Les ondes pour observer - Data.gouv
Dans cet enseignement de spécialité, l'exercice de l'activité scientifique sur des
.... les premières bases de la démarche scientifique ne disait-il pas au sujet de
..... Justifier l'utilisation d'un laser pour effectuer la découpe d'un matériau. .....
Proposer un protocole pour identifier les paramètres d'influence sur la
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SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES EN LABORATOIRE
Classe terminale de la série technologique STL
Enseignement de spécialité
Les objectifs de lenseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoire sont identiques à ceux affichés dans le préambule du programme de physique-chimie des séries STI2D et STL :
pratiquer une démarche scientifique et développer la culture scientifique dans sa dimension historique et contemporaine;
poursuivre linitiation à la conduite de projet ;
développer l'approche par compétences de lenseignement.
Pratiquer une démarche scientifique et développer la culture scientifique
L'enseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoire de la classe terminale de la série STL prolonge celui de la classe de première.
La démarche scientifique, à laquelle les élèves sont progressivement initiés depuis le collège, organise la pratique et les modalités de cet enseignement. Elle naît d'un questionnement qui, dans la série STL, s'appuie sur des "objets" scientifiques et technologiques construits par l'Homme. Ce questionnement engendre une démarche réflexive et active mobilisant les connaissances acquises ou les représentations initiales pour formuler des hypothèses, explorer les possibles, et les confronter au réel à travers lexpérience. Dans cette démarche, la construction de modèles, la découverte ou la nécessaire introduction de nouveaux concepts et de nouvelles lois accroissent progressivement les savoirs et les capacités scientifiques expérimentales et théoriques des élèves. L'expérience, qui joue un rôle capital, acquiert ainsi un statut qui la distingue fondamentalement de celui dun protocole fourni à un exécutant qui doit le respecter sans percevoir lobjectif et les finalités de ses actions. La pratique expérimentale dans sa plus large acceptation - c'est à dire n'excluant pas la simulation - permet à l'élève de la série technologique d'aborder très concrètement les différentes notions scientifiques du programme.
L'exercice de l'esprit critique est inhérent à la pratique de la démarche scientifique. La confrontation d'un résultat d'expérience aux hypothèses formulées ou celle d'un modèle construit au rendu du réel, impose le choix de critères de validation et, très souvent, la délimitation d'un champ ou d'un domaine de validité et d'application. Ce sont les allers-retours entre l'activité expérimentale, ses résultats, et l'activité réflexive sur les concepts et les modèles qui précisent, affinent, stabilisent la connaissance ou la font évoluer.
Dans l'accomplissement de la démarche scientifique, l'élève doit ainsi être capable de prélever des informations pertinentes, de les mettre en relation entre elles et avec son propre savoir et de les exploiter. Il doit aussi être en mesure de communiquer les résultats d'une recherche dans un langage rigoureux et adapté au public auquel il s'adresse.
Dans cet enseignement de spécialité, l'exercice de l'activité scientifique sur des objets technologiques ne donne pas lieu cependant à une analyse complète et détaillée du fonctionnement des supports d'étude. L'objectif est bien ici de se saisir de ces objets pour dégager ou appliquer des principes, des lois ou des méthodes fondamentales des sciences physiques et chimiques, ce qui n'exclut pas, bien au contraire, de montrer l'évolution historique des solutions adoptées pour effectuer telle observation, telle action ou réaliser telle analyse ou telle synthèse. Ce qui n'exclut pas non plus dinterroger la pérennité des solutions actuelles notamment au regard du développement de certaines technologies : la science et la technologie sont évolutives dans le temps.
« La grande différence entre le mythe et la théorie scientifique, c'est que le mythe se fige.» (François JACOB)
Cette démarche permet didentifier des phénomènes et propriétés relevant du champ des sciences physiques et chimiques dans des réalisations technologiques, de préciser les problèmes quelles ont permis de résoudre, de mettre en évidence le rôle quelles ont joué dans lélaboration des objets ou des systèmes simples, complexes ou innovants actuels, de souligner la place quelles peuvent et doivent tenir pour faire face aux grands défis de société.
Poursuivre linitiation à la conduite de projet
Le projet est défini comme un ensemble planifié dactivités dinvestigation scientifique menées par un groupe de 2 à 4 élèves et se rapportant à un même objet. Il vise à répondre à une ou plusieurs questions issues d'une éventuelle thématique générale proposée à toute ou partie de la classe.
