champ de
la pesanteur au lieu où se fait l'expérience.
-
Insister sur la différence entre le poids et la masse.
CHAPITRE : P11 Equilibre d’un solide soumis à des forces non
parallèles
Durée : 6h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Identifier des forces non parallèles,
des forces coplanaires.
Réaliser l’équilibre d’un solide à
l’aide de forces non parallèles.
Traduire la condition d’équilibre
d’un solide soumis à des forces
non parallèles.
Exploiter la condition d’équilibre
d’un solide soumis à des forces
non parallèles.
Appliquer la règle de composition
des forces.
Déterminer les caractéristiques
de la force de tension d’un ressort
ou d’un fil, la réaction d’un support,
la force de frottement…..
* Equilibre sous l’action de forces
non parallèles :
Forces non parallèles
Forces coplanaires
Conditions nécessaires d’équilibre.
Couple de forces
* Loi de composition des forces :
Résultante de deux forces
Résultante de plusieurs forces
CLASSE :2° S
Activités d'apprentissage
Observations
Schématisation
Expérience : équilibre
d’un solide
Observations
Représentation : règle du
parallélogramme
Expérience
Schématisation.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherchez dans votre entourage des objets en équilibre. Faites l’inventaire des forces qui leur
sont appliquées ? Pouvez vous caractériser ces forces ? Quelle relation existe entre ces forces ?
A partir d’expériences simples pouvant utiliser un corps léger accroché à plusieurs
dynamomètres, on établira les conditions nécessaires d’équilibre.
Dans l’ordre on traitera successivement le cas d’un solide soumis à deux forces puis celui
d’un solide soumis à trois forces concourantes. Les résultats obtenus seront généralisés.
Insister sur le fait que les conditions d’équilibre ainsi établies sont nécessaires mais non
suffisantes, la preuve en sera donnée par des contre-exemples (couple de forces…). Pour
concrétiser on donnera, expérimentalement ou sous forme d’exercices, plusieurs cas
d’équilibre dont :
-
l’équilibre d’un solide suspendu à un fil ou à un ressort ; ce qui permet de rappeler la
force de tension. Ensuite on procédera à l’étalonnage d’un ressort.
75
-
l’équilibre d’un solide posé sur un plan horizontal ou sur un plan incliné non lisse (forces
de réaction). On introduira la force de frottement. L’équilibre d’un solide soumis à trois
forces concourantes permettra de préciser la signification physique de la résultante de
deux forces après en avoir donné la règle de construction (règle du parallélogramme)
Les notions de système, forces intérieures, forces extérieures prennent ici
toute leur importance. Tout au long de ce chapitre on habituera les élèves à :
-
définir un système,
-
préciser le référentiel d’étude (référentiel terrestre supposé galiléen),
-
inventorier et représenter les forces extérieures appliquées à ce système,
-
appliquer les conditions nécessaires d’équilibre.
En exercice divers exemples traitant de l’équilibre d’un solide seront traités.
Si cela n’a pas été fait en début d’année il sera nécessaire de faire des rappels
mathématiques (formules de trigonométrie, relations métriques dans le triangle rectangle,
éléments de géométrie, choix d’échelles), rappels dont on se servira dans le cours et
particulièrement dans la résolution d’exercices par les méthodes graphique, géométrique et
analytique.
CHAPITRE : P12 Equilibre d’un solide mobile autour d’un axe
fixe.
Durée : 5h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Identifier axe et sens de rotation ;
Evaluer le moment d’une force.
Réaliser l’équilibre d’un solide
pouvant tourner autour d’un axe.
Traduire la condition d’équilibre d’un
solide mobile autour d’un axe ;
Exploiter la condition d’équilibre d’un
solide mobile autour d’un axe ;
Traduire les conditions générales
d’équilibre d’un système.
Exploiter les conditions générales
d’équilibre d’un système.
Déterminer les caractéristiques d’un
couple de forces (sens et moment
du couple).
Donner des applications pratiques du
théorème des moments : balance
et machines simples.
* Rotation autour d’un axe :
- Axe et sens de rotation,
- Force orthogonale à un axe,
- Distance de la ligne d’action
d’une force à l’axe.
* Moment d’une force par rapport
à un axe. :
- Facteurs dépendants,
- Expression algébrique.
* Equilibre d’un solide mobile
autour d’un axe.
- Théorème des moments.
- Conditions générales d’équilibre.
* Couples de forces :
- Notion de couple.
- Couple de torsion
- Moment d’un couple
* Applications :
- Balance.
- Machines simples : poulie,
levier, treuil….
CLASSE : 2° S
Activités d'apprentissage
Observations,
Schématisation.
Expérience : disque mobile
autour d’un axe.
Expérience : équilibre d’un
solide autour d’un axe.
Représentation.
Expérience : pendule de
torsion
Expériences
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Reprendre les mêmes activités préparatoires que précédemment mais s’intéresser aux solides
pouvant tourner autour d’un axe et qui sont en équilibre. Répondre aux mêmes questions
76
A partir de l’observation de systèmes familiers aux élèves tels que la porte on pourrait définir
les notions de mouvement de rotation, d’axe de rotation et de sens de rotation, puis chercher
qualitativement les facteurs dont dépend l’effet de rotation d’une force sur un solide mobile
autour d’un axe. On mettra à profit les acquis du chapitre P8.
Une étude quantitative pourrait suivre : entre autres moyens on pourrait utiliser le dispositif
simple constitué d’un « disque homogène de plan vertical mobile autour d’un axe horizontal
passant par son centre » ; avec ce système on montrera que des forces ayant même effet de
rotation sur le disque ont le même produit F d. On définira avec précision le moment d’une
force en insistant sur son caractère algébrique.
Le même dispositif pourrait servir à établir le théorème des moments : le disque étant en
équilibre sous l’action de plusieurs forces on vérifiera que la somme algébrique des
moments de ces forces est nulle.
Cette condition sera complétée par la condition d’immobilité du centre d’inertie pour
constituer les conditions générales d’équilibre :
r
v
Σ Fex = O (relation vectorielle) Condition d’immobilité du centre d’inertie.
Σ MFex = 0
Condition de non rotation du solide autour de l’axe.
On insistera sur le fait que ces conditions sont nécessaires mais non suffisantes, ce qu’on
pourrait étayer par des contre-exemples.
Après avoir rappelé la définition d’un couple de forces ; on établira à partir d’exemples
l’expression de son moment. Le cas particulier du couple de torsion pourrait faire l’objet
d’une étude expérimentale qui permettrait d’établir la relation M = - Cθ et de définir la
constante de torsion d’un fil. Des applications pratiques (balances, machines simples telles
que poulie, levier, treuil…) pourraient être données pour clore ce chapitre.
Activités d’intégration possibles
1 Stabilité d’une échelle.
Un peintre effectue le ravalement d’une façade de maison. La masse du peintre et du bidon
de peinture est de 80 kg. Il appuie contre le mur son échelle de longueur AB = 4 m, de
masse 20 kg et monte sur celle-ci pour travailler. A est le point de contact de l’échelle avec
le sol et B est son point de contact avec le mur.
Le centre de gravité de l’ensemble est le point G situé à 2,768 m de A.
L’angle aigu que fait le plan de l’échelle (AB) avec le sol, a pour mesure 60°.
Le mur est lisse et la réaction du mur en B est une force de direction horizontale.
a) Déterminer les caractéristiques des forces qui s’exercent sur l’échelle
b) Le peintre descend. Comment évoluent les caractéristiques de ces forces ?
1/ Soulever une dalle pour sauver des vies à l’aide d’un levier.
2/ Immobiliser un véhicule sur un plan incliné.
3/ Comment éviter qu’une branche que l’on coupe ne tombe sur des fils électriques ?
77
PARTIE : OPTIQUE.
CHAPITRE : P13
Propagation rectiligne de la lumière
Objectifs d’apprentissage
Durée : 3 h
Contenus
Sources
et
récepteurs
de
- Distinguer une source primaire lumières :
(réelle)
d’une
source -Types de sources
- Récepteurs de lumière.
secondaire(apparente)
Propagation rectiligne de la
- Distinguer les sources des lumière
- Faisceaux lumineux (convergent,
récepteurs de lumière.
divergent, cylindrique)
- Identifier expérimentalement des - Rayon lumineux
milieux transparents, translucides - Milieu homogène
- Milieu transparent, translucide,
et opaques.
- Restituer le principe de la opaque
- Vitesse ou célérité de la lumière
propagation de la lumière.
Mettre
en
évidence
la - Année lumière
propagation rectiligne de la Ombres et pénombres
- Ombre propre et ombre portée
lumière.
- Expliquer la formation des - Pénombre propre et pénombre
portée
ombres et des pénombres.
Applications
- Déterminer la hauteur d'un objet - Visée
- Chambre noire
par visée.
Expliquer
le
phénomène - Eclipses
d'éclipse.
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
- Observations et utilisation
de sources lumineuses.
- Expériences : utilisation
du "Kitoptic", utilisation du
banc d'optique.
- Visualisation sur un écran
de l'ombre portée et de la
pénombre
portée
d'un
objet.
- Réalisation de visées.
- Confection d'une chambre
noire.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Chercher une boîte opaque. Découper l’une des faces et la remplacer par un verre dépoli de
même dimension (ou du papier huilé).
Percer une très petite ouverture sur la face opposée au verre dépoli.
Orienter
l’ouverture
vers
un
objet
tel
qu’une
bougie
allumée.
décrire ce que l’on observe sur le verre dépoli. Interpréter.
2 Recherche documentaire sur les sources et récepteurs de lumières, sur les éclipses,
…
- On pourrait partir du vécu de l'élève pour dégager les concepts de source réelle ou primaire
(filament de la lampe ou flamme), source secondaire ou apparente (objet environnants) et de
récepteur de lumière.
Par suite on pourrait :
- donner d'autres exemples de sources et les classer en :
sources réelles (ou primaires) : Soleil, étoiles, corps incandescents, luciole… qui
produisent la lumière.
78
sources apparentes (ou secondaire) : Lune, planètes…qui renvoient la lumière.
- faire remarquer que certaines sources sont naturelles (Soleil, Lune, étoile, luciole…),
d'autres artificielles (lampe, bougie…).
- réaliser une expérience montrant le comportement d'un récepteur : sous l'effet de la
lumière, un récepteur subit une transformation.
- donner des exemples de récepteurs :
récepteurs naturels : feuilles des plantes chlorophylliennes, œil…
récepteurs
artificiels
:
pellicules
photographiques,
chlorure
d'argent,
lunettes
photosensibles…
- faire la distinction entre source apparente et récepteur de lumière.
- A partir d'expériences simples, on pourrait montrer la propagation rectiligne de la lumière et
définir les différents milieux (transparent, translucide et opaque).
- A partir de l'éclairement d'un objet opaque par une source lumineuse, visualiser sur un
écran les ombres et pénombres portées que l'on distinguera respectivement de l'ombre
propre et de la pénombre propre.
- On expliquera aux élèves la formation des images dans une chambre noire. On
demandera, si possible à chaque élève, de réaliser une chambre noire.
- A titre d'application on leur expliquera les éclipses de Lune et de Soleil (faire exploiter si
possible des documents et films vidéo)
- On donnera la valeur approchée de la vitesse de la lumière dans le vide (300000 km/s)
ainsi que la définition de l'année lumière pour exprimer des distances astronomiques dont on
donnera quelques exemples.
-
On pourra déterminer les dimensions d'un objet (arbre, immeuble,…) par visée en
utilisant des aiguilles ou une règle.
CHAPITRE : P14
Réflexion de la lumière
Objectifs d’apprentissage
Durée : 5 h
Contenus
Réflexion de la lumière
- Réflexion diffuse et réflexion
spéculaire.
- Miroir plan.
- Milieu réfringent.
Rayon
incident,
rayon
réfléchi,angle d'incidence et angle
de réflexion.
- Donner les caractéristiques de - Lois de Descartes pour la
l'image d'un objet réel donnée par réflexion.
- Objet réel, objet virtuel.
un miroir plan.
- Appliquer la réflexion dans la vie - Image virtuelle, image réelle.
Applications:
courante.
- Distinguer diffusion et réflexion.
- Utiliser les lois de la réflexion.
- Tracer la marche d’un rayon
lumineux.
- Construire l'image d'un objet
donné par un miroir plan.
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
- Expérience : mise en
évidence du phénomène.
Réalisation
de
l'expérience des deux
« bougies ».
- Expérience : Vérification
des lois de la réflexion
(utilisation du "Kitoptic"
et/ou du dispositif avec
tableau magnétique ).
79
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire :
1 Les miroirs
2. La formation des images
- Le chapitre pourrait démarrer par la mise en évidence et la distinction des phénomènes de
réflexion diffuse de réflexion spéculaire (c'est à dire par un miroir). On pourra en profiter pour
définir les miroirs plans.
- On fera ensuite une étude expérimentale pour définir les concepts (rayon incident, rayon
réfléchi…); les lois de Descartes pour la réflexion devront être établies en travaux pratiques
par les élèves.
- L’étude du phénomène de réflexion permettra d’illustrer la formation des images. Tout au
long du cours on apprendra aux élèves à tracer le cheminement d’un rayon lumineux à
travers d’un système optique.
CHAPITRE : P15
Réfraction - dispersion de la lumière Durée : 7 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
- Distinguer diffusion, réflexion et
réfraction.
- Utiliser les lois de la réfraction.
- Tracer la marche d’un rayon
lumineux.
- Appliquer la réfraction dans la
vie courante.
- Retenir l’ordre de déviation des
radiations de la lumière blanche
vers la base du prisme,
Distinguer
lumière
polychromatique
et
lumière
monochromatique,
- Expliquer le phénomène de l’arc
en ciel,
Réfraction de la lumière
- Rayon réfracté
- Angle de réfraction.
- Lois de Descartes pour la
réfraction.
- Indice de réfraction.
- Angle limite de réfraction et
réflexion totale
Applications:
- Fontaine lumineuse.
- Fibre optique.
- ……………..
Dispersion
de
la
lumière
blanche par un prisme
CLASSE :
2° S
Activités d'apprentissage
- Expérience : mise en
évidence du phénomène.
- Expérience : vérification
des lois de la réfraction
(utilisation du "Kitoptic"
et/ou du dispositif avec
tableau magnétique)
- Mise en évidence du
phénomène de dispersion
de la lumière blanche à
l’aide du prisme.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche :
1 La fibre optique : constitution, utilisations.
2. L‘arc-en-ciel
80
- Qualitativement on mettra d'abord en évidence le phénomène de réfraction ; à cette fin
plusieurs expériences pourront être réalisées : passage de la lumière de l’air au verre ou à
l’eau, expérience du bâton brisé, …
- Une étude expérimentale réalisée par exemple avec le Kit Optic permettra de vérifier les
lois de Descartes pour la réfraction. Ces lois seront établies par les élèves en travaux
pratiques. Tout au long du cours on apprendra aux élèves à tracer le cheminement d’un
rayon lumineux à la traversée d’un système optique.
- Comme applications on expliquera le principe des fibres optiques, les fontaines
lumineuses, la pêche au harpon…etc.
- On pourrait également utiliser le Kit optic pour faire découvrir expérimentalement :
* la déviation de la lumière vers la base du prisme,
* la décomposition de la lumière blanche en plusieurs couleurs : c’est la dispersion,
* l’ordre de dispersion de la lumière blanche du violet au rouge.
- On retiendra que la lumière blanche est formée de plusieurs radiations correspondant à des
fréquences déterminées. On distinguera par l’occasion lumière monochromatique et lumière
poly chromatique.
- On expliquera simplement la formation de l’arc en ciel.
- On ne traitera pas non plus des formules du prisme.
Activités d’intégration possibles.
1/ Eclipse
En une nuit de claire de lune le muezzin du village alerte la population de ’’l’arrestation de la
Lune’’. Au niveau de chaque concession, des prières sont formulées pour demander ‘’grâce’’
au Seigneur.
Proposer une explication scientifique de ce phénomènes.
2 /Pièce de monnaie
On met une pièce de monnaie dans un gobelet opaque. Un observateur fixe regardant la
pièce, on déplace le gobelet jusqu’à ce qu’il ne voie plus cette pièce. On ajoute alors de l’eau
dans le gobelet jusqu’à ce que la pièce lui apparaisse. Expliquer le phénomène.
3 / Pêche au harpon
Une cuve contient de l’eau dont la surface libre est AB. Sur une même verticale OP se
trouve en O, à 1,20 m au dessus de AB, l’œil d’un observateur. En P, à 0,80 m au dessous
de AB, se trouve l’œil d’un poisson.
A quelle distance l’observateur croit-il voir l’œil du poisson ? A quelle distance le poisson
voit-il l’observateur ?
Expliquer le principe de la pêche au harpon
81
PROGRAMME DE CHIMIE
Il est essentiel que les élèves acquièrent à la fois un esprit d’observation et un savoir faire
expérimental propres à la chimie. L'enseignement à ce niveau doit rapprocher la chimie de la
vie quotidienne et être dispensé de façon pratique.
Tout au long de ce cours de chimie, on présentera au moment opportun le matériel utilisé.
On insistera sur l'importance de la verrerie très utilisée en chimie pour sa résistance aux
agents corrosifs et pour sa transparence. On donnera pour chaque matériel présenté, le
schéma et le nom.
Les compétences d’année en chimie
Compétence 4
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
relatifs à la structure de la matière (connaissance de la matière, techniques de base de la
chimie) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
catégorisation de milieux, séparation, purification de substances chimiques, identification
(dans des cas simples)
Compétence 5
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
relatifs aux transformations chimiques (caractéristiques des transformations, équation bilan, bilan molaire) doit les intégrer dans des situations d’explication et de résolution de
problèmes :
82
Les chapitres
CHAPITRE : C1
Mélanges et corps purs
Durée : 5 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
*
Citer
les
différents
changements d’état
* Faire le schéma annoté des
méthodes de séparation.
* Distinguer mélange homogène
et mélange hétérogène.
* Distinguer mélange et corps
purs.
* Connaître quelques critères de
pureté de l’eau.
Identifier expérimentalement un
corps pur simple et /ou un corps
pur composé.
Caractériser
l’air
par
sa
composition.
Réaliser la
mélanges.
séparation
de
* Etats
physiques,
changements d’états
- Divers états.
- Changements d'état
* Mélanges et procédés de
séparation.
- Mélanges
hétérogènes
homogènes,.
- Méthodes de séparation des
constituants d’un mélange :
décantation,
filtration,
distillation, congélation.
-Analyse immédiate.
* Corps purs.
- constantes physiques. critères
de pureté
* Corps purs composés et
corps purs simples
- analyse élémentaire.
*
Autres
exemples
de
mélanges et de procédés de
séparation
mélange gazeux : air,
- mélange solide : fer-soufre,
- mélange liquide: liquides
miscibles et liquides non
miscibles,
- mélange liquide- gaz
CLASSE : 2° S
Activités d'apprentissage
* Observations d’échantillons
de matière.
* Etude de la fusion de la
glace, de l'ébullition de
l'eau..*
* Expériences : méthodes de
séparation
(décantation,
filtration, distillation).
.
* Expériences : analyse et
synthèse de l'eau.
* Mise
en
évidence
du
dioxygène
et
du
dihydrogène.
* Etude de la composition
volumique de l’air
* Expérience de séparation :
triages
mécanique,
magnétique, dissolution…..
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire :
- Traitement de l’eau
- Cycle de l’eau
- Avant ou au début de ce chapitre et à titre introductif seront précisés quelques concepts
dont l'acquisition par les élèves est un pré requis nécessaire pour la suite : il s'agit des "états
de la matière", des "changements d'état physique". Les changements d'état pourront faire
l'objet d'illustrations expérimentales simples (exemple fusion de la glace). S'appuyant sur
l'exemple des changements d'état, on définira le phénomène physique ; une distinction plus
nette avec le phénomène chimique sera faite au chapitre "C6". On donnera les noms des
différents changements d'état (diagramme d'états physiques).
- Se basant sur les connaissances des élèves et l'observation de quelques échantillons de
substances naturelles telles que l'eau, on définira le concept de mélange hétérogène.
83
Mettant à profit l'expérience propre des élèves, on leur demandera de citer des moyens
utilisés pour séparer ces mélanges et l'on passera à la réalisation concrète de ces méthodes
de séparation en travaux pratiques, ce qui permet d’initier les élèves à la pratique de
quelques méthodes d'analyse immédiate (décantation, filtration, évaporation, distillation). A
l’issue de ces expériences, distinction sera faite entre mélange hétérogène et mélange
homogène d’une part puis mélange et corps purs d’autre part.
- On caractérisera le corps pur par ses constantes physiques et l'on précisera la signification
de "critères de pureté". Les critères de pureté de quelques corps familiers seront donnés.
- L'électrolyse et la synthèse de l'eau pure permettront d'illustrer quelques méthodes
d'analyse chimique qui seront complétées dans le chapitre "C2" ; on en déduira les concepts
de corps purs composés et corps purs simples. Divers exemples de corps purs simples et
composés seront donnés.
- A travers d'autres exemples de mélanges (solide/solide, gaz/gaz, liquide/liquide etc.) on
citera d'autres méthodes de séparation (triage mécanique, magnétique; réaction sélective ;
dissolution sélective ; effusion gazeuse ; centrifugation...). Parmi ces mélanges on donnera
l'exemple de l'air ; l'analyse qualitative et quantitative de l'air sera réalisée (expérience de la
combustion d'une bougie dans l'air).
- On donnera la composition volumique de l’air sec : diazote 78%, dioxygène 21%, autres
gaz 1% dont argon 0,93%.
On retiendra néanmoins que la composition approximative de l’air sec en volume est : 4/5 de
diazote et 1/5 de dioxygène.
84
CHAPITRE : C2 Eléments, atomes, classification périodique
des éléments
Objectifs d’apprentissage
Durée : 5 h
Contenus
.
* Mettre en évidence quelques
éléments chimiques
* Donner le nom et le symbole
des
éléments
des
trois
premières couches et de
quelques éléments usuels (K,
Ca, Fe, Cu, Ag, Zn, Pb, Hg...).
* Donner l'ordre de grandeur des
dimensions, de la masse de
l'atome et de son noyau
* Donner la composition d'un
atome.
* Représenter un nucléide
* Ecrire la formule électronique
d’un atome,. et représenter sa
structure électronique (à partir
de la place de l’élément
correspondant dans le tableau
périodique et inversement, ou
de la connaissance de son
numéro atomique)
* Donner la représentation de
Lewis d'un atome.
* Identifier des isotopes à partir
d'une liste de nucléides.
* Utiliser la règle de l'octet.
* Donner l'écriture d'un ion.
Classe :2° S
Activités d'apprentissage
* Constituants de la matière.
- Elément chimique
- Atome.
* Structure de l'atome.
- Particules
élémentaires:
électron, proton, neutron.
- Nucléide
- Symbolisme- isotopie.
- Structure électronique
- Structure de Lewis.
- Valence
* Classification périodique.
- Principe de la classification.
- Groupe, période.
- Métal, non métal
* Mise en évidence de la
présence
d'un
élément
chimique dans différents
corps purs.
* Utilisation des modèles
moléculaires.
* Représentation de structures
électroniques, de structures
de Lewis d’atomes; écriture
de formules électroniques.
* Confection
du
tableau
périodique pour les trois
premières périodes
* Ion monoatomique
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire sur l’historique de l’atome (sens étymologique, découverte des particules
subatomiques, modèles d’atomes) et celle de la classification périodique des éléments.
- L'étendue de ce chapitre, l'importance des concepts qui y sont étudiés, les difficultés que
les élèves éprouvent quant à l'acquisition de ces concepts, sont autant de raisons qui font
que le professeur doit y consacrer le temps qu'il faut tout en mettant l'accent sur l'essentiel. Il
peut être commode de subdiviser le chapitre en leçons portant sur les trois thèmes suivants :
* Eléments chimiques
* Atomes
* Classification périodique.
- Le concept d'élément chimique sera approché de façon expérimentale. Des expériences de
mise en évidence d'éléments chimiques seront faites. Entre autres possibilités on mettra en
évidence un ou deux de ces éléments :
* carbone : pyrolyse du sucre, du bois, combustion de l'essence de térébenthine...
85
* hydrogène : combustion de l'éthanol, du butane
* soufre : combustion fer soufre, action de l'acide chlorhydrique sur le sulfure de fer, action
du dioxygène de l'air sur le sulfure d'hydrogène
* cuivre : action de l'acide nitrique sur le métal cuivre, action de la poudre de zinc sur une
solution de sulfate de cuivre, réduction de l'oxyde de cuivre II par le carbone...
- Ces expériences permettent de définir l'élément chimique ; elles suggèrent qualitativement,
par ailleurs, la conservation des éléments ; l'aspect quantitatif de la conservation des
éléments sera précisé au chapitre "C6".
- On introduira le symbolisme des éléments ; divers exemples portant sur les éléments les plus
utilisés à ce niveau seront donnés.
- L'étude de l'atome débutera par son historique. A cette occasion seront citées quelques
expériences prouvant l'existence des particules élémentaires ainsi que la structure lacunaire
de l’atome (expérience de Rutherford par exemple).
- On introduira alors la notion de modèle et on en donnera quelques exemples pour l'atome.
Il n'est pas demandé une quelconque représentation de ces modèles.
- Le noyau sera représenté par le symbole
A
Z
X ; les significations du nombre de masse et
celle du numéro atomique seront précisées. On insistera sur l'ordre de grandeur des
dimensions et des masses de l'atome et du noyau.
- La notion d'isotopie sera définie et illustrée par quelques exemples. On pourra signaler la
stabilité ou l'instabilité des différents nucléides mais aucun développement n'est demandé
à ce sujet.
- L'étude de la structure électronique de l'atome demeure purement qualitative ; aucun
développement théorique ou calcul n'est à faire. Dès lors le modèle de Bohr, dénué de
son aspect quantitatif et réduit à une simple représentation d'orbites circulaires
concentriques, ne sera pas utilisé puisqu'il donne une fausse représentation de la
réalité. Sans chercher à représenter systématiquement la structure électronique de l'atome
on schématisera la quantification de l'énergie de l'atome : les niveaux d'énergie seront
figurés par des traits ou cases (ne signifiant pas "cases quantiques") où chaque électron
est représenté par un point.
- On insistera sur les règles d'occupation de ces niveaux et sur l'écriture des formules
électroniques. Le terme de "couche" s'il est employé devra prendre la signification de "niveau
d'énergie électronique" et non de "trajectoire où l'électron est localisé".
La notion de sous-couche est hors programme.
- A travers divers exemples les élèves seront entraînés, connaissant le numéro atomique, à
écrire la formule électronique et représenter la structure d'un atome.
- On expliquera également la structure de Lewis d'un atome et sa représentation. On en
déduira la notion de valence. On précisera la valence de quelques éléments (H, O, N, C, Cl).
86
- Le principe de la classification actuelle sera précisé.
- En partant du cas simple de l'atome d'hydrogène et en poursuivant l’étude avec d’autres
atomes on restituera progressivement la classification simplifiée qui sera la seule étudiée.
Pour chaque atome on amènera les élèves à remplir une à une les différentes "couches
électroniques". On indiquera le principe de la classification à sept périodes et dix-huit
colonnes.
- L'étude expérimentale des propriétés de quelques familles d'éléments (alcalins, alcalinoterreux, halogènes, gaz rares) permettra de montrer l'importance de la classification et
d'expliquer la formation d'ions monoatomiques dont on donnera l'écriture.
CHAPITRE : C3
Liaisons chimiques
Objectifs d’apprentissage
Durée : 4 h
Contenus
* Donner
des
exemples
de
composés purement covalents.
* Donner le nom et la formule de
quelques molécules usuelles (H2,
O2, Cl2, N2, H2O, HCl, NH3,
CO2..).
* Représenter
la
formule
développée et/ou le schéma de
Lewis de quelques molécules
simples.
* Citer des exemples de molécules
à caractère ionique partiel.
* Citer des exemples de composés
ioniques (NaCl).
* Donner le nom et la formule
statistique
de
quelques
composés
ioniques
(NaCl,
CaCO3….).
* Dessiner la maille du chlorure de
sodium (cubique à face centrée)..
* Confectionner des modèles
moléculaires et des modèles de
mailles cristallines.
2° S
Activités d'apprentissage
* Liaison covalente.
- Molécule.
- Formule.
- Atomicité.
- Schéma de Lewis
- Electronégativité,
électropositivité.
- Liaison polarisée
*
Représentation
de
formules développées, de
schémas de Lewis de
molécules.
* Construction et utilisation
des modèles moléculaires.
* Liaison ionique.
- Cristal ionique.
-Formule statistique.
* Structure de la matière :
- Etat désordonné.
- Etat ordonné :
cristalline
Classe :
la
structure
* Réaliser un modèle de
maille
cristalline
(par
empilement et/ou collage
de balles ou autres
substituants).
* Utilisation de modèles
moléculaires
* Utilisation de modèles de
structures cristallines
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Citer des exemples de composés moléculaires et des exemples de composés ioniques, donner
leur formule
2 Quelles sont les propriétés distinctives entre composés moléculaires et composés ioniques ?
- De nombreuses preuves expérimentales (compressibilité des gaz, diffusion d'odeurs dans
l'air et même photographie au microscope électronique) démontrent l'existence des
molécules. Toutefois, l'étude de la liaison covalente sera essentiellement descriptive. Il
s'agira de présenter la molécule comme un arrangement plus stable que les atomes pris
séparément, et la liaison inter atomique comme une interaction dans laquelle les électrons
87
de valence jouent un rôle décisif. On définira alors la liaison covalente entre deux atomes et
on énoncera la règle de l'octet (et du duet).
- En commençant par des corps simples moléculaires et en compliquant de plus en plus on
donnera l'écriture des formules brutes. On introduira le concept d'atomicité. On s'efforcera
d'être en accord avec les règles de nomenclature, en particulier on veillera à utiliser pour les
formules O2, O3, H2, P4 respectivement les noms dioxygène, trioxygène, dihydrogène,
tétraphosphore alors que les noms oxygène, hydrogène, phosphore seront réservés aux
éléments correspondants.
On habituera les élèves à écrire dans l'ordre la structure électronique des atomes, la
configuration électronique des molécules, leur schéma de Lewis et enfin leur formule
développée. Tenant compte de la différence d'électronégativité entre atomes, on introduira la
notion de liaison covalente polarisée.
On pourra illustrer la géométrie des molécules Cl2, N2, HCl, H2O, NH3, CH4, C2H6 et CO2.
Ce sera l'occasion de préciser la signification des formules développées. On utilisera
avantageusement des modèles moléculaires.
- La liaison ionique sera présentée comme une interaction électrostatique entre ions d'un
édifice chimique dont elle assure la cohésion. L'électroneutralité du composé ionique aidera
à écrire sa formule ionique puis sa formule statistique.
- Les structures géométriques de quelques composés ioniques seront décrites voire
modélisées.
-
Signaler l'existence de la liaison covalente dative ce qui permettra d'introduire le concept
d'ions polyatomiques par des exemples simples tels que l'ion hydronium ou oxonium et
l'ion ammonium.
88
CHAPITRE : C4
Mole et grandeurs molaires
Objectifs d’apprentissage
Durée : 4 h
Contenus
Classe :
2° S
Activités d'apprentissage
* Mole.
- Constante d'Avogadro.
* Utilisation du tableau de
* .Masse molaire
classification
des
- Masse molaire atomique
éléments.
- Masse molaire moléculaire
*- Calcul de masses
- masse molaire d’un composé ionique molaires
*
Etablissement
des
relations entre quantité de
.
matière, masse molaire et
masse (ou volume molaire
et volume)
* Volume molaire.
* Utiliser la valeur du volume - Loi d'Avogadro Ampère
* Illustration de quelques
molaire dans les CNTP.
propriétés des gaz par des
- équation d’état du gaz parfait
* Calculer la densité d'un gaz par - volume molaire normal.
expériences
rapport à l'air et /ou par rapport * Densité d'un gaz.
* Récupération d’un gaz
par déplacement d'eau ou
à un autre gaz..
d'air.
* Calcul de densité de gaz
* Donner la double signification
du symbole des éléments et
des formules des corps purs
simples et/ou composés.
* Utiliser la relation entre nombre
de moles, masse et masse
molaire (ou nombre de moles,
volume et volume molaire)
* Calculer des masses molaires.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Pouvez vous compter le nombre de grains d’arachide d’une récolte ? Expliquez comment on
estime cette récolte.
2. Combien d’atomes de fer y a – t -il dans un échantillon d’un mètre cube sachant que la masse
-3
-23
volumique du fer est de 7,8 g. cm et que la masse d’un atome de fer est de 8,9.10 kg ?
- On expliquera, avec des exemples d'illustration à l'appui, la nécessité de choisir une unité
internationale de quantité de matière. La mole, unité de quantité de matière, est définie
conventionnellement et le nombre d'Avogadro (ou mieux constante d'Avogadro) s'en déduit
immédiatement ; on donnera le symbole de la mole (mol), la valeur et l'unité de la constante
d'Avogadro (6,02.1023 mol-1), ce qui permettra de définir l'unité de masse atomique (c'est le
douzième de la masse de l’atome de carbone 12). Lorsqu'on emploie la mole, les entités de
matières doivent être spécifiées. Prenant différents exemples d'échantillons de matière on
montrera que les entités définissant la mole peuvent être des molécules, des ions, des
atomes, des électrons ou d'autres particules élémentaires.
- Par la suite on définira masse molaire, masse molaire atomique et masse molaire
moléculaire.
- On insistera sur les deux aspects quantitatifs du symbole d'un élément (et de la formule
d'une espèce chimique) :
89
* à l'échelle microscopique : le symbole (ou la formule) donne la composition en
nombre d'entités de matière.
* à l'échelle macroscopique : le symbole (ou la formule) représente une mole d’entités
de matière.
- Divers exemples de calculs de masse molaire à partir de la connaissance des masses
atomiques seront faits.
- Qualitativement on pourra montrer à partir d'expériences simples (compression ou détente
à la température ambiante) que le volume d'une masse invariable de gaz dépend par
exemple de la pression à température fixée.
- On donnera sans démonstration l’équation d’état du gaz parfait PV = nRT ; on s’en tiendra
à donner la signification de T ( la température absolue) , son unité le kelvin (K) et la relation
avec la température Celsius soit T = t + 273 ; P est la pression du gaz: elle correspond au
nombre de chocs par unité de temps et par unité de surface, son unité SI est le pascal Pa (
signaler l’existence d’autres unités telles que l’atmosphère et le bar et leurs relations de
conversion)
- Le volume molaire sera défini et son unité précisée (L.mol-1).
-
Après l'énoncé de la loi d'Avogadro Ampère, le volume molaire dans les CNTP sera
indiqué (22,4 L.mol-1) et les conditions normales de température et de pression précisées.
On amènera les élèves à calculer la densité d'un gaz par rapport à un gaz de référence
quelconque. On donnera le cas où l'air est le corps de référence et par suite l'expression de
la densité en fonction de la masse molaire : d = M/29.
90
CHAPITRE : C5 :
Réactions chimiques. Equation-bilan
Objectifs d’apprentissage
*
Durée : 5 h
Contenus
Donner des exemples de
réactions.
* Interpréter la conservation de la
matière en terme de nombre
d'atomes.
* Distinguer réactifs et produits.
* Distinguer
les
proportions
stoechiométriques des nombres
de moles de réactifs et de
produits mis en jeu au cours
d'une réaction donnée.
* Représenter
une
réaction
chimique par une équation et
l'équilibrer
pour
obtenir
l'équation-bilan.
* Calculer des quantités de
matière;
* Calculer la masse et le volume
des réactifs et des produits.
* Utiliser
rationnellement
les
produits chimiques.
* Respecter les mesures de
sécurité, éloigner les produits
inflammables des sources de
chaleur, éviter de respirer
certains gaz : dichlore, sulfure
d'hydrogène.
Classe : 2° S
Activités d'apprentissage
* Réaction chimique.
- Exemples.
- Réactif et produit de la réaction.
- Conditions expérimentales.
- Caractéristiques.
* Conservation
* Expériences : réalisation de
réactions chimiques
simples (combustion dans
l'air ou le dioxygène du
carbone, du magnésium ;
réaction soufre fer….)
.
* Expérience : conservation de
la masse (loi de Lavoisier)
- Loi de Lavoisier.
- Conservation des atomes.
* Equation-bilan.
- Conservation de la matière.
- Coefficients stoechiométriques.
- Proportions stoechiométriques.
- Double signification.
* Ecriture de l’équation-bilan
d’une réaction.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Accident de la SONACOS (Dakar, 1992) : rechercher les conséquences possibles de l’ammoniac
répandu dans la nature
- Le concept de réaction chimique pourrait être établi à partir d'une série d'expériences
simples (telles que combustion d'un mélange fer soufre, combustion du carbone dans le
dioxygène, action de l'acide chlorhydrique sur du calcaire) dans lesquelles on mettra en
évidence les propriétés des corps initiaux ou réactifs et celles des nouveaux corps purs
formés ou produits de la réaction ; les notions de conditions expérimentales seront abordées.
- Pour éviter toute interprétation erronée de la réaction chimique on se gardera de parler de la
"disparition" des réactifs et de "l'apparition" des produits dans la définition de la réaction, on
signifiera plutôt qu'au cours d'une réaction chimique un (ou des) corps pur(s) appelés réactif(s)
se transforme (nt) en un (ou des) corps pur(s) appelé(s) produit(s).
On donnera des exemples variés de réactions chimiques, on en profitera pour dégager leur
caractère énergétique (réaction exothermique, endothermique et athermique), leur aspect
cinétique et leur caractère total ou partiel.
91
- On fera de nouveau la distinction entre un phénomène chimique et un phénomène
physique.
- La loi de la conservation de la masse pourra être dégagée à partir d'une étude
expérimentale. Chaque réaction chimique sera représentée par une équation-bilan dont on
précisera la signification : "une équation qui fait le bilan avant et après la transformation
chimique, sans aucune prétention de représenter son mécanisme". La conservation des
éléments et sa traduction en terme de masse (loi de Lavoisier) et en terme d'atomes
justifieront le fait que l'équation-bilan est équilibrée. On donnera en rapport avec la double
signification des formules chimiques, les deux aspects quantitatifs de l'équation-bilan.
- La signification macroscopique de l'équation-bilan permettra de l'interpréter en terme de
quantité de matière.
On traitera le cas des réactions où les réactifs ne sont pas dans les proportions
stoechiométriques. On introduira le concept de rendement.
Les réactions réversibles sont hors programme.
92
CHAPITRE : C6 Généralités sur les solutions aqueuses.
Objectifs d’apprentissage
Durée : 4 h
Contenus
*Distinguer solvant, soluté et
solution et en donner des
exemples.
*Faire le lien entre le caractère
conducteur d’une solution et
son caractère ionique.
Expliquer les rôles du solvant.
*Expliquer
les
phénomènes
physico-chimiques
accompagnant une dissolution.
*Utiliser les effets thermiques de
la dissolution.
*Déterminer la solubilité d’un
produit par rapport à un solvant.
*Calculer la concentration d'une
solution ou d’une espèce en
solution.
*Préparer une solution.
*Extraire un produit du laboratoire
ou un produit naturel à l’aide
d’un solvant approprié.
* Dissolution :
- exemples et définition
- solutions ioniques et non
ioniques.
* Rôle du solvant et effets
thermiques :
- solvant ionisant, dissociant,
hydratant et dispersant.
- effets thermiques.
* Grandeurs caractéristiques :
- concentrations massique et
molaire.
- solubilité.
- saturation.
* Préparation de solutions :
-solutions
de
produits
du
laboratoire.
-solutions de produits naturels.
Classe : 2° S
Activités d'apprentissage
*Expérience : mise en solution
de produits familiers et/ou
évaporation de solutions.
Expérience : conductibilité de
solutions.
*Expérience : mise en évidence
des effets thermiques.
*Expérience
saturation.
:
solubilité
et
*Expérience
:
dilution,
préparation de solutions.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Considérer des mélanges liquides de votre environnement. Les classer en mélanges homogènes et
en mélanges hétérogènes. Caractériser chaque mélange par ses différents constituants.
Pouvez vous séparer les constituants des mélanges homogènes ? Si oui comment ?
A l’inverse réaliser des mélanges liquides homogènes en partant de corps purs de votre
environnement.
Pour faire le lien avec l’environnement immédiat de l’élève il est tout indiqué de prendre
l’exemple du sel de cuisine pour définir les notions de solvant, soluté et solution. On pourrait
faire dissoudre du sel dans l’eau pour ensuite faire évaporer la solution obtenue, comme on
pourrait partir d’eau de mer filtrée que l’on fera évaporer. Les élèves distingueront alors
solvant, soluté et solution.
La dissolution du sulfate de cuivre anhydre par l’eau pourrait servir d’exemple pour illustrer
le caractère hydratant du solvant.
Les divers effets thermiques accompagnant les dissolutions pourraient être vérifiés avec des
exemples tels que la dissolution dans l’eau du chlorure de sodium NaCl (athermique), de
93
l’hydroxyde de sodium NaOH (exothermique) et du chlorure d’ammonium NH4Cl
(endothermique)
Expérimentalement on abordera les notions de concentrations massique et molaire, de
saturation d’une solution et de solubilité d’un produit dans un solvant donné.
En travaux pratiques les élèves seront entraînés à la préparation de solutions de produits du
laboratoire et de produits naturels; on insistera sur le choix du matériel et l’économie des
produits.
CHAPITRE : C7 :
Solutions aqueuses acides.
Objectifs d’apprentissage
Durée : 6 h
Contenus
* Identifier le caractère acide
d’une solution.
* Donner des exemples de
solutions acides.
* Ecrire les formules du gaz et de
l'acide chlorhydrique.
* Interpréter l'expérience du jet
d'eau.
* Caractériser l’ion chlorure.
* Ecrire les équations-bilans des
différentes réactions chimiques
avec l’acide cholrhydrique.
* Utiliser les propriétés acides,
* Utiliser rationnellement les
produits chimiques,
* Prendre des mesures de
sécurité pour la consommation et
l’utilisation des produits acides.
* Solutions acides, basiques et
neutres.
* Chlorure d’hydrogène (gaz
chlorhydrique)
- Structure.
- Propriétés physiques.
* Acide chlorhydrique.
- Ion hydronium.
.- Concentration molaire en ion
hydronium.
- Propriétés acides liées à l'ion
hydronium
- Réaction de caractérisation de
l'ion chlorure.
* Acides courants et produits
naturels acides.
- Acide
nitrique,
sulfurique,
acétique.
- Retour sur les acides tirés des
produits locaux(
Jus de bissap, de tamarin, de
citron)
Classe :
2° S
Activités d'apprentissage
* Expérience : catégorisation
de solutions à l’aide d’un
indicateur coloré.
* Préparation
du
chlorure
d’hydrogène et de l'acide
chlorhydrique.
* Expérience du jet d'eau.
* Expériences : conductibilité,
propriétés
de
l’acide
chlorhydrique.
* Mettre en évidence l'ion
chlorure.
*
Vérification de quelques
propriétés des acides.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Les pluies acides :
1 Qu’est ce que c’est ?
2 Qu’elles en sont les causes ?
3 Quelles sont les conséquences ?
- Ce chapitre pourrait être introduit par l'analyse de solutions aqueuses tirées de la nature
(citron, bissap, tamarin, cendre, lessive, "khémé", chaux). On fera découvrir sinon rappeler
leur saveur aigre et on fera l'action comparée de ces substances sur le même indicateur
coloré (il peut être indiqué d’utiliser le bleu de bromothymol). On ne s'attardera pas sur la
nature de l'indicateur ni sur son mode d'action, on fera constater tout simplement le
94
changement de couleur, ce qui permettra d'affirmer que certaines de ces substances ont des
caractéristiques communes qui font qu'on les qualifie d'acides, d’autres basiques. Les
substances basiques seront étudiées dans le prochain chapitre.
- Dans la suite une étude systématique des propriétés acides se fera à partir de l'exemple
simple de l'acide chlorhydrique, solution du gaz chlorhydrique dans l'eau.
- Naturellement, l'étude devra débuter par l'analyse des propriétés de ce gaz. On dégagera
ses principales propriétés, notamment sa solubilité dans l'eau qu'on illustrera par
l'expérience du jet d'eau.
- Après avoir étudié les propriétés conductrices de la solution (conductibilité électrique), on
fera l'étude expérimentale des propriétés chimiques liées aux ions hydronium ; (action sur les
indicateurs colorés, sur les métaux, électrolyse, action sur les bases qu'on annoncera
simplement) et celles qui sont liées aux ions chlorures Cl- (action sur les ions Ag+,
électrolyse). Cette partie fera l'objet de travaux pratiques.
- L'ensemble des propriétés liées à l'ion H3O+ permettra de définir la fonction acide.
- On donnera des exemples courants d'acides et d’extraits naturels acides que l'on
caractérisera expérimentalement : acides sulfurique, nitrique, acétique, jus d’oseille, de
citron, de tamarin….
- Tout au long de ce chapitre on dégagera des règles de sécurité relatives à l'utilisation et la
manipulation des acides.
CHAPITRE : C8 :
Solutions aqueuses basiques.
Objectifs d’apprentissage
* Identifier le caractère basique
d’une solution.
* Donner des exemples de
solutions basiques.
* Ecrire la formule du cristal et de
la solution d'hydroxyde de
sodium.
+
* Identifier l’ion Na
* Distinguer les hydroxydes de
cuivre II, zinc II, fer II, fer III,
aluminium III.
* Ecrire les équations-bilans des
différentes réactions chimiques
avec l’hydroxyde de sodium.
* Utiliser les propriétés basiques,
* Utiliser rationnellement les
produits chimiques,
* Prendre des mesures de
sécurité pour la consommation
et l’utilisation des produits
basiques.
Durée : 6 h
Contenus
* Solutions basiques.
*
Structure
du
cristal
d'hydroxyde de sodium.
* Solution d'hydroxyde de
sodium.
- Exothermie de la réaction de
dissolution.
- Déliquescence.
- Hygroscopie
- Electrolyse de la solution
d'hydroxyde de sodium.
- Propriétés
liées
à
l'ion
hydroxyde.
* Bases courantes et bases
tirées des produits locaux.
- Hydroxyde de potassium.
- Hydroxyde de calcium.
- Ammoniaque
- Retour sur les solutions de
lessive, cendre, et craie.
Classe:
2° S
Activités d'apprentissage
*
Expériences : test
solutions basiques
de
* Préparation d’une solution
d'hydroxyde de sodium.
* Expériences : propriétés de
la soude (test à la flamme,
indicateurs colorés, action sur
les acides, réactions de
précipitation, redissolution de
Al(OH)3 et Zn(OH)2 )
*
Vérification de quelques
propriétés des bases.
95
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Les détartrants :
1. Quelle est leur nature ?
2. Quelle utilisation pratique en fait-on ?
- A titre introductif on pourrait rappeler la caractérisation faite dans le chapitre précédent : les
solutions des produits naturels khémé, chaux et cendre sont basiques, on vérifiera à l’aide
du même indicateur qu’il en est ainsi de la solution d’hydroxyde de sodium ou soude.
- L'hydroxyde de sodium à l'état solide sera présenté comme un assemblage ordonné d'ions
hydroxyde (HO-) et sodium (Na+). On donnera la formule statistique (NaOH).
- En partant de pastilles (ou de paillettes) de soude, on mettra en évidence les principales
propriétés physiques de ce corps, notamment la solubilité dont on montrera l'effet thermique.
- On mettra en évidence la conductibilité électrique de la solution aqueuse de soude,
phénomène qu'on interprétera par l'existence d'ions dispersés Na+ et HO-.
- En travaux pratiques on fera l'étude des propriétés liées à l'ion hydroxyde (action sur les
indicateurs colorés, action sur les ions métalliques, action sur les acides) et celle liée à l'ion
sodium (test à la flamme) sans oublier de traiter de l'électrolyse de la solution aqueuse de
soude (propriétés liées à la fois aux ions sodium et aux ions hydroxyde).
-
Tout au long de cette étude, on entraînera les élèves à écrire les équations ioniques
d'interprétation. On montrera que la réaction entre la base et l'acide se solde en une réaction
totale entre les ions hydroxyde et hydronium (on rappelle qu'on se limitera uniquement à
l'action d'un acide fort sur une base forte).
96
CHAPITRE : C9
Notion de pH : Indicateurs colorés
Objectifs d’apprentissage
* Utiliser un pH-mètre, un
papier pH.
* Utiliser la relation
[H3O+] = 10-pH.
* Utiliser le produit ionique de
l'eau.
* Utiliser les domaines de pH
des solutions acide, basique
et neutre.
* Passer de [H3O+] à la
concentration Ca de l'acide.
* Passer de [HO-] à la
concentration Cb de la base.
* Utiliser un indicateur coloré.
* Dresser l’échelle de couleurs
d’un indicateur coloré.
* Citer quelques indicateurs
colorés.
Calculer la concentration d'une
entité à partir d'un dosage, en
appliquant la relation :
Ca Va = CbVb.
Contenus
Durée : 6 h
Classe :
2° S
Activités d'apprentissage
* Notion de pH.
Expérience : mesures de pH
+
-pH
- Relation [H3O ] = 10
.
- Mesure : le pH-mètre.
- Produit ionique de l'eau à
* Expérience : échelle de couleurs
25°C
d’indicateurs colorés
- Domaine de pH d'une
solution acide.
- Domaine de pH d'une
solution basique.
* Experience : dosage acido* Indicateurs colorés : zone
basique.
de virage.
- Teintes acide, basique,
sensible.
- Zone de virage.
- Papier pH.
- indicateurs naturels.
* Dosage d'une solution
d'acide chlorhydrique par la
soude.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Rechercher les procédés utilisés pour préparer des indicateurs colorés avec la flore locale.
Réaliser un exemple de préparation et utiliser l’indicateur préparé.
2 Recherche documentaire : historique de la notion de pH
- Les acquis des chapitres "C7" et "C8" permettront de montrer que les propriétés acides,
respectivement basiques, sont d'autant plus marquées pour une solution donnée que sa
concentration en ions H3O+ est élevée, respectivement faible.
- On caractérisera les solutions par leur concentration en ions H3O+ ou de façon plus
commode par le pH qu'on définira à ce niveau par la relation : [H3O+] = 10-pH
- Le pH-mètre qui sera présenté sommairement, sera utilisé pour faire quelques mesures de
pH.
- La mesure de la valeur du pH de l'eau pure (fraîchement distillée) à 25°C permettra de
déterminer la concentration en ion hydronium dans l'eau pure. On parlera de la réaction
d'autoprotolyse qui engendre ces ions H3O+ avec un nombre égal d'ions OH-, on en déduira
97
la valeur du produit ionique de l'eau à 25°C. On do nnera le domaine des pH pour les
solutions acides et pour les solutions basiques à 25°C.
- L'étude des indicateurs colorés sera exclusivement expérimentale.
Toute théorie sur les indicateurs quant à leur nature et leur mode d'action est hors
programme.
- L'action d'un indicateur donné sur des solutions de pH croissant permettra de dresser
l'échelle des pH de l'indicateur ; on en déduira les concepts de teinte acide, teinte basique,
de teinte sensible et de zone de virage. On traitera successivement le cas de l'hélianthine,
du bleu de bromothymol et de la phénolphtaléine. On utilisera des indicateurs colorés pour
déterminer l’ordre de grandeur du pH d'une solution. On signalera l'existence de substances
naturelles qui peuvent servir d'indicateurs.
- Le principe de fabrication d’indicateurs universels et du papier pH sera expliqué, on les
utilisera pour déterminer le pH d’une solution. Le principe du dosage acido-basique sera
indiqué à partir du dosage de l’acide chlorhydrique par la soude que l’on réalisera
expérimentalement
CHAPITRE : C10
Caractérisation de quelques ions
Objectifs d’apprentissage
Durée : 3 h
Contenus
* Donner les couleurs des
précipités.
* Ecrire les
équations
des
réactions de précipitation.
* Identifier certains ions : Cl ,
22+
+
2+
SO4 , NO3 , S , Ag , Na , Zn ,
2+
3+
2+
2+
2+
Cu , Al , Ba , Pb , Fe ,
3+
Fe .
* Tests d'identification des
anions et des cations.
- Couleurs des ions en solution
aqueuse.
- Couleur des ions au test à la
flamme.
- Incompatibilité de certains ions
- Réactions de précipitation
- Redissolution
de
certains
précipités.
Classe :
2° S
Activités d'apprentissage
*
Expériences
:
tests
d'identification des ions (test à
la flamme, réactions de
précipitation, redissolution)
*
Réalisation
organigramme.
d’un
* Utiliser
le
protocole
de
recherche des ions dans une * Organigramme de recherche
des ions.
solution.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Considérer de l’eau minérale commerciale : relever les indications portées sur l’emballage, donner
leur signification. Comment vérifier l’exactitude ou non de ces indications ?
- S'appuyant sur les réactions étudiées dans les chapitres précédents, on rappellera les
propriétés caractéristiques de quelques ions (solvatation, couleur en solution aqueuse,
couleur de flamme).
- A l'aide d'expériences simples, on mettra en évidence l'incompatibilité de certains ions en
solution aqueuse, la redissolution de certains précipités. On insistera sur le concept de
98
réaction caractéristique, ce qui permettra d'introduire le concept de test complémentaire
dans certains cas.
- On dressera avec les élèves des tableaux récapitulatifs (organigrammes de recherche) où
figureront ; soluté, ion à identifier, réactif, précipité obtenu, équation d'interprétation, test
complémentaire s'il y a lieu.
Activités d’intégration possibles
1 Eau minérale
A partir de l’étiquette d’une bouteille d’eau minérale, relever ou écrire la formule de tous les
ions contenus dans cette eau.
Réécrire les indications portées par l’étiquette en remplaçant les concentrations massiques
par les concentrations molaires.
Vérifier que cette solution est électriquement neutre.
2/ Identification de solutions
Dans un laboratoire cinq flacons contenant de l’acide chlorhydrique, de l’acide sulfurique, du
chlorure de sodium, de l’hydroxyde de calcium et de la soude sont sans étiquette. Proposer
une méthode d’identification du contenu de chaque flacon.
3/ Acide phosphorique.
Par accident, de l’acide phosphorique s’est déversé dans une localité, quelles solutions
proposez-vous ?
4/Danger lié à l’utilisation courante du carbure de calcium.
Proposer une situation cible portant sur le danger du carbure de calcium (CaC2) pendant la
période de mangue verte.
99
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES
DES CLASSES DE PREMIERE S1 ET S2.
Août 2008
100
PROGRAMME DE PHYSIQUE
CLASSE DE 1°S
CHAPITRE
Numéro
Titre
Horaire
ENERGIE - CHAMPS.
P1
Travail et puissance
6
P2
Energie cinétique
5
P3
Energie potentielle. Energie mécanique.
6
P4
Calorimétrie
6
P5
Force et champ électrostatiques
6
P6
Travail de la force électrostatique. Energie potentielle électrostatique.
5
P7
Energie électrique mise en jeu dans un circuit électrique
6
P8
Condensateurs : capacité, énergie emmagasinée
4
ELECTRONIQUE
P9
Amplificateur opérationnel : montages dérivateur et intégrateur ;
6
applications**.
PHENOMENES VIBRATOIRES ET PROPAGATION
P10
Propagation
mécaniques.
des
signaux,
ondes
progressives,
interférences 6
OPTIQUE
P11
Total
Etude expérimentale des lentilles minces.
6
62
101
PROGRAMME DE CHIMIE
CLASSE DE 1°S
CHAPITRE
Numéro
Titre
Horaire
CHIMIE ORGANIQUE
C1
Généralités sur la chimie organique.
3
C2
Les alcanes
4
C3
Les chaînes carbonées insaturées : alcènes et alcynes.
5
C4
Le benzène.
3
C5
Les composés oxygénés.*
6
ELECTROCHIMIE
C6
Notion de couple oxydant – réducteur.
4
C7
Classification qualitative des couples oxydant- réducteur
6
ion métallique/métal.
C8
Classification quantitative des couples oxydant-réducteur
6
ion métallique/métal.
C9
Généralisation de l’oxydoréduction en solution aqueuse.
5
C10
Electrolyse, bilan quantitatif.
6
C11
Oxydoréduction par voie sèche.
4
C12
Thèmes : phosphates, engrais, matières plastiques (exposés, visites)
2
Total
54
* Reconnaissance des fonctions et caractérisation des aldéhydes et cétones seulement.
102
P R O G R A M M E
D E
P H Y S I Q U E
Les compétences d’année.
Compétence 1
A l’issue de la classe de première S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre (différentes formes d’énergie, leurs transformations réciproques, variation, conservation
de l’énergie), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
transfert par chaleur, par travail, prévision et étude du fonctionnement de systèmes
conservatifs, dégradation de l’énergie.
Compétence 2
A la fin de la classe de première S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre en électronique, doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes simples : amplification, montages direct et inverseur, observations de règles de
sécurité.
Compétence 3
A la fin de la classe de première S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre sur les ondes mécaniques(réflexion, réfraction, interférences mécaniques), doit les
intégrer dans des situations familières d’explication, de prévision et de résolution de
problèmes relatifs aux phénomènes ondulatoires : phénomènes sismiques, acoustiques
simples.
Compétence 4
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire, savoir-être en
optique (lentilles minces) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes liés au cheminement de la lumière dans des milieux optiques simples : lentilles,
œil, loupe, microscope.
103
Les chapitres
Première partie
MECANIQUE : CHAMPS ET ENERGIE
CHAPITRE P1 : Travail et puissance.
Objectifs d’apprentissage
* Calculer le travail d'une force
d'intensité constante.
* Distinguer travail moteur et
travail résistant.
* Calculer une puissance
moyenne ou instantanée.
* Donner des ordres de
grandeur
de
quelques
puissances.
Durée : 6 h
Contenus
* Travail.
-Travail d’une force constante ;
- exemple du poids,
- Travail d’une force variable
(sans calcul) : force élastique,
couple de torsion.
- Travail moteur ; travail
résistant.
* Puissance.
- Puissance moyenne.
- Puissance instantanée.
CLASSE:1° S
Activités d'apprentissage
* Détermination des travaux de
quelques forces (poids, force
appliquée à un système en
rotation autour d'un axe fixe,
couple de forces)
* Détermination des puissances
moyenne et instantanée.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Travail et puissance, quelles significations donner à ces notions ?
2 Quelles différences y a – t – il entre force et travail ? Existe – t –il une relation entre ces deux
grandeurs ?
3 Qu’est ce que c’est le Cheval-vapeur ? Donner en CV la puissance de quelques appareils et
moteurs électriques.
- Le chapitre pourrait être introduit par l'analyse de diverses situations dans lesquelles le mot
travail est utilisé dans le langage courant.
- Par la suite on insistera sur la différence entre ce sens commun du travail (effort physique)
et la grandeur physique "travail". "une force peut effectuer un travail quand son point
d'application se déplace". Les facteurs dont dépend le travail seront dégagés à partir de
l'analyse d'exemples de mouvements de translation. On en viendra par la suite à la
formulation. Le travail d'une force constante sur un déplacement rectiligne sera exprimé par
un produit scalaire :
W
(F) = F .AB
(A→B
On distinguera travail moteur, travail résistant et travail nul.
- On généralisera à un déplacement quelconque en introduisant la notion de travail
élémentaire. Dans ce cadre on montrera que le travail du poids d'un corps entre deux
positions d'altitude z1 et z2 est donné par l'expression :
W (P) = mg(z -z )
1 2 = - mg (z2-z1) = - mg ∆z
Ce travail est indépendant du chemin suivi : le poids est une force conservative.
104
- Dans le calcul du travail d'une force appliquée à un système en rotation autour d'un axe fixe,
on se limitera à des cas où le moment des forces est constant.
- Le calcul du travail d'une force variable est hors programme. On donnera simplement
sans démonstration l'expression du travail de la tension d'un ressort W 1-2 = 1/2 k(x12 - x2 2)
et celle du travail d'un couple de torsion W 1-2 = 1/2 C (α12 - α 22).
-
On exprimera la puissance moyenne d’une force par la relation : Pm= W / t et la puissance
instantanée par p = F. V.
- On donnera l’ordre de grandeurs de quelques puissances mécaniques.
CHAPITRE P2 : Energie cinétique
Objectifs d’apprentissage
* Déterminer l’énergie cinétique
d’un
système
(calcul,
exploitation d’enregistrement)
* Déterminer pour certains cas
simples le moment d'inertie
d'un solide par rapport à un
axe fixe.
Durée : 5 h
Contenus
* Energie cinétique.
- Energie cinétique de translation.
- Energie cinétique de rotation.
- moment d'inertie d'un solide par
r apport à un axe fixe.
CLASSE : 1° S
Activités d'apprentissage
*
Calcul
de
l’énergie
cinétique et du moment
d’inertie (cas simple)
* Théorème de l’énergie cinétique.
* Appliquer le théorème de
l'énergie cinétique à un
système donné.
* Vérification du théorème
de l'énergie cinétique à partir
d’enregistrements ou de
valeurs numériques
Commentaires.
Activités préparatoires possibles
1 Qu’est ce que l’énergie? Quelles idées avez-vous de l’énergie ?
2 L’énergie ne peut ni se créer, ni se perdre, elle se transforme. Nommer ce principe. L’illustrer
qualitativement par des exemples.
3 Abandonner un objet ponctuel sans vitesse initiale sur la ligne de plus grande pente d’un plan
incliné.
- Mesurer la distance L parcourue par l’objet lorsqu’il arrive au bas de la pente.
- Déterminer l’inclinaison α du plan incliné,
- Exprimer le travail du poids de l’objet entre le point de départ et l’arrivée au bas de la pente.
- En admettant que le travail du poids égale la variation de l’énergie cinétique de l’objet, en
déduire l’expression de l’énergie cinétique de l’objet au bas de la pente puis celle de la vitesse
2
du mobile à cette position. Faire l’application numérique avec g = 9,8 m/s
- Tout au début de ce chapitre, il est nécessaire d'introduire le concept d'énergie et quelques
notions connexes. Il s'agit de préciser aux élèves, à partir d'observations familières, le
concept d'énergie, de citer quelques formes d'énergie ainsi que les transferts d'énergie entre
systèmes et les transformations d'énergie. A travers ces exemples, on insistera sur deux
formes importantes d'énergie : énergie cinétique et énergie potentielle.
- Par la suite, s'intéressant à l'énergie cinétique, on en donnera l'expression pour le solide en
translation et pour le solide en rotation autour d'un axe fixe. On donnera les propriétés de
105
l'énergie cinétique : grandeur scalaire positive dont la valeur dépend du référentiel mais
qui ne donne aucune information sur le sens et la direction du mouvement.
Le moment d'inertie d'un solide en rotation sera introduit sans démonstration. On en
donnera cependant la signification physique. On donnera les expressions des moments
d'inertie de quelques solides homogènes par rapport à un axe passant par leur centre de
symétrie : cerceau, disque, cylindre et sphère.
Le théorème de Huygens est hors programme.
- Le théorème de l’énergie cinétique sera énoncé dans le cas général. Il pourra être vérifié à
l'aide d'un enregistrement. On l'appliquera à d'autres systèmes ; ce faisant on insistera sur
son importance dans la résolution des problèmes de mécanique.
CHAPITRE P3 : Energie potentielle. Energie mécanique
Objectifs d’apprentissage
*
Déterminer
l’énergie
potentielle d’un système.
*
Déterminer
l’énergie
mécanique d’un système
* Enoncer le théorème de
l'énergie potentielle.
Contenus
* Energie potentielle.
Etat de référence.
Energie potentielle de pesanteur.
Energie potentielle élastique.
- Energie potentielle de torsion.
- Variation de l’énergie potentielle
de * Energie mécanique.
- Système conservatif.
Théorème
de
mécanique.
* Enoncer le théorème de Conservation
de
l'énergie mécanique.
mécanique.
Appliquer le théorème
l'énergie potentielle.
*
Appliquer le théorème
l'énergie mécanique
Durée : 6 h
CLASSE1S
Activités d'apprentissage
*
Exploitation
d’enregistrements.
* Vérification du théorème de
l’énergie potentielle à partir
d’enregistrements
ou
de
l'énergie mesures.
l'énergie * Vérification du théorème de
l'énergie mécanique à partir
d’enregistrements
ou
de
mesures.
de
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Visite de la centrale hydroélectrique de Bel Air :
1 Quels sont les principaux modes de production d’énergie électrique utilisés par la SENELEC ?
2 Quels sont les problèmes posés par la fourniture d’énergie électrique? Quelles solutions
envisager?
- Un retour, sur quelques exemples simples de formes d'énergie vus au chapitre précédent,
permettra de rappeler que l'énergie potentielle d’un système est l'énergie en "réserve" liée
aux positions des différentes parties du système. On insistera sur la notion de système
mettant en jeu les parties en interaction. Dans la suite, s'intéressant au système (Terre-objet)
on donnera sans démonstration l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur
106
Epp = mgz + cte. On insistera sur le fait que l'énergie potentielle de pesanteur est définie à
une constante additive près et l'on montrera comment la valeur de cette constante est
déterminée par le choix de la "référence" (état pour lequel Ep = 0) et de l'origine de l'axe des
côtes. On montrera aussi comment la variation d'énergie potentielle de pesanteur est
indépendante de ce choix ; on établira la relation ∆Epp = - W(P).
- L'énergie potentielle élastique du système ressort-solide, et celle d'un pendule de torsion
seront exprimées sans démonstration; la relation générale : ∆Ep = - W(
f ic )
sera admise,
f ic étant la force intérieure conservative. On insistera sur les concepts de forces intérieures
et forces extérieures et l'on montrera qu'ils dépendent des limites du système choisi.
- Après avoir défini l'énergie mécanique, on établira l'expression de sa variation. On étudiera
alors sa conservation dans certains cas simples (pendule élastique horizontal ; pendule
pesant…). Les notions de barrière de potentiel et de puits de potentiel seront traitées en
exercices.
- On fera découvrir la dégradation de l'énergie mécanique dans le cas de systèmes réels.
CHAPITRE P4 : Calorimétrie
*
Durée :6 h
Objectifs d’apprentissage
Expliquer la dégradation
l’énergie mécanique.
Contenus
de * Dégradation
mécanique.
Distinguer
température.
et
de
l’énergie*
* Chaleur et température.
chaleur
CLASSE : 1° S
Activités d'apprentissage
Expérience illustrant
la
transformation de l’énergie
mécanique
en
énergie
thermique.
* Modes de transfert d’énergie
par chaleur.
* Conduction thermique.
* Etude des modes de transfert
- Convection.
Utiliser les différents modes de - Rayonnement.
de chaleur.
transfert de chaleur.
* Quantité de chaleur.
- Convention de signe.
* Expériences de détermination
- Expression,
de
quelques
grandeurs
Donner la convention de signe --capacité calorifique,
calorimétriques
(capacité
des échanges de quantité de - Chaleur latente de changement calorifique, chaleur latente de
chaleur.
d'état.
changement d'état)
* Exprimer une quantité de chaleur * Détermination expérimentale
échangée.
de grandeurs calorimétriques
* Calculer une quantité de - Calorimètre.
chaleur.
- Bilan thermique.
* Déterminer des grandeurs * Chaleur de réaction.
*
Expérience
de
calorimétriques :
température
détermination de la chaleur
d'équilibre, chaleur massique,
de réaction et de la chaleur
capacité calorifique, chaleur
de dissolution .
latente de changement d'état et
chaleur de réaction.
*
*
107
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Que vous suggère le mot « chaleur » ?
2 Observer la constitution d’une bouteille thermos. Expliquer pourquoi on peut y conserver de la
boisson chaude de façon durable.
3 Dans un bécher contenant une solution d’acide chlorhydrique, introduire un thermomètre et
relever la température initiale. Ajouter, goutte à goutte, une solution de soude, homogénéiser à
chaque fois et relever la température. Comment évolue la température ?
Des expériences quantitatives précises montrent que l’action d’une mole d’ions hydroxyde HO sur
+
une mole d’ions oxonium H3O libère 57,4 kJ environ. Interpréter qualitativement l’énergie ainsi
libérée.
- On pourrait débuter le chapitre par l'analyse de l'énergie mécanique des systèmes réels ;
on notera que pour de tels systèmes l'énergie mécanique décroît, ceci étant dû à l'existence
de forces de frottement. Dans le cas particulier d'un cycliste ou d'un automobiliste qui freine
on mettra l'accent sur l'élévation de température au niveau des freins, phénomène qui se
produit en même temps que la diminution de l'énergie mécanique. Les forces de frottement
seront considérées comme des interactions entre particules à l'échelle microscopique dans
la région de contact. La diminution d'énergie mécanique à l'échelle macroscopique se
retrouve comme gain d’énergie répartie entre les particules à l'échelle microscopique : on dit
qu'il y a « production de chaleur ».
- La température absolue, vue en classe de seconde, prend ici toute son importance : la
température absolue est la grandeur macroscopique qui mesure l'énergie microscopique
d'agitation des particules. Dès lors il est aisé d'expliquer le fait que l'augmentation de
l'énergie d'agitation désordonnée des particules liée à la diminution de l'énergie mécanique,
se manifeste le plus souvent par une élévation de température. L'exception du changement
d'état sera soulignée. On insistera alors sur la nuance à faire entre chaleur et température.
- La production d’énergie thermique n'a pas toujours pour origine la dégradation de l'énergie
mécanique : certaines réactions chimiques libèrent de l’énergie thermique; le courant
électrique qui traverse un dipôle s'accompagne d'un « dégagement de chaleur » ; des objets
exposés à la lumière solaire s'échauffent etc. Par ailleurs lorsque deux corps portés à des
températures différentes sont en présence il y a entre eux échange d’énergie par chaleur. La
chaleur est un mode de transfert d’énergie : dans le cas d’espèce l’énergie passe du corps
chaud au corps froid jusqu'au moment où il s'établit un équilibre thermique. A travers divers
exemples on illustrera la conduction thermique, la convection et le rayonnement.
La « quantité de chaleur » échangée par un système sera exprimée algébriquement ; on
distinguera le cas où il y a échange d’énergie avec variation de température du cas où
l'échange se fait sans variation de température (changement d'état).
108
On présentera le calorimètre, appareil de mesure des quantités de chaleur. Les grandeurs
calorimétriques (chaleur massique ou capacité thermique massique, constante
caractéristique de la substance, capacité calorifique ou capacité thermique,
chaleur
latente de changement d'état) seront définies. En TP des mesures calorimétriques
permettront la détermination expérimentale de ces grandeurs. Toutefois le principe de cette
détermination expérimentale étant pratiquement la même pour ces grandeurs une mesure
bien menée avec l’une d’entre elles est plus utile que plusieurs mesures qui conduisent à
des résultats aberrants.
- La chaleur de réaction sera également définie. A partir d'exemples on expliquera sa
détermination :
* par la méthode expérimentale (mesures calorimétriques) on pourrait prendre
l’exemple de la détermination expérimentale de la chaleur mise en jeu lors de la
réaction entre un acide et une base.
* par le calcul ; à partir du diagramme de Hess ou de la somme d'équation-bilan.
- Les notions d'énergie de liaison et de chaleur de formation sont hors programme.
NB : L'unité SI de quantité de chaleur est le joule ; pour des raisons d'interdisciplinarité on
signalera la calorie comme unité ; toutefois on habituera les élèves à travailler avec l'unité SI
de quantité de chaleur.
CHAPITRE P5 : Force et champ électrostatiques.
Objectifs d’apprentissage
*
Déterminer
les
caractéristiques des forces
électrostatiques.
Utiliser la loi de Coulomb.
*
Déterminer
les
caractéristiques
du champ
électrique créé par une charge
ponctuelle et celles du champ
électrique existant entre les
armatures d'un condensateur
plan chargé (vecteur champ,
lignes de champs)
Durée :6 h
Contenus
* Forces électrostatiques.
- mise en évidence
- Loi de Coulomb.
.* Champ électrostatique.
- Vecteur champ électrique.
- Ligne de champ.
Spectre du champ électrique.
- Champ électrique uniforme.
- Champ électrique résultant.
*
CLASSE:1° S
Activités d'apprentissage
Expériences de mise en
évidence
de
forces
électrostatiques
* Expériences sur le champ
électrique. :
mise
en
évidence, caractérisation du
champ à l’intérieur d’un
condensateur,…….
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Découper d’un bouchon de liège une petite boule et l’emballer d’une mince feuille d’aluminium.
Attacher la à l’aide d’un fil isolant inextensible à un support isolant fixe. Le dispositif ainsi conçu
est un pendule électrostatique. Réaliser un autre pendule pour les besoins de l’expérience.
2 Charger chaque pendule en approchant de la boule recouverte de métal un bâton de verre
frotté. Approcher les pendules l’un de l’autre. Observer.
3 Qui était Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) ?
109
- Ce chapitre et le suivant prolongent l'électrostatique abordée en classe de seconde et
préparent celui qui traite des échanges d'énergie dans un circuit électrique. Il pourra
démarrer par la mise en évidence des forces électrostatiques. On cherchera à préciser les
caractéristiques de ces forces : deux pendules électrostatiques identiques chargés
permettent de comparer qualitativement les caractéristiques des forces électrostatiques
s'exerçant entre deux charges. Par la suite on énoncera la loi de Coulomb (on en donnera
l'expression vectorielle).
-on introduira la notion de champ comme une modification des propriétés de l’espace.
- A partir d'expériences simples (pendule électrostatique chargé dévié par un bâton de verre
chargé, déviation d'un faisceau d'électrons dans un tube de déflexion) on définira le champ
électrique. On le caractérisera par le vecteur champ électrique.
Dans des cas simples on précisera les caractéristiques du vecteur champ électrique.
- Il y a lieu de traiter en cours le champ créé par une charge ponctuelle positive puis
négative, le champ engendré par une distribution de charges ponctuelles situées dans le
même plan, le champ régnant entre deux conducteurs métalliques plans parallèles (en
s'abstenant toutefois d'évoquer la relation E = U / d qui sera établie dans le chapitre qui suit).
En exercice on traitera, entre autres exemples, le champ d'un dipôle constitué de
-
deux charges q et -q.
-
On introduira le concept de ligne de champ électrique et l'on réalisera
expérimentalement quelques spectres électriques pour matérialiser ces lignes ; on
insistera sur l’intérêt des spectres dans la recherche de la topographie d’un champ
électrique.
NB : par abus de langage, le champ électrique, espace champ créé par des charges
mobiles, est employé pour désigner le champ électrostatique qui lui est créé par des charges
fixes ; il est aussi employé pour désigner le vecteur champ électrique.
110
CHAPITRE P6 : Travail de la force électrostatique
Energie potentielle électrostatique
Durée :6 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Travail
de
la
force*
* Donner l’expression du travail *
d’une force électrostatique dans électrostatique.
le cas d'un champ électrique -Cas d’un champ uniforme.
uniforme ou non.
- Différence de potentiel.
* Utiliser la relation entre la - Potentiel électrique.
différence de potentiel et le - Cas d’un champ quelconque
champ électrique uniforme.
-- Electronvolt.
*
Energie
potentielle
.
électrostatique.
*
- Relation entre le travail et la
variation de l'énergie potentielle.
*
Calculer
l’énergie
d’une - Surface équipotentielle
*
particule.
* Energie d’une particule.
CLASSE:1 S
Activités d'apprentissage
Expériences avec la cuve
rhéographique..
Représentation des lignes de
champs autour d'une charge
ponctuelle
Représentation de l'allure des
lignes de champs entre les
armatures d'un condensateur
plan
* Conservation de l'énergie
d'une particule.
* Etude de l’énergie d’une
* Appliquer la conservation de
particule.
l’énergie d’une particule.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Rappeler ce qu’est le champ de pesanteur, le vecteur champ de pesanteur, la relation entre la
force de pesanteur et le vecteur champ de pesanteur , l’expression du travail de la force de
pesanteur entre deux positions du centre d’inertie.
2. La force de pesanteur est une force conservative. Définir ce qu’est une force conservative.
- Les acquis des chapitres qui précèdent permettront d'évaluer le travail de la force
électrostatique entre deux points A et B d'un champ électrique uniforme et par suite
d'introduire les concepts de potentiel et de différence de potentiel électrostatique.
L'introduction de ces grandeurs se fera en montrant simplement à partir de l'expression du
travail obtenue que ce travail est indépendant du chemin suivi mais qu'il dépend des points A
et B et plus précisément de leur "état électrique" ; le potentiel sera défini comme une
grandeur qui caractérise l'état électrique de chaque point du champ.
- A la force électrostatique, force intérieure conservative, on fera correspondre l'énergie
potentielle électrostatique et l'on admettra la relation entre le travail de la force
électrostatique et la variation de l’énergie potentielle. On établira la conservation de l'énergie
totale (E = Ec + Epe = cte).
- Les résultats établis dans le cas particulier d'un champ uniforme seront généralisés avec la
rigueur et les précisions nécessaires.
111
De façon générale en tout point d'un champ électrique sont définis :
* le vecteur champ électrique E qui permet de caractériser la force électrostatique F= q E qui
s'exerce sur une charge électrique q placée en ce point.
* le potentiel V permettant de connaître l'énergie potentielle électrostatique E = q V que
possède toute charge en ce point.
- On définira les surfaces équipotentielles.
- Par ailleurs le travail de la force électrostatique qui s'exerce sur une charge q entre les
points A et B est donné par l'expression W(F) = q (VA - VB).
- Ce travail est lié à la variation d'énergie potentielle par : W(F) = - ∆ Ep.
CHAPITRE P7 : Energie électrique totale mise en jeu
dans un circuit électrique.
Objectifs d’apprentissage
* Appliquer la loi d’ohm pour un
récepteur.
* Déterminer les caractéristiques
d’un récepteur.
* Utiliser les expressions des
puissances
électriques
échangées par un récepteur.
* Distinguer les différentes
puissances mises en jeu dans un
dipôle
* Appliquer la loi de Pouillet.
Durée :6 h
Contenus
* Puissance "échangée"par un
récepteur
- Récepteur.
- Loi d'ohm pour un récepteur
- Force contre électromotrice.
- Puissance totale échangée,
puissance utile, puissance par
effet joule.
- Rendement d’un récepteur.
- Bilan énergétique dans un
dipôle
*
Puissance
totale
et
puissance disponible d'un
générateur.
CLASSE:1 S
Activités d'apprentissage
* Vérification expérimentale
de la loi d’ohm pour un
récepteur.
(moteur, électrolyseur)
* Etude de la puissance d’un
récepteur.
Vérification expérimentale de
la loi d’ohm pour un
générateur.
* Bilan énergétique dans un * Etude de la puissance totale
circuit électrique.
d’un générateur.
* Etude du bilan énergétique
* Loi de Pouillet généralisée.
dans un circuit électrique.
* Etude de la loi de Pouillet
généralisée
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Considérer une bouilloire électrique, une lampe à incandescence, un ventilateur : expliquer les
échanges d’énergie qui ont lieu lorsqu’on les fait fonctionner.
2. Avec quel appareil la SENELEC mesure – t - elle l’énergie électrique consommée dans une
installation domestique ? En quelle unité cette énergie est exprimée ?
-
Partant par exemple des effets du courant électrique on pourrait expliquer
qualitativement les échanges d'énergie dans un circuit quelconque.
L'expression de l’énergie électrique échangée par un dipôle AB ; soit WAB = UAB IAB t
sera donnée sans démonstration.
- La puissance échangée par un dipôle s'exprimera par p = ui. Comme u et i, la puissance p
est algébrique. Pour plus d'harmonie et de simplicité il est essentiel de conserver les
112
conventions de signe utilisées depuis le début de ce programme pour les grandeurs
électriques (intensité et tension) et pour l'énergie. On utilisera également la convention
récepteur et la loi d’Ohm généralisée u = ri - e.
- On peut remarquer dès lors que :
* Si u et i sont de même signe, la puissance p = ui est positive ; ce qui est le cas de tous les
dipôles passifs qui reçoivent de l'énergie du générateur.
* Si u et i sont de signes contraires p = ui est négative, ce qui est le cas des générateurs qui
fournissent de l'énergie. Ainsi la puissance échangée par un dipôle peut être positive dans
ce cas elle est "reçue" ou négative en ce moment elle est "cédée", ce qui est conforme aux
conventions de signe pour l'énergie.
- Dans le cas d'un résistor la puissance échangée est p= ui = Ri2, elle est positive, signifiant
qu'elle est reçue ou consommée par le résistor, il est essentiel de signaler que cette
puissance est cédée instantanément au milieu ambiant sous forme calorifique (puissance
Joule).
- Pour les autres types de récepteurs (moteur, électrolyseur), la tension est u = ri - e
soit u = ri + e'. Le récepteur échange la puissance p = ri2 + e'i dont on explicitera les
différentes composantes :
* pj = ri2 > 0 est la puissance consommée par effet Joule.
* pu = e'i > 0 est la puissance autre que la puissance Joule (puissance mécanique pour un
moteur, puissance chimique pour un électrolyseur) c'est la puissance utile.
* p= ri2 + e'i > 0 est la puissance totale reçue par le récepteur.
- Le rendement du récepteur sera défini comme le rapport de la puissance utile
Pu = e'i par la puissance totale reçue.
- Entre les bornes du générateur linéaire on a u = ri - e, la puissance s'exprime par la relation
p = ui = ri2 - ei ; soit :
* pj = ri2 > 0 est la puissance consommée par effet Joule dans la résistance interne.
* pt = - ei < o est la puissance que le générateur cède à l'ensemble du circuit; c'est la
puissance "engendrée" par le générateur.
* p'= ri2 - ei est la puissance "disponible" aux bornes du générateur, c'est la puissance cédée
à l'extérieur du générateur. Le rendement du générateur sera défini par le rapport de la
puissance disponible sur la puissance engendrée.
- Pour un circuit série comportant un générateur linéaire, un résistor et un récepteur tel qu’un
moteur, on traduira le bilan énergétique : "la somme algébrique des puissances échangée
est nulle". On en déduira la loi de Pouillet que l'on généralisera. Le chapitre pourrait être clos
par des exemples pratiques d'utilisation de l'énergie électrique et de ses transformations.
Activités d’intégration possibles
1 Etude d’un barrage hydraulique
A partir du document de l’activité 8 du recueil d’activités, expliquer le fonctionnement d’un
barrage hydroélectrique.
2 Minimiser la consommation d’énergie dans une installation domestique.
113
CHAPITRE P8 : Condensateurs : capacité, énergie Durée :4 h
emmagasinée.
Objectifs d’apprentissage
Distinguer charge et décharge
d’un condensateur.
Définir
la
capacité
d’un
condensateur
Utiliser les expressions de la
charge
et
de
l’énergie
emmagasinée
par
un
condensateur.
Contenus
Condensateur
- Constitution
- Exemples
- Symbole
Charge et décharge
- mise en évidence,
- grandeurs électriques : charge,
tension
Capacité.
- relation entre charge et tension.
Energie emmagasinée.
- expressions.
CLASSE
1S
Activités d'apprentissage
Observations.
Exploitation de documents
Etude d’oscillogrammes.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Visite chez le réparateur de radios du coin :
1 Découvrir la variété des condensateurs (types, formes)
2 Quelle (s) grandeur (s) physiques caractérisent un condensateur ?
3 Citer quelques utilisations pratiques des condensateurs.
Le chapitre pourrait être abordé par la description d’un condensateur plan. Il s’agit de
rappeler que le condensateur plan a servi d’exemple dans le chapitre précédent pour illustrer
un moyen de réaliser un champ électrique uniforme.
Par la suite on mettra en évidence les phénomènes de charge et de décharge d’un
condensateur :on utilisera avantageusement l’oscilloscope ou toute autre expérience mettant
en évidence des échanges d’énergie entre le condensateur et le reste du circuit..
Toutefois, au niveau de la classe de première, une présentation simplifiée des
condensateurs est exigée. A ce niveau, on donnera, sans démonstration, la relation entre la
charge du condensateur et la tension à ses bornes ainsi que les expressions de l’énergie
emmagasinée.
L’étude des condensateurs sera complétée en classe de terminale où l’on étudiera les
facteurs influençant la capacité d’un condensateur plan, les lois d’association des
condensateurs, l’établissement de l’expression de l’énergie emmagasinée et les lois de
variation, au cours du temps, des grandeurs électriques (charge, intensité et tension) lors de
la charge et de la décharge.
Remarques
Jusqu’à nouvel ordre le chapitre P9 qui traite des montages électroniques réalisés
avec l’amplificateur opérationnel n’est pas à dérouler.
114
Quand il s’agira d’étudier ces montages utilisant l’amplificateur opérationnel le professeur de
sciences physiques travaillera en étroite collaboration avec celui de mathématiques pour
tenir compte du fait que l’étude de la dérivation débute en mathématique en classe de
première
Aussi, comme pré requis à l’étude de l’amplificateur opérationnel, la relation entre l’intensité
instantanée i traversant un condensateur et la dérivée première par rapport au temps de la
charge instantanée du condensateur dq/dt devront être clairement expliquées par le
professeur.
CHAPITRE P9 : Amplificateur opérationnel : montages
dérivateur et intégrateur.
Durée :6 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Identifier
les
montages Types de montages.
dérivateur et intégrateur.
-Dérivateur,
Réaliser
un
montage - Intégrateur.
intégrateur ou un montage
Applications
dérivateur.
Activités d'apprentissage
Expérience :
réalisation
des
montages avec visualisation à
l’oscilloscope.
Etablir la relation entre tension
de sortie et tension d’entrée
pour les montages intégrateur
et dérivateur.
Indiquer les applications des
deux types de montages.
CLASSE1°S
Etablissement de la relation entre
tension de sortie et tension
d’entrée : utilisation des lois du
courant et de la tension.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherche sur l’amplificateur opérationnel : description, caractéristiques.
2 Citer quelques utilisations pratiques de l’amplificateur opérationnel.
Ce chapitre prolonge l’électronique abordée en classe de seconde avec l’amplificateur
opérationnel et montre d’autres utilisations pratiques de cet appareil.
Bien que l’étude concrétise en quelque sorte les opérations mathématiques de dérivation et
intégration considérées comme inverses l’une de l’autre, il n’en demeure pas moins qu’elle
doit être expérimentale et utiliser des exemples simples de tensions (dents de scie,
créneaux). Les montages correspondants pourront être réalisés en travaux pratiques.
Comme l’étude de la dérivation débute en mathématique en classe de première, le
professeur de sciences physiques travaillera en étroite collaboration avec celui de
mathématiques.
En cours on fera établir, par les élèves, les résultats vérifiés en TP :
- l’un des montages entraîne, entre la tension d’entrée Ue(t) et la tension de sortie
Us(t) la relation Us(t) = - RC.dUe/dt.
115
- l’autre est caractérisé par dUs/dt = - Ue/RC.
C’est l’occasion d’utiliser et de consolider les connaissances des élèves en électrocinétique :
lois de l’intensité et de la tension électriques, loi des mailles
Deuxième partie : ONDESPROGRESSIVESINTERFERENCESMECANIQUES.
CHAPITRE :. P10 : Ondes progressives . Interférences
mécaniques.
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Distinguer l’émetteur, le récepteur* Onde :
et le milieu de propagation d’un - Ebranlement.
signal.
-Source ou émetteur.
* Expliquer la différence entre la -Récepteur ou détecteur.
propagation d'une onde (transport - Milieu de propagation.
d'énergie) et le déplacement d'une - Onde transversale.
- Onde longitudinale.
particule (transport de matière)
* Citer des exemples d’ondes - Onde de torsion.
(mécaniques,
-Durée d’un ébranlement.
électromagnétiques).
Durée
de
la
*
propagation.
*Distinguer un signal et onde
- Célérité d’un signal
* Passer d'une représentation - Amortissement.
y = f(t) d’une onde à une * Ondes progressives..
représentation y = f(x) dans le
-Exemple :
corde
vibrante.
milieu de propagation.
* Déterminer une longueur d’onde. -Grandeurs
* Déterminer la position des caractéristiques :
franges d’amplitude maximale période
temporelle,
et/ou nulle.
période
spatiale
* Citer des applications de ces (longueur d’onde).
phénomènes
- Etats vibratoires des
points du milieu.
* Les interférences
mécaniques
Principe
de
superposition.
Différence de marche.
Franges
d'interférences.
Durée :6 h
CLASSE1° S
Activités d'apprentissage
* Expériences sur les signaux :
Séquence : émission, propagation,
réception.
-détermination de la célérité,
et des facteurs l’influençant.
* Expériences sur les ondes
progressives : aspect instantané
du milieu, états à différents
instants…….
Commentaires :
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire : ondes sismiques, tsunamis
- Diverses observations expérimentales permettent de mettre en évidence la variété des
signaux et des ondes. Dans l'ordre chronologique on pourrait traiter de la propagation d’une
Onde dans un milieu à une dimension (corde, ressort), à deux dimensions (perturbation
produite en un point de la surface d'un liquide : cuve à ondes) et à trois dimensions (bruit
116
engendré en un point de l'espace). A travers ces exemples on insistera sur le mécanisme de
propagation des ondes, les caractères de la célérité : on montrera que la célérité est
constante dans un milieu homogène isotrope donné (on indiquera par conséquent un
procédé de mesure de la célérité) ; le rôle de l'inertie et de l'élasticité du milieu dans la
célérité de propagation pourrait être illustré par l'utilisation de l'échelle de perroquet.
- On donnera les valeurs de la célérité du son dans l'air et dans l'eau.
- La suite du chapitre portera sur une étude expérimentale de la propagation des
mouvements vibratoires. Dans le cas d'un phénomène vibratoire entretenu, on définira la
notion de longueur d'onde dans un milieu unidimensionnel (corde liée à un vibreur entretenu)
en mettant en évidence la double périodicité.
Le stroboscope sera présenté brièvement et utilisé comme moyen pour « ralentir » ou
« immobiliser » apparemment un mouvement périodique rapide afin de pouvoir l’étudier.
- La cuve à ondes sera utilisée pour l'étude de la propagation des phénomènes entretenus
dans le cas d'un milieu bidimensionnel ; on présentera la propagation d'ondes circulaires et
d'ondes rectilignes, la notion de longueur d'onde sera généralisée.
- L'onde sonore (émise par un haut parleur excité par un générateur basses fréquences)
reçue par un microphone pourrait être analysée à l'aide d'un oscilloscope ; on pourrait ainsi
calculer la longueur d'onde de vibrations sonores dans l'air.
- Le principe de superposition déduit de l'observation de la rencontre de deux ondes
permettra de justifier qualitativement le phénomène d'interférences mécaniques. Ce
phénomène sera étudié expérimentalement grâce à la cuve à ondes. L'exploitation de
documents pourrait permettre de justifier qualitativement la figure d'interférences.
On donnera sans démonstration les expressions de la différence de marche pour les franges
d'amplitude maximale et pour les franges d'amplitude nulle.
- On généralisera aux ondes sphériques à travers des exemples d'illustration.
117
Troisième partie : OPTIQUE
CHAPITRE P11 : Etude expérimentale des lentilles
minces.
Durée : 6 h
CLASSE1° S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
* Lentille mince convergente,* Etude des caractéristiques
* Identifier une lentille.
*
Déterminer
les Lentille mince divergente.
d’une lentille convergente,
caractéristiques de l’image d’un
Axe optique principal, axe d’une lentille divergente.
* Formation d’une image à l'aide
objet soit par une lentille secondaire.
d'une lentille convergente.
convergente, soit par une Centre optique.
Foyer objet, foyer image.
* Mesure de la distance focale
lentille divergente.
* Distinguer foyer objet et foyer Plan focal objet.
d'une lentille convergente.
image.
Plan focal image.
* Vérification expérimentale des
* Déterminer une distance focale. Distance focale.
formules de conjugaison pour
* Construire l’image d’un objet Vergence.
une
lentille
mince
réel par une lentille mince - Grandissement.
convergente.
convergente, par une lentille
* Observation d’une image
mince divergente.
virtuelle (fonction loupe).
* Appliquer les formules de
conjugaison.
* Calculer et/ou mesurer sur un * Association des lentilles.
schéma, un grandissement.
- Formules de conjugaison.
* Utiliser la formule de
conjugaison.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire :
1 Anomalies de la vision, correcteurs.
2. Microscope optique et microscope électronique
- Comme indiqué par le titre, cette partie devra être traitée de façon expérimentale. Il est
recommandé de faire un TP cours; le Kit optic présente l’avantage, pour cela, d’être simple,
manipulable par les élèves et peu encombrant. Par ailleurs la plupart des lycées et collèges
en sont dotés.