Les élèves devront réinvestir leurs connaissances et capacités dans une démarche scientifique menée en autonomie dans son intégralité, avec l'appui du professeur mais aussi de ressources extérieures à la classe ou à l'établissement. La thématique du projet peut déborder du champ de l'enseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoire vers, par exemple, le domaine des sciences du vivant sans toutefois exiger de la part des élèves l'acquisition de compléments scientifiques hors des programmes de la série STL suivie. On peut, dans ce cadre, envisager toute ouverture sur le monde de la recherche et de l'activité de laboratoire qu'elle soit ou non liée à l'industrie. Le projet peut ainsi être l'occasion de rencontres avec des chercheurs des domaines publics ou privés.
On attend des élèves qu'ils soient capables :
de s'approprier une problématique ;
deffectuer une recherche bibliographique sur le sujet traité ;
de proposer une procédure de résolution pour y apporter une réponse ;
de proposer une ou des pistes de recherche visant à valider une ou des hypothèses formulées ;
de mettre en uvre des activités expérimentales qualitatives et quantitatives incluant éventuellement la simulation, une recherche ou une activité hors de l'établissement pour valider les possibles proposés ;
de produire un document de communication sur leur démarche et sur les résultats obtenus, ce document pouvant faire appel à différents formats ;
de préparer et de soutenir une présentation orale sur le sujet traité.
Les élèves ont été initiés en classe de première STL aux différentes phases de conduite dun projet. En terminale, une plus large autonomie leur sera accordée mais aussi une plus grande responsabilité leur sera demandée.
Les professeurs encadrent les activités liées au projet sur les horaires habituels de physique chimie en laboratoire.
Le projet sera conduit sur une durée de trente six heures et sera loccasion de promouvoir chez les élèves des compétences liées à :
La conduite dun projet
Un projet répond à une problématique par une démarche bien spécifique dont les étapes sont planifiées dans le temps. De la découverte de la problématique sujet du projet à la communication des propositions de réponses, lélève accomplit un cheminement à travers une recherche dinformation sur le sujet via une bibliographie ou une sitographie, la formulation dhypothèses ensuite vérifiées ou infirmées - par des activités expérimentales et déventuelles visites de laboratoire ou dentreprises.
Le projet se conclut par une réponse argumentée, non dépourvue dun regard critique, liant à la fois la problématique initiale, les choix effectués et les éléments de réponse apportés. Il offre aussi aux élèves la possibilité de réinvestir concrètement, dans une étude sinscrivant sur une durée raisonnable, des connaissances et des capacités de physique et de chimie.
La rédaction dun rapport de projet
Les élèves développeront la capacité à rédiger de façon claire et concise la démarche adoptée en faisant apparaître les différentes phases du projet, les choix effectués, les recherches conduites et les activités (bibliographiques, interviews, visites, expériences,
), les résultats des activités expérimentales réalisées, leur analyse et une synthèse en réponse à la problématique posée par le projet.
Une présentation orale du projet
Le développement des capacités langagières orales des élèves est une composante essentielle de formation des élèves de STL. Liées à la maîtrise de la langue et à celle des technologies de linformation et de la communication, ces compétences placent lélève dans la position de celui qui informe, explique et doit convaincre. Les capacités langagières de production orale sont une composante essentielle de la réussite tout au long de la vie et, entre autres, dans lenseignement supérieur.
Développer l'approche par compétences de lenseignement
Comme le programme de première, celui de terminale se présente sous la forme d'un tableau à deux colonnes : les notions et contenus qui sont abordés et les capacités dont la maîtrise est exigible des élèves en fin dannée scolaire.
Les capacités exigibles des élèves regroupent les connaissances et les capacités notamment expérimentales - des élèves, exprimées pour le professeur sous la forme de verbes d'actions : exprimer, citer, définir, relier, réaliser, déterminer expérimentalement
Ces capacités bornent les savoirs et les savoir-faire qui sont attendus à la fin de la classe terminale. Elles ne constituent ni une progression, ni un plan de cours et ne résument pas la construction de séquences pédagogiques. Dans le cadre de son enseignement, le professeur, libre de ses choix pédagogiques, distingue les objectifs plaçant les élèves dans une démarche scientifique de ceux de nature cognitive construits ou appliqués lors de la séquence. L'acquisition de connaissances et le développement de capacités sont logiquement évalués sous la forme de niveaux de compétences atteints.
Cet enseignement de spécialité doit contribuer à la réussite des études dans lenseignement supérieur. Aussi, le professeur doit-il être sensible à développer, chez les élèves, lautonomie, la responsabilité et la prise dinitiative. La démarche scientifique et la conduite de projet participent à un tel développement par les choix quelles imposent lors de leur mise en uvre, par les méthodes de travail qui y sont développées, par les contraintes qui doivent être prises en comptes et par lindispensable respect dautrui et de lenvironnement.
Claude BERNARD, médecin qui a posé les premières bases de la démarche scientifique ne disait-il pas au sujet de cette dernière :
« Pour être digne de ce nom, l'expérimentateur doit être à la fois théoricien et praticien. [...] Une main habile sans la tête qui la dirige est un instrument aveugle; la tête sans la main qui réalise reste impuissante.»
Contenu du programme
Cet enseignement, qui doit être étroitement coordonné avec celui de physique-chimie, comprend trois modules :
un module de physique portant sur létude des applications des ondes ;
un module de chimie portant sur chimie et développement durable ;
un module consacré à létude des systèmes et des procédés.
Le projet est une modalité pédagogique trouvant sa place dans chacun des modules en prenant appui sur des « objets technologiques » présents dans l'établissement.
La pratique dactivités de laboratoire et le projet mettent laccent sur les capacités spécifiques aux activités expérimentales et permettent plus particulièrement de renforcer les compétences acquises dans lenseignement « MESURES ET INSTRUMENTATION ». En faisant prendre conscience à l'élève des causes de limitation de la précision, des sources derreurs et de leurs implications sur la qualité de la mesure pour finalement aboutir à la validation d'une loi ou d'un modèle, on développe l'esprit critique, la capacité d'analyse et l'attitude citoyenne. Linformatique peut jouer un rôle tout à fait particulier en fournissant aux élèves les outils nécessaires à lévaluation des incertitudes sans quils soient conduits à entrer dans le détail des outils mathématiques utilisés.
Le tableau suivant résume les notions et capacités spécifiques relatives aux mesures et à leurs incertitudes que les élèves doivent maîtriser à la fin de la formation du lycée général et technologique.
Notions et contenusCapacités exigiblesErreurs et notions associées Identifier les différentes sources derreur (de limites à la précision) lors dune mesure : variabilité du phénomène et de lacte de mesure (facteur liés à lopérateur, aux instruments,
).Incertitudes et notions associées
Évaluer les incertitudes associées à chaque source derreur.
Comparer le poids des différentes sources derreur,
Évaluer lincertitude de répétabilité à laide dune formule dévaluation fournie.
Évaluer lincertitude dune mesure unique obtenue à laide dun instrument de mesure.
Évaluer, à laide dune formule fournie, lincertitude dune mesure obtenue lors de la réalisation dun protocole dans lequel interviennent plusieurs sources derreurs. Expression et acceptabilité du résultatMaîtriser lusage des chiffres significatifs et lécriture scientifique. Associer lincertitude à cette écriture.
Exprimer le résultat dune opération de mesure par une valeur issue éventuellement dune moyenne, et une incertitude de mesure associée à un niveau de confiance.
Évaluer la précision relative.
Déterminer les mesures à conserver en fonction dun critère donné.
Commenter le résultat dune opération de mesure en le comparant à une valeur de référence.
Faire des propositions pour améliorer la démarche.ONDES
En classe de première, le module « IMAGE » de lenseignement de sciences physiques et chimiques en laboratoire a permis de faire percevoir aux élèves la place des images et de leurs usages dans de nombreux domaines, de les faire accéder à la connaissance des concepts et des modèles scientifiques qui sont au cur des systèmes technologiques producteurs dimages et de les initier aux démarches et aux outils dinvestigation quils pourront utiliser dans leurs études supérieures et dans leurs vies personnelle et professionnelle.
Lobtention de ces images amène tout naturellement à sinterroger sur les modèles et les concepts associés à la lumière, plus généralement, aux ondes. Celles-ci sont maintenant indissociables des activités humaines, que ce soit dans le domaine industriel (communication, santé, espace,
) ou dans la vie quotidienne (téléphonie, WIFI, domotique,
). Il est donc tout à fait légitime et nécessaire de former les futurs scientifiques (que ce soit au niveau technicien, ingénieur ou chercheur) à ces concepts et dinscrire létude « des ondes » dans le parcours des lycéens, quelle que soit leur voie.
Pour des raisons defficacité pédagogique, le questionnement scientifique, prélude à la construction des notions et des concepts, se déploiera à partir dobjets techniques, professionnels, familiers ou à partir de procédés simples ou complexes, emblématiques du monde contemporain. Cette approche crée un contexte dapprentissage stimulant, susceptible de mobiliser les élèves autour dactivités pratiques, et permettant de développer des compétences variées. Cest aussi loccasion de montrer comment les sciences physiques et chimiques peuvent contribuer à une meilleure prise de conscience des enjeux environnementaux et à léducation au développement durable.