- Par leur action sur un faisceau de lumière parallèle on définira lentilles convergentes et
lentilles divergentes. On mettra en évidence les caractéristiques des deux types de lentilles :
axe optique, centre optique, foyers objet et image, distance focale, vergence...
- On visualisera l’image d’un objet donné par une lentille. A ce propos on traitera différents
cas et l’on fera découvrir les caractéristiques de l’image (nature, taille) et le grandissement.
Les formules de conjugaison que l’on établira seront utilisées pour retrouver les
caractéristiques de l’image par le calcul. On insistera également sur les procédés graphiques
utilisables pour la construction de l’image. En travaux dirigés on pourrait faire recours à des
procédés graphiques pour traiter des cas simples d’association de lentilles.
118
- On terminera le chapitre par quelques applications des lentilles (verres correcteurs,
objectifs photographiques, lentilles de projection, microscope...). L’application aux verres
correcteurs sera précédée d’une description simplifiée du système optique que constitue
l’œil.
Activités d’intégration possibles
1 Simulation de l’oeil
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document (activité 1).
2 Problèmes des tsunamis
119
PROGRAMME DE CHIMIE
Les compétences d’année en chimie
-
Compétence 5
A la fin de la classe de première S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre en chimie organique (alcools, oxydes, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques et
esters), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
reconnaissance, caractérisation simplifiée de quelques composés oxygénés.
-
Compétence 6
A la fin de la classe de première S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre en électrochimie (réactions rédox, propriétés métalliques, potentiels normaux,
électrolyse), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
utilisation, applications diverses.
Les chapitres
Première partie : CHIMIE ORGANIQUE
L’enseignement de la chimie à ce niveau demeure expérimental. Beaucoup d’expériences
sont réalisables avec des composés organiques d’usage courant.
Tout au long de cet enseignement on cherchera à ordonner les connaissances, les structurer
pour aider à mieux les comprendre et par suite les fixer.
Les mécanismes réactionnels sont hors programme.
CHAPITRE C1 : Généralités sur la chimie organique.
Durée :3 h
CLASSE :1°S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
* Objet de la chimie organique.
* Mettre en évidence l’élément - Atome de carbone.
*
Réalisation
d’une
carbone.
combustion, d’une pyrolyse.
- Valence d’un élément.
Variétés
des
composés
• Utilisation
de
organiques.
modèles
* Hydrocarbure.
moléculaires.
*
*
Appliquer les résultats de
l’analyse
qualitative
et
quantitative pour déterminer la
formule brute d’un composé
organique.
* Déterminer les formules
développées correspondant à
une formule brute donnée.
* Identifier les différents types
d’isomérie plane.
Analyse qualitative et analyse
quantitative.
Formule brute d’un composé
organique
- Formules développées.
- Isomérie plane : isomérie de
fonction, isomérie de position,
isomérie de chaîne.
Etablissement de formules
brutes et développées à
partir des résultats de
l’analyse.
120
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Le carbone :
1 Décrire une expérience simple permettant de mettre en évidence la présence du carbone dans
une substance.
2 Mener une recherche documentaire sur :
- les ressources de carbone.
- le cycle du carbone
- La présentation de quelques composés organiques d’usage courant et leur analyse
qualitative (par combustion dans le dioxygène ou par pyrolyse) permettront d'aboutir à la
définition d'une substance organique et par suite à celle de la chimie organique. On
distinguera chimie organique et chimie inorganique. On insistera sur la variété des composés
organiques et les nombreux champs d’application de la chimie organique.
- On montrera comment cette variété est liée à la particularité de la structure électronique de
l’atome de carbone ; on signalera la tétravalence de l’atome de carbone et la prépondérance
de la liaison de covalence. On rappellera les valences des principaux éléments présents
dans les composés organiques et les types de liaisons covalentes correspondants (simple,
double et triple).
- A partir des résultats de l'analyse quantitative et de la donnée de la masse molaire d’une
substance on établira la formule brute correspondante.
- On montrera qu'à une formule brute donnée peuvent correspondre plusieurs formules
développées différentes se rapportant à des substances différentes, ce qui permettra
d'introduire la notion d'isomérie plane.
- Les notions de chaînes carbonées linéaire, ramifiée, cyclique seront précisées.
- NB : Dans ce chapitre on ne se préoccupera pas de la géométrie des molécules.
CHAPITRE C2 : Les alcanes.
Objectifs d’apprentissage
* Donner la structure du carbone
tétragonal.
* Donner la structure d’un alcane.
* Distinguer isomérie plane et
stéréo-isomérie.
* Nommer un alcane et écrire la
formule d’un alcane.
* Utiliser l’équation-bilan.
* Citer quelques applications
des alcanes et des dérivés
halogénés.
* Prendre des précautions lors de
l'utilisation
de
produits
inflammables (les éloigner des
sources de chaleur...).
* Prendre des précautions lors
de l'utilisation de gaz toxiques
(dichlore, ammoniac...).
Durée : 4 h
Contenus
* Alcanes.
Formule et règle de nomenclature
des alcanes.
- Carbone tétragonal
-Représentation spatiale
-Conformation.
*Réactions de destruction.
*Réactions de substitution .
Halogénation.
Dérivés halogénés.
- Substituant.
CLASSE:1 S
Activités d'apprentissage
* Préparation du méthane à
partir du carbure d’aluminium
* Représentation spatiale des
alcanes.
* Utilisation des modèles
moléculaires
*
Réalisation
de
la
combustion d’alcane dans le
dioxygène, dans le dichlore.
* Réalisation de la réaction de
substitution d'un alcane par
un halogène (dichlore
ou
dibrome).
.
.
121
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Visite du siège de la Société Africaine de Raffinage (SAR) de Mbao : installations de la
raffinerie, capacité annuelle de traitement du pétrole .
2 Recherche documentaire sur le pétrole et les gaz naturels.
- Un des objectifs de ce chapitre est d’élargir et d’approfondir les connaissances de base
nécessaires à l’apprentissage de la chimie organique.
- La nomenclature systématique des alcanes doit être exposée avec la plus grande clarté.
- On veillera à préciser les notions de chaîne principale et de ramification ainsi que les règles
de numérotation de la chaîne principale. La formule brute générale, les formules semidéveloppées possibles et la structure des alcanes devront être précisées et étayées
d’exemples.
- La notion de “carbone tétragonal” est à préciser ; on introduira à ce propos la
représentation en perspective et la représentation de Newman.
- La description de la structure d’un exemple simple d’alcane tel que l’éthane permettra
d’introduire la notion de conformation. Pour la description des structures les modèles
moléculaires pourraient être avantageusement utilisés.
- Les réactions de destruction et de substitution seront étudiées expérimentalement. Pour la
plupart des expériences on peut utiliser le butane qu’on peut prélever d’une bonbonne de
gaz domestique (ou d'un briquet).
- Les mécanismes réactionnels sont hors programme mais on veillera à préciser que lors
des réactions de substitution la structure du squelette carboné est conservée ; ce qui n’est
pas le cas lors des réactions de destruction (exemple combustion dans le dioxygène ou
oxydation brutale).
- On parlera du caractère exothermique des réactions de combustion des alcanes et
l'utilisation qui est faite de la chaleur de réaction dans la vie courante.
- Si cela n’a pas été fait dans le chapitre précédent on indiquera les différentes sources
d’hydrocarbures ; l’exploitation de ces sources pourrait faire l’objet d’exposés par les élèves.
122
CHAPITRE C3 : Les chaînes carbonées insaturées : les
alcènes et les alcynes.
Durée : 5 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Identifier un alcène ou un alcyne* Alcènes et alcynes.
par sa structure ou sa formule Formules générales et règle de
semi-développée.
nomenclature des alcènes et
* Nommer un alcène et un alcyne ; des alcynes.
écrire les formules développées - Carbone trigonal et carbone
d’un alcène et d’un alcyne.
digonal.
* Distinguer les propriétés chimiques - Représenation spatiale.
des alcènes et des alcynes avec - Configuration
celles des alcanes.
-Isomérie cis et trans ou
* Connaître l’utilité des produits (Z et E).
* Réaction d’addition.
formés.
Règle de Markovnikov
* Ecrire les équations-bilans.
* Ecrire les formules développées
des isomères cis et trans (Z et E) - Composés tautomères.
et des composés tautomères.
- Dérivés vinyliques.
* Ecrire les formules semidéveloppées
de
certains * Réaction de polymérisation.
- exemples.
polymères.
utilisations,
applications
* Donner les applications des réactions
d’addition
et
de industrielles.
polymérisation(matières
plastiques).
CLASSE :1S
Activités d'apprentissage
* Utilisation des modèles
moléculaires.
*Etablissement de formules
semi-développées.
* Réalisation de réactions
d’addition
* Réalisation de réactions de
polymérisation
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Le polyacétate de vinyle, le polychlorure de vinyle et le polyacrylonitrile sont des polymères.
1 Pour chacun des polymères préciser, le monomère (nom et formule semi-développée)
2 Rechercher les utilisations courantes faites de ces polymères.
- Il s’agit moins de faire l’étude des alcènes puis celle des alcynes que de procéder à une
étude générale qui puisse faire ressortir les propriétés communes des deux familles. Il ne
s'agit pas non plus de faire une étude monographique à ce niveau. On dégagera
expérimentalement chacune de ces propriétés à partir d'alcènes et d'alcynes d'usage
courant (éthylène, acétylène).
- Les formules générales, les règles de nomenclature seront précisées.
- En ce qui concerne la géométrie des molécules, on distinguera les concepts de carbone
digonal et trigonal avec le carbone tétragonal vu dans l'étude des alcanes. Au delà de la
terminologie on fera le lien précis entre le type de carbone et sa géométrie ; on se gardera
toutefois de faire un développement théorique sur la géométrie des molécules ; l’étude reste
descriptive et doit s’appuyer sur l’utilisation de modèles moléculaires.
- On introduira l’isomérie Z/E.
- L’étude des propriétés chimiques des chaînes insaturées sera expérimentale. On pourrait
commencer par la préparation d’un exemple d’alcène et d’alcyne (éthylène par
123
déshydratation de l’éthanol, acétylène par action de l’eau sur le carbure de calcium). Les
composés préparés seront utilisés pour réaliser :
* quelques réactions de destruction : combustion dans le dichlore, le dioxygène.
* des réactions d’addition : on insistera sur la variété des réactions d’addition.
- On étudiera les réactions de polymérisation : on soulignera l’importance de ce type de
réaction notamment dans l’industrie.
CHAPITRE C4 :
aromatiques.
Le
benzène
Objectifs d’apprentissage
Interpréter les propriétés
spécifiques du benzène par la
particularité de sa structure.
* Ecrire les équation-bilan des
différentes réactions d'addition
et de substitution.
* Citer les noms des trois dérivés
disubstitués du benzène.
* Citer quelques composés à
noyau aromatique.
* Prendre des mesures de
sécurité pour la manipulation
du benzène et des dérivés
nitrés.
*
–
les
composés
Durée : 3 h
Contenus
* Benzène.
.- Structure du benzène : le noyau*
benzénique.
- Réactions d’addition sur le*
benzène : addition de dihydrogène,
addition de dichlore.
*
- Réactions de substitution sur le
benzène : chloration,
nitration,
sulfonation, alkylation.
.* Composés aromatiques.
- exemples.
- utilisation.
CLASSE : 1S
Activités d'apprentissage
Utilisation
de
modèles
moléculaires.
Réalisation de l’addition du
dichlore sur le benzène.
Réalisation de réactions de
substitution sur le benzène :
chloration,
bromation,
alkylation.
Représentation de quelques
molécules,
Utilisation
de
modèles
moléculaires.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherche sur les colorants : nature, emplois
2 Quelles sont les mesures de sécurité à prendre pour prévenir les risques liés à la manipulation
des produits toxiques ?
- La particularité de structure du benzène doit être bien connue des élèves. On veillera à
l'exposer avec la plus grande clarté. On justifiera la structure du noyau benzénique par des
arguments chimiques (existence par exemple de trois dérivés disubstitués et non quatre) et
physique (caractère coplanaire des six atomes carbone, longueur de la liaison C - C etc.).
On soulignera la stabilité du benzène.
- A partir d'une étude expérimentale on fera découvrir les propriétés chimiques particulières
du benzène : - réactions d'addition relativement difficiles et impliquant d'emblée six atomes
ou groupes d'atomes monovalents. - réactions de substitution nombreuses et faciles.
- La stabilité du benzène, comme ses propriétés chimiques spécifiques seront mises en
relation avec la particularité de structure. En ce qui concerne les réactions d'addition on
soulignera les changements de structures qui les accompagnent ; ce qui permettra
d'introduire les conformations chaise et bateau que l'on représentera à l'aide de modèles
moléculaires.
124
- Pour les réactions de substitution on précisera que la structure du noyau benzénique est
conservée ;
avantageusement
on
pourrait
utiliser
les
modèles
moléculaires.
La
représentation concrète des isomères disubstitués permettra de préciser et de distinguer les
positions ortho, méta et para. Pour la nitration du benzène, on ne préparera que le
mononitrobenzène, pour cela on opérera en milieu refroidi (bain bien glacé) ; on signalera
cependant l'existence du dinitro et trinitrobenzène en précisant les positions relatives des
substituants (position méta), toutefois aucune justification théorique n'est à faire. Les règles
d'orientation sont hors programme.
- On citera quelques exemples de composés aromatiques en précisant leur formule semidéveloppée (toluène, xylène, aniline, phénol, naphtalène).
-
L'utilisation des composés aromatiques et dérivés sera donnée : insecticides,
solvants, explosifs etc.
CHAPITRE C5 : Les composés organiques oxygénés.
Objectifs d’apprentissage
Durée :6 h
CLASSE
1° S
Contenus
* Identifier les fonctions oxygénées
à partir de leur formule.
* Nommer un alcool, un étheroxyde, un aldéhyde, une cétone. un
acide carboxylique, un ester.
* Distinguer les trois classes d’alcool
par leurs formules développées.
* Distinguer les aldéhydes des
cétones
par
des
tests
d’identification.
*.
Activités
d'apprentissage
*Reconnaissance des fonctions :
• Représentation
alcools, aldéhyde, cétone, acide
de
formules
carboxylique, ester.
développées.
Groupement caractéristique.
• Utilisation
des
Formule brute
modèles
Nomenclature
moléculaires
Isomérie : les trois classes d’alcools.
*Caractérisation des aldéhydes et
cétones
Action de la DNPH,
Action du réactif de Schiff,
Action de la liqueur de Fehling).
Action du réactif de Tollens
Tests d’identification des
aldéhydes
et
des
cétones.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Outre le fait d'obtenir un ester, utile dans l'industrie agroalimentaire, en parfumerie ou d'autres
secteurs industriels, l'estérification est utile, de par son caractère réversible (pour les acides
carboxyliques et les alcools, tout du moins), dans le cadre de la protection de fonctions.
1 Rechercher les formules des groupements caractérisant les fonctions : acide carboxylique, alcool et
ester
2. Rechercher des exemples d’esters utilisés dans l’industrie agroalimentaire et en parfumerie.
Ce chapitre vise essentiellement deux objectifs spécifiques :
- le premier est de pouvoir caractériser quelques composés organiques oxygénés par leur
groupement caractéristique, leur formule et leur nom.
125
-
le second est de montrer que l’on peut caractériser en général les fonctions, mais on
se contentera de donner l’exemple des aldéhydes et cétones pour lesquels des tests
simples à réaliser permettent cette caractérisation.
Pour la reconnaissance des différentes fonctions oxygénées on pourrait présenter dans
l’ordre :
* les composés organiques dont la molécule comporte un atome d'oxygène : alcool et étheroxyde (liaison simple - O -) d'une part, aldéhyde et cétone (liaison double
C
O
) d'autre part
* les composés dont la molécule comporte deux atomes d'oxygène : acide carboxylique et
O
ester (
C
O
).
*Noter l’isomérie de fonction entre alcools et éther-oxydes, aldéhydes et cétones et acides
carboxyliques et esters.
Au cours de cette présentation on donnera les règles de nomenclature ; pour les alcools on distinguera
les trois classes. Dans la suite on fera les tests d'identification des aldéhydes et cétones. Les
propriétés des autres fonctions seront étudiées en terminale.
Activités d’intégration possibles
1 Identification d’une substance
Un flacon porte sur son étiquette la seule mention C3H6O et contient un liquide pur incolore.
Proposer un minimum de tests permettant d’Identifier le composé contenu dans le flacon et
réaliser ces tests (tous les réactifs nécessaires sont disponibles au laboratoire).
2 Organigramme récapitulant la filiation des composés étudiés en chimie organique.
126
Deuxième partie : OXYDOREDUCTION
Dans toute cette partie les expériences à réaliser nécessitent des conditions simples à réunir :
- moyens matériels non sophistiqués, peu onéreux : verrerie ordinaire, solutions diluées de sels
métalliques, lames métalliques.
- protocole expérimental simple : contact direct des réactifs sans chauffage ni refroidissement le plus
souvent ; bon nombre de ces expériences sont réalisables dans des tubes à essais et ne présentent
aucun danger.
C'est l'occasion de faire manipuler les élèves pour donner à la chimie encore une fois l'image qui lui
sied.
CHAPITRE C6 : Notion de couple oxydant-réducteur
Durée : 4 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Réaliser des réactions d’oxydo- * Réaction d’oxydoréduction.
Oxydation,
Réduction,
réduction.
* Donner des exemples de oxydoréduction.
couples ion métallique/métal et - Oxydant, Réducteur.
distinguer oxydant et réducteur.
* Ecrire et interpréter les demi * Couple oxydant-réducteur
ion métallique /métal.
équations électroniques.
• Ecrire
l’équation-bilan-- Notation.
d’une
réaction -Demi équation électronique.
d’oxydoréduction.
CLASSE : 1S
Activités d'apprentissage
* Réalisation de réactions
d’oxydoréduction et mise en
évidence
de
quelques
couples oxydant-réducteur.
* Ecriture de demi-éqations
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Quels sont les métaux usuels ? Où les trouver ? A quoi servent – ils ?
2 Rappeler les méthodes de caractérisation des ions métalliques fer (II), fer(III), cuivre (II), zinc
(II), aluminium (III).
- A titre introductif on pourrait :
* présenter brièvement les métaux en insistant sur leur caractère électropositif conséquence
d'une structure électronique particulière,
* rappeler, expériences à l'appui, les caractéristiques de quelques ions : couleur en solution
aqueuse, tests d'identification. La caractérisation des ions étudiée en classe de seconde
prend ici toute son importance.
- Dans l'ordre on présentera les notions de réaction d'oxydoréduction et de couple oxydantréducteur ion métallique/métal. L'action d'un métal tel que le zinc sur la solution de l'ion d'un
autre métal tel que l'ion Cu2+ permettra de définir l'oxydation, la réduction et la réaction
d'oxydoréduction. La réaction d'oxydoréduction sera interprétée à ce niveau comme un
transfert d'électrons du métal (le réducteur) à l'ion métallique (l'oxydant).
- La notion de couple oxydant-réducteur sera déduite de la mise en évidence expérimentale
de la réduction d'un ion métallique en métal et de la transformation inverse.
127
- On généralisera aux autres métaux et l'on traduira par la demi-équation électronique :
M n+ + n e-
M
CHAPITRE C7 : Classification qualitative des couples
oxydant-réducteur ion métallique/métal
Objectifs d’apprentissage
Durée : 6 h
Contenus
* Classement de deux couples.
Prévoir le sens de la réaction - Sens de la réaction spontanée
spontanée entre deux couples entre deux couples.
ion métallique/ métal.
- Equation- bilan
de
classification
* Enoncer la règle dite “ du Tableau
qualitative des couples ion
gamma”.
*
Interpréter
les
réactions métallique/métal.
d’oxydoréduction en termes - Principe de la classification
d’interaction entre couples.
électrochimique.
* Ecrire les équation-bilan des - présentation.
réactions d'oxydoréduction.
- intérêt.
* Retenir le principe de la
classification
* Utiliser la classification.
CLASSE :1 S
Activités d'apprentissage
* Réalisation des réactions
d’oxydoréduction.
entre
couples ion métallique/métal.
* Classification des couples à
partir
des
résultats
expérimentaux.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire :
1 Comparaison des propriétés des métaux usuels : propriétés communes et propriétés distinctives.
2 Pourquoi ne trouve-t-on pas la plupart des métaux à l’état natif ?
- Partant des espèces de deux couples ion métallique/métal : on fera découvrir le sens de la réaction
spontanée entre ces deux couples ; ce qui permettra de les classer. On retiendra que l'oxydant le plus
fort réagit avec le réducteur le plus fort pour donner l'oxydant le plus faible et le réducteur le plus faible
(loi du plus fort pour mémoire ou règle du gamma). Il est important de souligner dès à présent le
caractère exoergique de cette réaction spontanée ; ce qu'on pourrait mettre en évidence en faisant
réagir dans un tube à essais la poudre de métal et la solution d’ion métallique le plus oxydant.
- L'expérience préliminaire ainsi réalisée sera répétée avec d'autres couples ion métallique/métal. Un
choix judicieux permettra, à l'aide d'un minimum de tests, d'arriver à une classification générale des
couples usuels ion métallique/métal : Ag+/Ag, Al3+/Al, Cu2+/Cu, , Pb2+/Pb, Sn2+/Sn, Zn2+/Zn.
- On soulignera l'intérêt de la classification dans la prévision des réactions on signalera toutefois ses
limites ( Fe2+/Fe et Pb2+/Pb).
128
CHAPITRE C8 : Classification quantitative des couples
oxydant-réducteur.
Durée : 6h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
*
* Déterminer la polarité d’une pile * Pile.
(expérience ou utilisation des - constitution et réalisation.
potentiels).
- Polarité et caractéristique.
* Déterminer la fem d’une pile.
--- notation conventionnelle
.Ecrire l'équation-bilan de la Demi-pile à hydrogène.
réaction
de
fonctionnement - Place du couple H O+/H dans
3
2
d’une pile.
l’échelle
de
classification
*
électrochimique
* Placer le couple H3O+/H2 – Constitution de la demi-pile
dans l’échelle de classification * Potentiel normal d’un couple
oxydant-réducteur.
électrochimique.
CLASSE : 1S
Activités d'apprentissage
Expériences sur les piles :
réalisation, mesure de fem.
Expérience :
action
acides sur les métaux
des
* Mesure du potentiel d’un
couple oxydant-réducteur.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Découper sur une feuille de zinc et une feuille de cuivre deux plaques de 3 cm x 3cm. Avec du
liquide de batterie d’accumulateur (acide sulfurique) imbiber un morceau de carton de mêmes
dimensions que les deux plaques métalliques. Insérer le carton entre ces plaques. A l’aide fils
métalliques, relier les plaques métalliques, l’une au plot et l’autre au culot d’une ampoule
électrique. Q’elle observation fait-on ?
2 Superposer deux, puis trois ; puis quatre éléments identiques au précédent. Relier à chaque fois
les lames extrêmes au plot et au culot de l’ampoule. Décrire vos observations.
- De l'action des acides chlorhydrique et sulfurique dilués et à froid sur quelques métaux on
déduira la réduction de l'ion hydronium H3O+ en dihydrogène H2. Ce qui permet d'introduire
le couple H3O+/H2 noté simplement H+/H2 et par suite d'insérer ce couple dans la
classification électrochimique des métaux précédemment établie.
- La pile Daniell sera réalisée et son fonctionnement expliqué ; on montrera en particulier que
le bilan des réactions d'électrodes correspond à la réaction spontanée qui a lieu entre les
couples Cu2+/Cu et Zn2+/Zn.
- Cette réaction, comme déjà vue, est assortie d'une énergie chimique convertie ici en
énergie électrique dont une partie est perdue sous forme calorifique dans les différentes
sections du circuit de fonctionnement.
- Se servant de la pile Daniell comme prototype, on réalisera, en TP, diverses piles dont on
déterminera les polarités et la valeur de leur f.e.m. On donnera à l'appui leur représentation
conventionnelle.
- La demi-pile à hydrogène étant prise comme référence (E°H3O+/H2 = 0,00 V) (ou à défaut
une demi-pile ion métallique/métal tel que Cu2+/Cu) on en déduira les potentiels des autres
demi-piles ion métallique/métal.
129
- La notion de potentiel normal sera expliquée ; après avoir indiqué le principe de la
classification on donnera un extrait du tableau des potentiels normaux, extrait concernant
pour le moment les couples ion métallique/métal usuels et le couple H+/H2. On retiendra que
le potentiel d'un couple mesure la "force" de l'oxydant de ce couple.
- On précisera à nouveau le sens de la réaction spontanée entre deux couples de potentiels
normaux donnés : "l'oxydant du couple dont le potentiel est le plus élevé réagit avec le
réducteur du couple dont le potentiel est le plus bas".
- A partir du tableau des potentiels normaux on montrera comment on peut prévoir la
polarité, calculer la f.e.m et écrire l’équation-bilan de fonctionnement d'une pile.
- Pour clore le chapitre on signalera, à titre tout à fait indicatif, l'existence d'autres piles ; mais
à cette occasion aucun développement théorique n'est à faire ni sur leur constitution ni sur
leur fonctionnement. On parlera plutôt de l'utilisation pratique faite des piles.
CHAPITRE C9 : Généralisation de l’oxydoréduction en
solution aqueuse.
Durée : 5 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Ecrire les demi-équations* Couples oxydant-réduc-teurs*
électroniques d’autres couples. autres que ion métallique
**
Ecrire
les
équations /métal.
*.- exemples,
d’oxydoréduction.
* Vérifier la règle dite du - demi-équation électronique.
Généralisation .
“gamma”.
* Déterminer le potentiel d’un - potentiels normaux.
couple
- réactions d’oxydoréduction
au
dosage
* Manipuler avec précaution Application
certains produits comme le d’oxydoréduction
permanganate de potassium.
CLASSE°1S
Activités d'apprentissage
* Expériences : mise en
évidence d’autres couples en
solution aqueuse.
Expériences : Détermination du
potentiel d’un couple.
Réalisation de réactions entre
divers couples.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Définir la manganimétrie et indiquer quelques unes de ses applications pratiques.
- Dans les chapitres qui précèdent ont été étudiées des réactions d'oxydoréduction faisant
intervenir des couples ion métallique/métal. Les notions de couple oxydant-réducteur et de
potentiel vues dans ces chapitres peuvent être généralisées à toutes les réactions
d'oxydoréduction en solution aqueuse.
- Cette généralisation se fera sur la base d'expériences comportant :
* la mise en évidence d'autres couples oxydant-réducteurs en solution aqueuse, entre autres
couples on étudiera : MnO4-/Mn2+, I2/I-, Cr2O72-/Cr3+, Fe3+/Fe2+, S2O82-/SO42-, S4O62/S2O32-
130
* la mesure des potentiels normaux de ces couples : cela se fera à partir de la détermination
de la polarité et de la f.e.m de piles constituées de la demi-pile correspondant à chacun de
ces couples et de la demi-pile à hydrogène (ou à défaut de la demi pile Cu2+/Cu en tenant
compte du décalage de 0,34V).
- On précisera que la réaction d'oxydoréduction en solution aqueuse se solde par un
transfert d'électrons du réducteur le plus fort (potentiel le plus bas) à l'oxydant le plus fort
(potentiel le plus élevé). On apprendra aux élèves à en faire le bilan en écrivant
correctement au préalable les demi-équations électroniques des deux couples. A titre
d’application on fera le dosage de l’ion ferreux par l‘ion permanganate en milieu acide.
D’autres exemples seront traités en exercices.
CHAPITRE C10 : Electrolyses, bilan quantitatif.
Durée : 6 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Rappeler le sens du mouvement * Electrolyses.
des ions dans un électrolyte.
-- -Réaction provoquée.
* Indiquer le type de réaction au -Phénomène de surtension.
niveau de chaque électrode -Réaction aux électrodes.
(oxydation anodique et réduction -Règle de prévision.
cathodique)
-Aspects quantitatifs
** Appliquer la théorie simplifiée de l’électrolyse.
* Applications.
l’électrolyse.
*.*Interpréter
quantitativement - Galvanoplastie.
l’équation de réaction au niveau - Chromage.
- Affinage des métaux.
de chaque électrode.
*Citer des applications de
l’électrolyse.
de
CLASSE :1S
Activités d'apprentissage
* Réaliser des électrolyses en
solution aqueuse de HCl,
NaCl, NaOH, CuSO4 avec
électrodes
en
graphite,
CuSO4 avec anode en cuivre.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Galvanoplastie, chromage, plaquage d’or et autres : préciser ce que c’est. Pourquoi a-t-on
besoin de protéger certains métaux ?
2 Citer quelques applications de l’électrolyse en bijouterie et dans l’industrie.
-
Jusqu'à maintenant les réactions d'oxydoréduction étudiées étaient des réactions
spontanées. Dans ce chapitre les réactions considérées ont lieu grâce à l'action du courant
électrique. Dès lors, on montrera à partir d'un exemple simple que dans l'électrolyse ont lieu
des réactions d'oxydoréduction provoquées inverses des réactions spontanées, l'apport
d'énergie étant assuré par le courant électrique.
- A titre indicatif les règles simplifiées de l'électrolyse pourraient être énoncées à l'issue de
l'étude expérimentale d'un exemple d'électrolyse tel que l'électrolyse d'une solution d'iodure
de potassium entre électrodes en graphite. Toutefois on montrera, à partir d'exemples, que
l'existence de phénomènes tels que les surtensions rendent plus difficile la prévision des
131
réactions d'une électrolyse ; la connaissance des potentiels d'oxydoréduction reste
nécessaire mais ne suffit pas pour prévoir complètement les réactions qui se produisent
effectivement aux électrodes. En conséquence, tout au long de cette étude, il est souhaitable
de privilégier l'observation expérimentale. Les exemples étudiés pourront être variés mais
devront être traités cas par cas et l'on partira toujours de la mise en évidence des produits
formés avant l'interprétation par les réactions d'électrodes.
- Parmi les exemples étudiés on présentera l'électrolyse du chlorure d'étain (II) entre
électrodes de graphite (intervention des espèces du soluté), l’électrolyse de l'eau entre
électrodes de graphite (intervention du solvant), l’électrolyse d'une solution de sulfate de
cuivre (II) entre électrodes de cuivre ou électrolyse à anode soluble (intervention de
l'électrode).
- On fera l'étude quantitative de l'électrolyse ; on l'appliquera à des calculs de quantités de
matière formées au niveau des électrodes.
- On insistera sur l'importance de l'électrolyse dans la préparation de produits industriels, la
purification et l'affinage des métaux, les dépôts métalliques (plaques d'or en bijouterie,
chromage de pièces métalliques, etc.)
CHAPITRE C11 : Oxydoréduction par voie sèche.
Durée : 4 h
CLASSE °1 S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
**Donner
des
exemples
de* Réaction d’oxydoréduction par * Réaliser des réactions
réactions d’oxydoréduction par voie sèche.
d’oxydoréduction par voie
sèche.
voie sèche.
Electronégativité.
* Utiliser les règles d’attribution des Indice d’électronégativité.
nombres d’oxydation.
- Echelle de Pauling.
* *Utiliser les nombres d’oxydation - Nombre d’oxydation.
pour identifier une réaction * Corrosion des métaux.
d’oxydoréduction,
distinguer
l’oxydant et le réducteur puis * Applications : protection des
équilibrer l’équation.
métaux, aluminothermie.
*Expliquer la corrosion.
* Citer les types de corrosion.
*Citer quelques méthodes de
protection des métaux.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire : à partir d’exemples, expliquer le traitement des minerais pour la
préparation des métaux.
- Les réactions d'oxydoréduction par voie sèche pourraient être illustrées expérimentalement
par des combustions de solides et gaz dans le dioxygène (sodium, magnésium, carbone,
dihydrogène) et dans le dichlore (sodium, dihydrogène). On montrera que si pour certaines
de ces réactions le transfert d'électrons est justifié, pour d'autres il l'est moins. Traitant de la
132
combustion du dihydrogène dans le dioxygène (ou le dichlore), on introduira le principe d'un
"transfert fictif" d'électrons de l'élément le moins électronégatif, l'hydrogène, à l'élément le
plus électronégatif, l'oxygène (ou le chlore). Ce qui conduit à la convention des nombres
d'oxydation dont on donnera les règles (corps simple, ion simple, molécule, ion
polyatomique). Pour l'attribution des nombres d'oxydation, il sera utile de connaître
l'électronégativité des éléments. Pour une "molécule" du type A-B on expliquera l'attribution
des nombres d'oxydation aux éléments A et B à partir des valeurs de leur électronégativité
extraites de l'échelle d'électronégativité (échelle de Pauling).
- A travers divers exemples on insistera sur l'utilisation des nombres d'oxydation pour
identifier une réaction d'oxydoréduction, distinguer l'élément oxydé et l'élément réduit,
équilibrer l'équation correspondante.
- A titre d'applications on soulignera l'importance des réactions d'oxydoréduction par voie
sèche dans la préparation des métaux :
* réduction des oxydes, des sulfures métalliques par le carbone, le monoxyde de carbone et
le dihydrogène;
* réduction des oxydes de métaux tels que le manganèse et le chrome par l'aluminium ou
aluminothermie.
- Parlant de l'oxydation lente des métaux, on expliquera le phénomène de corrosion des
métaux et les méthodes de protection utilisées en particulier pour le fer (ou l'acier)
Thème : Un chapitre pourra être traité sous forme d'exposé par les élèves pour illustrer les
engrais. Il faudrait pouvoir citer différents types d'engrais : azotés (nitriques et
ammoniacaux), phosphatés, potassiques. Il faudrait insister sur leur importance et leur
utilisation.
Activités d’intégration possibles
1 Extraction du cuivre d’un minerai
•
Tests préliminaires
1. Dans un tube à essais T1 contenant 1 mL de solution bleue de sulfate de cuivre (II) à 0,1
mol.L-1 ajoutons un petit morceau de laine de fer; fermons le tube avec un bouchon et
agitons vigoureusement pendant environ une minute. La solution prend une teinte verte très
pâle et la laine de fer se recouvre d'un dépôt rouge.
Prélevons un peu de la solution dans un tube à essais T2 et ajoutons-y une ou deux gouttes
de solution de soude: un précipité vert se forme.
Interpréter les réactions observées dans les tubes T1 et T2 et écrire leurs équations.
2. Dans un tube à essais T3 contenant 1 ml de solution jaune de sulfate de fer(lll) à 0,1 mol.L1
, ajoutons un petit morceau de la laine de fer; fermons le tube avec un bouchon et agitons
133
vigoureusement pendant environ une minute. La solution prend une teinte verte très pâle et
le volume de la laine de fer a nettement: diminué.
Prélevons un peu de la solution dans un tube à essais T4 et ajoutons-y une ou deux gouttes
de solution de soude: un précipité vert se forme.
Interpréter les réactions observées dans T3 et T4 et écrire leurs équations.
•
Récupération du métal cuivre
3. Par action d'une solution d'acide sulfurique à 0,2 mol.L-1, un minerai de cuivre
grossièrement broyé fournit une solution: contenant les cations cuivre (ll) à 2,80 g.L-1 et
fer(lll) à 0,84 g.L-1.On considère la purification d'un volume V = 100 L de solution
On ajoute à cette solution une masse m de fer en petites plaques et on agite le mélange
jusqu'à ce qu'il n'évolue plus, le cuivre se détachant au fur et à mesure de sa formation. Un
ajout de quelques gouttes de soude à un prélèvement de la solution finale donne un précipité
vert.
a. lnterpréter les faits observés et en particulier le précipité vert donné avec le prélèvement.
b. Comment aurait-on pu vérifier qu'il n'y a plus d'ions Fe3+ dans la solution?
c. Écrire les équations des réactions qui se déroulent en présence des plaques de fer.
d. Déterminer la masse minimale de plaques de fer qu'il est nécessaire d'utiliser pour
récupérer tout le métal cuivre.
2 Pourquoi l’or est –il le seul métal à se trouver à l’état natif dans la nature ?
3 Fabriquer une pile avec du matériel de récupération et réaliser l’éclairage d’une
chambre.
134
PROGRAMMES DE SCIENCES PHYSIQUES
DES CLASSES DE TERMINALES S1 ET S2
Août 2008
135
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE TERMINALE S1 ET S2
HORAIRE : 6 H / ELEVE
PROGRAMME DE PHYSIQUE
CHAPITRE
Numéro
Titre
Horaire
CINEMATIQUE - DYNAMIQUE
P1
Cinématique du point.
5 + 1 =6
P2
Bases de la dynamique
4+1=5
P3
Applications des bases de la dynamique.
10
P4
Gravitation universelle
6
ELECTROMAGNETISME.
P5
Généralités sur les champs magnétiques - Champs magnétiques des 6
courants.
P6
Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique uniforme.
6
P7
Loi de Laplace.
5
P8
Induction magnétique- Etude d‘un dipôle (R, L).
6
P9
Etude du dipôle (R,C).
5
OSCILLATIONS – OPTIQUE.
P10
Oscillations électriques libres et oscillations électriques forcées
9
P11
Oscillations mécaniques libres.
4
P12
Interférences lumineuses.
6
PHENOMENES CORPUSCULAIRES.
P13
Effet photoélectrique : mise en évidence et interprétation
4
P14
Niveaux d’énergie de l’atome.
4
P15
Réactions nucléaires
8
Total
.
90
136
PROGRAMME DE CHIMIE
CLASSE DE Terminales S
CHAPITRE
Numéro
Titre
Horaire
C1
Alcools
6
C2
Amines
4
C3
Acides carboxyliques et dérivés.
5
C4
Cinétique chimique.
5
C5
Autoprotolyse de l’eau - pH d’une solution aqueuse- Indicateurs colorés
6
C6
Acide fort- Base forte- Réaction entre acide fort et base forte ; Dosage.
7
C7
Acides et bases faibles - couples acide-base - constante d’acidité
et classification des couples acide-base.
8
C8
Réaction acide faible/base forte (et vice versa), effet tampon. Dosage.
7
C9
Acides α aminés (éléments de stéréochimie)
5
Total
.
53
137
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE TERMINALE S
P R O G R A M M E
D E
P H Y S I Q U E
Les compétences d’année.
Compétence 1
A la fin de la classe de terminale S, l’élève ayant acquis des savoirs, savoir-faire et
savoir-être en mécanique (lois de Newton et/ou théorèmes relatifs à l’énergie), doit
les intégrer dans des situations d’explication, de prévision et de résolution de
problèmes liés au mouvement ou au repos de systèmes mécaniques.
Compétence 2
A la fin de la classe de terminale S, l’élève ayant acquis des savoirs, savoir-faire et
savoir-être en électromagnétisme (loi de Laplace, induction, dipôle R,L, dipôle R,C,
oscillations électriques) doit les intégrer dans des situations d’explication, de
prévision et de résolution de problèmes.
Compétence 3
A la fin de la classe de terminale S, l’élève ayant acquis des savoirs, savoir-faire et
savoir-être sur les phénomènes ondulatoires et phénomènes corpusculaires
(phénomènes lumineux, niveaux d’énergie, réactions nucléaires), doit les intégrer
dans des situations de résolution de problèmes.
Les chapitres
Première partie : Etude cinématique et dynamique des mouvements.
Le programme de cinématique de la classe de terminale consolide et complète surtout les
acquis des élèves dans ce domaine ; ce faisant il les prépare à l’étude de la dynamique.
Les lois horaires et propriétés caractéristiques des mouvements étudiés en cinématique
seront très utiles par la suite et viendront en complément de l’étude dynamique de ces
mouvements.
L'utilisation de l'outil mathématique (dérivation, intégration) sera d'un grand apport. Il est
donc recommandé de travailler en collaboration avec le professeur de mathématiques de la
classe.
138
CHAPITRE P1 : Cinématique du point.
Durée : 6 h
CLASSE:T° S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
* Citer des référentiels.
*
Utiliser
les
coordonnées
cartésiennes, polaires et l’abscisse
curviligne
* Utiliser les expressions du
vecteur position, vecteur vitesse
instantanée
et
du
vecteur
accélération instantanée.
* Utiliser les expressions des
accélérations
tangentielle
et
normale.
* Utiliser les lois horaires de
quelques
mouvements :
(mouvements
rectilignes
uniforme, uniformément varié,
sinusoïdal)
et
mouvements
circulaires :
(uniforme,
uniformément varié, sinusoïdal).
* Réaliser quelques expériences
en cinématique : banc et table à
coussin d’air, chute libre, plan
incliné
Rappels :
- Mobile,
- Relativité du mouvement
Référentiels,
- définition,
- exemples
* Grandeurs cinématiques
- Repères et systèmes de
coordonnées
(cartésiennes,
polaires, abscisse curviligne).
- Vitesse.
- Accélération
- Lois horaires.
*
Etude
de
quelques
mouvements
Mouvements
rectilignes
(uniforme, uniformément varié,
sinusoïdal).
Mouvements
circulaires
(uniforme, uniformément varié)
* Observations :
* mouvements, trajectoires.
*
Enregistrements
de
mouvements
*
Exploitation
des
documents.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Galiléo Galilei (1564-1642) est incontestablement le père de la cinématique. Il a non seulement
été un brillant observateur de l’univers, mais il a aussi cherché à expliquer les mouvements qu’il
observait. Par un ensemble de dispositifs expérimentaux de mesures et de raisonnements
mathématiques, il a cherché à décrire en particulier les mouvements de chute.
L’un des principaux problèmes élucidés par Galilei est celui du système de référence auquel on
rapporte le mouvement.
1 Faire des recherches sur la biographie de Galilei.
2. Qu’appelle-t-on système de référence ou référentiel ?
3. Citer des exemples de référentiels.
Rappeler les notions de cinématique du point étudiées en classe de seconde : notion de
mouvement, mobile, relativité du mouvement, référentiel, coordonnées cartésiennes, vitesse
moyenne.
Pour le concept de référentiel on s’en tiendra à ce niveau à donner des exemples, la notion
de référentiel galiléen sera introduite en dynamique. On insistera sur la représentation d'un
point dans l'espace et l'utilisation d'autres systèmes de coordonnées (coordonnées polaires
et abscisse curviligne). S’appuyant sur l’approche déjà utilisée en classe de seconde pour la
détermination des vitesses on en viendra à l’expression du vecteur vitesse instantanée en
139
fonction du vecteur position : le vecteur vitesse instantanée est la dérivée première par
rapport au temps du vecteur position. Au fur et à mesure du déroulement de la leçon le
professeur veillera à apporter les compléments mathématiques utiles (notions de dérivée et
primitive) à partir d’exemples simples.
Définir l’accélération moyenne et l’accélération instantanée et donner les expressions des
accélérations tangentielle et normale.
On donnera la loi de composition des vitesses : une illustration en sera faite à l'aide d'un ou
de deux exercices, cela permettra entre autres exemples de calculer la vitesse d'éjection des
gaz d'une fusée par rapport à un référentiel autre que celui de la fusée.
L'étude expérimentale de quelques mouvements faite en classe de seconde sera complétée
ici par une étude théorique à l’aide des grandeurs cinématiques sus définies. Les lois
horaires x = f(t), v = g(t) et a = h(t) seront établies et on insistera sur les conditions initiales.
On étudiera
des mouvements rectilignes (uniforme, uniformément varié, sinusoïdal),
circulaire (uniforme, uniformément varié). Pour chaque mouvement étudié on soulignera les
propriétés caractéristiques. A travers des exercices variés les élèves seront amenés à
employer ces propriétés qui sont très utiles dans tout le programme.
Le mouvement circulaire sinusoïdal sera traité uniquement en classes de TS1 et TS3.
La loi de composition des accélérations, les hodographes des vitesses et des
accélérations sont hors programme.
CHAPITRE : P2 : Bases de la dynamique
Objectifs d’apprentissage
* Choisir le référentiel adapté au
mouvement.
* Mettre en évidence le centre
d’inertie.
*
Appliquer
la
relation
barycentrique pour déterminer le
centre d’inertie (cas simples)
* Exploiter des enregistrements
(pour déterminer le centre
d’inertie, vérifier le principe de
l’inertie)
* Enoncer et formuler les lois de
Newton.
* Calculer des moments d'inertie
de divers solides par utilisation
du théorème de Huygens.
* Utiliser un banc à coussin d'air.
Durée :4 h
Contenus
* Centre d’inertie.
- mise en évidence,
- relation barycentrique
* Quantité de mouvement
ère
* Principe de l'inertie (1 loi de
Newton).
* Référentiel galiléen.
* Relation fondamentale de la
dynamique.
- énoncé,
- formulation
*
Théorème
du
centre
ème
d'inertie.(2
loi de Newton)
- énoncé,
- formulation.
* Théorème de l'accélération
angulaire.
- énoncé,
- formulation
* Théorème d'Huygens
* Conséquence : Théorème de
l’énergie cinétique
CLASSE :T° S
Activités d'apprentissage
* Expérience de mise en
évidence du centre d’inertie
(table à coussin d’air)
* Exploitation de documents.
* Illustration du principe de
l'inertie (banc à coussin d'air).
140
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Qui était Issac NEWTON ?
2 Enoncer les trois lois de Newton
3 Quel est le domaine de validité de ces lois ?
Ce chapitre débutera par la mise en évidence du centre d’inertie : réaliser une expérience
ou exploiter des enregistrements. Donner l’expression de la relation barycentrique, relation
précisant la position du centre d’inertie par rapport aux autres points du système (il n’est
pas demandé d’établir cette relation à partir de documents).
Le vecteur quantité de mouvement sera défini pour un point matériel puis pour un système
de points matériels.
On rappellera les exemples importants de référentiels que constituent les référentiels
héliocentrique (ou de Copernic), géocentrique (ou de Coriolis) et terrestre (ou de
laboratoire).
Insister sur l’importance du choix du référentiel pour l’étude d’un mouvement.
Le principe de l'inertie sera énoncé et on l'illustrera à l'aide d'un banc à coussin d'air (à
défaut faire exploiter un document). Définir par la même occasion la notion de référentiel
galiléen et préciser les approximations faites lorsqu'on désire considérer certains
référentiels (géocentrique, terrestre) comme galiléens et leurs limites d'utilisation.
L’observation de quelques mouvements simples permet de montrer qualitativement que la
cause de la variation de vitesse du centre d’inertie d’un système est l’existence d’une force
non compensée.
On admettra que la relation fondamentale de la dynamique est un postulat de base de la
mécanique classique et comme tout postulat il ne se démontre pas, il trouve sa justification
dans les résultats concordants qu’il donne avec l’expérience. Insister sur le fait qu’elle n'est
valable que dans un référentiel galiléen.
Le théorème du centre d'inertie sera déduit de la relation fondamentale de la dynamique en
considérant que si la vitesse d'un mobile est négligeable devant la célérité de la lumière
alors la masse du mobile est une constante qui le caractérise, elle est indépendante du
temps.
On établira uniquement pour les séries S1 et S3 (anciennes séries C et E) le théorème
de l'accélération angulaire.
141
On rappellera le moment d'inertie de certains solides et on donnera le théorème d'Huygens
sans démonstration.
Les théorèmes relatifs à l'énergie (théorème de l'énergie cinétique, théorème de l'énergie
mécanique) parties intégrantes des bases de la dynamique seront rappelés sans
démonstration. Le chapitre qui suit sera mis à profit pour leurs applications dans la résolution
de problèmes concrets de dynamique.
La conservation de la quantité de mouvement sera illustrée par un exemple
d’application sous forme d’exercice : on traitera un exemple de choc élastique et un
de choc inélastique ; on se limitera à ces deux exemples.
CHAPITRE
P3 :
Applications
des
bases
de
la
Durée : 10 h
C L A S S E : T °S
dynamique
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Résoudre des problèmes de
dynamique
*
Appliquer
les
théorèmes
fondamentaux à des mouvements
particuliers.
*
Exploiter,
interpréter
des
enregistrements de mouvements.
Activités
d'apprentissage
* Mouvements d’un projectile dans le
champ de pesanteur uniforme
- chute libre de direction verticale
- chute ralentie : plan incliné
•
- chute parabolique
- chute verticale dans un fluide
* Autres exemples de mouvements :
•
- pendule conique, fronde, virage
- mouvements sur pistes variées,
- mouvements combinés (rotationtranslation)
*
Mouvements
d’une
particule
chargée dans un champ électrique
uniforme :
- mouvement rectiligne.
- mouvement parabolique.
- déflexion électrique
* Applications :
- détermination de g,
- Oscilloscope
Résolution
problèmes
dynamique.
Expérience et
exploitation
document sur
chute libre et
chute ralentie.
de
de
/ou
de
la
la
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Lâcher sans vitesse initiale une bille ponctuelle sur la ligne de plus grande d’un plan incliné de 30° sur
l’horizontale. Repérer la position de l’objet à intervalles de temps égaux successifs très petits.
1 Reproduire l’enregistrement obtenu.
2 En déduire l’accélération du mouvement.
3 Etablir l’expression théorique de l’accélération du mouvement en considérant que les frottements
sont négligeables. Faire l’application numérique. Prendre g = 9,8 S.I. Comparer avec le résultat obtenu
expérimentalement. Conclure.
142
Dans ce chapitre sera regroupée l’étude de quelques mouvements dans les champs de forces
déjà connus des élèves.
Cette étude ne devra pas donner lieu à un exposé dogmatique mais sera plutôt traitée sous
formes d'exercices. Ces exercices devront porter, entre autres, sur les thèmes suivants :
* mouvements rectilignes : plan incliné, mouvements dans des champs (g, E) dans le
cas où la vitesse initiale est nulle ou possède le même support que le vecteur
champ.
* mouvements paraboliques dans g, dans E ( traiter la
déflexion électrique et
expliquer l’application qui en est faite avec l'oscillographe cathodique)
* mouvements circulaires uniformes : fronde, pendule conique, virage
* mouvements curvilignes : solide glissant sur une calotte sphérique, pendule en
rotation dans un plan vertical.
A travers ces différents exemples les élèves s'entraîneront à acquérir une démarche de
résolution de problèmes :
* délimiter un système
* choisir un référentiel en précisant l'origine des espaces et du temps
* faire l'inventaire des forces agissant sur le système
* appliquer les différents théorèmes
* interpréter les relations obtenues.
Ne pas insister sur l’étude des changements de repère. Tout au plus, si on juge utile de faire
cette étude pour certains mouvements (pendule dans un véhicule), le changement de repère
sera limité au cas d’un solide ponctuel (afin que les difficultés liées aux questions de
distribution des forces n’interviennent pas) et au cas de l’équilibre relatif (pour ne pas avoir à
faire intervenir une éventuelle accélération de Coriolis ; la composition des accélérations
n’est pas étudiée en cinématique).
On rappellera que les relations de la dynamique sont valables par rapport à un référentiel
r
r
galiléen. Si on désire conserver la condition d’équilibre ∑ F = O dans un autre repère on
r
est amené à changer de membre le terme « ma » et à interpréter « – m a » comme
représentant une force supplémentaire dite force d’inertie. Contrairement aux autres forces
cette force d’inertie ne représente pas une action mécanique exercée par un corps matériel
sur un autre/
NB : Les propriétés des mouvements vues en cinématique seront d'un secours dans la
résolution des problèmes de dynamique. Le professeur montrera chaque fois que cela est
possible l'intérêt des méthodes de résolution des problèmes faisant appel aux théorèmes
relatifs à l'énergie.
Pour chaque mouvement étudié on citera quelques applications pratiques.
Le mouvement de roulement avec glissement est hors programme.
143
CHAPITRE P4 : Gravitation universelle.
Objectifs d’apprentissage
*Enoncer la loi de gravitation
universelle
et
donner
sa
formulation vectorielle.
*Déterminer les caractéristiques
du
vecteur
champ
de
gravitation.
* Distinguer vecteur champ de
gravitation terrestre et vecteur
champ de pesanteur.
* Calculer la vitesse et la
période du mouvement d'un
satellite dans un référentiel
géocentrique
* Déterminer les caractéristiques
de
l’orbite
d'un
satellite
géostationnaire.
* Exprimer l’énergie mécanique
d’un satellite.
*Calculer la vitesse minimale de
libération
*Utiliser la troisième loi de
Kepler
* Calculer
la masse d'une
planète à partir de la troisième
loi de Kepler
* Prendre conscience de
l'importance
des
satellites
géostationnaires.
Durée :6 h
Contenus
* Gravitation universelle.
Loi
de
la
gravitation
universelle.
- Champ de gravitation.
- Champ de gravitation terrestre.
- différence entre champ de
gravitation
et
champ
de
pesanteur.
Energie
potentielle
de
gravitation.
CLASSE :T° S
Activités d'apprentissage
* Formulation de la loi de la
gravitation universelle.
* Représentation de la courbe
T2 = f(r3).
* Exploitation de la courbe T2 = f(r3).
*
Exploitation
de
documents,
commentaire de textes scientifiques
* Applications :
mouvement d’un satellite à
trajectoire circulaire
- Vitesse de satellisation.
- Période d'un satellite.
- Satellite géostationnaire.
- Troisième loi de Kepler :
T2/r3 = constante
*
Vitesse
minimale
de
libération.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Le premier satellite artificiel Spoutnik I fut lancé par l'URSS en 1957. Depuis cette époque, plus de 5 000
satellites artificiels ont été mis en orbite.
Rechercher les utilisations des satellites artificiels
2 Les images rapportées de l’espace montrent les astronautes et leur matériel qui flottent dans la cabine
du satellite. Quel nom donne-t-on à ce phénomène ? Comment l’expliquer ?
Enoncer la loi de la gravitation universelle et insister sur son importance dans l'équilibre de
l'univers. Donner l'expression vectorielle de la force de gravitation puis en déduire le vecteur
champ de gravitation créé par un objet ponctuel puis celui créé par un corps à symétrie
sphérique de masse.
On notera l’analogie formelle entre la loi de Newton et la loi de Coulomb vue en classe de
première.
On donnera les ordres de grandeur et on montrera que l’interaction gravitationnelle peut être
négligée devant les interactions électrostatiques entre particules élémentaires (prendre
l’exemple des interactions entre électron et proton dans l’atome d’hydrogène). Au contraire, à
l’échelle macroscopique et avec des objets neutres on n’observe plus que des interactions
144
gravitationnelles. On insistera surtout sur l’importance des forces gravitationnelles à l’échelle
planétaire et sur le rôle qu’elles jouent.
L’étude qualitative du champ terrestre donnera l’occasion de faire la différence entre champ de
gravitation terrestre et champ de pesanteur terrestre. Faire établir les deux expressions de
l’intensité du champ de pesanteur terrestre : g = G.MT/r2. et g = g0RT2/r2
L'application du théorème du centre d'inertie au mouvement d’un satellite en rotation autour de
la terre sur une orbite supposée circulaire dans le référentiel géocentrique galiléen permettra de
déterminer la nature de son mouvement, sa vitesse, sa période de rotation T. En exercice on fera
établir l’expression de la période d’un satellite dans d’autres repères tel que le repère terrestre.
Définir un satellite géostationnaire et faire calculer le rayon de son orbite de gravitation ainsi
que son altitude.
On établira la troisième loi de Kepler : T2/ r3 = cte. Cette loi permettra, entre autres, de calculer
la masse d'une planète connaissant par exemple les rayons et les périodes de rotation
respectifs des satellites de cette planète.
L'expression du travail élémentaire de la force de gravitation permettra de déterminer
l'expression de l'énergie potentielle de gravitation (et par suite celle de l'énergie mécanique) à
une altitude donnée.
L'application du théorème de l'énergie mécanique permettra de calculer la vitesse minimale de
libération d'un satellite à partir du « sol » d’une planète comme la terre.
On citera quelques applications de la gravitation universelle : satellite de communication,
navette spatiale, sondes.
145
Deuxième partie : Electromagnétisme
CHAPITRE P5 : Généralités sur les champs magnétiques -
Durée :6 h
CLASSE :TS
Champ magnétique des courants.
Objectifs d’apprentissage
* Mettre en évidence quelques
interactions magnétiques
* Déterminer les caractéristiques
du vecteur champ magnétique
crée par quelques éléments de
circuit électrique (fil rectiligne,
spire circulaire, bobine plate,
solénoïde).
* Utiliser la règle de composition
des champs magnétiques.
* Protéger certains appareils
électroniques des sources de
champs magnétiques intenses.
Contenus
* Interactions magnétiques.
- mise en évidence
* Aimants.
- Aimants permanents, aimants
temporaires.
- Pôle nord, pôle sud.
* Champ magnétique.
- Vecteur champ magnétique.
- Ligne de champ magnétique.
- Spectres magnétiques.
- Champ magnétique uniforme.
* Champ magnétique des
courants
- courant rectiligne,
- Spire,
- Bobine,
- Solénoïde,
- Règles d'orientation
* Champ magnétique terrestre.
Activités d'apprentissage
* Mise en évidence des
interactions
magnétiques :
aimant/aimant, aimant/courant,
courant/courant.
*
Utilisation
d’une
règle
d'orientation bien maîtrisée
* Réalisation et exploitation de
spectres magnétiques.
* Utilisation d’une boussole.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Définir un aimant
2. Où trouve-t-on des aimants ?
3 Chercher un barreau aimanté et de la limaille de fer. Placer une plaque de verre (ou une feuille de
papier) sur le barreau aimanté posé sur support horizontal et à l’absence de courant. Saupoudrer la
plaque de limaille de fer, tapoter légèrement une seule fois. Quelle observation peut-on faire ? quelle en
est l’interprétation ?
Dans la mesure du possible cette partie sera illustrée par de nombreuses expériences : mettre
en évidence les interactions : aimant/aimant, aimant/ courant, aimant/particules chargées en
mouvement, courant/courant.
On définira un aimant et on donnera des exemples d'aimants permanents et d'aimants
temporaires. On déterminera expérimentalement les pôles d'un aimant : pôle Nord et pôle
Sud. A partir de ces expériences définir le champ magnétique.
On réalisera des spectres de champ dus à des aimants (et plus loin à des courants). On
montrera en particulier un spectre de champ uniforme (champ entre les branches d’un aimant
en U).
L’action d’un aimant sur une aiguille de fer doux initialement non aimantée, permet de
comprendre le mécanisme d’obtention des spectres, chaque grain de limaille se comportant
schématiquement comme une telle aiguille.
146
Expliquer qu’un spectre magnétique permet de connaître la topographie d’un champ
magnétique et de découvrir localement une direction privilégiée. La position d’une aiguille
exploratrice permet de trouver le sens des lignes de champ. Ces observations suggèrent alors
de caractériser le champ magnétique en un point par un vecteur appelé vecteur champ
magnétique et noté B..
On mesurera l'intensité d'un champ magnétique avec un teslamètre.
Autant que possible l’étude des champs magnétiques crées par les courants sera
expérimentale. Cette étude portera sur les exemples suivants : courant rectiligne, spire
circulaire, bobine plate et solénoïde.
Dans chaque exemple étudié réaliser le spectre magnétique et préciser les caractéristiques du
vecteur champ B .On insistera sur le lien entre le sens du courant et le sens du vecteur champ
B et les règles d’orientation seront précisées. Toutefois pour éviter les confusions il est
préférable que chaque élève utilise une règle bien sue au lieu d’utiliser plusieurs règles
souvent non maîtrisées.
Pour la spire et la bobine plate on donnera sans démonstration les caractéristiques du vecteur
champ au centre.
Dans le cas du solénoïde aussi aucune démonstration n’est à faire ; une étude expérimentale
permettra de vérifier l’expression de la valeur du vecteur champ à l’intérieur du solénoïde.
La loi de Biot et Savart est hors programme.
Insister sur les conventions utilisées pour l’orientation dans l’espace (courant/champ rentrant
et sortant).
On fera la loi de composition des champs.
La fin du chapitre sera consacrée à l'étude du champ magnétique terrestre dont on donnera
les intensités des composantes horizontale BH = 2.10 - 5 T et verticale BV = BsinÎ avec B
intensité du champ magnétique terrestre et Î angle d'inclinaison ou angle que fait B avec
l'horizontale.
On signalera l'origine du champ magnétique terrestre.
147
CHAPITRE P6 : Mouvement d'une particule chargée dans
Durée : 6 h
CLASSE :T° S
un champ magnétique uniforme
Objectifs d’apprentissage
*
Déterminer
les
caractéristiques de la force de
Lorentz.
* Enoncer et utiliser les règles
de représentation de la force
de Lorentz.
* Déterminer la nature du
mouvement d’une particule
chargée dans B.
*
Déterminer
caractéristiques
mouvement d’une
Contenus
* Force de Lorentz.
- Caractéristiques de la force de
Lorentz.
- Règles d’orientation.
* Mouvement dans le champ B
- nature du mouvement
- Déflexion magnétique.
* Applications.
- Spectrographe de masse.
les - Cyclotron.
du - Filtre de vitesse
particule
Activités d'apprentissage
* Utilisation pratique des propriétés du
produit vectoriel.
* Expérience avec les bobines
d'Helmholtz ou schéma de principe.
* Etude de la nature du mouvement
d’une particule chargée dans B.
* Exploitation de documents (
détermination du signe et de la valeur
de la charge d'une particule……).
chargée dans B (Calcul du
rayon
de
la
trajectoire
détermination de la période de
rotation).
* Déterminer la déflexion
magnétique.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
On appelle accélérateur de particules toute machine servant à accroître la vitesse de particules
chargées électriquement (protons, électrons, deutons, particulesα). Ces particules sont ensuite
employées comme projectiles et déviées de manière à produire des réactions au sein de la matière
placée comme cible. Leur énergie cinétique est telle que les atomes placés comme cibles sont
pulvérisés et donnent lieu le plus souvent naissance à la formation de nouvelles particules qui sont
étudiées dans des appareils adaptés tels que les chambres à bulles ou chambres à scintillations.
1 Quels intérêts présentent les accélérateurs ?
2 Rechercher les deux types principaux d’accélérateurs qui sont utilisés par le physicien et leurs
caractéristiques principales.
Avant d’aborder le chapitre, il est fortement recommandé de faire des rappels et compléments
de mathématique sur le produit vectoriel et ses propriétés.
Vérifier, si on dispose des moyens, que lorsqu’une particule chargée se déplace dans un
champ magnétique uniforme non parallèle aux lignes de champ, elle est soumise à une force
appelée force de Lorentz. Admettre l’expression vectorielle de la force et préciser ses
caractéristiques. Les élèves seront amenés à utiliser une règle bien maîtrisée pour déterminer
le sens de la force.
Expérimentalement avec le dispositif des bobines d'Helmholtz, en se limitant au cas où la
vitesse est perpendiculaire au vecteur champ magnétique, visualiser la trajectoire circulaire du
faisceau d'électrons. Vérifier avec ce dispositif l’influence de l'intensité du courant qui traverse
148
les bobines et de la tension d'accélération des électrons sur le rayon de la trajectoire décrite
dans le champ magnétique.
En appliquant la relation fondamentale de la dynamique à la particule chargée en mouvement
dans le champ magnétique B dans un référentiel galiléen, on déterminera les caractéristiques
du mouvement : plan, uniforme et circulaire.. On en déduira l’expression du rayon de la
trajectoire et de la période (dans le cas où la trajectoire est fermée) du mouvement
En exercice d’application on fera établir l’expression de la déflexion magnétique.
On terminera ce chapitre en donnant quelques applications : spectrographe de masse, cyclotron,
filtre de vitesse et télévision.
CHAPITRE P7 : Loi de Laplace.
Objectifs d’apprentissage
* Déterminer les caractéristiques
de la force de Laplace
* Représenter la force de
Laplace.
le
*
Expliquer
Interpréter
fonctionnement des moteurs
électriques.
- Calculer le moment du couple
des forces magnétiques.
Durée :5 h
Contenus
*
Action
d'un
champ
magnétique uniforme sur un
courant rectiligne.
- mise en évidence,
- loi de Laplace
• Action mutuelle de deux
éléments
de
courants
rectilignes :
- mise en évidence, interprétation
- définition de l'ampère.
* Applications.
- Moteur électrique.
- Haut parleur,
- Balance de Cotton,
- Appareils magnétoélectriques.
CLASSE :T° S
Activités d'apprentissage
* Mise en évidence de la force
magnétique.
* Expériences d’illustration et
d’application :, rails, balance de
Cotton, sonde de Hall, roue de
Barlow et autres moteurs
électriques.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Un haut-parleur est un appareil transformant une énergie électrique fournie par une tension
alternative de fréquence du domaine audible en énergie mécanique (acoustique). Le haut-parleur est
un transducteur électro-acoustique. Les premiers haut-parleurs étaient la simple transposition des
écouteurs téléphoniques : membrane circulaire de fer doux, soumise au champ magnétique d‘un
électro-aimant polarisé et suivie d’un pavillon évasé pour une bonne adaptation acoustique.
C’est avec l’apparition, vers 1930, du haut-parleur électrodynamique qu’on peut fixer
approximativement le début de l’ère moderne dans le domaine du son.
1 Quels sont les constituants du haut-parleur électrodynamique ?
2 Sur quel principe fonctionne l’appareil ?
3 Relever les indications marquées sur quelques haut-parleurs ? Quelles indications trouve – t – on
généralement ? Que signifient – elles ?
Ce chapitre revêt un caractère purement expérimental. Réaliser des expériences variées :
dispositif de Laplace (conducteur vertical parcouru par un courant et se déplaçant dans un
champ magnétique), rails de Laplace, roue de Barlow, balance de Cotton.
149
Dans le cas d'un champ magnétique uniforme, on établira l'expression vectorielle de la force de
Laplace et on en déterminera les caractéristiques. La détermination du sens de la force pourrait
se faire en utilisant la règle de la main droite, celle du bonhomme d'Ampère ou toute règle
équivalente ; pour plus d’efficacité, on s’en tiendra à une ou deux règles tout au plus que les
élèves pourront maîtriser.
L’étude de l’action mutuelle entre deux courants rectilignes se fera de manière expérimentale,
on en déduira la définition légale de l'ampère.
Dans l’étude de l’action d’un champ magnétique sur un cadre on ne fera pas intervenir la notion
de moment magnétique ; on ramènera simplement le calcul à l’action du champ sur des
courants rectilignes. Par ailleurs le vecteur moment d’un couple magnétique est également
hors programme (il en est ainsi dans tout le cycle secondaire ; on raisonne avec le
moment algébrique)
On citera quelques applications : roue de Barlow (prototype élémentaire du moteur électrique),
sonde de Hall, haut-parleur, balance de Cotton.
150
CHAPITRE
P8 : Induction magnétique- Etude d‘un
Durée : 6h
C L A S S E : T °S
dipôle (R, L).
Objectifs d’apprentissage
Contenus
A :Etude
Mettre
en
évidence
Activités d'apprentissage
qualitative
le phénomène
du
d’induction
/ * Réalisation d’expériences sur les
phénomène d’induction / d’auto auto induction.
•
induction
Interpréter
phénomène
qualitativement le •
d’induction/d’auto
induction
interactions aimant-bobine et bobine-
Expérience fondamentale
bobine.
Flux magnétique et flux .
magnétique propre
•
Rappeler l’expression du flux •
propre
en
fonction
de
Inductance d’une bobine
F.e.m
instantanée
d'induction.
l’inductance.
B : Etude d’une bobine (R,L) : Réalisation d’expériences montrant que
Rappeler l’expression de la -- Tension aux bornes d’une la bobine s’oppose à l’établissement du
courant dans un circuit
tension aux bornes d’un dipôle bobine
(R,L)
-- Etablissement d’un courant Réalisation d’expériences montrant
Rappeler l’expression de la dans un dipôle (R,L) : notion de l’influence de l’inductance L et celle de
constante de temps du dipôle constante
(R,L)
et
sa
signification expression.
de
temps, la résistance R d’une bobine sur la
durée du régime transitoire de
physique.
--Energie emmagasinée dans l’établissement (ou de la rupture) du
Etablir la loi de variation du une bobine
courant dans une bobine
courant établi dans une bobine
Réalisation d’expérience montrant que
-- Annulation (rupture) du
courant traversant une bobine,
Etablir la loi de variation de la - Applications :
rupture du courant dans une
la rupture du courant dans une bobine
par un échelon de tension
provoque une surtension
bobine fermée sur un circuit
résistant.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Surtension aux bornes d’une bobine, étincelles de rupture : quelle explication ? quelles utilisations
pratiques ?
La première partie du chapitre traite du phénomène d’induction. L’étude du phénomène
d’induction sera simplifiée. On se contentera de mettre le phénomène en évidence par
l’expérience consistant à approcher ou éloigner un aimant droit d’une bobine reliée à un
appareil de mesure assez sensible tel qu’un microampèremètre (circuit fermé ne comportant
pas de générateur), On s’en tiendra à cet exemple.
151
On interprétera le phénomène d’induction en admettant que la cause du courant induit est une
variation du flux magnétique à travers la bobine. Définir le flux magnétique. Représenter le
vecteur surface en précisant la règle d'orientation du circuit. Enoncer la loi de Lenz et donner la
signification du signe -Avec le même exemple on admettra la relation entre la force électromotrice induite et la tension
aux bornes de la bobine : u = ri – e.
La suite du cours porte sur l’étude du dipôle (R,L).
On décrira simplement la bobine et on commencera par préciser ses caractéristiques : sa
résistance R, son inductance L On donnera l’expression de la tension aux bornes de la bobine
lorsqu’elle est traversée par un courant d’intensité i. On adoptera pour cela la convention
récepteur étudiée en classe de seconde.
L’établissement du courant dans une bobine (R,L) sera l’objet d’une étude expérimentale. On
établira théoriquement la loi de variation de l’intensité du courant en insistant sur l’influence des
facteurs R et L sur la durée du phénomène permettant de définir la constante de temps et de lui
donner tout son sens.
On traitera la rupture du courant traversant la bobine suivant le même plan. Dans les
applications on parlera du phénomène de surtension aux bornes d’une bobine à la fermeture et
à la rupture du courant et les applications correspondantes.
Pour les applications il s’agira de les citer et d’en donner une explication brève sans entrer dans
les détails des calculs.
CHAPITRE P9 : Etude du dipôle (R,C).
Durée : 4 h
CLASSE :T
°S
Objectifs d’apprentissage
* Etablir l’équation différentielle
régissant la charge ou la décharge
d’un condensateur.
* Etablir les lois de variations de la
tension
aux
bornes
du
condensateur, de l’intensité du
courant lors de la charge ou de la
décharge.
* Rappeler l’expression de la
constante de temps, donner sa
signification physique
- Déterminer la constante de temps
* Déterminer une capacité
Contenus
* Charge et décharge d’un
condensateur
- charge électrique,
- relation entre la charge
électrique et l’intensité du
courant.
- Régime transitoire et régime
permanent.
- Constante de temps.
* Théorie
-Interprétation qualitative
- Equation différentielle.
- Evolution des grandeurs
électriques
* Energie emmagasinée.
Activités d'apprentissage
* Expériences sur charge et
décharge d'un condensateur ;
visualisation à l’oscilloscope.
* Interprétation des courbes de
charge et de décharge d'un
condensateur.
* Exploitation d’oscillogrammes
ou de documents.
* Applications : flash d’un
appareil photographique,…
152
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Visites chez le réparateur du coin :
1. Découvrir différents (formes et natures) condensateurs.
2 Citer quelques utilisations des condensateurs.
Dans le nouveau programme ce chapitre complète l’étude des condensateurs faite en première.
Pour commencer, on réalisera l’expérience de charge à intensité constante d’un condensateur
en série avec un
conducteur ohmique de résistance R permettant de montrer la
proportionnalité entre la tension aux bornes du condensateur et sa charge et de définir la
capacité C du condensateur .
Par la suite on réalisera l’expérience de charge du condensateur sous l’effet d’une tension
constante.
On visualisera les régimes transitoire et permanent à l’aide d’un oscilloscope (réglage
convenable) et on procédera à l’étude théorique. Dans cette étude théorique on établira
l’équation différentielle du circuit et on en déduira la loi de variation de la tension aux bornes du
condensateur. En déduire la loi de variation de la charge du condensateur et celle de l’intensité
du courant dans le circuit. On donnera l’expression de l’énergie emmagasinée par le
condensateur lors de la charge.
Dans la suite, la décharge d’un condensateur chargé à travers un résistor de résistance R sera
étudiée expérimentalement et on procédera à l’étude théorique. L’équation différentielle de la
décharge sera établie. On en déduira les lois de variation de la tension aux bornes du
condensateur et celle de l’intensité du courant de décharge.
Introduire la constante de temps et mettre en évidence expérimentalement le lien entre la
constante de temps et la durée de la charge ou celle de la décharge d’un condensateur. Donner
son expression, expliquer les différents procédés utilisés pour sa détermination.
153
CHAPITRE P10: Oscillations électriques libres et oscillations
Durée : 8h
C L A S S E : T °S
électriques forcées
Objectifs d’apprentissage
* Etablir l'équation différentielle
des oscillations électriques libres.
• Montrer la conservation de
l'énergie électrique totale dans
le cas des oscillations libres
non amorties.
• Déterminer la période propre
ou la pulsation propre.
• Exploiter des oscillogrammes.
• Distinguer
les
différents
régimes
d’oscillations
électriques
libres
(non
amorties, amorties, régime
pseudo périodique, régime
apériodique)
* Utiliser la loi d'Ohm en courant
alternatif.
Distinguer le comportement d'une
self et d'un condensateur dans un
circuit électrique.
* Etablir l’équation différentielle
régissant le fonctionnement d’un
circuit en régime forcé.
* Utiliser la construction de Fresnel
* Interpréter le phénomène de
résonance.
* Déterminer la bande passante.
*
Calculer
une
puissance
moyenne.
*
Calculer
un
facteur
de
puissance.
* Expliquer l’importance du facteur
de puissance.
Contenus
* Oscillations électriques libres .
- Mise en évidence
- Equation différentielle.
- Solution de l'équation différentielle.
- Période , pulsation, fréquence
propres.
- Conservation de l'énergie totale.
Activités d'apprentissage
* Visualisation à l'oscilloscope
d’oscillations électriques libres
non amorties et amorties
* Mesure d’une période, d’une
pseudo-période.
* Visualisation à l'oscilloscope
la courbe i = f(t) d'un courant
* Oscillations électriques forcées alternatif.
d’un dipôle R,L,C série.
* Détermination du déphasage
*Grandeurs efficaces
entre l'intensité instantanée
* Impédance
et la tension instantanée.
* Déphasage
* Etude du comportement d'un
*Phénomène de résonance d’intensité résistor, d'une self, d'un
- Courbe de résonance.
condensateur
en
régime
- Bande passante.
sinusoïdal.
- Facteur de qualité.
* Réalisation d’expériences
- Surtension à la résonance.
avec
l'oscilloscope
- Energie électrique totale à la (détermination du déphasage,
résonance.
recherche de la résonance et
mesure
des
paramètres
* Puissance en courant alternatif.
caractéristiques...)..
- Puissance moyenne.
- Puissance apparente.
- Facteur de puissance.
* Applications :
Filtre radio, transport d’énergie…
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Tout poste récepteur qui reçoit un message se sert d’un oscillateur électrique.
L’antenne d’un récepteur radio reçoit des signaux de fréquences différentes. Chacun de ces signaux
provoque un courant dans le primaire de la bobine d’antenne. Chacun de ces courants dans le primaire
induit une tension dans le secondaire. Un condensateur variable est monté en parallèle avec le secondaire
de la bobine d’antenne. L’auditeur règle son poste en ajustant le condensateur d’accord. Il fait ainsi
« résonner» la bobine d’antenne et le condensateur sur la fréquence de la station qu’il veut écouter .Tous
les signaux dont les fréquences sont très proches de la fréquence de résonance arriveront au haut-parleur.
Celui auquel le récepteur a été accordé sera tout de même plus fort.
1 Quels sont les deux composants essentiels d’un oscillateur électrique ?
2 Que signifie : il fait « résonner» la bobine d’antenne et le condensateur sur la fréquence de la station qu’il
veut écouter ?
3 Citer d’autres dispositifs où sont utilisés des oscillateurs électriques
154
Comme suite logique des deux chapitres précédents il s’agit dans ce nouveau chapitre d’étudier
les phénomènes électriques dans le circuit obtenu en associant une bobine avec un
condensateur chargé au préalable.
Le chapitre pourrait être traité en deux temps :
-
les oscillations électriques libres,
-
les oscillations électriques forcées.
Dans un premier temps l’étude débutera par la visualisation à l'oscilloscope de la décharge d'un
condensateur dans une bobine. Interpréter l'allure de la courbe.
A partir de l'additivité des tensions, établir l'équation différentielle de cette décharge :
L d2q/dt2 + q/C = 0.
Etablir la solution de l'équation différentielle en tenant compte des conditions initiales. On
déterminera la période propre T0 et la pulsation propre ω0.
Souligner l’importance de la notion de période propre, pulsation propre ou fréquence propre .
Montrer que l'énergie totale se conserve. Faire retrouver l'équation différentielle par la méthode
énergétique.
Dans une seconde étape l'étude des oscillations libres amorties pourrait se faire également par
visualisation à l'oscilloscope de la courbe de décharge libre amortie d'un condensateur dans
une bobine résistive : on montrera que l'allure de la courbe dépend de la valeur de la résistance
(si celle-ci augmente progressivement on passe du régime pseudo périodique amorti aux
régimes apériodiques). A défaut de l'étude expérimentale on peut exploiter des documents. On
notera qu'un résistor dissipe de l'énergie par effet joule.
En exercices faire établir l'équation différentielle des oscillations libres amorties :
L d2q/dt2 + R dq/ dt + q/C = 0.
On vérifiera par le calcul que la diminution de l'énergie électrique est égale à la chaleur dissipée
par effet joule dans le résistor. Indiquer sans calcul, l’expression de la résistance critique.
Rc =2 ( L/C)1/2 . La résolution de l’équation n’est pas au programme.
La partie oscillation forcée pourrait commencer par les généralités sur le courant alternatif
sinusoïdal : production, visualisation à l'oscilloscope de i = f(t). On définira l'intensité efficace et
la tension efficace. On distinguera les valeurs instantanées, des valeurs efficaces et des valeurs
maximales. On donnera leur écriture normalisée. On rappellera la méthode de détermination de
la période T et de la tension maximale Um.
Expérimentalement vérifier que si à travers un dipôle il passe un courant alternatif sinusoïdal de
période T il existe alors entre ses bornes une tension sinusoïdale de même période.
On montrera à l'aide de l'oscilloscope que i = f(t) et u = g(t) sont deux fonctions sinusoïdales de
même période T mais présentent généralement un déphasage l'une par rapport à l'autre.
155
Les élèves apprendront à déterminer des déphasages à partir de courbes visualisées à
l'oscilloscope.
On déterminera à l'aide de la représentation de Fresnel les déphasages de i par rapport à u et
les impédances pour les dipôles suivants : résistor, bobine de résistance négligeable (self pure),
capacité, bobine résistive (R, L), circuit (R, C), circuit (R, L, C) en série.
Donner l’expression de la puissance moyenne et souligner l’importance du facteur de
puissance.
Les impédances complexes ne sont pas au programme de même que le circuit (R, L, C) en
parallèle.
Pour le circuit (R, L, C) série on étudiera le phénomène de résonance. Pour ce faire on
considérera la réponse en intensité de ce circuit alimenté par une tension sinusoïdale de valeur
efficace constante et de fréquence variable. En faisant varier la fréquence du courant alternatif
on tracera la courbe de réponse. On montrera que l’intensité efficace du courant présente un
maximum pour une valeur de la fréquence f égale à celle de la fréquence propre
fo =
1
2π
1
LC
On mettra ainsi en évidence le phénomène de résonance en intensité. On
déterminera graphiquement puis théoriquement les fréquences limites de la bande passante :
I (f1) = I (f2) =
I(fo)
. Comme application, on parlera du filtre radio.
2
On calculera la largeur de la bande passante. On définira le facteur de qualité Q qui traduit
l'acuité de la résonance, on donnera son expression et on insistera sur son importance quant à
la surtension aux bornes de la self et de la capacité, on montrera l'influence de R sur l'allure de
la courbe de résonance.
Le chapitre s’ouvre ainsi à beaucoup d’applications dans la vie courante : fonctionnement
d’installations domestiques et industrielles, d’appareils électroménagers.
Des mesures de sécurité seront au fur et à mesure dégagées lors de cette étude.
156
CHAPITRE P11 : Oscillations mécaniques libres
Objectifs d’apprentissage
* Etablir l'équation différentielle des
oscillations mécaniques libres non
amorties
et
des
oscillations
mécaniques amorties.
*
Interpréter
le
phénomène
d’oscillation à partir d’exemples
simples
* Donner la forme de la solution de
l’équation
différentielle
des
oscillations mécaniques libres non
amorties d’un pendule élastique.
* Donner l’expression de la période
propre.
* Montrer la conservation de
l'énergie mécanique pour les
oscillations libres non amorties.
* Montrer la non conservation de
l'énergie mécanique pour les
oscillations
mécaniques
amorties.
*Faire ressortir les analogies entre
grandeurs électriques et grandeurs
mécaniques.
Durée :4 h
Contenus
* Oscillations mécaniques libres
non amorties.
- Exemple du pendule élastique.
- Equation différentielle.
- Solution de l'équation différentielle.
- Période propre.
- Conservation de l'énergie totale.
- oscillateur harmonique linéaire
* Oscillations mécaniques amorties
- Equation différentielle des oscillations
mécaniques amorties.
- Non conservation de l'énergie
mécanique pour les oscillations
amorties
- Mouvement pseudo-périodique.
- Pseudo-période.
* Analogie grandeurs électriques et
grandeurs mécaniques.
* Applications : mouvement d’un
flotteur, galvanomètre balistique,
amortisseur de véhicule.
C L A S S E : T °S
Activités d'apprentissage
* Donner des exemples
d'oscillateurs mécaniques.
* Réaliser des expériences
sur
les
oscillations
mécaniques
libres
non
amorties et les oscillations
mécaniques amorties.
* Déterminer des périodes
et des pseudo-périodes.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Attacher un objet ponctuel de masse m = 30 g à l’extrémité inférieure d’un fil inextensible de longueur
L = 1m. Attacher l’extrémité supérieure du fil à un support horizontal fixe.
Ecarter légèrement l’objet et le lâcher sans vitesse initiale.
1 Quelle grandeur permet d’étudier l’évolution du pendule qui oscille librement dans le cas où les
frottements sont très faibles ?
2 Quelle est l’action extérieure responsable de cette évolution ?
3 Mesurer la durée d’une oscillation.
4 Proposer une série d’expériences permettant d’étudier l’influence sur la durée d’une oscillation du
pendule :
- de la longueur du fil,
- de la masse de l’objet suspendu.
On pourrait aborder ce chapitre par l'étude du pendule élastique (objet de masse petite
accrochée à un ressort élastique) pour dégager la notion d'oscillations mécaniques libres non
amorties. On traitera d'abord le cas du pendule élastique horizontal. Les autres cas (pendule
élastique vertical, pendule élastique incliné) seront examinés en exercices. On appliquera le
théorème du centre d'inertie au pendule élastique dans un référentiel galiléen. On en déduira
l'équation différentielle des faibles oscillations : m d2x/dt2
+
kx = 0. On déterminera les
constantes de la solution de l’équation différentielle à partir des conditions initiales On précisera
l'expression de la période propre To = 2 π
m
.
k
157
Le professeur remarquera que l’étude de l’oscillateur harmonique est importante parce qu’il
constitue un modèle simple utilisable dans de nombreux cas et que la formalisation
mathématique est la même que celle de l’oscillateur électrique
Faire vérifier que l'énergie mécanique se conserve.
Par la méthode énergétique on fera retrouver l'équation différentielle du mouvement.
En exercice (ou éventuellement en TP) on étudiera les cas suivants : pendule simple, pendule
pesant, pendule de torsion.
Le cas de l’oscillateur amorti ne sera étudié en cours que de manière qualitative. En exercice on
fera établir l'équation différentielle dans le cas où interviennent des forces de frottement fluides
(f = -b V) , soit
md2x/dt2 + b dx/dt + kx = 0.
On montrera que l’énergie dissipée l’est sous forme de travail effectué par les forces de
frottements.
La résolution de l’équation différentielle n’est pas au programme.
Pour toutes les séries S on fera l'analogie des grandeurs électriques et des grandeurs
mécaniques.
On soulignera l’existence d’oscillations mécaniques forcées par analogie avec les oscillations
électriques forcées.
CHAPITRE P12 : Interférences lumineuses
Objectifs d’apprentissage
Représenter le dispositif de Young.
Interpréter
le
phénomène
d’interférences lumineuses.
Etablir les expressions de
la
différence de marche et celle de
l’interfrange
Préciser les positions des franges.
Déterminer l’interfrange.
Préciser
les
d’interférences
conditions
Donner l’échelle des longueurs
d’onde du spectre de la lumière.
Citer quelques
phénomène
lumineuses.
Durée :6 h
Contenus
* Expérience de Young.
- champ interférentiel
- franges d’interférences (lumière
monochromatique)
* Interprétation théorique
- nature ondulatoire de la lumière
- interférence constructive
- interférence destructive
- différence de marche
- ordre d’interférence
- interfrange
- intensité lumineuse
* Conditions d’interférences
-* Le spectre de la lumière
- spectre visible, spectre U.V,
spectre I.R,
- onde électromagnétique
* Applications
- mesures de longueurs d’ondes,
de faibles épaisseurs.
- hologrammes.
C L A S S E : T °S
Activités d'apprentissage
* Mise en évidence
interférences lumineuses
des
Interprétation du phénomène
d’interférences lumineuses
Représentation de l’échelle des
longueurs d’onde du spectre de
la lumière
applications du
d’interférences
158
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Citer quelques phénomènes observés avec la lumière et qui illustrent sa nature ondulatoire.
2 Sur un axe schématiser le spectre visible en précisant les longueurs d’onde limites. Situer sur cet axe le
domaine de l’infrarouge et celui de l’ultraviolet.
L’objectif principal de ce chapitre est de faire découvrir la nature ondulatoire de la lumière à
partir de la mise en évidence du phénomène d’interférence. Le chapitre sera simple et traité de
manière expérimentale : l’expérience des fentes de Young suffit.
Commencer le chapitre par un rappel sur les ondes mécaniques et les notions connexes
étudiées en classe de première : longueur d’onde, période, fréquence.
On signalera brièvement, dans le cas de l’expérience des fentes de Young, que c’est la
diffraction de la lumière qui est à l’origine du phénomène d’interférences.
Dans l’interprétation on fera appel aux acquis du programme de première: par analogie avec les
franges déjà observées sur la surface libre d’un liquide (expérience d’interférences mécaniques
réalisée en classe de 1ère) on admettra que, dans l’expérience de Young, les franges
lumineuses résultent d’une superposition d’ondes lumineuses issues des fentes. C’est admettre
que la lumière a une nature ondulatoire. L’expression de la différence de marche sera établie, la
notion d’ordre d’interférence précisée. On donnera les positions des franges brillantes et celles
des franges obscures sur l’écran ; d’où l’on déduira l’expression de l’interfrange.
Les élèves seront amenés à dresser l’échelle des longueurs d’onde du spectre de la lumière.
Le déplacement des franges (déplacement de la source, interposition d’une lame à faces
parallèles ou tout autre dispositif produisant le même effet ) est hors programme
Les interférences en lumière blanche seront traitées.
On donnera quelques applications du phénomène d’interférences lumineuses (mesure de
longueur d’onde, de très petites épaisseurs, réalisation d’hologrammes)
159
Quatrième partie : Phénomènes corpusculaires
CHAPITRE P13 : Effet photoélectrique
Objectifs d’apprentissage
* Interpréter l'effet photoélectrique
par la théorie d’Einstein
* Utiliser l'expression de l'énergie
cinétique maximale de l’électron
émis Ecm = h ( ν - ν o )
*Citer quelques applications de
l’effet photoélectrique : détecteur
de niveau, dispositif de sécurité
des banques, ….
Durée :4 h
Contenus
* Effet photoélectrique.
- Fréquence seuil.
- longueur d'onde seuil.
* Théorie d’Eisntein.
- Photon.
- Quantum d'énergie.
- Constante de Planck.
- Travail d'extraction.
- Electron-volt.
* Applications.
C L A S S E : T °S
Activités d'apprentissage
* Mise en évidence de l'effet
photoélectrique.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire sur la nature de la lumière : aspects ondulatoire et corpusculaire.
Pourquoi parle-t-on de la « dualité onde-corpuscule » à propos de la lumière ?
On fera une étude qualitative comprenant :
-
la mise en évidence de l’effet photoélectrique et de l’existence du seuil photoélectrique,
-
l’interprétation du phénomène par la théorie d’Einstein.
On retiendra les expressions du quantum d'énergie E W= h ν , du travail d'extraction Wo = h ν o
et de l'énergie cinétique des électrons émis par effet photoélectrique Ec = h ( ν - ν o ).
On traitera également la dualité onde – corpuscule. C’est l’occasion d’introduire quelques
éléments d’histoire des sciences.
L'effet Compton est hors programme.
La cellule photoélectrique et les notions connexes (potentiel d’arrêt, courant de
saturation, rendement quantique) ne seront pas étudiées ainsi que les autres lois de
l’effet photoélectrique.
On citera quelques applications pratiques de l'effet photoélectrique. On mentionnera également
les cellules photovoltaïques en guise d'introduction à l'énergie solaire et à ses transformations.
160
CHAPITRE P14 : Niveaux d'énergie de l'atome
Durée :4 h
Objectifs d’apprentissage
* Donner l'expression du
d'énergie d'ordre n de
d'hydrogène.
• Utiliser l’expression du
d’énergie d’ordre n de
d’hydrogène :
13, 6
En = (eV)
n2
Contenus
niveau * Spectre de raies.
l'atome - Spectre de raies d'émission.
- Spectre de raies d'absorption.
niveau - Excitation, désexcitation.
l’atome * Niveaux d'énergie de l'atome
d'hydrogène.
- Postulats de Bohr.
- Quantification.
* Calculer les longueurs d'onde - Etat d'ionisation.
limites des séries de raies de l'atome - Séries du spectre d'émission
(Lyman, Balmer, Paschen.).
d'hydrogène.
* Etre conscient de l'importance des * Applications.
C L A S S E : T °S
Activités d'apprentissage
* Observation de spectres
d'émission.
* Observation de spectres
d’absorption.
* Détermination de niveaux
d'énergie.
* Exploitation des documents
*
Représentation
de
transitions
croissante
ou
décroissante
spectres dans la détermination de la
composition chimique des corps, de
la température des étoiles...
Commentaires
Activités préparatoires possibles
La structure de l’atome a été au cours des siècles et millénaires l’objet de plusieurs théories.
L’hypothèse atomiste affirme d’abord et surtout que la divisibilité de la matière a des limites . Cette
hypothèse a été citée pour la première fois dans les oeuvres de Leucippe de Millet en 420 av. JC. On la
retrouve dans l’œuvre de Démocrite son contemporain et disciple.
Dans l’histoire de l’atome et les modèles proposés on retrouve les noms d’éminents physiciens et savants :
J.Joseph Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr, Max Planck, Einstein, Erwin Schrödinger
1 Rechercher les modèles et apports théoriques de ces savants à propos de l’atome.
2 Quel modèle permet d’expliquer la formation des spectres de raies d’émission et d’absorption ?
Ce chapitre débutera par la mise en évidence (ou à défaut l’observation) de quelques spectres
de raies d'émission et de raies d'absorption. L’analyse que l’on fera de ces spectres permettra
d’aboutir à la conclusion selon laquelle un corps atomique émet un rayonnement uniquement
pour certaines fréquences bien spécifiques, caractéristiques des atomes constitutifs.
On expliquera la présence de ces raies par une quantification des niveaux d'énergie de l’atome.
Enoncer les postulats de Bohr :
* les variations d'énergie de l'atome sont quantifiées,
* l'atome ne peut exister que dans certains états d'énergie bien définis, chaque état étant
caractérisé par un niveau d'énergie,
* Expliquer le phénomène selon lequel un photon de fréquence ν n,p est émis lorsque l'atome
effectue une transition entre deux niveaux d'énergie Ep et En et donner la relation
h ν n,p = En- Ep avec En> Ep.
De même on donnera l’interprétation des phénomènes d'excitation, de désexcitation et
d'ionisation d'un atome.
161
Pour le cas de l'atome d'hydrogène on donnera l'expression du niveau d'énergie d'ordre n :
En = -
13, 6
(eV) où n est le nombre quantique principal ; on expliquera brièvement l'origine de
n2
cette relation. On déterminera l'énergie d'ionisation. On représentera les différentes transitions
correspondant aux différentes séries de raies (séries de Lyman, Balmer, Paschen) et on
calculera leurs longueurs d'onde limites.