Les concepts concernant « les ondes » sont introduits à travers deux thèmes :
Des ondes pour observer et mesurer.
Létude de dispositifs permettant lobservation dobjets millimétriques, micrométriques, nanométriques ou lobservation dobjets lointains non ou difficilement observables à lil nu permet dinstaller les notions de base concernant les ondes (propagation, réflexion, réfraction, diffusion, polarisation, diffraction, interférences
).
Des ondes pour agir.
Ce thème aborde létude des dispositifs permettant de concentrer et de guider les ondes. Il sagit aussi détudier lutilisation de lénergie ou de linformation transportées par les ondes.
La partie "les ondes qui nous environnent" fait référence à une première approche des notions et des concepts qui seront développés dans les deux thèmes décrits ci-dessus. Elle vise à poser le lexique, à montrer expérimentalement que des ondes sont générées par des oscillations, que les ondes peuvent être détectées et qu'elles possèdent des propriétés spécifiques qui seront utilisées par la suite pour observer, mesurer et agir. Il s'agit donc dun balayage initial du champ concerné par le programme, sans développement excessif et sans approfondissement.
Les ondes qui nous environnent
Notions et contenusCapacités exigiblesPerturbation dun système physique ; réponse du système.
Phénomènes vibratoires ;
grandeurs vibratoires.
Systèmes oscillants en mécanique et en électricité.
Exemples dans différents domaines de fréquences.
Analogies électromécaniques.
Aspects énergétiques ; effets dissipatifs ; amortissement
Oscillations forcées. Notion de résonance.
Oscillations auto-entretenues : source de signal.Caractériser la réponse temporelle de différents systèmes physiques soumis à une perturbation en utilisant les capteurs appropriés.
Identifier la ou les grandeur(s) vibratoire(s).
Qualifier les oscillations libres dun système : oscillations pseudo périodiques, quasi sinusoïdales, amorties.
Modéliser analytiquement, à partir denregistrements, les réponses correspondant aux différents régimes doscillations dun système à un degré de liberté : harmonique, apériodique, pseudo périodique.
Comparer deux oscillateurs dans deux domaines différents de la physique ; indiquer les analogies.
Identifier les formes dénergie mises en jeu dans un phénomène oscillatoire en mécanique et en électricité.
Mettre en évidence expérimentalement un phénomène de résonance en électricité et en mécanique ; mesurer une fréquence de résonance et déterminer un facteur de qualité.
Analyser le rôle dun dispositif dentretien doscillations.
Visualiser et exploiter le spectre en amplitude dun signal temporel représentatif doscillations en régime permanent.Notion donde.
Propagation dune perturbation dans un milieu élastique.
Ondes progressives; retard, célérité.Analyser la propagation dune perturbation dans un milieu élastique unidimensionnel.
Représenter les évolutions temporelle et spatiale du phénomène observé.
Mesurer un retard, une célérité.
Distinguer onde transversale et onde longitudinale, ondes planes et ondes sphériques.Ondes progressives périodiques ; ondes sinusoïdales : fréquence, période, longueur donde, célérité, amplitude, intensité.
Périodicités temporelle et spatiale.Expliciter la signification des différentes grandeurs physiques intervenant dans le modèle dune onde progressive sinusoïdale, unidimensionnelle et leur lien avec le sens de propagation.
Citer et exploiter la relation entre fréquence, longueur donde et célérité.
Citer le lien entre l'amplitude d'une grandeur vibratoire et la puissance moyenne transportée par une onde.Propagation libre, guidée.
Réflexion, réfraction, transmission, atténuation. Distinguer propagation libre et propagation guidée.
Expliciter les phénomènes se produisant lorsquune onde change de milieu de propagation ; caractériser simplement ces phénomènes.Représentation fréquentielle des ondes.
Spectre des ondes électromagnétiques.
Modèle ondulatoire et corpusculaire.Repérer et identifier les différents domaines du spectre des ondes électromagnétiques utilisées.
Extraire et exploiter des informations sur les différentes catégories dondes et sur leurs effets sur la matière inerte ou vivante.
Relier la fréquence dune onde électromagnétique monochromatique à lénergie des corpuscules la constituant.
Détecter la présence de micro-ondes par une mesure adaptée.Sources d'ondes (acoustiques et électromagnétiques) et capteurs (transducteurs piézo-électriques, composants optoélectroniques, antennes).Tracer le diagramme de rayonnement dun transducteur ultrasonore.