On fera une généralisation très brève, sans formulation, aux autres atomes.
Rappeler le spectre de la lumière blanche, distinguer spectre continu et spectre discontinu.
On citera quelques applications : composition chimique des corps et température des étoiles,
composition chimique de la couronne solaire.
CHAPITRE P15 : Réactions nucléaires
C L A S S E : T °S
Durée : 6 h
Objectifs d’apprentissage
* Interpréter la stabilité du noyau
*Utiliser l’expression de l’énergie de
liaison d’un noyau.
*Utiliser l’équivalence masse –
énergie.
*Montrer
expérimentalement
la
nature des rayonnements.
* Connaître les propriétés des
rayonnements radioactifs.
*
Citer
quelques
familles
radioactives.
* Calculer une période.
* Equilibrer les équations des
réactions nucléaires.
* Citer des applications de la
radioactivité et l'importance des
centrales nucléaires.
* Prendre conscience des mesures
de précaution à prendre pour la
protection contre les effets néfastes
de la radioactivité.
* Calculer l’énergie libérée par une
réaction nucléaire.
Contenus
* Relation d'Einstein.
- Equivalence masse-énergie.
- Unités de masse et d’énergie
- Energie de liaison.
- Condition de stabilité.
* Stabilité d’un noyau
- Composition d’un noyau
- Energie de liaison, énergie de
liaison par nucléon,
- Condition de stabilité
* Radioactivité.
- Radioélément.
- Rayonnement radioactif.
Loi
de
désintégration
radioactive.
- Constante radioactive.
- Période ou demi-vie.
- Activité.
- Réactions radioactives.
- Familles radioactives.
* Fission nucléaire.
* Fusion nucléaire.
* Applications.
Activités d'apprentissage
* Etude des propriétés des
rayonnements radioactifs.
* Analyse d’un rayonnement
radioactif
par
un
champ
électrique,
par
un
champ
magnétique.
* Représentation de courbe de
désintégration radioactive.
* Ecriture des équations de
quelques réactions nucléaires
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1. Dans le laboratoire du carbone 14 du Professeur Cheikh Anta Diop (1923..- 1986) de Dakar, le
carbone 14, élément radioactif, est utilisé pour la datation : grâce à cet élément on peut dater la mort de
matériaux organiques (organes végétaux ou animaux) en remontant jusqu’à 40.000 ans environ.
- définir la radioactivité,
- quel est le principe de la datation au carbone 14 ?
2. Rechercher les effets biologiques de la radioactivité :
- les dangers,
- les utilisations pour l’homme : en médecine et dans l’industrie
162
Après un bref rappel sur la composition du noyau et le phénomène d’isotopie, on abordera le
problème de la stabilité d’un noyau. On expliquera qualitativement la stabilité de certains
noyaux par l'existence d'une interaction forte attractive de très courte portée qui l'emporte à
courte distance (de l'ordre des dimensions du noyau) sur l'interaction électrostatique.
On définira l'énergie de liaison El d'un noyau et on donnera son expression pour un
nucléide
A
Z
X
de masse m : El = [Z mp + (A - Z) mn - m] c2.
De manière générale, on précisera à chaque fois les conventions de signe utilisées pour
l’énergie et on pourrait s’en tenir à ces conventions pour plus d’harmonie et de cohérence ;
toutefois on donnera l’information sur l’existence d’autres conventions.
Auparavant admettre l'équivalence masse-énergie et introduire la notion d’énergie de
masse puis donner la relation d'Einstein ∆E = ∆mc2
On notera qu'un noyau est d'autant plus stable que l'énergie de liaison par nucléon El /A est
plus grande.
Les notions de mécanique relativiste sont hors programme.
Les exercices proposés ne doivent faire intervenir ni les particules relativistes, ni les
interactions entre ces particules.
La suite du chapitre portera sur les réactions nucléaires que l’on introduira à partir du caractère
instable de certains noyaux. Définir alors la radioactivité naturelle ou spontanée et la
radioactivité provoquée ou artificielle. On analysera un rayonnement radioactif à l'aide d'un
champ électrique et d'un champ magnétique. On donnera la composition et les caractéristiques
des rayonnements :
* le rayonnement α ( noyaux d'hélium) est très ionisant, peu pénétrant
* le rayonnement β (électrons pour β− ou positron pour β +) peu ionisant mais pénétrant
* le rayonnement γ (photons) excitant et très pénétrant
Insister sur les propriétés d'un rayonnement radioactif (ionisation d'un gaz, impression d'une
plaque photographique et scintillement d'un écran fluorescent)
On établira la loi de désintégration radioactive N = No e - λt, où λ est la constante radioactive.
Définir les notions de période (ou demi-vie) T et d'activité A (ou nombre de désintégrations par
seconde).
Dans l’écriture des équations nucléaires on tiendra compte des lois de conservation
L'étude des réactions nucléaires provoquées sera faite. On définira la fission nucléaire et la
fusion nucléaire. On en donnera quelques exemples : pour la fission nucléaire (bombardement
de l'uranium 235 par des neutrons ) pour la fusion nucléaire (fusion de deux noyaux de
deutérium, fusion d'un noyau de deutérium et d'un noyau de tritium).
163
On retiendra que les réactions de fission et de fusion nucléaires sont très exoergiques : un
gramme d'uranium 235 libère 200 MeV soit 1 MeV par nucléon, le cycle proton-proton (série de
réactions thermonucléaires dans les étoiles) libère 6 MeV par nucléon.
On explicitera les conditions de réalisation des réactions nucléaires :
* Capture d'un neutron "lent" par un noyau fertile qui devient fissile
* Les réactions de fusion nucléaire nécessitent une haute température pour se produire (d'où
réactions thermonucléaires).
NB : La fusion nucléaire est à l'origine de la bombe H. et la fission nucléaire à celle de la bombe
A.
La radioactivité offre de nombreuses applications dont la datation des objets archéologiques et
la radiographie en médecine.
Les réactions nucléaires ont pour application principale la production d'énergie électrique dans
les centrales nucléaires.
Activités d’intégration possibles
1 Etude d’une mission dans l’espace.
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document (activité 4)
2 Imagerie médicale
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document. (activité 3)
3 Etude d’un accélérateur de particules.
4 Phénomène des tsunamis
5 Accident de Tchernobyl (26 avril 1986)
6 Utilisation de l’énergie solaire.
164
PROGRAMME DE CHIMIE
Les compétences d’année en chimie
Compétence 5
A la fin de la classe de terminale S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre en chimie organique (alcools, amines, acides carboxyliques, dérivés d’acides
carboxyliques et acides α aminés) doit les intégrer dans des situations d’explication, de
prévision et de résolution de problèmes : identification, caractérisation, transformations
réciproques, utilisation pratique.
Compétence 6
A la fin de la classe de terminale S, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoirêtre sur les solutions aqueuses (pH, aux solutions d’acides, de bases et de sels, réactions
acide base) doit les intégrer dans des situations d’explication, de prévision et de résolution
de problèmes : identification, caractérisation, dosage….
Les chapitres
L’étude de la chimie organique entamée en classe de première a permis de faire découvrir aux
élèves que les composés organiques qui possèdent des groupes d’atomes identiques ont des
propriétés analogues, ce qui justifie le classement de ces composés par groupes fonctionnels.
En classe de terminale, à travers l’étude de quelques composés oxygénés et /ou azotés,
d’autres groupes fonctionnels sont présentés. Cela montre, entre autres, que plusieurs groupes
peuvent coexister dans une même molécule induisant des propriétés spécifiques. Par ailleurs
l’accent est mis sur la possibilité de transformer les groupes fonctionnels les uns dans les
autres montrant ainsi toute la richesse et les possibilités qu’offre la chimie organique.
L’utilisation
courante
des
composés
organiques
est
soulignée(alcootests,
parfums,
médicaments, savons,…).
Toutefois l’étude de la chimie reste descriptive en particulier pour les structures
moléculaires.
Les mécanismes réactionnels sont hors programme.
165
CHAPITRE C1 : Les alcools
Durée :6 h
Objectifs d’apprentissage
* Construire les modèles des
molécules d’alcools de différentes
classes
* Nommer un alcool.
* Distinguer les trois classes d’alcool
par leur formule ou par l’oxydation
ménagée.
* Ecrire les équations bilans.
**Citer les caractéristiques de la
réaction d’estérification directe et
celles de l’hydrolyse.
*Distinguer qualitativement une
réaction totale d’une réaction
réversible
CLASSE :
T S
Contenus
Activités d'apprentissage
* Rappels : alcools et classes.
* Utilisation des modèles
- Formule brute, groupement
moléculaires
caractéristique.
Recherche de formules
- Les trois classes
développées
* Propriétés .
Réalisation de l’oxydation
Oxydation ménagée
ménagée ou énergique
Déshydratation
des alcools.
Estérification directe.
*
Hydrolyse.
* Réalisation d’une réaction
Equilibre chimique
d’estérification
(ou
d’hydrolyse).
Commentaires
Activités préparatoires possibles
La fermentation est la modification chimique de substances organiques sous l'action d'enzymes.
Le type de fermentation le plus important est probablement la fermentation alcoolique : transformation
des sucres de céréales ou de fruits par les levures
1 Quel est le produit majoritaire obtenu lors de la fermentation alcoolique ?
2 Donner le nom et la formule de quelques alcools d’usage courant.
3 A quelle (s) fin(s) utilise-t-on ces alcools ?
4 Relever les indications mentionnées sur l’étiquette d’une bouteille d’alcool éthylique commercial.
Donner leur signification.
- Ce chapitre prolonge l’étude des composés organiques oxygénés menée en classe de
première. Il convient de rappeler les groupements caractéristiques des alcools, leur formule
générale, les classes d’alcools et leur obtention par l’hydratation des alcènes.
- L’accent sera mis sur l’étude des propriétés chimiques des alcools : déshydratation, oxydation
brutale, oxydation ménagée et estérification directe (la réaction d’estérification indirecte ne sera
étudiée que dans le chapitre C3)
- Souligner les caractéristiques de la réaction d’estérification directe.
- Insister sur les réactions d'oxydation ménagée et montrer comment elles permettent de
distinguer les trois classes d’alcools. La mise en évidence des produits de l’oxydation ménagée
d’un alcool fera appel aux tests d’identification des aldéhydes et cétones vus en classe de
première. Ces tests ne seront pas traduits en équations. Par contre, on traduira l’oxydation de
l’alcool en aldéhyde ou acide carboxylique par l’ion permanganate et/ou l’ion dichromate en
milieu acide en utilisant les demi-équations électroniques des couples oxydant-réducteur
correspondants
166
- L'utilisation des réactions de déshydratation des alcools pour la préparation des alcènes sera
soulignée.
- L'hydrolyse des esters sera étudiée, on donnera ses caractéristiques. La comparaison avec la
réaction d'estérification permettra d'aboutir à la notion "d'équilibre chimique". A ce stade on se
limitera à la notion qualitative d’équilibre, l’étude quantitative ne sera pas abordée ici ; par
contre la possibilité de déplacer un équilibre sera illustrée par un exemple (élimination d’eau
dans le cas de l’équilibre estérification-hydrolyse) .
- A travers cette étude l'accent sera mis sur l'utilisation courante des composés organiques
oxygénés : alcootests, parfums, médicaments etc.
Signaler l’existence de polyalcools, il sera utile de donner l’exemple du glycérol qui servira plus
tard (réaction de saponification chapitre C3) .
Toutefois l’étude des propriétés des polyalcools est hors programme.
CHAPITRE C2 : Les amines.
Durée :4 h
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Amines.
Nommer une amine à partir de sa
. Groupe caractéristique.
formule développée ou semiStructure de LEWIS
développée
Nomenclature.
Construire les modèles moléculaires
Les trois classes.
d’amines de différentes classes *
Différencier les trois classes d’amine *
Donner les caractéristiques de* * Propriétés
Ionisation
l’ionisation d’une amine dans l’eau.
Réaction avec les indicateurs et
les ions métalliques.
* Mettre en évidence les propriétés
basiques des amines.
CLASSE :
°t S
Activités d'apprentissage
* Utilisation des modèles
moléculaires.
Recherche de formules
développées
* Faire des expériences
illustrant les propriétés
basiques des amines :
action sur les indicateurs,
sur les ions métalliques
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Les amines sont des produits de base très importants dans l’industrie.
Ecrire la formule semi-développée de chacune des amines nommées ci-après et
principales utilisations industrielles que l’on en fait:
- méthanamine
- éthanamine,
- aniline.
donner les
La reconnaissance de la fonction amine, la distinction des trois classes d'amine et l'énoncé des
règles de nomenclature débuteront le chapitre.
La représentation de la structure de Lewis des amines permettra de prévoir leur caractère
basique (et d’expliquer dans la suite du programme le lien entre la force de la basicité de
l’amine et le degré de substitution).
167
L'étude des propriétés basiques des amines donnera lieu à des expériences que feront les
élèves. Cette étude sera limitée à l’ionisation des amines dans l’eau (on insistera sur le
caractère partiel), leur action sur les indicateurs colorés et sur les solutions d'ions métalliques.
D’autres propriétés des amines seront étudiées dans la suite du programme (Chapitres C3 et
C8) et au fur et à mesure les applications seront données.
CHAPITRE C3 : Acides carboxyliques et dérivés
Objectifs d’apprentissage
* Donner les formules brutes et les
formules semi-développées des
acides carboxyliques et des
fonctions dérivées.
* Nommer les acides carboxyliques
et les fonctions dérivées.
* Citer les propriétés des acides
carboxyliques et des fonctions
dérivées.
* Ecrire les équations des réactions
étudiées.
* Donner quelques applications des
acides carboxyliques et des
fonctions dérivées dans la vie
courante : saponification etc.
Durée :5 h
Contenus
* Acides carboxyliques.
Groupe carboxyle
Nomenclature,
Ionisation ; action sur les
métaux, action sur les
indicateurs colorés
* Passages aux fonctions
dérivées et rréactions inverses
Décarboxylation
Passage à l’anhydride et
réaction inverse
Passage au chlorure et réaction
inverse
Estérification
Saponification
Passage à l’amide.
* Applications
- Polyesters.
- Polyamides.
CLASSE : T S
Activités d'apprentissage
* Utilisation des modèles
moléculaires.
Recherche
de
formules
développées
* Hydrolyse du chlorure d’acyle
*Fabrication de savon
* Fabrication du nylon6-6
Commentaires
Activités préparatoires possibles
C'est Pasteur qui, le premier, a expliqué les processus microbiologiques de la fabrication du vinaigre. Le
vinaigre est le produit de deux fermentations : la première, assurée par la levure, transforme le sucre
dissous en alcool et donne une liqueur de 6 à 9 degrés, appelée brassin ; le brassin fermente à son tour
sous l'action de l'Acetobacter.
1 Que signifie « liqueur de 6 à 9 degrés » ?
2 De quel alcool dérive l’acide correspondant au vinaigre ?
3 En déduire le nom systématique de cet acide, donner la formule semi-développée correspondante.
4 Ecrire la formule semi-développée d’un ester de même formule brute que cet acide. Nommer ce
composé.
Ce chapitre vient en complément de l'étude sommaire des acides faite en 1ère.
Il s’agit de présenter à nouveau le groupe carboxyle et par suite d’étudier ses transformations
en d’autres groupes :
Après avoir rappelé les règles de nomenclature donner quelques exemples d'acides
carboxyliques à chaîne linéaire et saturée, et d’acides dont la molécule renferme un noyau
benzénique.
168
L’étude des transformations du groupe carboxyle portera sur les propriétés acides (ionisation
limitée , action sur les métaux, sur les indicateurs colorés), les réactions de décarboxylation et
le passage des acides carboxyliques aux fonctions dérivées (anhydride d’acide,
chlorure
d'acide, ester, amide) et le passage inverse. On précisera la nomenclature des fonctions
dérivées et on écrira les équations des réactions de synthèse.
Le passage à l’ester donnera l’occasion de comparer les deux possibilités: estérification directe
(action d'un acide carboxylique sur un alcool, réaction lente, limitée) et estérification indirecte
(action d'un chlorure ou d’un anhydride d'acide sur un alcool, réaction rapide, totale).
Pour les amides on se limitera au passage de l’acide à l’amide (le passage inverse n’est pas à
faire)
La saponification des esters sera réalisée. A ce propos les corps gras seront présentés comme
des triesters du glycérol et des acides gras.
- Réaliser la saponification de l’huile.
Comme applications du chapitre on donnera les exemples de la fabrication industrielle des
savons, des polyesters et du Nylon.
Les mécanismes réactionnels sont hors programmes.
CHAPITRE C4 : Cinétique chimique
Objectifs d’apprentissage
* Déterminer une vitesse de
formation d’un produit et/ou de
disparition d’un réactif.
* Déterminer le temps de demi
réaction.
* Utiliser l’influence des facteurs
cinétiques sur la vitesse.
* Donner quelques applications
de la cinétique chimique :
conservation des aliments,
autocuiseur.
Contenus
* Objet de la cinétique.
* Vitesse de formation et
vitesse de disparition
Vitesse moyenne,
vitesse instantanée.
Temps de demi réaction
Facteurs cinétiques.
Concentrations
Température
Catalyseur
* Applications
Durée :5 h
CLASSE :T S
Activités d'apprentissage
* Réalisation de réactions lentes,
rapides,..
* Tracer une courbe n = f(t) ou
C = f(t).
* Déterminer graphiquement une
vitesse moyenne, une vitesse
instantanée d'apparition ou de
disparition.
* Mise en évidence des facteurs
cinétiques.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Pour éviter la décomposition rapide de certains aliments tels que le couscous, traditionnellement on y
place un morceau de charbon. Comment justifier scientifiquement cette pratique traditionnelle ?
2 Comment justifier la conservation moderne au froid des aliments ?
L’étude comparée de l’évolution dans le temps de quelques réactions pourrait se faire en
s'appuyant sur des exemples simples : combustions vives, réactions de précipitation,
combustions lentes, estérification,….
169
On insistera sur la notion de temps de réaction et sur la relativité du caractère rapide ou lent
d’une réaction. Cela permettra de justifier la nécessité d’introduire la vitesse et de préciser
l'objet de la cinétique chimique.
S’appuyant sur un exemple de réaction lente on montrera que l’on peut facilement suivre la
formation de l’un des produits ou la disparition d’un des réactifs et chercher à déterminer la
quantité qui varie au cours du temps : Comme exemple on pourrait réaliser l’action des ions
iodure sur les ions péroxodisulfate ou la réaction d’estérification directe ou d'hydrolyse d’un
ester (à défaut de répéter l’expérience les résultats de mesures du chapitre C1 pourraient être
utilisés).
On définira alors la vitesse moyenne de formation et la vitesse instantanée de formation d’un
produit puis la vitesse moyenne de disparition et la vitesse instantanée de disparition d'un
réactif.
Les élèves apprendront à déterminer graphiquement ces vitesses en précisant leurs unités
(mol/s, mol/h). On montrera l'évolution de la vitesse de réaction au cours du temps.
Expérimentalement, on dégagera l'influence des facteurs cinétiques sur la vitesse de réaction :
concentration des réactifs, température du milieu réactionnel, catalyseurs.
Expérimentalement montrer comment l’action des ions fer(II) ou fer(III) accélère la réaction des
ions iodure sur les ions péroxodisulfate puis interpréter par les équations de réaction.
Pour l’autocatalyse donner l’exemple du couple MnO4- /Mn2+, c’est le seul exemple à donner.
En exercices divers exemples relevant de différents types de réactions (estérification,
hydrolyse, saponification, réactions d'oxydoréduction...) seront traités. Dans le cas des
réactions d’oxydoréduction donner les potentiels normaux des couples impliqués ou des
indications sur les produits formés pour permettre aux élèves d’écrire les équations de réaction.
On citera quelques applications : autocuiseur, méthodes de conservation des aliments.
Les notions de vitesse globale et d'ordre de réaction ne sont pas au programme.
Rappel : les mécanismes réactionnels sont hors programme,
L’étude systématique de la catalyse est aussi hors programme.
170
CHAPITRE C5: pH d’une solution aqueuse - Autoprotolyse de
l'eau , produit ionique –– Indicateurs colorés
Objectifs d’apprentissage
•
Mesurer le pH d’une solution à
l’aide du pH-mètre
•
Déterminer l'acidité, la basicité et
la neutralité d'un milieu par la mesure du
pH ou l’emploi d’un indicateur coloré.
.Ecrire l’équation de la réaction
d’autoprotolyse de l’eau.
•
Donner la valeur du produit
ionique de l’eau à 25°et établir un lien*
entre la valeur du produit ionique et la
température.
•
Donner
les
valeurs
des
concentrations en ions HO et H3O+
dans l'eau pure à 25°C (10 -7 mol/L)
Durée 6 h
CLASSE
:T S
Contenus
Activités d'apprentissage
*
pH d'une solution
aqueuse.
- Expression.
- Mesure de pH.
* Caractère acide, basique
ou neutre d’une solution
* Mesure de pH à l'aide du
pH-mètre.
* Mise en évidence de la
conductibilité de l'eau.
* Interprétation de la faible
conductibilité de l'eau.
* Cas de l’eau pure
- Conductibilité de l'eau.
- Autoprotolyse de l'eau.
- Produit ionique de l'eau.
* calcul de pH et de
concentrations en ions OH+
et H3O
* Calcul de pH
* Préparation d’un indicateur
coloré..
•
Déduire le pH de la concentration * Indicateurs colorés.
* Applications.
en ions H3O+ et HO- et inversement
•
Utiliser un indicateur coloré
•
Prendre
conscience
de
l'importance du pH dans la vie courante :
valeur du pH sanguin, des sols, des
produits alimentaires.
Etablissement de l’échelle
de pH d’un indicateur
coloré.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Macérer dans l’eau la calice sèche d’oseille (bissap bllanc) pendant une heure environ. Filtrer et
transvaser le filtrat dans un flacon ; diluer si la solution est concentrée et conserver à l’abri de l’air.
Préparer une solution diluée de citron, une de cendre et une sel alimentaire (de chlorure de sodium).
Prélever 1 millilitre de chaque solution puis ajouter une à deux gouttes de la solution d’oseille. Noter la
couleur obtenue. Comparer les résultats obtenus. Conclure.
Quelle utilisation pratique peut-on faire de la solution d’oseille ?
2 Reprendre l’expérience en utilisant des fleurs de bougainvilliers à la place de la calice d’oseille.
Comparer les résultats obtenus avec les précédents.
L’étude des solutions faite en classe de seconde a permis de faire le lien entre les propriétés
acides (basiques) d’une solution et la concentration en ions hydronium ou oxonium H3O+
(hydroxyde HO-) : les propriétés acides (basiques) sont d’autant plus marquées que la
concentration en ions H3O+ (ou en ions HO-) est élevée (à ce niveau seule la définition
d’Arrhénius a été étudiée)
Ce chapitre consolide les connaissances acquises en classe de seconde sur les acides et les
bases par l’introduction d’une grandeur, le pH, qui « mesure » l’acidité ou la basicité d’une
solution aqueuse.
Le pH sera défini comme l’opposé du logarithme décimal de la concentration en ions
hydronium : pH = - log [H3O+]
171
On expliquera en quoi il est plus commode d’utiliser les valeurs pH à la place des valeurs des
concentrations en ions hydronium.
Faire mesurer le pH d'une solution à l'aide du pH-mètre. On expliquera le fonctionnement de
l’appareil.
A l’aide du pH –mètre faire mesurer le pH de solutions acides, basiques et neutres. Donner les
valeurs de ces pH à 25°C.
En évaluation formative les élèves seront amenés à calculer des pH de solutions connaissant
[H3O+] ou [HO-] et réciproquement.
La conductibilité électrique de l’eau peut être introduite à partir de la mesure du pH de l’eau
pure qui prouve l’existence d’ions. Cette conductibilité sera interprétée à partir de la réaction
d’autoprotolyse de l’eau ou équilibre d’ionisation de l’eau. On en profitera pour consolider la
notion d’équilibre vue dans le chapitre C1
On donnera l'expression du produit ionique de l'eau : Ke = [H3O+].[HO-]
Sa valeur à 25 C sera retenue. Donner la relation pKe = - log Ke
Des exemples de valeurs numériques seront fournis à titre indicatif pour montrer que le produit
ionique est fonction de la température :
à O°C
Ke = 1,1 10 -15
pKe = 14,96
à 25°C
Ke = 10 -14
pKe = 14
à 100°C
Ke = 5,5 10-13
pKe = 12,26
Rappeler la définition d'un indicateur coloré et préparer quelques indicateurs naturels ou usuels.
L’action d’un indicateur tel que le bleu de bromothymol sur des solutions de pH varié permettra
de rappeler les notions de teinte acide, teinte basique, teinte sensible et zone de virage vues en
classe de seconde.
Dans le chapitre C8 les compléments nécessaires sur l’étude des indicateurs colorés (couple
acide base, pKa, mode d’action d’un indicateur coloré) seront apportés. On expliquera dès à
présent le principe du papier pH et on l'utilisera.
En application on donnera la valeur du pH du sang, du pH de certains sols et de quelques
produits alimentaires. Des règles de sécurité seront données.
NB : Il est important de rappeler, à titre introductif ou au fur et à mesure du déroulement de la
leçon, les notions de concentration molaire ou « molarité » d’un soluté dans une solution et de
concentration molaire d’une espèce chimique présente dans une solution.
172
CHAPITRE C6 : Notions d'acide fort et de base forte –
réaction entre acide fort et base forte.
Objectifs d’apprentissage
* Ecrire les équations des réactions
des acides forts et des bases fortes
avec l'eau.
*
Ecrire
les
équations
d'électroneutralité
et
de
conservation de la matière.
Utiliser les expressions des pH des
monoacides forts et des
monobases fortes.
* Calculer le pH du mélange d'un
acide fort et d'une base forte.
* Utiliser la méthode des tangentes
pour déterminer le point équivalent.
* Retenir que le pH à l'équivalence
est égal dans ce cas précis à 7 (à
25°C).
* Connaître l'allure de la courbe
pH = f(VB) et interpréter ses
différentes parties.
Durée 7 h
Contenus
* Acide fort.
- Exemple de HCl
+Equation d'électroneutralité.
+Equation de conservation
de la matière.
- Généralisation
* Base forte.
- Exemple de NaOH
+Equation d'électroneutralité.
+Equation de conservation
de la matière.
- Généralisation
* Réaction entre un acide fort
et une base forte.
- Etude qualitative
- Etude quantitative
+Evolution du pH du
mélange.
+Tracé de la courbe
pH = f(VB).
+Point d'équivalence.
+Influence de Ca sur l'allure
de la courbe
CLASSE :T S
Activités d'apprentissage
* Mesure du pH de quelques
solutions.
* Expériences : - montrer qu'un
acide fort est complètement
dissocié en ions dans l'eau.
- montrer qu'une base forte est
complètement dissociée en ions
dans l'eau.
Recherche du domaine de
validité des relations pH = logC pour un monoacide,
pH = 14 + logC
pour
une
monobase à l'aide d'un pHmètre.
* Expérience : vérifier qu'en
mélangeant un acide et une
base
il disparaît autant de
moles d'ions H3O+ que de
moles d'ions HO-.
* Réalisation du dosage acide
fort base forte avec un pH-mètre
et/ou un indicateur coloré.
* Tracer la courbe pH = f(VB).
Exploiter la courbe de dosage
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Les Industries Chimiques du Sénégal (I.C.S) disposent à MBAO d’une unité de fabrication d’engrais. On
y fabrique, entre autres :
- du sulfate d’ammonium (engrais simple),
- du nitrate de calcium (engrais simple),
- du superphosphate normal (mélange de deux sels : dihydrogénophosphate de calcium + sulfate de
calcium).
1 Chaque engrais est obtenu à partir de l’action d’un acide fort sur une substance appropriée. Préciser les
réactifs utilisés pour chaque engrais.
2 Ces exemples mettent en évidence les risques que fait courir à la population l’utilisation abusive des
engrais chimiques ; expliquer.
Dans le cas des acides forts, on prendra comme exemple l’acide chlorhydrique. A partir d’une
solution commerciale par exemple, préparer des solutions ni trop concentrées ni trop diluées
(exemple C = 10-2 ; 10-3 , 10-4 mol.L-1). Les acquis de la classe de seconde sur la préparation
des solutions seront utilisés (calcul des quantités de matière, de volumes, matériel approprié).
Pour une solution chlorhydrique de concentration donnée on mettra en évidence la conductibilité
électrique ainsi que la présence d’ions Cl- (action d’une solution de nitrate d’argent) et d’ions H3O+
(mesure du pH). Après avoir fait l'inventaire des espèces chimiques présentes, on appliquera
173
l'équation d'électroneutralité et l'équation de conservation de la matière pour déterminer leurs
concentrations, ce qui permettra d'aboutir à la conclusion selon laquelle la réaction de l'acide
chlorhydrique avec l'eau est totale. On définira alors la notion d'acide fort.
Pour un monoacide fort on établira la relation pH = - logC et l’on précisera son domaine de
validité :10-5 mol.L-1 <C <10-1 mol.L-1.
On fera remarquer que si le monoacide est trop concentré (C> 10-1 mol.L-1) la relation
précédente n'est pas applicable du fait des interactions fortes entre ions. Si la solution de
monoacide fort est trop diluée, la relation pH = - logC n'est pas valable car il faut tenir compte de
la concentration en ions H3O+ venant de l'eau.
On citera d'autres exemples d'acides forts : H2SO4, (en solution assez diluée), HNO3, HI, HBr,
HClO4 (acide perchlorique). Faire vérifier expérimentalement que ces acides sont forts et faire
écrire à chaque fois l'équation de leur réaction avec l'eau.
Prendre l'hydroxyde de sodium comme exemple de base forte et utiliser le même procédé que
pour l’étude de la solution chlorhydrique : mise en évidence de la conductibilité électrique de la
solution et de la présence des ions Na+ (test à la flamme) et OH- (mesure du pH), inventaire des
espèces chimiques présentes, calcul des concentrations molaires pour une solution de
concentration C connue à partir du pH et des équations d'électroneutralité et de conservation de
la matière.
En déduire la définition générale d’une base forte. Préciser que pour des solutions de monobases
fortes ni trop concentrées ni trop diluées (10-5 mol.L-1 <C <10-1 mol.L-1), on peut appliquer la
relation : pH = 14 +logC.
Donner des exemples de bases fortes : KOH, Ca(OH)2, C2H5O- (ion éthanolate).
La réaction entre un acide fort et une base forte sera étudiée à partir de solutions d’acide
chlorhydrique et d’hydroxyde de sodium.
Qualitativement le caractère exothermique de la réaction sera mis en évidence en mélangeant
des solutions de concentrations voisines de 1 mol/L et en suivant l’évolution de la température à
l’aide d’un thermomètre. L’étude quantitative qui suit se fera à partir d'un mélange d’une solution
d'acide chlorhydrique et d'une solution d'hydroxyde de sodium de concentrations respectives CA
et CB, de volumes respectifs VA et VB. La mesure du pH du mélange permettra de montrer qu'il
disparaît autant d'ions H3O+ que d'ions OH- : ce résultat devra être établi par les élèves, ce
faisant ils apprendront à s’habituer au calcul des concentrations et à l’utilisation des équations
d’électroneutralité et de conservation de la matière. Ecrire l’équation de la réaction.
L'étude de l'évolution du pH du mélange en fonction du volume VB de base versée sera faite
(dosage pH-métrique d'un acide fort par une base forte). Faire tracer la courbe pH = f (VB),
interpréter son allure et insister particulièrement sur l'évolution très lente du pH pour un volume
174
faible de base versée et sur le saut de pH important quand on atteint l'équivalence acido-basique.
Le point d'équivalence sera déterminé par la méthode des tangentes. Montrer aussi comment
situer le point équivalent à l’aide d’un indicateur coloré.
Définir de façon générale la notion d’équivalence acido-basique et insister sur le fait qu’à
l’équivalence d’un mélange d’acide fort et de base forte le pHE = 7. Donner les précisions
nécessaires sur la notion d’équivalence.
A titre d’application on fera calculer la concentration de la solution de titre inconnu en exploitation
les coordonnées du point équivalent..
L'influence de la concentration de l'acide sur l'allure de la courbe pH = f (VB) sera traitée.
En exercice, faire tracer la courbe pH = f(Va) et faire interpréter l'allure de la courbe pour le
dosage d’une base forte par un acide fort.
CHAPITRE C7 : Acides et bases faibles, couples acide-baseConstante d'acidité et classification des couples acide - base
(Durée : 8 h)
CLASSE
:T S
Objectifs d’apprentissage
Contenus
Activités d'apprentissage
* Retenir que les acides et les
*Expérience
:Vérifier
Acides faibles et bases
bases faibles sont partiellement
expérimentalement
qu'à
faibles
dissociés en ions dans l'eau.
concentration égale, une solution
Acide éthanoïque, ion
* Calculer le coefficient d'ionisation
aqueuse d'acide faible est moins
éthanoate,
d'un acide, d'une base.
conductrice
qu'une
solution
Ammoniac, ion ammonium
* Montrer l'augmentation du
d'acide fort; en faire de même
coefficient d'ionisation lorsque la
pour une base faible.
* Couples acide - base
dilution augmente.
couple acide éthanoïque / * Expérience : Montrer que les
acides et les bases faibles sont
ion éthanoate,
Ecrire les demi-équation
partiellement dissociés en ions
protoniques d'un couple acide- couple ion ammonium/
dans l'eau.
base.
ammoniac
* Calculer une constante de
Expériences : - mesurer le pH d'un
- Théorie de Bronsted
réaction (acido-basique)
acide faible et vérifier que :
- généralisation
* Calculer le Ka et le pKa. d'un
pH > pC = -logC.
- mesurer le pH d'une base faible et
couple acide-base.
Constante d'acidité Ka
vérifier que pH < 14 + log C.
* Comparer les forces de deux
Mise en évidence de couples
acides, de deux bases.
( pKa)
acide-base.
* Classer des couples acide-base.
Constante de réaction K,
Tracer la courbe :
Constante de réaction
réduite ou constant d’acidité
pH = f(log[CH3COO-]/
Ka
[CH3COOH]).
* Détermination expérimentale de
* Classification des couples
la constante d'acidité d'un couple
acide-base.
acide- base.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Un acide faible : l’aspirine.
1 Le terme aspirine est un nom synonyme d’acide acétylsalicylique, produit vendu sous différents noms
commerciaux déposés. Il a été synthétisé pour la première fois en 1893 par le chimiste allemand
Félix Hoffmann. Rechercher la formule semi-développée de l’aspirine. Reproduire cette formule, entourer
et nommer les différents groupes fonctionnels.
2 L’aspirine est prescrit comme analgésique, antipyrétique, anti-inflammatoire, antifébrile : que signifient
ces qualificatifs ?
175
Après avoir étudié les acides forts qui, en solution aqueuse réagissent totalement avec l’eau,
montrer que certains acides tels que l’acide éthanoïque réagissent partiellement avec l’eau ; de
même on montrera que certaines bases telles que l’ammoniac réagissent partiellement avec
l’eau, contrairement aux bases fortes comme l’hydroxyde de sodium.
Le professeur pourrait commencer par montrer qu'à concentration égale une solution d'acide
éthanoïque est moins conductrice qu'une solution d'acide chlorhydrique. Il interprétera cela par
la faible dissociation de l'acide éthanoïque dans l’eau. Ce résultat devrait être confirmé par la
suite par une étude quantitative : on fera déduire, de l’inventaire des espèces susceptibles
d’être présentes dans une solution d’acide éthanoïque de concentration molaire C donnée et de
la valeur du pH mesuré, les concentrations de ces espèces. L’interprétation des résultats
obtenus permet de justifier le caractère limité de la réaction d’ionisation de l’acide éthanoïque
dans l’eau et par suite d’écrire l’équation correspondante.
La notion de degré d’ionisation sera introduite ; et l’on pourra montrer en exercice son évolution
avec la dilution.
Le caractère limité de la réaction d’ionisation de l’acide éthanoïque sera expliqué par la mise en
évidence de la réaction inverse.
La mise en évidence de la réaction de l’acide éthanoïque avec l’eau et celle de la réaction des
ions hydronium avec les ions éthanoate, permettent de conclure que ces réactions mènent à un
équilibre chimique qui se traduit par l’équation :
CH3COOH + H2O
CH3COO- + .H3O+
Pour l'étude des bases faibles, le professeur prendra l’ammoniac comme exemple. Il adoptera
la même démarche que pour les acides faibles pour montrer que les bases faibles sont
partiellement dissociées en ions. La définition d'une base faible sera donnée et son coefficient
d'ionisation calculé.
D'autres exemples de bases faibles seront cités.
La notion de couple acide base peut être déduite de l’étude précédente : le passage de l’acide
éthanoïque à l’ion éthonoate et le passage inverse, ainsi que le passage de l’ion ammonium à
l’ammoniac et vice versa. On donnera d’autres exemples de couples en précisant la
convention d’écriture :
CH3COOH/CH3COO- , HCl/Cl-, NH4+/NH3, C2H5OH/C2H5O-, H3O+/H2O, H2O/OH-.
Dans le cas des polyacides et des polybases on parlera des espèces ampholytes ou
amphotères (HSO4-, H2PO42-, HCO3-)
A partir de l'exemple du couple CH3COOH/CH3COO-, définir la notion de constante d'acidité.
Pour ce faire revenir sur la notion d’équilibre chimique pour introduire la notion de constante de
réaction :
- Soit l’équilibre : A + B
C +
D
- les résultats expérimentaux obtenus avec de nombreux équilibres chimiques montrent que
l’expression
- [C][D] / [A][B] reste constante quelles que soient les concentrations des quatre
constituants . Cette constante ne dépend que de la température pour une réaction
donnée; elle représente par définition la constante de réaction K :
- K = [C][D] / [A][B] = constante à température donnée.
Revenant sur l’équilibre d’ionisation de l’acide éthanoïque on fera exprimer la constante de
réaction.
En faisant remarquer que dans les solutions diluées [H2O] est pratiquement constante, on
introduira la notion de constante de réaction réduite Kr que l’on appellera constante d’acidité
Ka :
En résumé pour l’équilibre : CH3COOH +
H2O
CH3COO- + .H3O+
On a Ka = Kr = [CH3COO-].[H3O+ ]/ [CH3COOH]
Ka est la constante d’acidité de CH3COOH dans l’eau : Ka = 1,6.10-5 à 25°C
176
On définira le pKa par l’expression : pKa = - logKa.
La généralisation pour un couple acide/base quelconque AH/A- donne :
Ka = [A-].[H3O+]/[AH] et pKa = - logKa.
La relation pH = pKa + log [A-]/[AH] en sera déduite.
A partir d’exemples on procédera à la détermination expérimentale de Ka.
L’exploitation de la relation précédente permettra de préciser sur une échelle de pH les
domaines de prédominance de l’acide et de la base conjuguée : dans le domaine où
pH < pKa l’acide prédomine ; et là où pH > pKa la base conjuguée prédomine.
On expliquera le lien entre la force de l’acide et la constante d’acidité :
- *de deux acides faibles le plus fort est celui du couple dont le Ka est plus élevé (donc le pKa
plus faible).
- *de deux bases faibles la plus forte est celle du couple dont le Ka est plus faible (donc le pKa
plus élevé).
Le professeur donnera quelques exemples de valeurs de Ka et de pKa de couples acide/base
ainsi que la classification des couples acide base.
Rappeler la définition d'un indicateur coloré et compléter par le fait qu’à un indicateur coloré est associé
un couple acide-base dont les formes acide et basique ont des couleurs différentes.
NB : La notion de constante de réaction ne sera utilisée que pour les réactions acidobasique ; par ailleurs toute autre formulation de la loi d’action de masse est hors
programme.
CHAPITRE C8: Réactions acide faible -base forte et acide fort base faible, dosages, effet tampon
Objectifs d’apprentissage
* Déterminer le point d'équivalence
et le point de demi équivalence.
* Donner le pH à l’équivalence lors
d'un dosage acide faible-base
forte (pHE > 7).
* Donner la valeur du pH à
l’équivalence lors d'un dosage acide
fort -base faible (pHE <7).
* Utiliser une courbe de dosage
pour déterminer une concentration.
* Déterminer le pKa d’un couple
* Choisir un indicateur coloré
approprié pour réaliser un dosage
* Préparer une solution tampon.
* Donner les propriétés d'une
solution tampon.
Durée : 7h
Contenus
* Réaction acide faible-base forte.
- Caractères de la réaction
- Courbe pH = f(VB).
- Point d'équivalence.
- Point de demi équivalence.
- Zone tampon.
* Réaction acide fort-base faible.
- caractères de la réaction
Courbe pH = f(VA).
- Point d'équivalence.
- Point de demi équivalence.
- Zone tampon.
* Dosage acido-basique.
- Utilisation de la courbe de dosage.
- Choix d'un indicateur coloré.
* Solution tampon.
CLASSE :
T S
Activités d'apprentissage
* Expérience : réaliser le
dosage d’un acide faible par
une base forte et vice versa
puis tracer les courbes
pH = f(VB) et pH = f(VA)
* Réalisation d’un dosage
pHmétrique.
* Réalisation d’un dosage
colorimétrique.
* Préparation d’une solution
tampon.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Rechercher la définition d’une solution tampon.
2 Le sang humain, par exemple, est tamponné à 7,4 ; si le pH est inférieur à 7,3, le sang élimine
difficilement le gaz carbonique des cellules ; si le pH passe au-dessus de 7,7, il cède difficilement le gaz
carbonique aux poumons. Lorsque les valeurs du pH sanguin se situent en dehors de la fourchette allant
de 7 à 7,8 la mort est inéluctable, expliquer pourquoi.
177
Le professeur commencera par montrer que la réaction entre un acide faible et une base forte
(par exemple la réaction de l'acide éthanoïque avec l'hydroxyde de sodium) est une réaction
exothermique..
Par une démarche analogue à celle qui est adoptée au chapitre précédent on calculera les
concentrations molaires des espèces présentes dans le mélange d’une solution d’acide
éthanoïque et d’une solution d’hydroxyde de sodium de volumes et concentrations connus. Les
résultats obtenus permettront de déduire que lors de ce mélange les ions OH- apportés par la
base réagissent avec les molécules d’acide selon une réaction totale que l’ion traduira par
l’écriture : CH3COOH + OH-……………CH3COO- + .H2O
Ce résultat sera confirmé par le calcul de la constante de réaction pour l’équilibre :
CH3COOH + OH- ……………CH3COO- + H2O
On vérifiera que la constante de réaction vaut : K = Ka / Ke = 10
14 – pKa
= 109,8 >103, ce qui
permet de conclure que la réaction est pratiquement totale dans le sens 1(vers la droite ici).
Ce résultat sera généralisé pour la réaction entre un acide faible AH quelconque et une base
forte : AH + OH-…………….A- + H2O
En partant d’une solution d’acide éthanoïque sur laquelle on verse progressivement une
solution de soude de titre connu on étudiera l’évolution du pH au cours de la réaction. Faire
tracer la courbe pH = f(VB), interpréter l'allure de la courbe et la comparer à celle obtenue lors de la
réaction d'un acide fort avec une base forte. Les points d'équivalence et de demi-équivalence seront
déterminés. On en déduira le pKa et le Ka du couple acide/base. Faire remarquer que pHE > 7et en
donner la justification théorique..
Le professeur définira une solution tampon, il en dégagera les propriétés. Il donnera les différentes
méthodes de préparation des solutions tampons.
Les applications des solutions tampons seront indiquées.
En exercice, on traitera le cas de la réaction d'un acide fort avec une base faible. Le caractère total de
la réaction pourrait être vérifié par le calcul de la constante de réaction.
A partir de mesures on fera tracer la courbe pH = f(VA). L'allure de la courbe sera interprétée, les
points d'équivalence et de demi- équivalence seront déterminés, on en déduira le pKa et le Ka du
couple acide/base. On fera remarquer que pHE < 7.
- A titre d’application on montrera comment un dosage pHmétrique permet de déterminer la
concentration d’une solution acide ou basique. Dans le cas de la réaction entre un monoacide et une
monobase la relation CAVA = CBVB qui traduit l’équivalence sera utilisée pour calculer cette
concentration.
Après avoir rappelé qu’à un indicateur coloré correspond un couple acide base, le professeur
mettra en évidence expérimentalement la zone de virage de quelques indicateurs colorés en
précisant les pH limites de celle-ci.
178
Un bref rappel sera fait sur le dosage colorimétrique vu en classe de seconde. On insistera sur le choix
approprié de l'indicateur coloré : sa zone de virage doit englober le pH à l'équivalence pHE.
CHAPITRE C9 : Acides α-aminés
Durée :5 h
Objectifs d’apprentissage
* Construire des modèles
moléculaires
* Donner la formule semi développée d'un α amino acide.
* nommer un acide α aminé
Donner la représentation de Fischer
d’un acide α aminé
Distinguer configuration et
conformation.
* Citer les espèces majoritaires
entre (amphion, acide conjugué,
base conjuguée) selon le pH du
milieu.
* Ecrire les demi-équation
protoniques des deux couples
acide-base.
* Connaître comment bloquer,
comment activer un groupement
carboxylique.
* Ecrire l'équation de la réaction
entre deux α amino acides.
* Expliquer la formation d'une liaison
peptidique.
Contenus
Acide α aminé ou α amino
acide.
- Formule semi - développée d'un α
amino acide.
- Nomenclature
- Exemples.
* Stéréochimie.
- Carbone asymétrique.
- Représentation spatiale.
- Représentation de Fischer.
- Configuration.
- Chiralité.
- Enantiomères.
* Quelques propriétés
- Activité optique
- Pouvoir rotatoire.
- Configuration D ou L
- Liaison peptidique
Amphion ou Zwittérion, acide et
base conjuguée
* Polypeptides et protéines.
CLASSE :
T S
Activités d'apprentissage
*
* Représentation de formules
développées.
* Représentation spatiale et
représentation de Fischer d'un α
amino acide.