Mesurer et interpréter les caractéristiques dun photorécepteur.Des ondes pour observer et mesurer
Observer : voir plus grand
Notions et contenusCapacités exigiblesDu millimètre au micromètre
Faisceaux de lumière ;
objectifs et oculaires ;
diffraction de la lumière par un diaphragme circulaire, résolution dun instrument doptique.
Grossissement.
Extraire dune documentation les caractéristiques utiles dun microscope commercial pour le choisir et le mettre en uvre.
Mettre en évidence expérimentalement le phénomène de diffraction.
Prévoir les conséquences de la modification de la taille de lobjet diffractant et de la longueur donde sur une figure de diffraction.
Définir le grossissement et le pouvoir de résolution dun microscope optique.
Modéliser un microscope optique par un système optique simple.
Réaliser et exploiter le tracé dun faisceau de lumière pour décrire le principe du microscope.
Exploiter les relations de conjugaison pour déterminer la position et la taille dune image fournie par lobjectif dun microscope.
Associer le pouvoir de résolution dun instrument au phénomène de diffraction et aux propriétés du capteur.
Déterminer expérimentalement quelques caractéristiques dun appareil commercial.Effet piézoélectrique.
Réflexion, absorption et transmission dune onde.
Coefficients de transmission, dabsorption et de réflexion énergétiques.Mettre en uvre une source et un capteur piézoélectriques.
Illustrer expérimentalement le principe dun échographe unidimensionnel.
Mesurer les coefficients de transmission et de réflexion énergétiques des ondes lumineuses ou ultrasonores dune interface en incidence normale.
Mesurer le coefficient dabsorption des ondes lumineuses ou ultrasonores dans un milieu.
Tracer expérimentalement le diagramme de directivité dun émetteur ultrasonore.
Utiliser les coefficients énergétiques dans létude de cas concrets simples.Du micromètre au nanomètre
Nanosciences
Décrire le principe dun microscope à force atomique.
Associer les différents types de microscopes à leurs domaines dobservation.Observer : voir plus loin
Notions et contenusCapacités exigiblesMiroirs sphériques, miroirs plans.
Télescope.
Grossissement.
Extraire dune documentation les caractéristiques utiles dun appareil commercial pour son choix ou sa mise en uvre.
Réaliser et exploiter le tracé dun faisceau de lumière pour décrire le principe de fonctionnement du télescope.
Illustrer expérimentalement le principe dun télescope et déterminer ses caractéristiques.
Déterminer expérimentalement quelques caractéristiques dun appareil commercial.
Montrer expérimentalement les effets limitatifs de lobjectif et de loculaire sur le champ et la luminosité dun télescope.Mesurer
Notions et contenusCapacités exigiblesPropagation.
Relier durée de parcours, distance parcourue et célérité.
Mesurer la célérité du son, de la lumière, le protocole expérimental étant fourni.
Mesurer une distance par télémétrie laser ou ultrasonore.Réfraction, réfraction limite et réflexion totale.
Réfractomètre.Relier les indices optiques des milieux à langle limite de réfraction.
Déterminer la concentration en sucre ou en alcool dune solution par une méthode réfractométrique.Diffusion.
Décrire le principe de détection à distance de particules en suspension dans latmosphère.Structure dune onde électromagnétique.
Ondes polarisées ou non polarisées ; polariseur, analyseur.
Produire et analyser une lumière polarisée.
Associer la polarisation dune onde électromagnétique à la direction du champ électrique.
Déterminer une concentration à partir de la mesure de la déviation du plan de polarisation de la lumière dans une solution. Diffraction.
Utiliser un capteur dintensité lumineuse pour visualiser une figure de diffraction dune fente rectangulaire, dun fil.
Citer et utiliser lexpression de langle d'ouverture d'un faisceau monochromatique diffracté par une fente.
Réaliser une mesure dimensionnelle en utilisant le phénomène de diffraction.
Associer la capacité de stockage dun support numérique optique à la longueur donde du laser utilisé et à louverture numérique de loptique de focalisation. Interférences, différence de marche entre deux chemins.
Réseaux, pas dun réseau.
Identifier les différents chemins optiques entre une ou plusieurs sources ponctuelles et un détecteur.
Exprimer la différence de marche entre deux chemins optiques.
Relier lintensité reçue par un capteur à la différence de marche de deux ondes.
Utiliser un capteur dintensité lumineuse pour visualiser une figure dinterférences, le protocole étant donné.
Exploiter les interférences créées par un dispositif à deux ondes et par un réseau.
Choisir et utiliser un réseau adapté pour mesurer une longueur donde.
Effectuer une mesure dimensionnelle avec un dispositif interférométrique, le protocole étant fourni.