Construction
moléculaires.
des
modèles
* Interprétation de la formation
de l'amphion, de son acide
conjugué et de sa base
conjuguée.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
On estime qu'il existe environ trente mille protéines différentes chez l'Homme, dont 2% seulement ont été
décrites. Chez l'Homme, comme chez tous les êtres vivants, les protéines sont constituées d'une vingtaine
d'acides α-aminés différents. Ces acides α-aminés sont liés par des liaisons peptidiques sous forme de longs
filaments (chaînes polypeptidiques)
1 Les protéines jouent d’importants rôles dans l’organisme humain. Citer quelques uns de ces rôles.
2 Les peptides et les protéines sont tous formés à partir d'acides α-aminés, ce sont des polypeptides. A quoi
tient leur différence?
3 Rechercher la définition et la formule générale d’un acide α-aminé.
Définir un α amino acide, donner sa formule semi-développée. Citer quelques exemples d'acide α
aminé (Glycine, Alanine, Valine, Leucine) et donner leurs symboles respectifs (Gly, Ala, Val, Leu).
L’étude des acides α aminés sera mise à profit pour compléter les éléments de stéréoisomérie
étudiés en classe de première; c’est là un des objectifs assignés au chapitre. S’appuyant sur un
exemple bien choisi de molécule d'acide αaminé on définira les notions de carbone asymétrique,
de chiralité et d’énantiomérie La notion de configuration, la distinction entre configuration et
conformation seront précisées. L’utilisation des modèles moléculaires sera d’un grand recours
pour cette partie.
179
On amènera les élèves à faire la représentation spatiale et la représentation de Fischer de
quelques molécules d’acide α aminé. On précisera les configurations D et L. On expliquera
l'activité optique.
L’étude de l’ionisation de l’acide α aminé en solution aqueuse permettra d’introduire la notion
d'amphion ou dezwittérion. A partir des règles de prédominance le professeur montrera que dans
un milieu très acide la forme prépondérante est l'acide conjugué de l'amphion, dans un milieu très
basique la forme prépondérante est sa base conjuguée, en zone intermédiaire l'espèce majoritaire
est l'amphion.
On expliquera la formation de la liaison peptidique. La synthèse sélective d'un dipeptide sera
expliquée par les possibilités d'activation du groupement carboxylique (sa transformation en
groupement chlorure d'acide), de son blocage (sa transformation en groupement ester), et du
blocage du groupement amino NH2- (transformation en groupement amide).
- Le professeur donnera la structure de quelques polypeptides et protéines en expliquant leur
importance dans la vie : le cours de Sciences naturelles sera d'un grand recours.
Activités d’intégration possibles
1 Synthèse de médicaments.
Lire l’énoncé dans le volet « activités » en fin de document (activité 7)
2 Synthèse de conservateurs : acide benzoïque, acide sorbique
3 Dosage de la vitamine C (acide ascorbique) dans un jus de citron
180
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES DE
LA CLASSE DE SECONDE L2
Août 2008
181
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE SECONDE L2
HORAIRE : 2 h /élève
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
CHAPITRE
Numéro
Titre
P1
L’électricité dans notre environnement
Horaire
3
P2
Le circuit électrique
5
P8
Notions d’intensité et de tension électriques
6
P4
Mouvements- Vitesse.
5
P5
Interaction entre objets : la force.
3
P6
Le poids – La masse – Relation entre poids et 6
masse
Total
.
28
PROGRAMME DE CHIMIE
Numéro
C1
Mélanges
sciences)
CHAPITRE
Titre
et corps purs(introduction
Horaire
aux 5
C2
Structure de la matière- Quantité de matière.
6
C3
Transformations de la matière
5
C4
Solutions acides, basiques et neutres
4
Total
.
20
182
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE SECONDE L2
PROGRAMME DE PHYSIQUE
Les compétences
Compétence 1:
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en électricité (électrisation, circuits électriques, intensité, tension, loi d’Ohm) doit les intégrer
dans des situations familières de résolution de problèmes simples d’électrostatique et
d’électrocinétique : installations domestiques, fonctionnement d’appareils électriques
simples, observations de règles de sécurité
Compétence 2 :
A l’issue de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
en mécanique (sur les forces, le poids, la masse) doit les intégrer dans des situations
familières de résolution de problèmes.
Les chapitres
PREMIER THEME : ELECTRICITE
CHAPITRE P1
L’électricité dans notre environnement.
Durée : 3 h
Objectifs d’apprentissage Contenus
modes * Phénomènes d’électrisation.
- Electrisation par frottement.
- Electrisation par contact.
- Electrisation par influence
* Classer les corps dans l’échelle * les deux espèces d’électricité.
triboélectrique.
- Charges électriques :
* Quantité d’électricité :
*
Utiliser
l’interprétation - Coulomb.
électronique de l’électrisation.
- Electron.
* Utiliser la relation Q = ne.
- Proton.
* Conducteurs et isolants.
* Distinguer un conducteur d’un .
* Histoire de l’électricité
isolant électrique.
* Analyser un texte scientifique .
*
Distinguer
d’électrisation.
Classe : 2° L
Activités d'apprentissage
les
* Expériences d’électrisation :
Stylo
frotté,
pendule
électrique, électroscope.
* Expériences de mise en
évidence des deux espèces
d’électricité.
* Expériences de distinction
entre conducteurs et isolants
* Exposé : grandes dates de
l’ électricité
183
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Fabriquer un versorium.
Pour fabriquer un versorium se procurer d’une gomme rectangulaire, d’une épingle, du papier
aluminium et de la pâte à fix.
Poser la gomme par sa plus petite face sur un support horizontal fixe. Planter l’une des extrémités de
l’épingle sur la face supérieure de la gomme.
Découper une petite hélice dans du papier aluminium et la placer sur l’extrémité supérieure de
l’épingle entre deux bouts de pâte à fix . L'hélice doit tourner librement ; on peut utiliser du talc pour
assurer la libre rotation.
1. Qu’observe- t – on lorsqu’on approche une règle de plexiglas ou de verre frotté du versorium ?
2 Comment s’explique cette observation ?
3. Quelle utilisation pratique fait-on du versorium ? Quel autre appareil est utilisé à cette fin ?
Ce chapitre pourrait débuter par la présentation de phénomènes électriques dans la
vie courante : éclair, tube cathodique d’un téléviseur ou d’un oscilloscope, filet d’eau dévié
par un bâton frotté contre de la laine etc.
Les élèves réaliseront quelques expériences sur l’électrisation par frottement, par
contact et par influence. L’interprétation de ces phénomènes conduira à la notion de charges
électriques. Les élèves, par une série d’expériences classeront divers corps en deux
catégories : ceux qui prennent une charge électrique positive et ceux qui prennent une
charge électrique négative. Une brève présentation simplifiée de la structure de la matière
permettra aux élèves de comprendre que l’électrisation est un transfert d’électrons.. Il suffira
d’indiquer que le noyau est chargé positivement et qu’à l’état fondamental l’atome est
électriquement neutre ( Point n’est besoin de faire un développement sur les caractéristiques
des particules atomiques proton et du neutron). Le professeur donnera alors la relation
Q = ne. Le professeur expliquera la notion de conducteur électrique et d’isolant électrique.
Les élèves par une série d’expériences distingueront en conducteur et isolant électrique
plusieurs matériaux tirés de leur environnement.
Le professeur terminera ce chapitre par une présentation sommaire des travaux
d’illustres savants qui ont travaillé en électricité depuis la structure de la matière jusqu’à la
production du courant électrique. Cette histoire de l’électricité vise à montrer aux élèves le
cheminement de la pensée scientifique.
184
CHAPITRE P2
Le circuit électrique.
Objectifs d’apprentissage
* Donner les schémas normalisés
des différents dipôles.
* Donner le schéma du montage
d’un circuit électrique.
Durée : 5 h
Classe : 2° L
Contenus
Activités d'apprentissage
* Circuit électrique :
- Générateur.
- Récepteur
- Interrupteur
Conducteurs
et
isolants
électriques
* Circuit série
- Courant électrique : nature et
sens
* Circuit en dérivation
- Nœud, branche, maille.
- Court-circuit.
* Réaliser le circuit pile ampoule électrique.
* Retenir les avantages et
inconvénients d’un circuit série.
* Connaître la nature et le sens du
courant électrique.
* Connaître les rôles des
différents appareils utilisés dans
une
maison
:
compteur,
disjoncteur, fusibles, boites de
dérivation, prises, prise de terre.
* Retenir les avantages et * Dangers du courant
inconvénients d’un circuit en électrique.
dérivation.
* Connaître les dangers du
courant électrique
* Prendre des mesures de
précaution contre les dangers du
courant électrique.
* Réaliser un circuit série.
* Montrer l’existence du sens
du courant électrique
* Réaliser un circuit en
dérivation..
* Etudier la maquette du
circuit d’une maison.
* Etudier les dangers du
courant électrique
* Etudier le circuit électrique
d’une bicyclette.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Etudier la constitution et le fonctionnement d’une lampe torche ou d’un jouet électrique.
Le chapitre débutera par l’association d’une ampoule électrique et d’une pile : Le professeur
montrera sans fil que l’ampoule s’allume sous certaines conditions. Il donnera le schéma
simplifié d’une ampoule en spécifiant les parties conductrices et les parties isolantes et
indiquera le cheminement du courant électrique. IL expliquera la nécessité d’utiliser des fils
de connexions. Avec une pile, une ampoule électrique et un interrupteur les élèves
réaliseront un circuit série. En intercalant divers objets, on distinguera conducteurs et
isolants électriques. Le schéma normalisé d’un circuit électrique sera donné. A l’aide d’une
aiguille aimantée ou d’un petit moteur, le professeur montrera que le courant électrique a un
sens et le précisera. Il donnera la nature du courant électrique Le professeur expliquera les
avantages et les inconvénients du montage en série.
Les élèves réaliseront quelques exemples de circuit en dérivation. On en profitera pour
définir les notions de nœud, branche et de maille. La présentation de la maquette du circuit
électrique de la .maison permettra de montrer les avantages du montage en dérivation. Le
professeur précisera le rôle des différents appareils utilisés pour la réalisation du circuit
d’une maison. Le professeur abordera avec les élèves les dangers du courant électriques et
185
les mesures de précaution à prendre contre ces dangers. Il traitera le circuit électrique de la
bicyclette.
CHAPITRE P3
Notion d’intensité et de tension
Durée : 6 h
Objectifs d’apprentissage Contenus
* Intensité
* Utiliser un ampèremètre.
* Choisir le calibre le mieux - Ampèremètre.
- Ampère
adapté.
* Présenter le résultat d’une - Calibre le mieux adapté
* Tension
mesure..
- Voltmètre
- Volt.
* Utiliser un voltmètre
- Calibre le mieux adapté
* Choisir le calibre le mieux - Oscilloscope
adapté.
* Présenter le résultat d’une * Loi d’ohm.
mesure.
* Utiliser un oscilloscope pur
mesurer une tension continue
Classe: 2° L
Activités d'apprentissage
* Mesurer l’intensité
courant dans un circuit.
du
* Mesurer la tension aux
bornes d’un dipôle.
* Mesurer une tension
continue avec un oscilloscope
* Tracer la caractéristique U =
f(I) ou I = f(U)
* Reconnaître la caractéristique
d’un résistor.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherchez dans votre environnement divers appareils et composants électriques, relevez les
indications marquées sur ces appareils.. Quelles grandeurs physiques évoquent ces indications ?
2 Pouvez vous faire fonctionner ces composants électriques ? Attention, pour des raisons de
sécurité pour vous et pour éviter de détériorer ces appareils, demandez conseil et assistance à des
connaisseurs avant de faire fonctionner ces appareils.
A l’aide du circuit pile, ampoule, interrupteur et ampèremètre, les élèves mesureront des
intensités, ils utiliseront différents calibres. Ils découvriront la notion de calibre le mieux
adapté. Ils donneront le résultat d’une mesure
A l’aide du circuit pile, résistor , interrupteur et voltmètre, les élèves apprendront à mesurer
la tension
entre les bornes du résistor. Ils utiliseront le calibre le mieux adapté. Ils
présenteront le résultat dune mesure. Ils apprendront à utiliser l’oscilloscope pour mesurer
une tension continue.
En travaux pratiques, les élèves vérifieront la loi d’ohm,
traceront la caractéristique U = f(I). Avec le code des couleurs, ils donneront la valeur de
quelques résistances.
186
DEUXIEME THEME : MECANIQUE.
CHAPITRE : P4
Mouvements - Vitesse
Objectifs d’apprentissage
Durée : 5h
Contenus
Mouvement.
Exemples.
Relativité du mouvement
Référentiels. Translation et
rotation.
.concept
de
référentiel
et
exemples
(héliocentrique, géocentrique et
terrestre ).
Repères d’espace et de temps.
Trajectoire et référentiel.
Translation et rotation.
Vitesse.
Distinguer translation et rotation.
Déterminer la mesure de la Vitesse d’un point mobile
vitesse (calcul, exploitation de Vecteur vitesse.
documents et d’expériences).
.Vitesse angulaire
Déterminer le vecteur vitesse d’un
point mobile.
Déterminer la vitesse angulaire (
cas simples).
Illustrer la notion de mouvement
par des exemples.
Illustrer la relativité du mouvement
par des exemples.
Relier la trajectoire d’un mobile au
référentiel.
Faire un choix judicieux du
référentiel et du repère pour
l’étude d’un mouvement.
Exploiter des enregistrements
Classe : 2° L
Activités d'apprentissage
Observations diverses (chute
des corps, véhicule, tapis
roulant)
Observations.
Exploitation d’enregistrements
(voir documents CN)
Observations.
Calculs.
Exploitation
d’enregistrements(voir
documents CN).
Schématisation.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Mouvement et repos ? Quelle frontière ? Répondre en prenant des exemples dans votre entourage.
Pourquoi doit-on choisir un référentiel pour l’étude d’un mouvement ? Citer des exemples de
référentiels usuels.
Des exemples familiers aux élèves (bicyclette, chute d’objets, véhicule, tapis roulant…)
pourraient permettre d’illustrer la notion de mouvement et de montrer son caractère relatif.
On justifiera alors la nécessité du choix d’un référentiel pour l’étude du mouvement et par
suite d’un repère.
A partir d’exemples on pourrait faire la distinction entre translation et rotation.
La vitesse pourrait être introduite à partir du mouvement d’un point matériel.
L’exploitation de résultats de mesures ou d’enregistrements devrait permettre d’asseoir les
concepts de vitesse moyenne, vitesse instantanée et vecteur vitesse mais aussi de la notion
de vitesse angulaire et de sa mesure (dans des cas simples de rotation).
187
CHAPITRE : P5
Interactions entre objets : la force.
Durée : 3 h
Objectifs d’apprentissage Contenus
Interaction entre objets.
Interaction de contact
Interaction à distance
La force
Caractéristiques
et
Préciser les caractéristiques d’une représentation.
force.
Exemples : tension d’un fil ou
Représenter une force.
ressort, réaction.
Le principe des interactions
Illustrer
le
principe
des Enoncé du principe
interactions
avec
plusieurs Exemples d’illustration.
exemples.
Identifier certaines interactions
entre objets
Distinguer interaction de contact
et interaction à distance.
Classe :
2° L
Activités d'apprentissage
Observations simples
Expériences
Expériences
Schématisation.
Illustrations
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Interactions à distance et interactions de contact : donner des exemples
2 La loi de l’interaction gravitationnelle a été « trouvée » par Issac Newton. Enoncer cette loi. Qui
était Newton ?
A partir d’observations et d’expériences (raquette-balle de tennis, aimant-aimant, pendulependule ….) on pourrait illustrer /distinguer l’interaction de contact et l’interaction à distance.
Pour des raisons d’ordre pédagogique le phénomène d’interaction sera d’abord étudié entre
objets pris au voisinage immédiat de l’élève ; l’interaction gravitationnelle ne sera étudiée
que plus loin (chapitre suivant)
Le concept de force pourrait être introduit comme représentant l’action que subit un objet en
interaction avec un autre.
Au cas simple d’une action qui s’exerce par l’intermédiaire d’une tige ou d’un câble on
associera une droite d’action (celle de la tige ou du câble), un sens (celui que tend à imposer
cette action) et enfin une valeur. La représentation vectorielle de la force suivra.
Le principe des interactions énoncé et formulé sera illustré par plusieurs exemples.
188
CHAPITRE : P6 Poids , masse d’un corps. Relation poids- masse.
Objectifs d’apprentissage Contenus
Relier le poids à l’interaction
gravitationnelle Terre-objet.
Préciser les caractéristiques du
poids.
Représenter le poids.
Utiliser une balance.
Déterminer la masse volumique.
Calculer la densité.
Utiliser la relation poids masse.
Expliquer la variation du poids.
Expliquer les mouvements des
planètes autour du soleil, de la
lune et des satellites autour de la
terre
par
l’interaction
gravitationnelle.
Interaction Terre-objet :
Poids d’un corps.
Représentation du poids.
Masse - . Masse volumique et
densité.
Définitions.
Mesures.
Relation poids-masse :
Intensité de la pesanteur
Thèmes :
Mouvements des planètes autour
du soleil.
Mouvements de la lune et des
satellites par rapport à la terre.
Mouvements de la terre autour
d’elle même et autour du soleil.
Durée :6 h CLASSE : 2° L
Activités d'apprentissage
Observations.
Expériences
(détermination
caractéristiques du poids)
Schématisation.
Expérience
(mesure
de
masses, détermination de la
masse volumique).
Calcul de la densité.
Expérience (mesure de poids
et masses).
Exploitation
graphique
et
calcul.
Recherche documentaire
Exposés
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Dans le langage courant on emploie souvent les mots masse et poids
1 Quelle différence y a-t-il entre ces deux grandeurs ?
2 Sur l’étiquette d’un produit alimentaire on lit « poids net 1 kg ». Cette indication est elle correcte ?
Si oui, justifier la réponse. Dans le cas contraire donner l’indication correcte.
L’interaction gravitationnelle pourrait être abordée avec l’exemple de l’interaction terre- objet
qui permet de présenter le poids ou force de pesanteur (qu’on assimilera à la force de
gravitation terrestre).
Les caractéristiques du poids pourraient être déduites d’observations expérimentales très
simples : direction imposée au fil de suspension d’un objet, chute d’un objet, déformation
provoquée sur un corps. La relation poids – masse pourrait être établie en TP par les élèves
à partir de mesures de poids et masses. La généralisation de l’interaction gravitationnelle
(sans formulation cependant, on pourrait tout au plus informer sur le sens de variation de
l’intensité de la force de gravitation avec la distance) débouche sur la description des
mouvements des planètes autour du soleil et de ceux des satellites autour de la terre (sans
oublier la lune).
189
L’étude de ce thème sera complétée par des activités menées à l’extérieur de la classe
(observations, relevés d’ombres, recherche documentaire..) qui peuvent donner lieu à des
exposés faits par les élèves avec l’assistance du professeur.
Activités d’intégration possibles.
1 Fabriquer un détecteur de corps électrisé
a) Avec le matériel de récupération ci-après, peut-on fabriquer un appareil permettant de
détecter un corps chargé ? Si oui décrire, succinctement le procédé et faire un schéma
annoté.
b) Réaliser le dispositif.
c) Approcher un bâton de plexiglas frotté au dispositif. Décrire ce qui est observé. Expliquer,
schéma à l’appui
Matériel
- bocal en verre isolant muni d’un couvercle métallique,
- du papier aluminium,
- un trombone métallique.
2/ Simulation d’une installation domestique permettant d’allumer de manière
indépendante trois lampes.
3 Fabriquer un monte- charge
190
PROGRAMME DE CHIMIE
Les compétences
Compétence 4
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
relatifs à la structure de la matière (connaissance de la matière, techniques de base de la
chimie) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes :
traitement de l’eau, cycle de l’eau, cycle du carbone, mesures préventives contre la
pollution
Compétence 5:
A la fin de la classe de seconde, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
(caractéristiques des transformations, équation - bilan, solutions acides et basiques) doit les
intégrer dans des situations d’explication et de résolution de problèmes :
Les chapitres
CHAPITRE C1 :
Mélanges et corps purs.
Durée :
Objectifs d’apprentissage Contenus
Mélange
Distinguer les deux types de Mélange hétérogène.
mélanges.
Mélange homogène (solution).
Techniques de séparation
Utiliser
les
techniques
de Décantation Filtration.
séparation.
Distillation.
Corps purs
Distinguer mélange et corps pur Corps pur.
(exemple de l’eau).
Corps purs composé.
Distinguer corps pur composé et Corps simple.
corps pur simple.
Identifier le dihydrogène et le
dioxygène.
5 h
Classe : 2° L
Activités d'apprentissage
Observations d’eaux, de jus et
boissons.
Expériences
de
- séparation(eaux ,boissons..)
Expérience d’électrolyse de
l’eau .
Mesures de masses et de
volumes (comparaison des
masses du même volume
d’eau et d’autres liquides).
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche sur :
-
Le traitement de l’eau.
-
Le cycle de l’eau.
Il est essentiel que les élèves « s’approprient » le thème « eau » dès ce premier chapitre.
191
A titre introductif il convient de rappeler que l’eau est le constituant le plus important des
organismes vivants : l’être humain ne peut survivre longtemps sans eau, le corps humain
perd quotidiennement 2 à 3 litres d’eau fournie par les boissons et les aliments; c’est le
liquide le plus répandu dans la nature (la mer recouvre les ¾ de la surface du globe, les
océans contiennent plus de 2 milliards de m3 d’eau salée avec une profondeur moyenne de
4 Km, les continents sont sillonnés par d’innombrables fleuves)
Présenter ainsi l’eau met en exergue son importance et peut susciter chez les élèves le désir
d’en savoir plus sur ses constituants par exemple et donc d’aller plus loin.
Par la suite le cours devra être expérimental et porter précisément sur des manipulations
d’échantillons d’eux naturelles, de jus de fruits et de boissons fabriquées apportés par les
élèves et tirés de leur environnement immédiat.
En TP individuel les élèves seront amenés à observer quelques boissons naturelles ou
fabriquées puis à séparer ces boissons(décanter, filtrer et distiller). Ce qui devra leur
permettre de construire les concepts de mélange hétérogène, mélange homogène, solvant,
soluté et solution.
Il peut être intéressant de présenter le « test de reconnaissance de l’eau » : des cristaux
bleus de sulfate de cuivre chauffés dans un tube à essais se transforment progressivement
en une poudre blanche qui représente du sulfate de cuivre anhydre ; en présence d’eau
cette poudre redevient bleue : « la coloration bleue prise par le sulfate de cuivre permet de
détecter la présence d’eau » .
Il serait prématuré de s’appesantir sur la nature du sulfate de cuivre(on ne saurait le faire
correctement, la notion de corps pur composé est introduite après).
Cependant le test de reconnaissance de l’eau pourrait être utilisé avant et après la distillation
des boissons pour attester de la présence de l'eau dans ces milieux.
On vérifiera qualitativement que les distillats obtenus à partir de l’eau de mer, des puits, des
mares ont des propriétés identiques ; ils représentent de l’eau pure (on se limitera à
comparer les masses d’échantillons de même volume).
L’étude des propriétés de l’eau pure sera également effectuée par comparaison avec celles
d’autres liquides tels que l’alcool éthylique, la glycérine (corps purs incolores comme l’eau) et
le sirop de menthe(mélange homogène) : là également on se limitera à comparer les masses
d’un volume d’eau avec un égal volume de chacun de ces liquides. L’étude des
changements d’état qui sera faite dans le chapitre C3 permettra de préciser d’autres
propriétés de l’eau.
On retiendra que : « le corps pur est caractérisé par des propriétés bien définies ».
L’électrolyse de l’eau avec l’identification des gaz formés permettra d’introduire les notions
de corps composé et de corps simple.
Un corps pur qui ne peut être décomposé en d’autres corps purs est un corps simple.
192
Un corps purs composé par contre peut être décomposé en deux ou plusieurs autres corps
purs.
Le rôle de l’eau dans les organismes vivants, les problèmes de collecte de l’eau, de sa
gestion(conservation,
économie),
de
son
recyclage,
du
traitement
des
eaux
domestiques(charbon, désinfection), ainsi que la préparation industrielle des boissons
peuvent être recherchés d’abord à travers des activités extérieures à la classe comme les
enquêtes, l’étude de documents écrits ou audiovisuels (encyclopédies, manuels scolaires,
cassettes vidéo, films…..), les visites d’usines et de sites naturels (station d’épuration de
Cambérène, Lac de Guier..)
En classe le professeur aidera, à l’occasion d’exposés préparés et présentés par les élèves, à
organiser ces informations pour en faire la synthèse.
CHAPITRE C2 :
Structure de la matière. Quantité de matière.
Objectifs d’apprentissage
Durée : 6 h
Contenus
Décrire, expliquer, utiliser les
propriétés des gaz.
Recueillir un gaz.
Mettre en évidence les éléments
C et H.
Donner
la
répartition
des
électrons de l’atome(cas simples)
Représenter
la
structure
électronique
de
quelques
atomes(cas simples)
Ecrire les formules de quelques
corps purs(cas simples)
Confectionner
des
modèles
moléculaires(à l’aide de la pâte à
modeler par exemple : activité en
dehors
de la classe).
Utiliser les grandeurs molaires.
Molécule et élément chimique.
Molécule.
Elément chimique.
Notation chimique.
Atome et ion.
Dimensions et constituants.
Structure électronique(simple).
Ion.
Structures de quelques corps
purs.
Corps à structure moléculaire.
Corps à structure atomique.
Corps à structure ionique.
Quantité de matière.
Mole - Masse molaire - volume
molaire.
Classe: 2° L
Activités d'apprentissage
Expériences avec les gaz :
expansibilité, compressibilité,
diffusion (utilisation pour la
récupération).
Expériences de mise en
évidence d’éléments.
Schématisation.
Utilisation
des
modèles
moléculaires.
Schématisation.
Ecriture de formules.
Détermination de quantités
de matière.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recherche documentaire sur l’historique de l’atome
2. Combien d’atomes de fer y a – t -il dans un échantillon d’un mètre cube sachant que la masse
-3
-23
volumique du fer est de 7,8 g. cm et que la masse d’un atome de fer est de 8,9.10
kg ?
Ce chapitre prolonge le précédent : après l’obtention des corps purs eau, dihydrogène et
dioxygène il s’agit de se préoccuper de la question de savoir « de quoi sont constitués les
corps purs ? ». Le caractère discontinu de la matière sera alors présenté : on pourrait partir
193
du dihydrogène pour faire noter que « le gaz est formé de petites particules toutes
identiques, animées de mouvements incessants et désordonnés, auxquelles on donne le
nom de molécules ». L’exhalaison d’odeur sera citée pour conforter le caractère discontinu,
granulaire des gaz.
Les molécules de gaz sont relativement éloignées les unes des autres ce qui explique leurs
propriétés particulières : expansibilité, compressibilité, diffusion. Ces phénomènes seront mis
en évidence en classe. Certains liquides sont également constitués de molécules, dans ce
cas les molécules sont encore mobiles mais plus rapprochées. Dans les solides moléculaires
les molécules sont très rapprochées, leurs positions moyennes sont fixes.
La présentation de l’élément chimique devra être simple : des expériences de mise
en évidence pourraient être réalisées (les éléments carbone et hydrogène en particulier
seront mis en évidence). A ce niveau on introduira la notation chimique.
A travers des activités documentaires menées en dehors de la classe l’élève prendra
connaissance de l’abondance relative des éléments dans l’Univers et de la composition des
différentes parties du globe terrestre (Voir documents joints)
L’atome sera présenté comme la « brique élémentaire de la matière » à partir de
laquelle sont constituées les molécules et les ions. Il y aura lieu d’insister sur l’ordre de
grandeur des dimensions et masse de l’atome, c’est l’occasion d’entretenir les élèves des
échelles macroscopique, microscopique ou subatomique.*
En ce qui concerne les constituants de l’atome et sa structure électronique tout
développement théorique est à éviter : les notions de sous couches et nombre quantique
sont hors programme. Pour la répartition des électrons on se limitera à préciser le nombre
maximal d’électrons sur les 3 premiers niveaux (2, 8 et 18 électrons) et l’ordre de
remplissage de ces niveaux par les électrons. La représentation de la structure électronique
de l’atome pourrait se faire en schématisant les niveaux par des tirets..
On ne fera représenter que la structure électronique des atomes : H, He , Li , Be , B , C , N ,
O , F , Ne , Na et Cl.
Une présentation simplifiée du tableau de classification périodique sera faite (activités
documentaires sur l’historique et le remplissage en dehors de la classe, utilisation en
classe).
L’étude de l’atome sera mise à profit pour signaler le caractère « révisable et évolutif » des
modèles scientifiques ; c’est l’occasion de poser les premiers éléments d’épistémologie.
Les structures électroniques des molécules seront traitées avec les exemples
suivants : H2 ; HCl, H2O, NH3, CH4, C2H4, C2H2.
La liaison de covalence sera définie comme une « mise en commun d’électrons » et l’on
distinguera formule brute et formule développée.
194
La construction de modèles moléculaires en classe (comme à l’extérieur de la classe à partir
de modèles conçus par l’élève) permettra de bien illustrer ces structures.
Dans un but purement descriptif les structures de quelques corps seront illustrées à l’aide de
modèles (Documents)
La mole et les grandeurs molaires (masse et volume molaires seulement) sont
introduites comme moyen de comparaison d’échantillons de matière.
Pour ce qui est de la mole divers exemples (pris parmi des échantillons de matière différents
)permettront de montrer que les entités qui la définissent peuvent être, suivant le cas, des
atomes, des molécules, des ions, des électrons, etc…On insistera sur les significations
macroscopique et microscopique des symboles et formules chimiques.
Ce chapitre est long et traite de concepts d’un abord difficile mais dont l’acquisition est
indispensable pour la compréhension de la chimie. Ce qui justifie l’horaire qui lui est imparti.
Il est conseillé de le traiter en 2 ou 3 leçons différentes alternées d’évaluation formative de
manière à assoire progressivement ces connaissances.
CHAPITRE C3 :.
Transformations de la matière.
Objectifs d’apprentissage
Distinguer mélange et corps pur
par
les
températures
de
changement d’état.
Nommer les changements d’état.
Distinguer
transformations
physique et chimique.
Se prémunir de mesures de
sécurité (CO2 et CO).
Distinguer réactifs et produits
d’une réaction.
Ecrire
l’équation-bilan
d’une
réaction.
Interpréter
quantitativement
l’équation-bilan.
Utiliser la conservation de la
matière.
Prendre des mesures de sécurité.
Utiliser, analyser des sources
d’information.
Décrire le cycle du carbone.
Durée : 5 h
Contenus
Transformations physiques.
Dilatation
Changement d’état physique.
Transformations chimiques.
Combustion du carbone
Autres exemples de réactions
chimiques.
Equation-bilan d’une réaction
chimique.
Conservation de la matière.
Cas
des
deux
types
de
transformations.
Le cycle biogéochimique du
carbone.
Classe : 2° L
Activités d'apprentissage
Expériences (dilatation).
Expériences
(changement
d’états avec l’eau)
Expérience(combustion de C
avec mise en évidence de
CO )
Récupération et mise en
évidence
de
CO2
des
boissons.
Expériences variées. Ecriture
d’équation-bilan.
Schématisation.
Recherche documentaire.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire sur :
1 Le cycle du carbone : ressources de carbone, transformations du carbone.
2 Les gaz à effet de serre.
195
La dilatation comme les changements d’état seront illustrés par des expériences simples
(thermoscope, fusion de la glace, vaporisation de l’eau).
Un schéma récapitulatif pourrait être dressé pour les changements d’état.
L’étude des transformations chimiques sera également expérimentale : on traitera des cas
simples sans oublier la combustion du carbone et la synthèse de l’eau.
On insistera sur l’étude comparative des deux types de transformations : modification de la
nature des substances lors de la transformation chimique contrairement à la transformation
physique. Cependant on soulignera la conservation de la matière lors de ses transformations
« rien ne se crée, rien ne se perd ».
Le thème cycle du carbone est assez porteur pour développer à la fois des activités
d’interdisciplinarité et de recherche documentaire.
Le professeur de sciences physiques travaillera en étroite collaboration avec ses
homologues de sciences naturelles et de géographie.
Sur le sujet les élèves peuvent être amenés à réaliser de la recherche documentaire pouvant
porter sur les variétés de carbone, les ressources de carbone, les transformations de ces
ressources, les problèmes de pollution, la destruction de la couche d’ozone de l’atmosphère
par l’effet de serre et ses conséquences etc (Voir documents joints)
CHAPITRE C4 :
Solutions acides, basiques, ou neutres.
Objectifs d’apprentissage
Durée : 4 h
Contenus
Acidité , basicité et neutralité.
Acidité et bleu de bromothymol.
Boissons acides, basiques ou
neutres.
Utilisation du pH.
Acidité et pH.
pH
de
quelques
boissons
naturelles ou fabriquées.
Autres propriétés des solutions
acides et basiques.
Distinguer les métaux attaqués Sol acides : action sur les
par les acides chlorhydrique et métaux(Zn , Fe et Cu)
sulfurique dilués à froid.
Sol basiques : action sur les ions
Protéger des métaux.
métalliques.
Identifier le caractère acide,
neutre ou basique d’une boisson
à l’aide du BBT.
Identifier le caractère acide,
neutre ou basique d’une boisson
à l’aide du pH.
Savoir utiliser l’importance du pH
dans la vie courante.
CLASSE : 2° L
Activités d'apprentissage
Expériences(utilisation
BBT)
du
Expériences(mesures
de
pH).
Tableau de comparaison.
Expériences (sol. acides sur
Zn , Fe et Cu).
Expériences(sol.
basiques
2+
2+
3+
2+
sur Zn , Cu , Fe et Fe )
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Les pluies acides :
- Qu’est ce que c’est ?
- Qu’elles en sont les causes ?
- Quelles sont les conséquences ?
2 Les détartrants :
- Quelle est leur nature ?
- Quelle utilisation pratique en fait-on ?
196
L’étude doit être expérimentale et dénuée de tout développement théorique : on doit
chercher à rendre la chimie à la fois attrayante et utile au lieu de rebuter les élèves avec des
équations de réactions compliquées (dans les cas d’espèce on écrira pas les équations de
réaction des acides sur les métaux).
Le caractère acide ou basique d’une solution, la notion de pH comme l’action des solutions
acides et basiques sur les métaux ou ions métalliques seront traités en TP individuel.
L’action de quelques gouttes de BBT sur des boissons naturelles et fabriquées permet de
répartir celles-ci en trois catégories : solutions jaunes, vertes et bleues ( la présence de
colorants peut masquer la couleur escomptée).
La couleur jaune que revêt une solution avec le BBT sera présentée comme le premier
critère d’acidité. : « une solution qui vire au jaune avec le BBT est acide ».
La mesure du pH sera présentée comme le second critère d’acidité : il s’agira de mesurer le
pH des solutions précédentes à l’aide du papier pH ou du pH- mètre(brève présentation)
pour conclure : «
PH < 7 solution acide ;
pH= 7 solution neutre ;
pH >
7 solution basique ».
Un tableau récapitulatif de catégorisation des boissons naturelles et fabriquées pourrait être
dressé par les élèves (Voir documents)
A titre d’applications et d’activités de recherche on traitera de l’importance du pH notamment
en biologie, des mesures de sécurité à prendre pour l’alimentation et l’utilisation des
médicaments, du problème des pluies acides, de leurs causes, leurs conséquences sur
l’environnement , du problème de la corrosion des métaux et de leur protection.
Activités d’intégration possibles.
1 Vérification des indications de l’étiquette d’une bouteille d’eau minérale
A partir de l’étiquette d’une bouteille d’eau minérale, relever ou écrire la formule de tous les
ions contenus dans cette eau.
Réécrire les indications portées par l’étiquette en remplaçant les concentrations massiques
par les concentrations molaires.
Vérifier que cette solution est électriquement neutre.
2 Qualité d’une eau potable.
197
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES
DE LA CLASSE DE PREMIERE L2
Août 2008
198
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE PREMIERE L2
HORAIRE : 2h/ELEVE
PROGRAMME DE PHYSIQUE
CHAPITRE
HORAIRE(h)
Numéro
Titre
P1
Etude expérimentale de la chute libre
4
P2
Travail et puissance
4
P3
Energie cinétique
4
P4
Energie mécanique.
4
P5
Etude expérimentale des lentilles minces
4
Total
.
20
CHIMIE
CHAPITRE
HORAIRE(h)
Numéro
Titre
C1
Généralités sur la chimie organique.
4
C2
Les alcanes
4
C3
Les chaînes carbonées insaturées : alcènes et alcynes.
4
C4
Les composés organiques oxygénés.*
4
C5
Réaction d’oxydoréduction ion métallique/métal.
4
C6
Piles électrochimiques : étude de la pile Daniell
4
Total
24
199
P R O G R A M M E
D E
P H Y S I Q U E
Les compétences d’année.
Compétence 1
A l’issue de la classe de première L, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
(différentes formes d’énergie, leurs transformations réciproques, variation, conservation de
l’énergie), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de problèmes : transfert
par chaleur, par travail, prévision et étude du fonctionnement de systèmes conservatifs,
dégradation de l’énergie.
Compétence 2
A la fin de la classe de première L, l’élève ayant acquis les savoirs savoir-faire, savoir-être en
optique (lentilles minces) doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes liés au cheminement de la lumière dans des milieux optiques simples : lentilles, œil,
loupe, microscope.
Les chapitres
MEC ANIQUE – ENERGIE
CHAPITRE P1 Etude expérimentale du mouvement de chute libre.
Objectifs d’apprentissage
* Exploiter des enregistrements
sur la chute libre.
• Appliquer
les
équations
horaires de la chute libre.
Contenus
* Chute libre.
- Lois de la chute libre
- Equations horaires(z = 1/2.g.t2
et v = g.t).
- Relation :V 2 = 2gz.
* Appliquer la relation entre la - Accélération de la pesanteur.
vitesse et la hauteur de chute.
Durée :4 h
CL:1L2
Activités d'apprentissage
* Expérience de chute libre.
* Tracé de la courbe z = f (.t2)
et en déduire g.
* Relation V 2 = 2gz.
.
* Exploitation d’enregistrements
graphiques d'un mouvement de
chute libre.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
D’une hauteur h du sol, abandonner une bille sans vitesse initiale, mesurer la durée t de chute.
Répéter une dizaine de fois l’expérience en faisant varier h. Dresser un tableau de nombres où seront
consignées les valeurs de h et celles de t.
1 Tracer la courbe h = f (t2). Conclure.
2 En déduire la valeur de l’accélération de la pesanteur du lieu.
200
- Ce chapitre ne doit pas être une reprise des généralités sur le mouvement du point étudiées en
classe de seconde. Il fait cependant le lien entre le programme de mécanique de la classe de
seconde et la rubrique “énergie " du programme de première ; il en assure la continuité.
- Il est important de souligner le fait que les élèves, à ce niveau, ne possèdent pas les outils
mathématiques qui puissent leur permettre de suivre un enseignement théorique de la
cinématique. Il est donc essentiel de procéder par une étude expérimentale comme indiqué par
le titre.
- Plusieurs moyens permettent une telle étude pour la chute libre, on peut citer entre autres :
appareil de chute avec chronomètre électronique, expérience de chute assistée à l'ordinateur,
chronophotographie etc... A défaut de pouvoir réaliser concrètement l'étude expérimentale, on
pourrait exploiter des enregistrements (doc. P1)*.
- A partir de l'expérience ou d'une exploitation de documents on déduira pour la chute libre sans
vitesse initiale la nature du mouvement ainsi que les lois horaires (z = 1/2.g.t2 et v = g.t) et la
relation :V 2 = 2gz.
- On ne manquera point de donner la signification physique de l'accélération de la pesanteur.
On se limitera uniquement à l'étude de la chute libre sans vitesse initiale. La chute libre
avec vitesse initiale non nulle sera étudiée en classe de terminale.
CHAPITRE P2 Travail et puissance
Objectifs d’apprentissage
* Calculer le travail d'une force
d'intensité constante.
*
Calculer
une
puissance
moyenne.
*
Calculer
une
puissance
instantanée.
* Donner des ordres de grandeur
de quelques puissances.
Contenus
* Travail.
- Travail moteur.
- Travail résistant.
- Travail nul.
- Travail du poids
* Puissance.
- Puissance moyenne.
- Puissance instantanée.
Durée :4 h
CL:1L2
Activités d'apprentissage
* Expressions de certains
travaux (travail d’une force
constante, travail du poids) .
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Travail et puissance, quelles significations donner à ces notions ?
2 Quelles différences y a – t – il entre force et travail ? Existe – t –il une relation entre ces deux
grandeurs ?
3 Qu’est ce que c’est le Cheval-vapeur ? Donner en CV la puissance de quelques appareils et moteurs
électriques.
- Le chapitre pourrait être introduit par l'analyse de diverses situations dans lesquelles le mot
travail est utilisé dans le langage courant.
- Par la suite on insistera sur la différence entre ce sens commun du travail (effort physique) et la
grandeur physique "travail" : "une force effectue un travail quand son point d'application se
201
déplace". Les facteurs dont dépend le travail seront dégagés à partir de l'analyse d'exemples de
mouvements de translation familiers tels que mouvement d'un seau d'eau tiré par une corde. On
en viendra par la suite à la formulation. Le travail d'une force constante sur un déplacement
rectiligne sera défini comme un produit scalaire :
-
W
(F ) = F .AB
(A→ B
On généralisera à un déplacement quelconque en introduisant la notion de travail élémentaire.
Dans ce cadre on montrera que le travail du poids d'un corps entre deux positions d'altitude z1
et z2 est donné par l'expression :
WP = -mg ∆z ; ce travail est indépendant du chemin suivi le poids est une force conservative. On
distinguera travail moteur (Wm), travail résistant (Wr) et travail nul.
- Le calcul du travail d'une force variable est hors programme.
- On définira la puissance moyenne développée Pm= W / t et la puissance instantanée P = F.V.
- Le chapitre pourrait être clos par la donnée de quelques ordres de grandeurs de puissances.
CHAPITRE P3 : Energie cinétique
Objectifs d’apprentissage
* Donner les expressions de
l’énergie cinétique.
* Connaître les unités d'énergie et
de moment d'inertie.
* Calculer des énergies
cinétiques.
* Appliquer le théorème de
l'énergie cinétique à un système
donné.
Contenus
* Energie cinétique.
- Energie cinétique de translation.
- Energie cinétique de rotation.
- Moment d'inertie d'un solide par
rapport à un axe ∆.
* Théorème de l’énergie
cinétique.
Durée :4 h
CL:1L2
Activités d'apprentissage
.* Les expressions de l’énergie
cinétique.
* Détermination de la variation
d'énergie cinétique d'un solide,
à partir d'un enregistrement
graphique.
* Vérification du théorème de
l'énergie cinétique à partir de la
chute libre
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Qu’est ce que c’est l’énergie? Quelles idées avez-vous de l’énergie ?
2 L’énergie ne peut ni se créer, ni se perdre, elle se transforme. Nommer ce principe. L’illustrer
qualitativement par des exemples.
- Tout au début de ce chapitre, il est nécessaire d'introduire le concept d'énergie et quelques
notions connexes. Il s'agit de préciser aux élèves, à partir d'observations familières, le concept
d'énergie, de citer quelques formes d'énergie ainsi que les transferts d'énergie entre systèmes et
les transformations d'énergie. A travers ces exemples, on insistera sur deux formes importantes
d'énergie : énergie cinétique et énergie potentielle.
- Par la suite, s'intéressant à l'énergie cinétique, on en donnera l'expression pour le solide en
translation et pour le solide en rotation autour d'un axe fixe. On donnera les propriétés de
l'énergie cinétique : grandeur scalaire positive dont la valeur dépend du référentiel mais ne
donne aucune information sur le sens et la direction du mouvement.
202
- NB : La recherche d'une expression quantitative de l'énergie cinétique d'un solide en translation
peut être menée par l'exploitation d'un document (doc. P3). Le moment d'inertie d'un solide en
rotation sera introduit sans démonstration. On en donnera cependant la signification physique.
On admettra les expressions des moments d'inertie d'un cerceau, disque, cylindre, sphère
homogènes par rapport à un axe passant par leur centre. Le théorème de Huygens est hors
programme.
-
Le théorème de l’énergie cinétique pourra être établi à partir de la chute libre ; on l'énoncera
dans le cas général.). On l'appliquera à d'autres systèmes ; ce faisant on insistera sur son
importance dans la résolution des problèmes de mécanique.
Durée :4 h
CHAPITRE P4 : Energie mécanique
Contenus
* Energie potentielle.
Etat de référence.
Energie
potentielle
de
pesanteur.
Energie potentielle élastique.
de - Energie potentielle de torsion.
Variation
de
l’énergie
potentielle
CL:1L2
Objectifs d’apprentissage
*
Déterminer
l’énergie
potentielle.
* Enoncer le théorème de
l'énergie potentielle.
Activités d'apprentissage
*Exploitation d’enregistrements.
Appliquer le théorème
l'énergie potentielle.
* Vérification du théorème de
l’énergie
potentielle
à
partir
d’enregistrements ou de mesures.
* Vérification du théorème de
* Enoncer le théorème de * Energie mécanique.
- Système conservatif.
l'énergie
mécanique
à
partir
l'énergie mécanique.
Théorème
de
l'énergie d’enregistrements ou de mesures.
mécanique.
* Appliquer le théorème de Conservation
de
l'énergie
l'énergie mécanique
mécanique..
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Visite à la centrale de Bel Air : installations, mode de production, capacité de production d’électricité.
2 Faire une étude comparative des centrales hydroélectriques et des centrales nucléaires (principes et
puissances)
- Un retour, sur quelques exemples simples de formes d'énergie vus au chapitre précédent,
permettra de rappeler que l'énergie potentielle d’un système est l'énergie en "réserve" liée aux
positions des différentes parties du système. Dans la suite, s'intéressant au système (Terre-objet)
on donnera sans démonstration l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur Epp = mgz + cte.
On insistera sur le fait que l'énergie potentielle de pesanteur est définie à une constante près et
l'on montrera comment la valeur de cette contante est déterminée par le choix de la "référence"
(état pour lequel Ep = 0) et de l'origine de l'axe des côtes. On montrera aussi comment la variation
d'énergie potentielle de pesanteur est indépendante de ce choix ; on établira la relation ∆Epp = W(P).
203
- L'énergie potentielle élastique du système ressort-masse, et celle d'un pendule de torsion seront
exprimées sans démonstration; la relation générale : ∆Ep = - W( fic ) sera admise, fic étant la force
intérieure conservative. On insistera sur les concepts de forces intérieures et forces extérieures et
l'on montrera qu'ils dépendent des limites du système choisi.
- Après avoir défini l'énergie mécanique, on établira l'expression de sa variation. On étudiera alors
sa conservation dans certains cas simples ( pendule élastique horizontal ; pendule pesant…). Les
notions de barrière de potentiel et de puits de potentiel seront traitées en exercices.
- On fera découvrir la dégradation de l'énergie mécanique dans le cas de systèmes réels.
204
CHAPITRE P 5 : Etude expérimentale des lentilles minces
Objectifs d’apprentissage
* Connaître les critères pour
identifier une lentille.
* Retenir les caractéristiques de
l’image d’un objet par une lentille
convergente ou une lentille
divergente.
* Distinguer foyer objet et foyer
image.
* Déterminer une distance focale.
* Construire l’image d’un objet
réel par une lentille mince
convergente, par une lentille
mince divergente.
* Appliquer les formules de
conjugaison.
* Déterminer les caractéristiques
d'une image (réelle/virtuelle,
droite/renversée,
plus
grande/plus petite que l'objet.)
* Calculer et/ou mesurer sur un
schéma, un grandissement.
Contenus
* Lentille mince convergente,
Lentille mince divergente.
.- Axe optique principal, axe
secondaire.
- Centre optique.
- Foyer objet, foyer image.
- Plan focal objet.
- Plan focal image.
- Distance focale.
- Vergence.
- Grandissement.
Durée :4 h
CL:1L2
Activités d'apprentissage
* Identification d’une lentille
convergente, divergente.
* Formation d’image à l'aide
d'une lentille convergente.
* Mesure de distance focale
d'une lentille convergente.
* Vérification expérimentale des
formules de conjugaison pour
une
lentille
mince
convergente.
* Observation d’image virtuelle
(fonction loupe).
.* Oeil et vision
Commentaires
Activités préparatoires possibles
3
1. L’œil est une boule de volume moyen 6,5 cm , dont la masse est de l’ordre de 7,5 g. C’est l’œil qui
nous apporte les informations les plus importantes du monde qui nous entoure.
Faire des recherches sur le cheminement de la lumière qui pénètre dans l’œil et le traitement de ces
informations
2 Visite chez un opticien : les verres correcteurs (les types de verre et leurs utilisations).
- Comme indiqué par le titre, cette partie devra être traitée de façon expérimentale. On évitera de
rebuter les élèves par des considérations de géométrie. Il est recommandé de faire un TP cours;
le Kit Optic présente l’avantage, pour cela, d’être simple, manipulable par les élèves et peu
encombrant.
- Par leur action sur un faisceau de lumière parallèle on définira lentilles convergentes et lentilles
divergentes. On mettra en évidence les caractéristiques des deux types de lentilles : axe
optique, centre optique, foyers objet et image, distance focale, vergence...
- On visualisera l’image d’un objet donné par une lentille. A ce propos on traitera différents cas et
l’on fera découvrir les caractéristiques de l’image (nature, taille) et le grandissement. Les
formules de conjugaison que l’on établira seront utilisées pour retrouver les caractéristiques de
l’image par le calcul. On insistera également sur les procédés graphiques utilisables pour la
construction de l’image. En travaux dirigés on pourrait faire recours à des procédés graphiques
pour traiter des cas simples d’association de lentilles.
- On fera l’application des lentilles à l’oeil et la vision.
Activités d’intégration possibles
1 Etude d’un rétroprojecteur
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document (activité 1)
2 Etude d’un barrage hydraulique
Lire l’énoncé dans le recueil « activités » en fin de document (activité 8)
205
P R O G R A M M E
D E
C H I M I E
Les compétences d’année en chimie
Compétence 3
A la fin de la classe de première L, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être en
chimie organique (alcanes, alcènes, alcynes, composés oxygénés) doit les intégrer dans des
situations familières de résolution de problèmes : reconnaissance, caractérisation simplifiée de
quelques composés oxygénés.
Compétence 4
A la fin de la classe de première L, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être en
électrochimie (réactions rédox, propriétés métalliques, piles électrochimiques) doit les intégrer
dans des situations familières de résolution de problèmes : utilisation, applications diverses.
Les chapitres
Première partie : CHIMIE ORG ANIQUE
L’enseignement de la chimie à ce niveau demeure expérimental. Beaucoup d’expériences sont
réalisables avec des composés organiques d’usage courant.
Tout au long de cet enseignement on cherchera à ordonner les connaissances, les structurer pour
aider à mieux les comprendre et par suite les fixer.
Les mécanismes réactionnels sont hors programme.
CHAPITRE C1 : Généralités en chimie organique
Objectifs d'apprentissage
* Retenir la valence d’un élément.
* Connaître d’autres méthodes
d’analyse (spectros-copie...)
* Appliquer les résultats de
l’analyse
quantitative
pour
déterminer la formule brute
d’un composé organique.
* Déterminer les formules
développées correspondant à
une formule brute.
Contenus
* Objet de la chimie organique.
- Atome de carbone.
- Valence d’un élément.
* Hydrocarbure.
* Analys qualitative et analyse
quantita-tive.
- Formule brute d’un composé
organique
- Formules développées.
- Isomérie plane : isomérie de
fonction, isomérie de position,
isomérie de chaîne.
Durée :4 h
CL:1L2
Activités d'apprentissage
* Expériences : combustion,
pyrolyse.
* Utilisation de modèles
moléculaires.
206
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Le carbone :
1 Décrire une expérience simple permettant de mettre en évidence la présence du carbone dans une
substance.
2 Mener une recherche documentaire sur :
- les ressources de carbone.
- le cycle du carbone
- La présentation de quelques composés organiques d’usage courant et leur analyse qualitative
(par combustion dans le dioxygène ou par pyrolyse) permettront d'aboutir à la définition d'une
substance organique et par suite à celle de la chimie organique. On distinguera chimie organique
et chimie inorganique. On insistera sur la variété des composés organiques et les nombreux
champs d’application de la chimie organique.
- On montrera comment cette variété est liée à la particularité de la structure électronique de
l’atome de carbone ; on signalera la tétravalence de l’atome de carbone et la prépondérance de la
liaison de covalence. On rappellera les valences des principaux éléments présents dans les
composés organiques et les types de liaisons covalentes correspondants (simple, double et triple).
- A partir des résultats de l'analyse quantitative et de la donnée de la masse molaire d’une
substance on établira la formule brute correspondante.
- On montrera qu'à une formule brute peuvent correspondre plusieurs formules développées
différentes ; ce qui permettra d'introduire la notion d'isomérie plane.
- Les notions de chaîne carbonée linéaire, ramifiée, cyclique seront précisées.
- NB : Dans ce chapitre on ne se préoccupera pas de la géométrie des molécules
Durée :4 h
CHAPITRE C2 : Les alcanes
Objectifs d’apprentissage
* Ecrire les équations-bilans des
réactions de combustion.
* Ecrire les équations-bilans des
réactions de substitution.
* Utiliser les équations-bilans.
* Citer quelques applications des
alcanes et des dérivés
halogénés.
* Prendre des précautions lors de
l'utilisation
de
produits
inflammables (les éloigner des
sources de chaleur...).
* Prendre des précautions lors de
l'utilisation de gaz toxiques tels
que le chlore,
l’ammoniac(manipuler sous la
hotte.)
Contenus
* Alcanes.
- Formule brute générale d’un
alcane.
- Cyclanes.
- Règle de nomenclature des
alcanes.
- Chaîne principale et chaîne
ramifiée.
- Formules développées.
- Formules semi-développées.
- Carbone tétragonal.
- Radical alcoyle ou alkyle
CL:1L2
Activités d'apprentissage
* Représentation spatiale des
alcanes.
* Combustion d’alcane dans le
dioxygène.
* Combustion d’alcane dans le
dichlore.
* Réaction de substitution d'un
alcane par un halogène
(dichlore ou dibrome).
*
Utilisation
de
modèles
moléculaires.
* Réactions de destruction.
* Réactions de substitution .
- Halogénation.
- Dérivés halogénés.
- Substituants.
207
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Recherche documentaire sur le pétrole et les gaz naturels
- Un des objectifs de ce chapitre est d’élargir et d’approfondir les connaissances de base
nécessaires à l’apprentissage de la chimie organique.
- La nomenclature systématique des alcanes doit être exposée avec la plus grande clarté.
- On veillera à préciser les notions de chaîne principale et ramification ainsi que les règles de
numérotation de la chaîne principale. La formule brute générale, les formules semi-développées
possibles et la structure des alcanes devront être précisées et étayées d’exemples.
- La notion de “carbone tétragonal” est à préciser ;
- Pour la description des structures les modèles moléculaires pourraient être avantageusement
utilisés.
- Les réactions de destruction et de substitution seront étudiées expérimentalement. Pour la
plupart des expériences on peut utiliser le butane qu’on peut prélever d’une bonbonne de gaz
domestique (ou d'un briquet).
- Les mécanismes réactionnels sont hors programme mais on veillera à préciser que lors des
réactions de substitution la structure du squelette carboné est conservée ; ce qui n’est pas le cas
lors des réactions de destruction en particulier la réaction de combustion dans le dioxygène ou
oxydation brutale.
- On parlera du caractère exothermique des réactions de combustion des alcanes et l'utilisation qui
est faite de la chaleur de réaction dans la vie courante.
- Si cela n’a pas été fait dans le chapitre précédent on indiquera les différentes sources
d’hydrocarbures ; l’exploitation de ces sources pourraient faire l’objet d’exposés par les élèves.
CHAPITRE C3 : Les chaînes carbonées insaturées : les alcènes et
les alcynes
Objectifs d’apprentissage
* Connaître la structure de la
double liaison et de la triple
liaison
*
Connaître
les
propriétés
chimiques des alcènes et des
alcynes.
* Nommer les produits formés.
* Connaître l’utilité des produits
formés.
* Ecrire les équation-bilan.
* Ecrire les formules semidéveloppées de certains
polymères.
Durée :4 h
CL:1L2
Contenus
Activités d'apprentissage
* Alcènes et alcynes.
* Réactions d’addition
- Exemples et formule générale
- Règle de nomenclature des * Réactions de polymérisation.
alcènes et des alcynes.
.
*
Utilisation
de
modèles
moléculaires.
* Réaction d’addition.
* Réaction de polymérisation.
208
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Le polyacétate de vinyle, le polychlorure de vinyle et le polyacrylonitrile sont des polymères.
1 Pour chacun des polymères préciser le monomère (nom et formule semi-développée)
2 Rechercher les utilisations faites de ces polymères.
- Il s’agit moins de faire l’étude des alcènes puis celle des alcynes que de procéder à une étude
générale qui puisse faire ressortir les propriétés communes des deux familles. Il ne s'agit pas non
plus de faire une étude monographique à ce niveau. On dégagera expérimentalement chacune
de ces propriétés à partir d'alcènes et d'alcynes d'usage courant (éthylène, acétylène).
- Les formules générales, les règles de nomenclature seront précisées.
- L’étude des structures reste descriptive et doit s’appuyer sur l’utilisation de modèles
moléculaires.
- L’étude des propriétés chimiques des chaînes insaturées sera expérimentale. On pourrait
commencer par la préparation d’un exemple d’alcène et d’alcyne (éthylène par déshydratation de
l’éthanol, acétylène par action de l’eau sur le carbure de calcium). Les composés préparés seront
utilisés pour réaliser :
* quelques réactions de destruction : combustion dans le dichlore, le dioxygène.
* des réactions d’addition : on insistera sur la variété des réactions d’addition.
- On étudiera les réactions de polymérisation : on soulignera l’importance de ce type de réaction
notamment dans l’industrie.
Durée :4 h
CHAPITRE C4 : Les composés organiques oxygénés.
Objectifs d’apprentissage
* Retenir les règles de
nomenclature d’un alcool, d’un
aldéhyde, d’une cétone. d’un
acide carboxylique, d’un ester.
* Distinguer les aldéhydes des
cétones
par
des
tests
d’identification.
.
Contenus
* Alcool, aldéhyde, cétone,
acide carboxylique, ester.
- Formule brute, groupement
caractéristique des composés :
alcool, aldéhyde, cétone, acide
carboxylique et ester
*Tests (DNPH, réactif de Schiff,
liqueur de Fehling).
CL:1L2
Activités d'apprentissage
Utilisation des modèles
moléculaires.
* Ecriture des groupements
caractéristiques des composés
organiques oxygénés : alcool,
aldéhyde, cétone, acide
carboxylique et ester
Tests
d’identification
des
aldéhydes et des cétones.
*
Commentaires
Activités préparatoires possibles
L’alcool chirurgical vendu en pharmacie et utilisé comme antiseptique, est une solution d’éthanol. Il
est aussi utilisé en pharmacie comme solvant
1. L’éthanol n’est en fait qu’un alcool parmi d’autres. Quel est le groupement fonctionnel d’un alcool ?
Donner d’autres exemples d’alcools (formules et noms).
2 Où trouve-t-on des alcools ?
3 Quels sont les domaines d’utilisation des alcools ?
209
- Un des objectifs assignés à ce chapitre est de pouvoir caractériser quelques composés
organiques oxygénés par leur groupement caractéristique, leur formule et leur nom.
- Un déroulement possible est de sérier clairement ces composés avant l'étude de leurs propriétés.
A cette fin on présentera :
* les composés organiques dont la molécule comporte un atome d'oxygène : alcool (liaison
simple - O -) d'une part, aldéhyde et cétone (liaison double C = O) d'autre part
* les composés dont la molécule comporte deux atomes d'oxygène : acide carboxylique et ester
.
- Au cours de cette présentation on donnera les règles de nomenclature ; pour les alcools on
distinguera les trois classes. Dans la suite quelques propriétés de ces composés feront l'objet
d'une étude expérimentale. On fera les tests d'identification des aldéhydes et cétones et
l’oxydation ménagée des alcools.
- A travers cette étude l'accent sera mis sur l'utilisation courante des composés organiques
oxygénés : alcootests, parfums, savons, médicaments etc.
Activités d’intégration possibles
1 Identification d’une substance
Un flacon porte sur son étiquette la seule mention C3H6O et contient un liquide pur incolore.
1 Etablir les formules semi-développées correspondant à cette mention.
2 Le composé comporte une double liaison C = O en bout de chaîne. Proposer un
ensemble de tests permettant de l’Identifier et réaliser ces tests (tous les réactifs
nécessaires sont disponibles au laboratoire, on consultera éventuellement les documents
précisant les procédés de caractérisation des familles de composés organiques
oxygénés étudiés en classe)..
Organigramme sur les composés organiques étudiés.
210
Deuxième partie : OXYDOREDUCTION
Dans toute cette partie les expériences à réaliser nécessitent des conditions simples à réunir :
- moyens matériels non sophistiqués, peu onéreux : verrerie ordinaire, solutions diluées de sels
métalliques,
- protocole expérimental simple : contact direct des réactifs sans chauffage ni refroidissement le
plus souvent ; bon nombre de ces expériences sont faisables en tubes à essais et ne présentent
aucun danger.
C'est l'occasion de faire manipuler les élèves pour donner à la chimie encore une fois l'image qui
lui sied.
CHAPITRE
C5 Réaction d’oxydoréduction ion métallique
Durée :4 h
CL:1L2
métal
Objectifs d’apprentissage
* * Ecrire l’équation-bilan d’une
réaction d’oxydoréduction
.
* Ecrire les demi-équations
électroniques pour des couples
ion métallique métal
.
Contenus
* Réaction d’oxydoréduction.
* Couple oxydant-réducteur
ion métallique /métal.
- Demi-équation électronique.
Activités d'apprentissage
* Exemple de réaction entre ion
métallique et métal
* Mise en évidence de quelques
couples oxydant-réducteur.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Où trouve-t-on du fer ? du zinc ? du cuivre ? de l’aluminium ?
2 Le fer rouille à l’air. Qu’en est –il du cuivre ? du zinc ? de l’aluminium ?
3 Quels sont procédés utilisés pour protéger, de la corrosion, un métal tel que le fer?
- A titre introductif on pourrait :
* présenter brièvement les métaux en insistant sur leur caractère électropositif conséquence
d'une structure électronique particulière,
* rappeler, expériences à l'appui, les caractéristiques de quelques ions : couleur en solution
aqueuse, tests d'identification. La caractérisation des ions étudiée en classe de seconde prend ici
toute son importance.
- Dans l'ordre on présentera les notions de réaction d'oxydoréduction et de couple oxydantréducteur ion métallique/métal. L'action d'un métal tel que le zinc sur la solution de l'ion d'un
autre métal tel que l'ion Cu2+ permettra de définir l'oxydation, la réduction et la réaction
d'oxydoréduction. La réaction d'oxydoréduction sera interprétée à ce niveau comme un transfert
d'électrons du métal (le réducteur) à l'ion métallique (l'oxydant).
- La notion de couple oxydant-réducteur sera déduite de la mise en évidence expérimentale de la
réduction d'un ion métallique en métal et de la transformation inverse.
- On généralisera aux autres métaux et l'on traduira par la demi-équation électronique :
M n+ + n e-
M
211
CHAPITRE C6 : Piles électrochimiques : exemple de la pile
Durée :4 h
CL:1L2
Daniell
Objectifs d’apprentissage
* Expliquer le fonctionnement de
la pile Daniell
* Ecrire l'équation-bilan de la
réaction d’une pile.
* Expliquer qualitativement le
fonctionnement des piles usuelles
Contenus
* Pile.Daniell
- Constitution
- Fonctionnement
- Caractéristiques : f.e.m,
résistance
* Autres piles
• - piles sèches
• - utilisation
Activités d'apprentissage
* Réalisation de la pile Daniell
* Mesure de la f.e.m d’une pile.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Pile Daniell, pile Volta, pile Leclancher, pile Sigelec : rechercher les constituants, les caractéristiques et
l’utilisation faite de ces piles.
- La pile Daniell sera réalisée et son fonctionnement expliqué ; on montrera en particulier que le
bilan des réactions d'électrodes correspond à la réaction spontanée qui a lieu entre les couples
Cu2+/Cu et Zn2+/Zn.
- Cette réaction, comme déjà vue, est assortie d'une énergie chimique laquelle est convertie ici en
énergie électrique, une partie est perdue sous forme calorifique dans les différentes sections du
circuit .
- Se servant de la pile Daniell comme prototype on réalisera, en TP, diverses piles dont on
déterminera les polarités et la valeur de leur f.e.m. On donnera à l'appui le schéma
conventionnel.
-
Les piles sèches seront étudiées de manière qualitative : on amènera les élèves à reconnaître
les différentes parties constitutives, le fonctionnement sera expliqué par analogie avec la pile
Daniell (oxydation au pôle négatif, réduction au pôle positif sans écriture des réactions
d’électrodes). On insistera sur l’importance des piles et leur utilisation.
Activités d’intégration possibles
1 Identification de solutions
Lors d’une séance de TP, un groupe d’élèves a préparé dans des erlenmeyers une solution de
sulfate de fer (II), une solution de nitrate d’argent et une solution de sulfate de zinc. Le groupe a
oublié d’étiqueter les erlenmeyers.
Proposer un minimum de tests permettant d’Identifier les trois solutions et réaliser ces tests (tous
les réactifs nécessaires sont disponibles au laboratoire)
2 Fabriquer une pile avec du matériel de récupération et assurer l’éclairage d’une chambre.
212
PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES DE
LA CLASSE DE TERMINALE L2
Août 2008
213
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE TERMINALE L2
HORAIRE : 2 h /élève
PROGRAMME DE PHYSIQUE.
CHAPITRE
Numéro
Horaire
Titre
THEME 1: ENERGIE
P1
Production, transport, utilisation de l'énergie électrique
5
P2
Energie nucléaire : réactions spontanées, fusion et fission
4
THEME 2 : PHENOMENES VIBRATOIRES
P8
Généralités sur les signaux et ondes mécaniques
5
P4
Aspect ondulatoire de la lumière.
4
P5
Aspect corpusculaire de la lumière ; Dualité onde-corpuscule.
4
Total
22
PROGRAMME DE CHIMIE
CHAPITRE
Numéro
Horaire
Titre
THEME 1: MATIERES PLASTIQUES ET TEXTILES
C1
Matières plastiques
5
C2
Les textiles.
4
THEME 2: COMPOSES OXYGENES.
C3
Les savons
5
C4
Les lessives, les antiseptiques et les désinfectants
3
THEME 3 : POLLUTION
C5
Total
La pollution de l'air et de l'eau
4
21
214
Progression.
L’année scolaire au Sénégal est courte. Compte tenu de la rentrée tardive, des périodes
d’interruption (congés scolaires, fêtes religieuses ou culturelles), des jours fériés, des périodes des
conseils de classe, voire des compositions et sans compter d’éventuelles grèves, il est difficile de
travailler plus de 25 semaines. Il est donc important de planifier l’année scolaire pour finir le
programme dans ces conditions.
Voici un calendrier d’avancement possible pour 2 h hebdomadaire (qui ne reste qu’une
proposition).N'est pris en compte dans ce tableau que l'horaire élève : soit 2 h par semaine.
Semaine
Chapitre de physique
Semaine 1
Production, transport, En. electric. (2 h)
Semaine 2
Production, transport (1 h) En. nucléaire (1
h)
Semaine 3
Energie nucléaire.... (2 h)
Chapitre de chimie
Semaine 4
TD et Evaluation
Devoir N°1 (2 h)
Semaine 5
Matières plastiques (1 h)
Semaine 6
Matières plastiques (2 h)
Semaine 7
Les textiles (2 h)
Semaine 8
Les textiles (1 h)
Semaine 9
Correction D1 (1 h)
TD (1 h)
Devoir N°2 (2 h)
Semaine 10
Généralités sur les signaux... (1 h)
Semaine 11
Généralités sur les signaux... (2 h)
Semaine 12
Aspect ondulatoire de la lumière (2 h)
Semaine 13
Aspect ondulatoire de la lumière (1 h)
Semaine 14
Aspect corpusculaire de la lumière (2 h)
Semaine 15
Aspect corpusculaire de la lumière (1 h)
Correction D2 (1 h)
TD (1 h)
TD (1 h)
Semaine 16
Devoir N°3 (2 h)
Semaine 17
Les savons (1 h)
Semaine 18
Les savons (2 h)
Semaine 19
Correction D3 (1 h)
Devoir N°4 (2 h)
Semaine 20
Lessives antiseptiques1
Correction D4 (1 h)
h
Semaine 21
Lessives
antiseptiques.2h
Semaine 22
La pollution (2 h)
Semaine 23
La pollution (1 h)
Semaine 24
Révision (2 h)
Semaine 25
Révision (2 h)
Révision (1 h)
215
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE Tle L2
PROGRAMME DE PHYSIQUE
La compétence d’année en physique
Compétence 1
A l’issue de la classe de terminale L, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir-être
(production, transport, utilisation de l’électricité, énergie nucléaire, aspects ondulatoire et
corpusculaire de la lumière), doit les intégrer dans des situations familières de résolution de
problèmes : utilisation de l’énergie, prise de mesures de sécurité, préservation de
l’environnement
PREMIER THEME : ENERGIE
CHAPITRE P1 Production, transport, utilisation de l'électricité Durée :
Objectifs d’apprentissage
5h
Classe : T° L2
Contenus
Activités d'apprentissage
* Alternateurs : principe, conversion
d'énergie, induction, stator, rotor,
puissance
moyenne,
puissance
apparente.
* Mettre en évidence, à l'aide
de l'oscilloscope ou d'un
microampèremètre,
le
courant produit par un
alternateur.
* Distinguer les constituants d'un
* Le transformateur : constitution,
transformateur.
* Utiliser un transformateur.
symbole, fonctionnement, rendement. * Mettre en évidence l'action
d'un transformateur sur des
tensions continues et sur des
b
tensions sinusoïdales.
* Production et transport de
* Utiliser un transformateur
* Estimer le bilan énergétique l'électricité :
en abaisseur de tension, en
d'un circuit.
- Lignes haute tension (HT), très haute élévateur de tension.
* Déterminer
le
rendement tension (THT), basse tension (BT).
énergétique
d'un
appareil - Pertes en ligne.
* Utiliser convenablement un
électrique.
appareil électrique en tenant
* Utilisation domestique :
compte
des
indications
données par le constructeur.
* Citer les différents types de - Installation domestique.
centrales électriques et les - Appareils électroménagers.
* Exposé :
principe
et
conversions
d'énergie - Facturation.
fonctionnement des centrales
correspondantes.
- Danger du courant électrique.
* Les centrales électriques :
électriques.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Thèmes (exposés de groupes) :
1. Les modes de production de l’énergie électrique utilisés par la SENELEC.
2 Sur un schéma annoté décrire le transport de l’électricité du lieu de production à l’utilisateur
216
Le chapitre pourrait démarrer par un bref rappel sur la notion d'énergie, les différentes formes
d'énergie, les conversions possibles entre ces formes (rappels du programme de première).
S'intéressant à l'énergie électrique, on présentera de façon expérimentale un moyen de
production : on mettra en évidence le passage d'un courant à travers une bobine devant laquelle
on fait tourner ou on déplace un aimant droit ; à cette fin on pourrait utiliser l'oscilloscope ou à
défaut un microampèremètre pour déceler le courant. L'expérience pourrait être répétée avec une
génératrice de bicyclette. On expliquera que l'alternateur convertit de l'énergie mécanique en
énergie électrique. Cette conversion est liée à un phénomène d'induction. On introduira alors les
concepts de courant induit et de dispositif inducteur et par la suite les deux parties de l'alternateur :
le stator et le rotor.
La puissance moyenne d'un dipôle sera exprimée par Pm = k UI ou U et I sont respectivement la
tension efficace aux bornes du dipôle et l'intensité efficace du courant ; k est le facteur de
puissance du dipôle (k < 1). On définira la puissance apparente par Pa = UI. On apprendra à lire
les indications mentionnées sur un appareil électrique.
Le transformateur sera introduit de façon expérimentale : on montrera que le transformateur n'agit
pas sur les tensions continues. Pour les tensions sinusoïdales on vérifiera la relation
U2/U1 = n2/n1 puis U2/U1 = I1/I2. Le transformateur sera utilisé en élévateur puis en abaisseur
de tension.
On abordera les problèmes de production d'énergie électrique : centrales thermique et
hydroélectrique.
Le transport du courant électrique se fait par des lignes électriques, lesquelles sont le siège de
pertes d'énergie électrique sous forme calorifique. On justifiera alors le fait que le transport de
l'énergie électrique se fasse sous haute tension pour réduire les pertes. On expliquera alors le rôle
du transformateur dans le transport de l'énergie électrique et son utilisation domestique.
A propos d'utilisation domestique du courant on présentera le type d'installation, le mode de
branchement des appareils ménagers, des lampes, ce qui permettra d'aborder les bilans
énergétiques, le problème de la facturation du courant et le danger du courant électrique.
217
CHAPITRE P2 : Energie nucléaire : réactions spontanées, fusion et Durée : 4 h
Classe : T° L2
fission
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Donner le symbole d'un nucléide.
* Rappeler les constituants du
noyau, son symbolisme.
* Déduire les constituants d'un
noyau à partir de son symbolisme.
* Définir la période radioactive ou
demi-vie.
* Enoncer
les
lois
transformations radioactives.
des
* Prendre conscience du danger
d'un rayonnement radioactif.
* Ecrire l'équation d'une réaction
nucléaire spontanée, d'une fission,
d'une fusion, en faire le bilan
énergétique.
* Expliquer
stellaire.
l'origine
de
Activités d'apprentissage
* Le noyau :
- Constituants,
symbolisme,
nucléide, isotopie.
- Energie
de
masse,
relation
d'Einstein, stabilité du noyau.
* Etudier le phénomème
d'isotopie
à
partir
d'exemples.
* Utiliser la relation d'Einstein
et interpréter la stabilité du
* La
radioactivité :
définitions, noyau.
carac-téristiques, lois, période.
* Tracer une courbe de
dégénérescence.
* Rayonnement α, β, γ:
γ
- Nature,
propriétés,
équations
nucléaires.
- Energie libérée lors d'une désinté- * Analyser un rayonnement
radioactif.
gration radioactive.
* Interpréter des expériences
de mise en évidence des
* Effets physiologiques
caractéristiques
des
* Fission : principe, énergie libérée particules accompagnant un
rayonnement.
par fission.
* Exprimer
et
calculer
* Fusion : principe, énergie libérée l'énergie mise en jeu dans
une réaction nucléaire.
par fusion.
l'énergie * L'énergie stellaire
* Citer des applications de la * Les applications
radioactivité et des réactions - Centrales nucléaires,
nucléaires de fission et fusion.
traceur
datation,
* Etudier l'énergie stellaire :
son origine, sa conversion.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Causes et conséquences de l’accident de Tchernobyl
2 Les effets biologiques de la radioactivité : dangers liés à ces effets, utilisations pour l’homme : en
médecine et dans l’industrie.
On rappellera les constituants et le symbolisme du noyau.
La relation d'Einstein énoncée sous la forme ∆E = ∆m.c2 permettra d'interpréter la stabilité du noyau.
La radioactivité (naturelle) sera définie comme une transformation nucléaire spontanée et
inéluctable. La période radioactive T sera définie comme la durée au bout de laquelle la moitié des
noyaux radioactifs initialement présents se sont désintégrés ; on expliquera qu'au bout du temps
nT le nombre de noyaux présents est donné par la relation N = No/2n ; on pourra faire tracer la
218
courbe de dégénérescence. On expliquera le principe de l'analyse d'un rayonnement radioactif, ce
qui permettra d'identifier les types de radioactivité α, β− et le rayonnement γ. Les lois de
conservation du nombre de nucléons et de la charge électrique seront appliquées à l'écriture des
équations-bilans des transformations radioactives.
Le défaut de masse constaté lors d'une réaction nucléaire permettra d'expliquer l'énergie mise en
jeu grâce à la relation d'Einstein. A partir d'exemples simples on fera calculer l'énergie libérée lors
de désintégrations radioactives et le bilan énergétique. Dans les épreuves d'examens, les
énergies seront exprimées en Mev et en joule.
La fission sera définie comme étant la rupture d'un noyau lourd en deux noyaux légers sous
l'action d'un neutron lent ; une fission produit des neutrons. On montrera que la fission de l'uranium
est exoergique.
La fusion est l'union de deux noyaux légers qui engendre un noyau lourd. L'exemple de la fusion
de l'hydrogène qui produit de l'hélium permettra d'évaluer l'énergie mise en jeu et par suite
d'expliquer l'origine de l'énergie stellaire.
On parlera des avantages et des inconvénients de la production d'énergie électrique à partir des
réactions nucléaires. On parlera des centrales nucléaires. On donnera les applications du
nucléaire : centrales nucléaires, datation, traceurs.
219
DEUXIEME THEME : Phénomènes vibratoires
CHAPITRE P3 : Généralités sur les signaux et ondes mécaniques
Objectifs d’apprentissage
Durée :5 h Classe : T° L2
Contenus
* Distinguer signal et onde.
* Définir :
célérité,
période,
longueur d'onde, amplitude.
* Déterminer période temporelle
et longueur d'onde.
* Donner les caractéristiques de
la célérité.
* Enoncer les lois de la réflexion.
* Expliquer le phénomène de
l'écho.
* Connaître le principe de
superposition
* Interpréter la formation des
franges d'amplitude maximale et
d'amplitude nulle.
Activités d'apprentissage
* Signal : émission, propagation * Mettre en évidence des signaux
et réception.
mécaniques le long d'une corde,
d'un ressort et à la surface de
l'eau....
* Ondes progressives :
* Constater
la
séquence :
- Onde le long d'une corde.
émission, propagation, réception.
- Ondes rectiligne, circulaire à la
* Mettre
en
évidence
la
surface d'un liquide.
propagation d'ondes progressives
- Onde sonore
- Période temporelle et période rectilignes, circulaires à la surface
d'un liquide.
spatiale ou longueur d'onde.
* A l'aide de l'oscilloscope, mettre
en évidence la propagation de
* Réflexion, réfraction,
l'onde sonore.
diffraction :
* Comparer l'état vibratoire des
- Réflexion, réfraction, diffraction divers points du milieu de
à la surface de l'eau.
propagation : utiliser par exemple
- Lois de la réflexion, écho.
des micros et l'oscilloscope.
* Dégager les concepts de
* Interférences mécaniques :
période spatiale et de période
- Interférences mécaniques à la
temporelle.
surface d'un liquide.
- Principe
de
superposition, * Mettre en évidence la réflexion,
interférences
la réfraction et la diffraction à la
surface d'un liquide.
* Donner les lois de la réflexion.
* Réaliser
des
interférences
mécaniques à la surface de l'eau.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Remplir d’eau une cuve assez large. Mettre la cuve remplie en dessous du robinet, laisser reposer
Ouvrir le robinet de façon à faire tomber une goutte d’eau à la surface libre du liquide de la cuve.
Observer. Ouvrir le robinet de façon à faire tomber une, deux, trois, quatre, plusieurs gouttes à intervalles
de temps réguliers consécutifs (débit constant). Décrire ce que l’on observe sur la surface libre du liquide.
2 Avec une règle frapper périodiquement la surface libre d’un liquide. Une plaque de verre étant
partiellement immergée dans le liquide, décrire ce qui est observé sur la surface libre du liquide.
Cette leçon sera expérimentale : on évitera tout développement théorique en ce qui concerne les
ondes progressives, les phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction et interférences
mécaniques. Aucun résultat du cours ne devra être établi théoriquement.
Les lois de la réflexion feront l'objet d'une vérification expérimentale.
Les expressions de la différence de marche pour les deux types de franges pourraient être
données à titre d'information mais ne seront pas l'objet d'évaluation.
L'évaluation portera sur l'explication de phénomènes étudiés.
220
CHAPITRE P4 : Aspect ondulatoire de la lumière
Objectifs d’apprentissage
Durée :4 h Classe : T° L2
Contenus
Activités d'apprentissage
* Citer des sources et des
récepteurs de lumière..
* Connaître le principe de la
propagation rectiligne de la lumière
dans un milieu homogène et
isotrope.
* Emission
- RéceptionPropagation :
- Sources, récepteurs de lumière
- Propagation rectiligne de la
lumière : notion de faisceau et
rayon lumineux.
* Mettre en évidence la
séquence
"émission
propagation réception" pour la
lumière.
* Mettre en évidence la
propagation rectiligne de la
lumière : célérité de la lumière.
* Construire la marche d'un rayon
lumineux
par
réflexion,
par
réfraction.
* Connaître la valeur de la célérité
de la lumière dans le vide et dans
l'air.
* Enoncer les lois de la réflexion.
* Réflexion, réfraction, diffraction
de la lumière:
- Observations des phénomènes.
- Lois de la réflexion.
* Mettre en évidence les
phénomènes de réflexion,
réfraction et diffraction de la
lumière.
* Vérifier les lois de la
réflexion.
* Interférences lumineuses:
- Observations du phénomène.
- Interprétation : nature ondulatoire
* Interpréter le phénomène des de la lumière.
* Mettre en évidence
interférences lumineuses par le
interférences lumineuses.
caractère ondulatoire de la lumière.
* Interpréter la formation des
franges brillante et obscure.
les
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Recensez les objets qui meublent le salon de votre maison (ou votre chambre). Les classer en objets
qui produisent la lumière et en objets qui reçoivent la lumière. A quelle(s) condition (s) ces objets vous
sont visibles ?
2 Quel est le phénomène observé lorsqu’un faisceau de lumière arrive sur un miroir ? pénètre dans un
liquide ? Que peut-on déduire quant à la nature de la lumière ?
L'objectif principal de ce chapitre est de faire découvrir le caractère ondulatoire de la lumière à
partir de la mise en évidence des phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction et interférences.
Comme dans les chapitres qui précédent, éviter tout développement théorique. Les résultats
seront déduits expérimentalement. L'évaluation portera sur l'interprétation de phénomènes
observés avec la lumière en rapport avec la réflexion, la réfraction, la diffraction et les
interférences ; ou sur des calculs simples utilisant les lois de la réflexion.
Les interférences en lumière polychromatique et la notion d'indice de réfraction sont hors
programme.
On insistera sur les applications de ces phénomènes dans la vie courante.
221
CHAPITRE P5 : Aspect corpusculaire de la lumière ; Dualité onde- Durée :4 h Classe : T° L2
corpuscule
Objectifs d’apprentissage
Contenus
* Expliquer
l'émission * Aspect corpusculaire :
photoélectrique par la théorie des - Effet photoélectrique
- Théorie d'Einstein.
photons.
* Exprimer l'énergie d'un photon :
E = hυ
* Dualité onde-corpuscule
* Interpréter les propriétés de la
lumière
par
les
aspects
ondulatoire et corpusculaire.
Activités d'apprentissage
* Mettre en évidence à l'aide d'un
électroscope l'émission d'électrons
par un métal éclairé par une lumière
convenable.
* Enoncer la théorie des photons pour
interpréter le phénomène.
* Concilier l'aspect corpusculaire et
l'aspect ondulatoire de la lumière.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Les hypothèses émises par Albert Einstein en1905 permettent d’interpréter de manière satisfaisante
les expériences relatives à l’effet photoélectrique.
Qui était Einstein ? Résumer la théorie d’Einstein permettant d’interpréter les faits observés dans les
expériences relatives à l’effet photoélectrique.
On mettra en évidence l'émission photoélectrique par l'utilisation d'un électroscope ou d'une cellule
photoélectrique. On insistera sur le caractère sélectif de la lumière pour un métal donné à partir
d'exemples. On énoncera la théorie des photons en précisant l'expression de l'énergie lumineuse.
On interprétera le phénomène à partir de l'action individuelle d'un photon sur un électron
rencontré.
On montrera que l'aspect corpusculaire et ondulatoire se complètent pour expliquer toute les
propriétés de la lumière.
Ce chapitre vise en partie à donner aux élèves des éléments d'épistémologie à travers l'évolution
des théories scientifiques.
Activités d’intégration
1/ Eclipse
En une nuit de claire de lune le muezzin du village alerte la population de ’’l’arrestation de la
Lune’’. Au niveau de chaque concession, des prières sont formulées pour demander ‘’grâce’’ au
Seigneur.
Proposer une explication scientifique du phénomène observé.
2 Alimentation d’une zone rurale en électricité : transport, installation
3 Energie solaire : nature ou production, utilisation sur terre.
222
PROGRAMME DE CHIMIE
La compétence d’année en chimie
Compétence 2
A la fin de la classe de terminale L, l’élève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être
en chimie organique (savons, plastiques, polluants) doit les intégrer dans des situations
familières de résolution de problèmes : production, utilisation, caractérisation des plastiques et
des savons, prise de mesures de sécurité et préservation de l’environnement.
PREMIER THEME : Matières plastiques et textiles
CHAPITRE C1 : Matières plastiques
Objectifs d’apprentissage
Durée :5 h Classe : T° L2
Contenus
* Définir un polymère.
* Classer
les
polymères
en
thermoplastiques
et
thermodurcissables.
* Donner le procédé de fabrication
de quelques polymères.
* Ecrire
l'équation-bilan
d'une
réaction de polymérisation.
* Préciser le motif de quelques
polymères.
* Reconnaître
des
matières
plastiques au moyen de tests (tests
de chauffage, de densité, de
Belstein, du solvant, du papier pH,
de combustion)
* Polymères :
- Le motif.
- Degré de polymérisation.
- Polymères linéaires et polymères
ramifiés.
- Les
thermoplastiques,
les
thermodurcissables.
* Exemples de polymères:
- Polyéthylène (PE): le HP et le BP.
- Polypropylène (PP)
- Polytétrafluoroéthylène (PTFE ou
Téflon)
- Polychlorure de vinyle (PVC ou
PCV)
- Polystyrène (PS)
* Citer quelques utilisations des * Utilisation des polymères :
polymères.
Activités d'apprentissage
* Vérifier si un polymère est un
thermoplastique
ou
un
thermodurcissable.
* Confectionner à l'aide de
modèles
moléculaires
quelques monomères et les
motifs
des
polymères
correspondants.
* Visiter
une
unité
de
fabrication
d'un
polymère
(exemple le PVC)
* Réaliser
des
tests
de
reconnaissances de diverses
matières plastiques
Commentaires
Activités préparatoires possibles
Ramasser quelques morceaux de plastiques de votre entourage. Est-il possible d’identifier le polymère
correspondant à chaque morceau ? Quel test simple peut-on faire pour les classer en plastiques
thermodurcissables et en thermoplastiques ? Quelle(s) précautions(s) particulière(s) faut-il prendre ?
Réaliser ce test.
Le chapitre pourrait commencer par la présentation de quelques matières plastiques. Par
chauffage on les classera en deux catégories : les thermoplastiques et les thermodurcissables. On
expliquera leur origine par une polymérisation des molécules insaturées (alcènes et alcynes), on
en profitera pour rappeler les propriétés des double et triple liaison. On admettra que l'addition de
223
n molécules les unes sur les autres donnent soit des polymères linéaires soit des polymères
ramifiés. On donnera quelques exemples de polymères :
- Polyéthylène (PE),
- Polypropylène (PP),
- Polychlorure de vinyle (PVC ou PCV)
- Polyacétate de vinyle (PAV)
- Polystyrène (PS).
On écrira leurs équations-bilans de synthèse en précisant le motif. A l'aide de modèles
moléculaires, on illustrera le passage du monomère au polymère correspondant. On donnera
quelques utilisations de ces polymères dans la vie courante.
CHAPITRE C2 : Les textiles
Objectifs d’apprentissage
* Distinguer les textiles artificiels
et les textiles synthétiques.
* Donner
le
procédé
de
fabrication des textiles artificiels
et synthétiques.
* Préciser le motif de quelques
polymères.
* Ecrire l'équation-bilan du nylon
6-6 ou du polymère synthétisé.
* Citer
les
propriétés
de
quelques textiles synthétiques.
* Donner quelques utilisations
particulières
de
textiles
synthétiques.
Durée :4 h Classe : T° L2
Contenus
Activités d'apprentissage
* Textiles artificiels :
- Procédé de fabrication
- Exemples
de
textiles
artificiels :
la
rayonne,
la
fibranne
* Visiter une unité de fabrication de
textile
* Faire si les conditions du
laboratoire le permettent la synthèse
du nylon 6-6 ou de tout autre
polymère.
* Textiles synthétiques:
- Procédé
de
fabrication :
* A l'aide de modèles moléculaires
polymérisation,
polycondensation.
construire le motif du nylon 6-6 ou
- Exemples : les chlorofibres, les du polymère synthétisé.
acryliques, les polyesters, les
polyamides
- Propriétés
et
applications
particulières
Commentaires
Activités préparatoires possibles
1 Visite à la Société de Développement des Fibres Textiles (SODEFITEX) : installations, types de fibres
produits, capacité de production.
2 Les polyamides, les polyacrilonitriles et les polyesters sont des fibres textiles synthétiques fabriquées à
partir de molécules de synthèse. Rechercher les propriétés caractéristiques de chaque type de fibre et les
domaines d’utilisations pratiques.
En amont ou en aval des activités en classe, visitez une unité industrielle textile.
Le professeur fera la distinction entre les textiles artificiels et les textiles synthétiques. Il expliquera
le procédé de fabrication des textiles artificiels qui se résume en trois étapes:
a) 1ère étape : Dissoudre la cellulose ou un de ses dérivés dans un solvant pour obtenir des
solutions d'une viscosité convenant à la suite du procédé,
224
b) faire passer la solution dans les filières, plaques percées de trous calibrés,
c) à la sortie des filières, évaporer ou détruire chimiquement le solvant afin de reconstituer
la cellulose ou un dérivé sous forme de fils.
La procédé de fabrication des textiles synthétiques fait appel soit à la polymérisation soit à la
polycondensation qu'on distinguera. Si les conditions du laboratoire le permettent, on fera la
synthèse d'un polymère dont on écrira l'équation-bilan. On donnera quelques motifs de polymères
synthétiques. On citera les propriétés de quelques textiles synthétiques en précisant leurs motifs.
225
DEUXIEME THEME : COMPOSES OXYGENES.
CHAPITRE C3 : Les savons
Objectifs d’apprentissage
Durée :5 h Classe : T° L2
Contenus
* Acides gras
*Polyalcools :
triol
Activités d'apprentissage
* Ecrire
la
formule
semidéveloppée de quelques acides
propane-1,2,3- gras, du propane-1,2,3-triol (ou
glycérol).
* Ecrire l'équation-bilan d'une
* Esterification :
réaction d'estérification.
* Citer les caractéristiques d'une - Equation-bilan.
réaction d'estérification.
- Caractéristiques.
* Ecrire l'équation-bilan de la * Saponification
saponification
- Equation-bilan.
* Donner le procédé de fabrication - Caractéristiques.
d'un savon.
* Connaître les caractéristiques
de la réaction de saponification.
* Distinguer savons durs et
savons mous.
* Fabriquer un savon.
* Visiter une unité de fabrication
de savon.
Commentaires
Activités préparatoires possibles
La méthode traditionnelle de fabrication du savon utilise l’action à chaud d’une solution de « khémé » sur
de l’huile d’arachide ou de palme.
Quelles sont les substances chimiques que l’on trouve dans le khémé et qui réagissent sur l’huile
d’arachide (mélange de glycérides) pour produire du savon ?
Quels sont le nom et la formule du composé organique, autre que le savon, produit par la réaction ?
Le chapitre débutera par une brève présentation de la fonction alcool et de la fonction acide.
A l'aide de modèles moléculaires, on construira quelques exemples de molécules d'alcool et
d'acide. On donnera la formule semi-développée du propane-1,2,3-triol et de quelques acides
gras. On écrira l'équation-bilan de la réaction d'estérification d'un acide gras avec le propane1,2,3-triol dont on précisera les caractéristiques. On réalisera la saponification d'un corps gras
(huile végétale) et on donnera les caractéristiques de cette réaction. On distinguera les savons
mous des savons durs. La visite d'une unité industrielle est vivement souhaitée.
CHAPITRE C4 : Les lessives, les antiseptiques et les désinfectants (à Durée :3 h
Classe : T° L2
faire en exposé)
Aucune formule chimique de lessives, d'antiseptiques et de désinfectants ne doit être données.