Décrire le principe de la mesure de distances entre plans cristallins par une méthode interférométrique.Absorption ; spectrophotométrie.
Exploiter des spectres dabsorption dans différents domaines de longueurs donde.
Déterminer la concentration d'un soluté par spectrophotométrie.Effet Doppler Relier le décalage en fréquence dune onde émise par une source en mouvement à la vitesse de la source.
Illustrer expérimentalement le principe dun vélocimètre à effet Doppler.Rayonnement et températureExpliciter la dépendance entre la puissance totale rayonnée dun corps et sa température.
Effectuer une mesure de température à laide dune thermopile (capteur bolométrique), le protocole étant fourni.Des ondes pour agir
Concentrer et diriger les ondes
Notions et contenusCapacités exigiblesFaisceaux cylindriques et coniques.
Focalisation, foyer, distance focale.
Stigmatisme.
Réfraction.
Réflexion.Mettre en évidence que lénergie transportée par les ondes lumineuses ou sonores peut être dirigée ou concentrée.
Associer la concentration dénergie d'un faisceau à sa géométrie.
Tracer le trajet du faisceau de lumière dans un système qui dirige ou concentre la lumière.
Comparer expérimentalement quelques caractéristiques de différents systèmes de focalisation réels et de leurs modèles simplifiés.
Déterminer expérimentalement un angle dincidence limite.Utiliser lénergie transportée par les ondes
Notions et contenusCapacités exigiblesTransport d'énergie.
Grandeurs radiométriques : flux énergétique, éclairement énergétique.
Laser.
Effet sur la matière inerte et vivanteCiter les unités des grandeurs radiométriques : flux énergétique, éclairement énergétique.
Déterminer expérimentalement un ordre de grandeur du flux énergétique dun faisceau laser.
Mesurer un éclairement.
Relier lénergie transportée par un rayonnement au flux énergétique et à la durée dexposition.
Exploiter une norme pour déterminer une durée maximale dexposition.
Énoncer et exploiter que le diamètre de la zone de focalisation du faisceau laser varie dans le même sens que la longueur donde.
Justifier lutilisation dun laser pour effectuer la découpe dun matériau.
Notions et contenusCapacités exigiblesInterférences constructives et destructives.
Ondes stationnaires.
Cavité résonante, modes propres.Exprimer et exploiter une différence de marche pour en déduire les conditions dobtention dinterférences constructives ou dinterférences destructives.
Mettre en évidence expérimentalement le phénomène dinterférence pour différents types dondes : sonores, lumineuses, mécaniques.
Distinguer les ondes stationnaires des ondes progressives.
Interpréter le phénomène d'ondes stationnaires en termes d'interférences.
Relier les fréquences de résonance des ondes stationnaires unidimensionnelles à la longueur d'une cavité. Polarisation.
Associer la polarisation dune onde électromagnétique à la direction du champ électrique.
Différencier expérimentalement une lumière polarisée rectilignement dune lumière non polarisée à laide dun polariseur.
Illustrer expérimentalement le principe dun afficheur à cristaux liquides.
Décrire le principe dun interrupteur ou dun modulateur optique.Communiquer avec des ondes
Notions et contenusCapacités exigiblesOndes guidées, non guidées, transmission.
Guide donde, câble.
Absorption, diffusion, atténuation des ondes.
Spectre dune onde.
Illustrer expérimentalement différentes transmissions guidées dondes dans plusieurs domaines de longueur donde.
Analyser leffet de la résistance de charge sur la réflexion dune onde à l'extrémité d'une ligne sans perte.
Représenter le schéma de principe dun système de transmission par ondes.
Visualiser et exploiter le spectre dune onde modulée par un signal informatif.
Associer labsorption dune onde électromagnétique à la nature de la matière exposée.
Distinguer la diminution de la puissance surfacique dune onde divergente et son absorption par un milieu.Chimie et développement durable
Dans la continuité de la classe de première, le module « CHIMIE ET DÉVELOPPEMENT DURABLE » prolonge et renforce, en classe terminale, lacquisition par les élèves de connaissances et de capacités, tout à la fois dans le champ théorique et dans le champ expérimental, pour réaliser et comprendre les synthèses chimiques et les analyses physico-chimiques.
Les notions et les lois classiquement étudiées en thermodynamique, en cinétique, en chimie organique, en chimie générale sont introduites ici pour résoudre des problématiques sociétales et pour répondre à des objectifs doptimisation des techniques et des procédés en termes de rendement, de fiabilité, de sécurité, de seuil de détection, dimpact environnemental et de coût.
Le programme de la classe terminale comporte, comme en classe de première, deux parties synthèses chimiques et analyses physico-chimiques qui sont enrichies en sappuyant sur les notions déquilibre chimique et dévolution dun système étudiées dans lenseignement « CHIMIE-BIOCHIMIE-SCIENCE DU VIVANT ». Tout en conservant comme fil conducteur la recherche de procédés durables, il est souhaitable de partir dexemples concrets de techniques et de procédés mis en uvre dans les laboratoires et dans lindustrie, tout à la fois pour engager la réflexion et pour réinvestir les nouvelles connaissances et capacités acquises.
Objectifs visés par le programme de terminale
À lissue de la classe terminale, le programme du module « CHIMIE ET DÉVELOPPEMENT DURABLE » vise à ce que lélève fasse preuve de réelles compétences :
en synthèse chimique pour analyser ou choisir un protocole de synthèse et de séparation, en utilisant les capacités acquises en thermodynamique et en cinétique des transformations physico-chimiques,
en analyse physico-chimique pour effectuer un choix raisonné de techniques de dosages, pour proposer et mettre en uvre en autonomie un protocole et pour fournir des résultats de mesure les plus précis possibles, assortis dincertitudes,
dans lutilisation des modèles pour prévoir, confronter les prévisions aux résultats expérimentaux et interpréter les écarts.
Articulation des programmes de première et de classe terminale
Synthèses chimiques
En classe de première, après une sensibilisation à limpact environnemental de la chimie, des synthèses organiques sont réalisées et mises en relation avec la réactivité de quelques composés organiques. La problématique des rendements de synthèse et de la qualité des produits obtenus amène à étudier les principales techniques de séparation et de contrôle de pureté. Enfin lamélioration des synthèses est abordée à travers les aspects cinétiques des transformations.
En classe terminale, létude de loptimisation des synthèses conduit à sinterroger sur les différentes méthodes permettant de dépasser les limitations thermodynamiques : modification des états déquilibre par excès de réactif ou soutirage dun produit, éloignement de léquilibre par les transformations forcées, amélioration des rendements de synthèse par changement de réactifs ou par utilisation de catalyseurs sélectifs. Quelques synthèses inorganiques sont proposées, au cours desquelles les complexes sont introduits. Les techniques de séparation et de purification portent sur les extractions (extraction par solvant et précipitation sélective) ; les modèles thermodynamiques y sont mis en uvre dans le cadre de prévisions. Un passage au niveau microscopique permet dinitier les élèves à la modélisation des réactions par des mécanismes réactionnels afin de leur en donner des clés de lecture et de renforcer les notions de donneur et daccepteur délectrons.
Analyses physico-chimiques
En classe de première, lanalyse aborde des aspects qualitatifs relatifs aux tests didentification et à lanalyse structurale, mais aussi des aspects plus quantitatifs avec la réalisation de dosages par étalonnage et une première approche des titrages, directs et indirects, avec des suivis colorimétrique, conductimétrique et pHmétrique.
En classe terminale, ces thématiques sont prolongées et dautres sont introduites. La préparation des solutions complète la description de la composition des solutions ainsi que les problèmes liés à leur conservation. Les dosages par étalonnage permettent détudier de manière plus approfondie les mesures conductimétriques. Les dosages par titrage, quant à eux, sont enrichis par des titrages mettant en jeu des réactions de précipitation et des indicateurs colorés. Les capteurs électrochimiques constituent une nouvelle thématique qui permet daborder la notion délectrode spécifique et danalyse en temps réel.
Modalités
La structure du programme ne doit pas être perçue comme une entrave à la liberté pédagogique du professeur. Par exemple, loptimisation du rendement dune synthèse peut être étudiée en mettant en uvre simultanément un dosage dun type nouveau ; un temps étant consacré ensuite pour structurer les différentes notions étudiées.
Le professeur proposera un rythme et des activités dapprentissages en articulation avec les enseignements obligatoires spécifiques « PHYSIQUE-CHIMIE » et « CHIMIE-BIOCHIMIE-SCIENCE DU VIVANT ».
La présentation dune chimie moderne au service des grandes causes sociétales et soucieuse de sengager dans des démarches éco-compatibles peut permettre à la chimie de changer positivement et durablement la perception quen a la société, et en tout premier lieu les élèves.
Rendre les élèves acteurs de leurs apprentissages à travers questionnements et résolutions de problèmes en lien avec lavenir de lHomme apparaît de nature à éveiller leur curiosité, dynamiser leurs capacités inventives, solliciter leur imaginaire et leur donner envie de poursuivre plus avant leur formation scientifique en sengageant dans des filières supérieures scientifiques.