On se limitera aux procédés de synthèse et aux utilisations de ces produits. On étudiera leurs effets secondaires
sur l'environnement.
226
Troisième THEME La pollution
CHAPITRE C5 : La pollution de l'air et de l'eau (à faire en exposé)
Durée :4 h Classe : T° L2
Activités préparatoires possibles
1 Il est relativement facile avec le méthane et l’éthane d’obtenir par chloration les dérivés les plus
substitués, les chlofluorocarbones (CFC) appelés couramment fréons.
Rechercher les utilisations courantes que l’on fait des fréons.
2 L’ozone : préciser sa nature, ses propriétés, son rôle.
3 Rechercher l’effet des fréons sur la couche d’ozone.
On traitera la pollution de l'air et la pollution de l'eau. On abordera les techniques de protection de
l'environnement.
Activités d’intégration
1 Formulation de savons
Lire l’énoncé dans le recueil d’activités en fin de document (activité 6).
2 Pollution de l’eau
3 Plastiques : problèmes liés aux déchets.
227
La structure de l'épreuve de sciences physiques au Bac des séries L2
1) Dispositions générales
L'épreuve de sciences physiques au bac de la série L2 (coefficient 2, durée 2 heures) comportera
quatre parties différentes balayant, autant que possible, l'ensemble du programme. Sa structure
est la suivante :
Partie 1 : définition des contenus
Partie 2 : cinq phrases à trous, cinq QCM ou QRC, deux phrases à rectifier.
Partie 3 : schémas à compléter et à commenter ou exercice d'application.
Partie 4 : texte scientifique accompagné de questions
La notation pourrait être la suivante sur 20 points.
Partie 1 : 5 points
Partie 2 : 5 points
Partie 3 : 5 points
Partie 4 : 5 points
2) Dispositions particulières
Le tableau ci-après précise, selon les chapitres, les parties susceptibles de donner lieu ou non à
des exercices au baccalauréat.
Chapitre
Commentaires
P1
On ne donnera pas des exercices portant sur l'induction. Des exercices sur des calculs de
puissance, de rendement énergétique, de tension peuvent être proposés.
P2
Les exercices porteront sur des calculs de défaut de masse, d'énergie libérée exprimée en joule
ou en Mev et sur la détermination de période radioactive.
P3
Les exercices auront pour centre d'intérêt la vérification de la loi de la réflexion, la détermination
de longueur d'onde et de l'état vibratoire d'un point. On ne donnera pas d'exercice sur la
réfraction.
P4
Il n'y aura pas d'exercice comme en seconde sur la chambre noire, sur les ombres et
pénombres. On fera par contre des exercices sur la construction d'images par la réflexion.
P5
Il n'y aura pas d'exercice sur l'effet photoélectrique (style calcul d'énergie d'extraction,
courant de saturation...).
C1
Les exercices porteront sur des équations-bilans de polymérisation, sur le degré de
polymérisation.
C2
Les exercices consisteront à écrire des équations-bilans et à déterminer le motif de quelques
polymères.
C3
les exercices porteront sur la réaction de saponification.
C4 &C5
Ces deux chapitres ne feront pas l'objet d'exercices.
* Il n'y aura pas d'exercice dans les chapitres traités sous forme d'exposés.
228
Références bibliographiques
1 ROEGIERS, X. (2000). Une pédagogie de l’intégration, compétences et intégration des
acquis dans l’enseignement : De Boek, réédité en 2004
2. PERRENOUD, Ph. (2000). L’approche par compétences, une réponse à l’échec scolaire.
Université de Genève. Faculté de psychologie et des sciences de l’éducation.
3. LE BOTERF, G. (1998). L’ingénierie des compétences. Editions d’organisation.
4. ROEGIERS, X. (2004). L’école et l’évaluation. Document de travail.
5 PERRENOUD, Ph. (1999). Construire des compétences, est-ce tourner le dos aux
savoirs ? Pédagogie Collégiale (Quebec).
6 MILED, M.(2002). Un cadre conceptuel pour l’élaboration d’un curriculum selon l’approche
par les compétences. La réforme de la pédagogie en Algérie - Défis et enjeux d’une société
en mutation. Alger : UNESCO – ENSP ; pp 125-126.
229
Recueil d’activités d’intégration
NB : Pour les masses molaires on consultera le tableau de classification périodique
ACTIVITE 1
Simulation du fonctionnement de l’œil.
Cette simulation sera faite en classe avec l’assistance du professeur.
1 Rôle de l’oeil
Un appareil de projection permet d'obtenir, à partir d'un objet (la diapositive), une image
réelle, que l'on peut recueillir sur un écran.
De même, le rôle de l'œil est de donner d'un objet une image sur la rétine qui sera transmise
sous forme d'influx nerveux au cerveau par le nerf optique.
Nous pouvons simuler le fonctionnement de l'œil par un œil réduit (doc. 1).
Dans l'œil normal, la convergence est assurée à la fois par le cristallin (qui est une lentille
mince transparente), la cornée et l'humeur vitrée.
Pour réaliser l'œil réduit, utiliser une lentille de 25 cm de distance focale. La distance lentilleécran d'observation (papier millimétré transparent) est égale à la distance focale de la
lentille. Dans l'œil normal, cette distance n'est que de 1,5 cm environ.
Faire l'obscurité dans la classe et placer l'œil réduit contre une fenêtre dégagée.
Décrire ce que l’on observe.
Noter alors qu’on peut simuler le fonctionnement de l'œil par un œil réduit constitué d'une
lentille convergente et d'un écran (dans l'œil normal, c'est le cerveau qui retourne l'image).
2 Les fonctions de l’oeil
2.1. L’accomodation
.Expérience
A l’aide de l'œil réduit, viser maintenant un objet (flamme d'une bougie, filament d'une
ampoule, quadrillage éclairé) à distance finie : 50 cm, par exemple. Observer l'image
obtenue (faites un schéma au 1/l10e).
Interprétation et correction
L'image obtenue est floue, car l'objet n'étant plus à l'infini, l'image ne se forme plus dans le
plan focal image, où se trouve toujours l'écran.
Pour retrouver une image nette, deux solutions notées a) et b) sont possibles:
a) Allonger l'œil réduit. Montrer que dans ces conditions l’œil réduit devrait mesurer 50 cm
230
au lieu de 25 cm.
b) Placer contre la lentille une autre lentille convergente. Vérifier et montrer qu'une lentille de
25 cm convient.
Dans l'œil normal, nous voyons nettement même des objets assez rapprochés. La distance
cristallin-rétine étant invariable, ce sont les muscles qui agissent sur le cristallin; sa courbure
change et sa distance focale est modifiée: l'œil accommode afin que l'image se forme
toujours sur la rétine.
L'œil a une distance focale variable
Un œil normal n'accommode pas pour voir des objets situés à l'infini. Ainsi l'œil réduit est
réglé sur une vision à l'infini, car la distance lentille-papier transparent est égale à la distance
focale de la lentille.
Lorsque l'objet est très près, l'œil normal ne peut plus accommoder: l'objet est vu flou.
Un œil normal peut voir nettement des objets situés entre l’infini (le punctum remotum : P.R)
et une distance minimale de vision distincte(le punctum proximum :P.P.) en accommodant
de plus en plus
2.2 Le rôle de la pupille.
Le rôle de la pupille est double :
- Contrôler l'intensité lumineuse arrivant sur la rétine, afin que celle-ci ne soit pas
endommagée. La pupille est presque fermée par forte luminosité; elle est largement ouverte
dans l'obscurité.
.- Utiliser le cristallin dans les conditions de Gauss et augmenter ainsi la netteté de l'image.
Placer un objet lumineux à 2,5 m de l'œil réduit, le diaphragme étant largement ouvert.
Vérifier que l’image est floue. Diaphragmer fortement. Que se passe-t-il ?
2.3. Pouvoir séparateur
Les phares d'une voiture distants de 1,2 m paraissent confondus lorsqu'ils sont éloignés de
plus de 4 km. L'angle ε , sous lequel nous voyons ces deux phares, est environ égal à
-4
3.10 radian. Cela provient du fait que la rétine a une structure granulaire (cônes et
bâtonnets) : pour que la rétine puisse séparer les images, il faut que la lumière des deux
images excite des cellules séparées.
On appelle pouvoir séparateur de l’œil, l’angle limite ε sous lequel doivent être les deux
points lumineux pour être séparés.
Il dépend des individus. On prendra une valeur moyenne ε = l' = 3.10-4 rad (doc.2).
Ainsi, sur l'œil réduit, les cellules sont représentées par les petits carrés du papier millimétré
transparent. En admettant que, pour être vus, deux points d'une image doivent être séparés
de 1 mm (distance entre deux petits carrés), évaluer le pouvoir séparateur θ de cet œil
réduit ( θ ≥ ε )
L'œil réduit voit un objet AB à l'infini sous l'angle θ (doc 3)
231
ACTIVITE 2
Etude d’un rétroprojecteur
I. A la découverte du rétroprojecteur.
Découvrez
le
rétroprojecteur
avec
l’assistance
du
professeur.
1 Le professeur utilise – t - il cet appareil en classe ?
a) Si oui, comment se présente l’appareil vu de l’extérieur ? Nommez ses différentes parties
b) Si non, faire des recherches sur l’appareil pour répondre à la question.
2 Quels constituants fondamentaux reconnaît on à l’intérieur de l’appareil? Quel peut être
leur rôle ? (solliciter l’assistance du professeur).
II Modélisation du rétroprojecteur
Le rétroprojecteur comprend une source de lumière, un système de lentilles, un miroir.
On considère un rétroprojecteur dont la lentille L est assimilable à une lentille mince
convergente de distance focale f' = 30 cm. L'ensemble lentille L- miroir donne d'un objet AB
situé dans un plan horizontal une image A'B sur un écran vertical E. Le miroir plan est incliné
de 45° sur l'axe optique AM de la lentille. La dist ance AM est égale à 60 cm ; la lentille L se
déplace à l'aide d'une crémaillère. L'écran est à 1,35 m du point M situé sur le miroir
(MA' = 1,85 m).
1) Quelle est la fonction du groupe de lentilles situé avant le point A ?
2) Si l'on enlève le miroir, à quelle distance de A l'image A" de A va-t-elle se former?
3) On oriente alors l'axe optique dans le sens de la propagation de la lumière. On pose :
OA = x et AA" = D.
a) Trouver la relation qui existe entre x, D et f'.
b) Calculer la valeur de OA qui donne une image sur l'écran.
c) Calculer le grandissement γ =
A' B '
de l'image.
AB
4) Schématiser à l'échelle 1/10 ce rétroprojecteur. Tracer la marche d'un faisceau lumineux
issu d'un point B de l'objet (AB = 10 cm).
A’
M
O
B’
E
A
B
Source de lumière
232
ACTIVITES 3
Imagerie médicale et isotopes radioactifs
Voici un texte inspiré d'un article paru dans une revue scientifique O. Maublant, bulletin de
/'ADASTA, n° 50, avril 2001).
« La médecine nucléaire est une spécialité médicale à part entière, basée sur l'utilisation de
substances radioactives. Elle est surtout utilisée dans un but de diagnostic (identification de la
maladie), mais elle est appelée à jouer un rôle de plus en plus important en thérapeutique (traitement
de la maladie). Dans les deux cas, le principe de base reste le même: une substance radioactive se
concentre dans un organe ou un tissu particulier; les rayonnements qu'elle émet sont utilisés soit pour
obtenir une image de la distribution de cette substance dans l'organisme (une image appelée
scintigraphie), soit pour irradier ce même tissu; on parle alors de radiothérapie métabolique (de
"métabolisme", qui représente l'ensemble des transformations physiques et chimiques dans les tissus
vivants).
La substance radioactive idéale pour l'imagerie doit présenter:
- une émission gamma pure pour limiter l'irradiation (il faut éviter les bêta et les alpha) ;
- une énergie d'émission suffisamment élevée pour qu'une proportion suffisante des photons émis
puisse franchir les tissus et être détectée sans encombre;
- une demi-vie suffisamment courte pour limiter l'irradiation du patient, mais suffisamment longue pour
permettre l'enregistrement des images;
- enfin un comportement chimique autorisant l'établissement de liaisons chimiques avec les vecteurs
(les molécules qui les transportent).
Il faut également que la production ne soit pas trop onéreuse. Toutes ces conditions font que le
nombre de candidats retenus est faible, comme le montre le tableau suivant.
Noyau radioactif
Demi-vie
technétium 99
6 heures
iode 131
8 jours
indium 111
2,8 jours
thallium 201
73 heures
Parmi ces noyaux radioactifs artificiels, le technétium 99 présente le meilleur compromis vis-à-vis des
propriétés énumérées ci-dessus.
Les activités administrées sont généralement comprises entre 30 et 1000 mégabecquerels (MBq).
Comme chaque désintégration n'émet au maximum qu'un seul photon gamma utile (les autres
missions sont d'énergie trop faible), il en résulte que le flux de photons issu du patient n'excède jamais
un milliard par seconde. Ce chiffre peut paraître élevé, mais il ne correspond en fait qu'à une très
12
faible fraction du flux de photons utilisé en radiologie (qui est 10 fois plus élevé).
Le technétium 99 présente en outre la particularité et l'avantage de pouvoir être produit dans un petit
générateur portable par filiation d'un produit de réacteur, le molybdène 99 (la désintégration du
molybdène 99 produit du technétium 99) ».
1. Quels sont les deux rôles de la médecine nucléaire?
2. Quelles propriétés doit posséder une substance radioactive pour être choisie en imagerie
médicale?
3. Écrire l'équation de désintégration y du technétium 99.
4. Au bout de combien de temps la quantité de substance radioactive injectée dans
l'organisme a-t-elle diminué de 90 % pour les quatre exemples proposés dans le tableau
précédent?
5.a. Exprimer le nombre de noyaux radioactifs contenus dans une source d'activité A, en
fonction de la constante de radioactivité À.
b. Calculer le nombre minimal et maximal de noyaux radioactifs de technétium 99 que doit
comporter la source, pour avoir une activité comprise entre 30 et 1000 MBq.
233
c. En déduire la masse minimale et maximale de technétium 99 que doit contenir la source
(on considère que la masse molaire des noyaux de technétium 99 est égale à 99 g. mol-1).
6. Justifier l'affirmation: « le flux de photons issu du patient n'excède jamais un milliard par
seconde».
7. Quel est le principal avantage de l'imagerie scintigraphique par rapport à la radiologie?
8. Écrire l'équation de la réaction nucléaire permettant d'obtenir du technétium 99 à partir de
molybdène 99. Préciser le type de désintégration dont il s'agit.
9. Pourquoi est-ce un avantage de pouvoir produire le technétium sur place, à l'aide d'un
générateur portable?
Donnée : NA = 6,02.1023 mol-1.
ACIVITES 4
Etude d’une mission dans l'espace
(D'après Guadeloupe-Guyane-Martinique, septembre 2000.)
Quelques éléments de la fiche technique du vol STS-85 de la navette spatiale américaine
Discovery sont reproduits ci-après.
Lancement
Le 7 août 1997 à 10h41 depuis le Kennedy Space Center.
6
Masse totale au décollage: M = 2,041.10 kg.
Vol orbital
Masse du véhicule orbital (orbiteur): 69,68.103 kg. Altitude moyenne: 296 km.
Vitesse: 7,711m.s-1
Nombre d'orbites: 189. Durée de la mission: 11 jours, 20 heures, 28 minutes.
On se propose d'étudier quelques aspects des différentes phases du vol de la navette.
1. Étude de la phase de lancement
Le lancement débute lors de la mise à feu des propulseurs à poudre. Pendant la phase de
décollage, on admet que l'éjection des gaz par les moteurs a les mêmes effets qu'une force
extérieure de valeur F = 32,4.106 N, appelée poussée. L'intensité du champ de pesanteur
au sol est 9 = 9,80 m.s-2; on suppose que la valeur de g reste constante pendant toute la
phase de départ.
1. Faire l'inventaire des forces (poussée comprise) s'exerçant sur la navette à l'instant du
décollage (il n'y a plus contact entre la navette et le sol) et représenter ces forces sur un
schéma (au moment du décollage, on néglige les forces de frottements et la diminution de
masse).
2. Calculer la valeur aG de l'accélération au décollage.
3. Calculer la distance parcourue pendant les 2,0 s qui suivent le décollage, en négligeant la
variation d'accélération pendant cette durée.
2. Étude de Discovery en orbite autour de la Terre
Dix minutes après le décollage, la navette est en mouvement circulaire uniforme autour de la
Terre à l'altitude h = 296 km. Sa masse m est égale à 69,68.103 kg.
On assimile la navette à un point matériel. Sur un schéma, représenter son vecteur
accélération âG. Que peut-on dire de cette accélération?
3. Champ de gravitation à l'altitude h
1. La force de gravitation exercée par la Terre sur la navette a pour valeur m Gh.
Démontrer que l'intensité du champ de gravitation Gh à l'altitude h est donnée par : -
(R T ) 2
Gh = Go
où RT est le rayon de la Terre et Go l'intensité du champ de gravitation
( RT + h) 2
au niveau du sol.
2. Calculer la valeur de Gh à l'altitude de l'orbite de Discovery,
On prendra Go = 9 = 9,80 m.s-2 et RT = 6380 km.
4. Vitesse en orbite
234
1. Monter que l'expression de la vitesse de la navette est v = Gh (R T + h).
2. Calculer v et comparer à la valeur donnée dans la fiche technique. Vérifier la donnée
concernant la durée de la mission.
ACTIVITE 5
Extraction de l’aluminium - traitement de la bauxite
1.L'ion Fe3+ donne un hydroxyde insoluble dans un excès d'hydroxyde de sodium, alors que
l'ion Al3+ donne un hydroxyde soluble dans un excès d'hydroxyde de sodium par formation
de l'ion tétrahydroxoaluminate [AI(OH)4] .
Proposer une série d'expériences permettant de vérifier: ces résultats. Écrire les équations
des réactions correspondantes
2. On désire séparer les éléments fer et aluminium initialement présents dans un minerai
sous forme de AI(OH)3 (s) et de fer Fe(OH)3 (s) ; les autres espèces présentes dans le
minerai sont: insolubles quel que soit le pH.
a. Proposer un protocole permettant d'effectuer cette séparation, les éléments fer et
aluminium étant isolés sous forme:d'hydroxyde.
b. Schématiser le matériel utilisé.
3. On traite une tonne de bauxite qui renferme, en masse, 27,5 % d'élément aluminium AI
sous forme d'alumine AI2O3 et 11,2 % d'élément fer Fe sous forme d'oxyde de fer(lll) Fe2O3
par une solution concentrée de soude.
a. Écrire l'équation de la réaction transformant l'alumine en ion tétrahydroxoaluminate
[AI(OH)4]b. Déterminer la masse d'aluminium, puis la masse d’alumine présentes dans la bauxite
traitée.
c. En déduire la masse minimale d'hydroxyde de sodium nécessaire à cette extraction.
ACTIVITES 6
Formulation de savons
Lire le texte suivant extrait de la publication « Recherches : chimiques sur les corps gras»
de Michel Eugène Chevreul (1823) et répondre aux questions qui le suivent.
« On appelle savons durs ceux qu'on obtient en saponifiant l'huile d'olive et surtout les graisses
animales par la soude, et savons mous, ceux qu'on obtient en saponifiant par la potasse les huiles de
graines en général et les huiles animales plus ou moins fluides.
Quand on cherche en quoi consiste la propriété qu'ont les savons d'être durs ou mous, on trouve
que ces propriétés dépendent de la manière dont ils agissent sur l'eau. En effet, les savons durs
perdent la plus grande partie de leur eau de fabrication par l'exposition à l'air, et quand ils l'ont
perdue, ils ne se dissolvent que lentement dans l'eau froide, et sans s'y délayer.
Les savons mous,au contraire,ne peuvent jamais être séchés par leur exposition à l’air ils retiennent
plus ou moins d’eau qui les rend mous ou gélatineux.
Si on cherche maintenant pourquoi un savon est plus ou moins soluble dans l’eau on en trouvera les
causes :
-dans la nature de sa base alcaline
-dans celle de la matière grasse qui est unie à cette base […]
L’ on observe que leur dureté est d’autant plus grande que le stéarate est plus abondant relativement
à l’oléate […],mes expériences ayant appris que ce sont la stéarine qui donne l’acide stéarique, et
l’oléine qui donne l’acide oléique,il s’ensuit que, d’après la proportion de stéarine et d’oléine
contenues dans les corps gras saponifiables,proportion qu’on peut déduire du degré de fusibilité de
ces substances, il est possible de prévoir le degré de dureté ou de mollesse des savons que ces
corps produiront. »
Données:
Formule du glycérol, de l'acide stéarique et de l'acide oléique :
HOCH2-CHOH-CH2OH
glycérol
C17H35-COOH
C17H33-COOH
Acide stéarique
Acide oléique
235
1. Justifier que les savons durs et les savons mous constituent deux formulations des
savons.
2. Les corps gras sont des triesters du glycérol avec des acides gras; écrire la formule de
l'oléine et de la stéarine.
3. Repérer, dans la formule de l'ion oléate, la partie lipophile et la partie hydrophile, après
avoir rappelé le sens de ces deux adjectifs.
4. Quelles sont les formules de la soude et de la potasse? Pourquoi Chevreul les qualifie-telles de bases alcalines?
5. Que désigne Chevreul par l'expression « degré de fusibilité»?
En comparant les formules des acides oléique et stéarique, à quoi pourrait-on attribuer cette
différence de fusibilité ?
6. On réalise la saponification de 500 g d'une huile d'olive, supposée constituée d'oléine
pure, par de la potasse.
a. Écrire l'équation de la réaction.
b. En déduire la masse d'oléate de potassium alors obtenue.
7. Rappeler le mode d'action des savons.
a. sur des salissures ioniques;
b. sur des taches de graisses.
ACTIVITES 7
Synthèse des médicaments
Partie A
On lit sut des boîtes de médicaments : Algotropyl, Dafalgan, Doliprane et Efferalgan.
Chercher ces boîtes. Lire les indications marquées sur les notices de ces médicaments
1 Ces médicaments ont-ils tous la même formulation ? Ont-ils tous le même principe actif ?
(chercher le sens des mots formulation et principe actif).
2. Certains de ces médicaments se dissolvent facilement dans l’eau avec effervescence ; à
quoi est due cette effervescence ?
3 Le paracétamol est antalgique et antipyrétique, alors que l’aspirine est antalgique,
antipyrétique, anti-inflammatoire et antiagrégant plaquettaire. Chercher le sens de ces quatre
propriétés.
Partie B
Histoire de l'aspirine (extrait de la revue Molécules)
L’aspirine est le plus parlant de ces exemples dont la découverte illustre, dans un saisissant raccourci,
l'histoire de la pharmacie au cours des quatre derniers siècles J.-M. Pelt). Ne remontons pas aux
observations de Paracelse sur les saules peuplant les marécages infestés de malaria et pourtant
habités par des populations qui ne semblaient pas en souffrir, et arrivons immédiatement à la
communication de E. Stone, le 2 juin 1763, à la Royal Society de Londres, relative « aux succès de
l'écorce de saule dans le traitement de la fièvre ».
Il y avait donc un « principe actif» dans l'écorce de saule. En 1829, le pharmacien Français H. Leroux
extrait de celle-ci un constituant, la salicyline. De son côté, le Suisse Pagenstecher, en distillant des
fleurs de reine-després (Spiraera ulmaria d'où vient le mot aspirine), obtient l'aldéhyde salicylique,
oxydé en acide salicylique par l'Allemand Lowig. Reine-des-prés et écorce de saule, même combat!
En 1844, Procter extrait le salicylate de méthyle d'une bruyère et Siredey l'utilise en embrocation pour
soigner les arthrites. Dès 1877, ce dernier emploie le salicylate de soude dans le traitement du
rhumatisme articulaire aigu, après que L. Riess et S. Stricker eurent montré son activité dans le
traitement des fièvres rhumatismales.
C'est en 1874 que Kolbe réussit la synthèse de l'acide salicylique à partir du phénol. En 1853,
Guerland avait obtenu l'acide acétylsalicylique dont Hofmann découvrit, en 1893, les vertus
thérapeutiques.
Depuis, le principe de fabrication de l'aspirine, par réaction de l'acide acétique et de l'acide salicylique
n'a pas varié.
I) .Après avoir lu le texte, répondre aux questions suivantes.
1. Quels sont les « principes actifs » de l’écorce de saule et de Reine-des-près ?
2. On lit : «Reines-des-près et écorce de saule, même combat ! » De quel combat s’agit-il ?
236
3. La formule de l’acide salicylique est représentée ci-contre :
OH
a. Quel groupe caractéristique présente ce composé ?
b. Écrire l’équation de l'estérification de l'acide salicylique par
l'acide acétique, l'ester obtenu est l'acide acétylsalicylique.
COOH
4. Quelles sont les vertus thérapeutiques de l'acide
acétylsalicylique ? En citer deux.
5. a. Quels inconvénients l'utilisation de l'acide acétique dans l'aspirine présente-t-elle ?
b. Donner le nom et la formule du produit dérivé, noté A par la suite, de l'acide acétique qui,
par réaction sur l'acide salicylique, permet d'obtenir l'aspirine.
Pourquoi le préfère-t-on ?
II) Dans la première étape d'une synthèse de l'aspirine, on utilise 4 g d'acide salicylique,
6 mL du composé A, soit 64 mmol et cinq gouttes d'acide sulfurique concentré.
1. Écrire l’équation de la réaction de préparation de l'aspirine.
2. Pourquoi utilise-t-on de l'acide sulfurique concentré?
3. On réalise un chauffage à reflux, faire le schéma légendé de ce dispositif
4. Quel est le réactif limitant? En déduire la masse maximale d'aspirine qu'on peut espérer
obtenir.
5. L'acide acétylsalicylique obtenu est impur. Quelle méthode utilise t-on pour purifier ce
composé?
6. Après purification, on obtient une masse m = 4,35 g d'aspirine. Déterminer le rendement
de cette synthèse.
7. On lit sur une étiquette de médicament « Aspirine tamponnée effervescente ». Sachant
que, dans l'excipient accompagnant l'aspirine, il y a de l'hydrogénocarbonate de sodium,
expliquez pourquoi cette aspirine est effervescente. Justifier brièvement le mot tamponnée
8. L’aspirine pH8 constitue une autre formulation de l'aspirine. Qu'appelle t-on formulation
d'un médicament?
Données: pKa des couples acide / base : CO2, H2O / HCO3- : 6,4
Acide acétylsalicylique / ion acetylsalicylate : 3,8.
ACTIVITE 8
Coupe d’un barrage hydroélectrique
La figure ci-dessous représente la coupe d’un barrage hydroélectrique.
A partir de cette figure expliquer le fonctionnement d’un barrage hydroélectrique.
237
Annexes
238
ANNEXE 1 : Schéma de principe de la reconfiguration des programmes selon l’approche
par compétences.
COMPETENCES DE CYCLE
Compétences d’année
(Seconde)
Compétences d’année
(Première)
Compétences d’année
( Terminale)
Définies selon les domaines de la physique et de la chimie
I
Chimie
Physique
Mécanique
Electricité /
électromagnétisme
Optique /Onde
Matière et ses
transformations
Chimie des
solutions
Chimie
organique
Identification des
ressources
II
Savoirs
Savoir-faire
Savoir-être
Evaluation
III
239
ANNEXE 2
ECHELLE TRIBOELECTRIQUE
Chargeons d’abord un électroscope pour tester différents matériaux.
Si on frotte ces matériaux différents de la même manière, on s'aperçoit que certains se
chargent plus que d'autres. Les lamelles de l'électroscope sont alors plus ou moins
éloignées. Les matériaux n'ont pas donc la même aptitude à se charger.
On peut donc les classer dans un tableau, appelé "Echelle Triboélectrique" (Tribo signifie
"frotter" en grec).
Mains humaines (très
sèches)
Matériaux perdant facilement des électrons,
ils se chargent positivement.
Fourrure de lapin
Verre
Cheveux humains
Nylon
Laine
Papier
Coton
Acier
On ne peut le charger, c’est le point neutre.
Bois
Ambre
Polyester
Polystyrène
Polyéthylène (scotch)
Polyvinyl (PVC)
Silicon
Téflon
Matériaux gagnant facilement des électrons,
ils se chargent négativement.
240
ANNEXE 3
GRANDEURS PHYSIQUES, MESURES ET CHIFFRES SIGNIFICATIFS
I GRANDEURS PHYSIQUES
Le monde physique comprend :
- l’espace (l’étendue qui nous entoure) ;
- la matière ;
- l’énergie (à l’état libre sous forme lumineuse par exemple, ou liée à la matière :c’est le cas
de la chaleur et du mouvement).
Pour décrire les interactions de ces différents domaines, on définit ce qu’on appelle les
grandeurs physiques.
La masse d‘un corps, son volume, sa température, la durée de chute d’une bille, la
puissance d’une ampoule électrique n’en sont que quelques–unes connues de tous.
La mesure des grandeurs constitue un aspect essentiel du travail en physique
expérimentale. Toute mesure nécessite l’utilisation d’unités.
Mesurer une grandeur renvient à la comparer à une autre de même nature
choisie
arbitrairement comme unité.
L’objet de la physique réside aussi dans l’établissement et la formulation des lois qui
régissent
les phénomènes étudiés
et de prédire
comment se produiront les
transformations, toute cette structure s’édifiant à l’aide du puissant outil mathématique.
La physique a pour but d’expliquer les phénomènes mais n’a pas la prétention d’en
expliquer le pourquoi .
GRANDEURS ET UNITES
La grande diversité des phénomènes rencontrés par les physiciens les a contraint à
définir une multitude de grandeurs physiques. Ils ont choisi un minimum de grandeurs de
base dites grandeurs fondamentales.
Les unités choisies pour ces grandeurs sont appelées unités de base ou unités
fondamentales et notées par des symboles.
Des considérations pratiquent ont conduit au choix de 7 unités de base, c’est-à-dire
indépendantes les unes des autres.
Les grandeurs dites dérivées sont celles que l’on définit à partir des grandeurs de
base par des relations physiques ou mathématiques.
Les unités correspondantes, dites unités dérivées s’obtiennent donc par combinaison des
unités fondamentales par les mêmes relations mathématiques.
Ces unités composées sont donc beaucoup plus nombreuses que les unités
fondamentales.
Le choix des grandeurs et des unités fondamentales détermine ce qu’il est convenu
d’appeler un système d‘unités.
Le dernier système a été fixé par les dixième et onzième conférences générales
des poids et mesures en 1960 et porte le nom de système international d’unités (SI).
EQUATIONS AUX DIMENSIONS
Adoptons la convention de désigner par
une lettre entre crochets une grandeur
dont on envisage uniquement la nature et
non la valeur numérique et par des lettres
majuscules sans crochet les grandeurs
fondamentales :
( L pour longueur, M pour la masse, T pour
le temps …)
241
Introduisons cette convention
dans
l’équation de définition d’une grandeur
physique, mais en exprimant le second
membre
uniquement en fonction des
grandeurs fondamentales.
On obtient ainsi une relation exprimant
une grandeur (dans le 1er membre )
uniquement en fonction des grandeurs
fondamentales
(dans
le
second
membre).Cette relation est l’équation aux
dimensions de la grandeur envisagée .
Ces
équations
permettent donc de
déterminer
l’unité composée
de la
grandeur concernée en fonction des
unités fondamentales uniquement.
Elles permettent la résolution du problème
éventuel de conversion d’unités
et la
détection d’erreurs dans une équation.
Equations aux
unités
Dimensions
Vitesse :
L
= LT -1
T
v ] LT -1
[
= LT -2
[a ] = =
[t] T
[ v] =
Accélération :
m /s
m/s
2
[ F] = [ m].[ a ] = MLT-2
kgm/s
2 -2
[ W ] = [ F].[ l] = ML T
Travail :
kgm /s
W ] ML2 T -2
[
=
= MLT -3
[P ] =
T
[t]
puissance
kgm /s
2
Force :
2
2
2
242
3
DEFINITION DES UNITES DE BASE DU SYSTEME INTERNATIONAL
Le mètre (m) est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la
lumière pendant une durée
de
1
de seconde ( 17e
299792458
CGPM(1983) ,résolution 1).
Le kilogramme (kg) est l'unité de masse; il est égal à la masse du
prototype international du kilogramme (3e CGPM(1901).
La seconde (s) est la durée de 9192631970 périodes de la
radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux
hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 (13e
CGPM(1967), résolution 1).
L'ampère (A) est l'intensité d'un courant constant qui maintenu
dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie,
de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1
mètre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces deux
conducteurs une force égale à 2.10-7 newton par mètre de
longueur ( CIPM(1946), résolution 2 approuvée par le 9e
CGPM(1948)).
Le
kelvin (K), unité
fraction
de température thermodynamique, est
la
1
de la température thermodynamique du point triple
273,16
de l'eau (13e CGPM (1967),résolution 4)
La mole (mol) est la quantité de matière d'un système contenant
autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes
dans 0,012
kilogramme de carbone 12. Lorsqu'on emploie la mole, les entités
élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes,
des molécules, des ions, des électrons, d'autres particules ou des
groupements spécifiés de telles particules (14e CGPM( 1971)
résolution 3).
La candela (cd) est l'intensité lumineuse, dans une direction
donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique
de fréquence 540.1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans
cette
direction
est
1
watt par
683
stéradian (15CGPM (1979)
résolution 3).
Le nom de l'unité s' écrit toujours comme un nom commun sans majuscule même
lorsque l'unité provient d’un nom propre.
Les symboles sont en caractères romains minuscules. Toutefois, si les symboles
dérivent de noms propres, la première lettre est romaine majuscule.
243
Exemples : 25 newtons = 25 N ; 1200 joules = 1200 J. ; 500 mètres = 500 m
Les symboles ne sont pas suivis de points et ne prennent pas la marque du
pluriel.
UNITES
SYSTEME INTERNATIONAL
Nom de la grandeur Nom de l'unité
symbole
Unités fondamentales
Longueur
Temps
Intensité de courant
électrique
Température
Quantité de matière
Force
Angle plan
mètre
seconde
ampère
m
s
A
kelvin
mole
newton
radian
K
mol
N
rad
MULTIPLES
préfixe
symbole
exa
E
péta
P
téra
T
giga
G
méga
M
kilo
k
hecto
h
déca
da
facteur
18
10
15
10
12
10
9
10
6
10
3
10
2
10
10
Unités dérivées
2
Aire ou superficie
Volume
Vitesse
mètre carré
mètre cube
mètre par seconde
m
3
m
m/s
Vitesse angulaire
Moment d'une force
Moment d'inertie
radian par seconde
newton.mètre
kilogramme.mètre
carré
rad/s
N.m
2
kg.m
Unités mécaniques
Travail, énergie,
quantité de chaleur
Puissance
pression
joule
J
watt
pascal
W
Pa
Unités électriques
Force électromotrice
et différence de
potentiel (ou tension)
Résistance
électrique
Intensité de champ
électrique
Conductance
électrique
Quantité d'électricité,
charge électrique
Résistivité
volt
V
ohm
Ω
volt par mètre
V/m
siemens
S
coulomb
C
ohm.mètre
Ω.m
Unités thermiques
Capacité thermique
Capacité thermique
massique
joule par kelvin
joule par
kilogramme.kelvin
Unités optiques
Vergence
dioptrie
facteur
-1
10
-2
10
-3
10
-6
10
-9
10
-12
10
-15
10
10-18
SOUS - MULTIPLES
préfixe
Symbole
déci
d
centi
c
milli
m
µ
micro
nano
n
pico
p
femto
f
atto
a
AUTRES UNITES
D'ENERGIE
6
1 kW.h = 3, 6.10 J
1 W.h = 3600 J
3
1 thermie = 239.10 J
-7
1 erg = 10 J
1 calorie = 4,185 J (ancienne
unité )
-19
1 eV = 1,602.10
J
10
J/K
J/kg.K
δ
1 tonne de pétrole libère 4.10 J
10
1 tonne de charbon libère 3.10 J
1 mètre cube de gaz libère
7
3,7.10 J
10
1 g d'uranium 235 libère 8.10 J
10
1 tonne de TNT libère 1,5.10 J
Unités de temps
Fréquence
hertz
Hz
244
Il existe des unités très utilisées en Physique et en Mathématique, mais qui ne font pas
partie du système international.
Citons :
•
Pour les angles :
le degré (π rad =180°) ;
la minute (1° = 60’) ;
la seconde(1’ = 60 s ) .
•
Pour le temps
la minute (1 min = 60 s) ;
l’heure (1 h = 60 min).
Autres unités
Signalons à titre indicatif qu’il existe un certain nombre d’unités, qui n’étant pas utilisées en
physique, restent légales dans des domaines d’application particuliers sans toutefois faire
partie du S.I.
Le tableau ci-dessous donne quelques unités et des domaines d’application.
Unités
Domaine d‘application
1 mille marin = 852 m
1 tonneau de mer =2,83 m
Navigation (maritime ou aérienne)
3
Tonnage des bateaux .
1 nœud = 1 mille marin/h
Navigation (maritime ou aérienne )
1 carat (ct) = 0,2 g
Masse de perles et de pierres précieuses .
-6
1 tex (tex) =10 kg/m
5
1 bar =10 pascals
Masse linéique des fibres textiles
Météorologie, aéronautique .
Anciennes unités
Ci-dessous sont citées quelques unités faisant partie d’anciens systèmes d’unités et leur
correspondance en unités SI.
La calorie : 1 cal = 4,18 J.
Le cheval-vapeur ; 1 CV = 735,5 W.
L’ansgtröm : 1 Å = 10-10 m.
L’atmosphère ; 1atm = 101325 pascals.
L’erg : 1erg =10-7 J.
II ERREUR ABSOLUE, ERREUR RELATIVE
Si vous demandez à vos camarades de mesures la longueur de votre table-banc, vous
constaterez qu’ils ne trouvent pas tous le même résultat.
Des personnes compétentes, disposant d’appareils de mesure performants peuvent
aboutir à des résultats différents car toute mesure est entachée d’erreurs.
La perfection n’est pas de ce monde comme le dit si bien l'adage.
La concentration, l’habileté de l’opérateur, la qualité des instruments influent sur la
validité de la mesure.
Dès lors se posent certaines questions.
- Combien de chiffres doit contenir le nombre qui traduit le résultat d'une mesure ?
- Quelle est la validité de ces chiffres ?
- Comment exprimer les erreurs commises ?
- Est-il possible de connaître l’erreur commise ?
Il existe deux sources d’erreurs inévitables : les erreurs systématiques et les erreurs
accidentelles.
-Les erreurs systématiques sont dues à des instruments imparfaits ou détériorés.
245
-Les erreurs accidentelles sont dues à l’imperfection de nos sens et à des imperfections
non apparentes des appareils.
Les résultats d’une mesure sont donc toujours approchés.
On peut caractériser un appareil de mesure par :sa sensibilité, sa fidélité, sa justesse.
Nous reviendrons plus loin sur ces qualités.
La conception et le choix d’un instrument de mesure dépendent à la fois de la grandeur
à mesurer et de la précision requise.
Lorsque vous donnez la distance entre deux villes, il est absurde de l’estimer à un
mètre près.
Il est inconcevable de mesurer les dimensions d’un champ avec un double décimètre.
L’utilisation d’une chaîne d’arpenteur est plus judicieuse
On n’aura pas besoin de donner les dimensions du champ à 1 mm près.
Si au contraire, on veut déterminer l’épaisseur d‘une feuille de papier, il faut disposer d’un
instrument qui donne le résultat au 1/100 de mm près.
Lorsque nous mesurons la longueur du cahier à l’aide d’une
règle graduée en cm, le nombre de mm ne pourra être qu’estimé.
Le résultat sera par exemple 18,7 cm ou 18,8 cm selon l’observateur.
Si la règle est au contraire graduée en mm, le nombre de dixièmes de mm ne pourra
être qu’estimé : le résultat sera par exemple selon l’opérateur 18,75 cm ou 18,76 cm.
III NOTATION SCIENTIFIQUE ET CHIFFRES SIGNIFICATIFS
Pour évaluer le nombre de chiffres dit significatifs d’une mesure ou valeur, on peut d’abord
exprimer cette mesure à l’aide de la notation scientifique.
1 Notation scientifique.
Elle consiste à écrire tout résultat sous la forme a.10n, où « a » est la mantisse (le terme
correct est significande) et « n » la puissance de 10 nécessairement entière (donc n ∈Ν) ; et
1< a < 10 (encadrement strict).
Par exemple 239845 = 2,39845.105 et 0,000000896807 = 8,96807.10− 7
2 Chiffres significatifs
C’est le nombre de chiffres nécessaires à l’écriture de « a » (lorsqu’il est sous forme de
l’écriture scientifique cela va sans dire).
Dans les deux exemples précédents, on a 6 chiffres significatifs sur 239845 et sur
0,000000896807 aussi !!
Par contre le second nombre le zéro compris entre 8 et 7 compte…
Remarque : 000000987452 autant de c.s. que 987452
Et ce n’est pas le seul, de manière générale, tous les zéros écrit avant (c à d à gauche) du
résultat sont inutiles par contre ceux qui sont dans ou après sont utiles !!
Les chiffres significatifs sont constitués par tous les chiffres qui expriment un résultat à
l’exception des 0 qui précédent le premier chiffre différent de 0.
Exemples :
1,04 m : 3 chiffres significatifs,
2,040 : 4 chiffres significatifs,
0,032 : 2 chiffres significatifs,
0,00302 : 3 chiffres significatifs
3 L’importance des chiffres significatifs
Pour un physicien 742 (Volt, Watt, radian ou Joule ou …) n’est pas égal à 742,0 et encore
moins à 742,000…… Cela semble contredire les mathématiques.
La différence repose bien sûr sur le nombre de chiffres significatifs utilisé dans les deux cas
(3 pour le premier résultat et 6 pour la dernière mesure). Car pour mesurer 742 V ou 742,000
Volt on n’utilise sans doute pas le même appareil ou du moins pas avec les mêmes calibres.
La dernière mesure est beaucoup plus précise que la première !!! et c’est bien cela que
246
« mesure » le nombre de chiffre significatifs. Car tout résultat de mesure en physique donne
de manière implicite sa précision…
Les notices techniques des instruments de mesures (du voltmètre au tachymètre en passant
par un télémètre sans oublier la verrerie jaugée) donnent les précisions attendues lors d’une
utilisation nominale. L’emploi de tel ou tel instrument n’est donc pas forcément équivalent
pour effectuer une mesure au centième par exemple… de plus le prix des instruments
grimpe avec la précision.
Autre exemple écrire π = 3,14 ou 3,14159 ou bien 3,141592654………. avec des
milliards de milliards de chiffres significatifs (il y a des mathématiciens qui se « battent » pour
établir des records du nombre de décimales de pi et d’autres nombres dits transcendants ...)
ce n’est pas du tout la même chose. En effet le nombre « pi » est utilisé dans des logiciels de
cryptage, dans le premier cas votre cryptage sera casé par le premier hackeur venu, par
contre dans le second cas il risque (même avec des millions d’ordinateurs –utilisés à l’insu
de la volonté de leur propriétaires légitimes bien sûr- en parallèle) d’y passer quelques
milliards d’années …ça décourage !
Dans les quatre opérations de base les chiffres significatifs se comporte
différemment :
4 Multiplication et Division
Pour ces deux opérations, c’est toujours « le plus petit qui l’emporte », en effet une
multiplication (ou une division car c’est la même chose !) ne peut pas augmenter la
précision sur une valeur.
Par exemple :
2,0007 × 5,4 = 11 !!! la calculatrice affiche (si vous le lui permettez) 10,80378 mais il n’y a
que deux chiffres significatifs « sur » 5,4 donc il ne peut pas y en avoir plus sur le résultat
final d’où l’arrondi à 11 !
De même 8,841/2 donne 4 ! la calculette affiche 4,4205 ….
5 Additions et Soustractions
Pour les additions et soustractions, c’est un peu plus compliqué…..
On a par exemple
8,3567 + 2,23 ≠ 10,5867 car c’est 2,23 qui impose son non plus son nombre de chiffres
significatifs mais le nombre de chiffres après la virgule !!! d’où 8,3567 + 2,23 = 10,59 ! on
obtient donc un résultat qui a quatre chiffres significatifs alors que ses « parents » en avaient
respectivement 5 et 3 !!!
Et 10 000,1  2,0505 donne 9998 … car on ne peut retrancher 0,0505 à 0,1 …. Car on n’a
pas assez de précision sur le « 0,1 » pour pouvoir effectuer la soustraction ! Ici le résultat a 4
chiffres significatifs alors qu’on partait de 6 et 5 !!!!
Ce qui sert de guide dans ce cas, c’est la notion de précision !! une addition ou une
soustraction ne peut pas donner plus de précision (sur les chiffres après la virgule, car c’est
là que le bât blesse) que ce que permettent les chiffres après la virgule des « parents »
Par contre quand il n’y a pas de chiffres après la virgule, les opérations s’effectuent de
manière classique. Par exemple :
25 + 3652 est bien égal à 3677 !!!
6 Opération avec les logarithmes
Si l’intensité acoustique Io vaut 7,82.10−5 Wm−2,, le niveau acoustique No vaut 78,9321 ….
soit 79 dB … Oui mais vous allez me dire « il y avait 3 cs sur Io et il n’y en a plus que deux
sur No » .
Essayez de calculer N1 et N2 avec respectivement I1 = 7,90 10-5 Wm−2,, , et
I2 = 7,80.10--5 Wm−2,
247
Vous obtenez N1 = 78,9763 et N2 = 78,9209 …ce qu’on arrondi dans les deux cas à 79 dB
Cela vient du fait que la fonction log(x) « tasse » énormément les variations de x ... et
d’ailleurs c’est pour cela qu’on l’a choisit (afin de ne pas raisonner avec des 10-2 Wm−2, +2
−2
voire moins - et des 10 Wm , − ce qui fait 14 ordre de grandeurs ….).
La fonction log fait perdre de la précision !!!!!!
Donc n’essayez pas ne noter des niveaux N avec plus de chiffres significatifs que I c’est
carrément illusoire ….
Par contre dans l’autre sens si N3 = 28 dB vous avez I3= 6,3 10−10 Wm- 2. et si N4 = 28,2 dB
vous avez I4= 7,1 10−10 Wm−2,., là les variations de la valeur de N se répercutent sur
celle de I
248