Ainsi une approche la plus concrète possible des différentes thématiques constitue-t-elle un atout pour développer lintérêt des élèves, mais aussi le développement progressif dautonomie et dinitiatives dans la mise en uvre des démarches scientifiques au laboratoire. Ceci est souhaité et souhaitable afin de garantir la réussite des élèves dans lenseignement supérieur.
Des capacités techniques, mais aussi des capacités cognitives et des attitudes spécifiques à cette pratique doivent être acquises au laboratoire.
SYNTHèSES CHIMIQUES
Du macroscopique au microscopique dans les synthèses
Notions et contenusCapacités exigiblesÉchelle d'électronégativité et polarité des liaisons.
Nucléophilie, électrophilie et réactivité.
Mécanismes réactionnels :
étapes d'un mécanisme,
intermédiaires réactionnels,
catalyseurs.Écrire les formules de Lewis des entités chimiques en faisant apparaître les charges et les charges partielles.
Prévoir les déplacements électroniques possibles des sites nucléophiles vers les sites électrophiles.
Relier le formalisme des flèches représentant le déplacement de doublets électroniques à la formation ou à la rupture de liaisons dans les étapes d'un mécanisme fourni.
Repérer, dans une étape du mécanisme, les réactifs nucléophile et électrophile à l'aide des déplacements des doublets électroniques.
Reconnaître dans un mécanisme une addition, une substitution, une élimination et une réaction acide-base.
Retrouver l'équation d'une réaction à partir dun mécanisme la modélisant au niveau microscopique.
Identifier un catalyseur dans un mécanisme fourni.
Montrer qu'un catalyseur renforce le caractère nucléophile ou électrophile d'un site.Profils réactionnels.Relier mécanisme et profil réactionnel : nombre d'étapes, intermédiaires réactionnels, étape cinétiquement déterminante, en comparant les énergies d'activation des différentes étapes.Des synthèses avec de meilleurs rendements
Notions et contenusCapacités exigiblesTransformation spontanée et évolution dun système vers un état déquilibre.
Augmentation du rendement de la synthèse dun produit :
pour une réaction de synthèse donnée par :
élimination dun produit,
ajout dun excès de réactif,
modification de la température,
par changement dun des réactifs,
par limitation des réactions concurrentes :
chimiosélectivité,
régiosélectivité,
stéréosélectivité.Justifier le caractère spontané dune transformation en comparant le quotient de réaction Qr et la constante déquilibre K.
Déterminer un rendement de synthèse.
Inventorier les paramètres qui permettent daméliorer le rendement dune synthèse.
Reconnaître, entre deux protocoles, le paramètre qui a été modifié et justifier son rôle sur lévolution du rendement.
Proposer et mettre en uvre un protocole pour illustrer une amélioration du rendement dune synthèse.
Comparer des protocoles de synthèse et choisir le plus performant (rendement, coût, respect de lenvironnement).Des synthèses forcées
Notions et contenusCapacités exigiblesÉlectrolyse, électrosynthèse, photosynthèse.Réaliser expérimentalement et interpréter quelques électrolyses, dont celle de leau.
Identifier expérimentalement ou à partir du schéma du circuit électrique, la cathode et lanode dun électrolyseur.
Prévoir les réactions possibles aux électrodes les couples mis en jeu étant donnés.
Identifier et/ou caractériser expérimentalement les espèces chimiques formées aux électrodes.
Écrire les équations des réactions aux électrodes connaissant les produits formés. Transformation forcée : apport dénergie et évolution hors équilibre du système.
Distinguer le caractère forcé des électrolyses et des photosynthèses, du caractère spontané dautres transformations, en comparant lévolution du quotient de réaction par rapport à la constante déquilibre.
Repérer la source dénergie mise en uvre dans une transformation forcée.Bilan de matière lors dune électrolyse.
Applications courantes des électrolyses à la synthèse.Prévoir les quantités de produits formés dans des cas simples et confronter les prévisions du modèle aux mesures.
Déterminer le rendement dune électrosynthèse.
Citer quelques applications courantes des électrolyses : synthèse de métaux, de produits minéraux et organiques, stockage dénergie, analyse et traitement de polluants.
Analyser différentes voies de synthèses et montrer que lélectrolyse peut permettre de respecter quelques principes de la chimie verte (matières premières renouvelables, non consommation de ressources fossiles, absence de sous-produits carbonés).
Des synthèses inorganiques
Notions et contenusCapacités exigiblesSynthèses inorganiques industrielles : aspects cinétiques, thermodynamiques, environnementaux.
Un exemple de synthèse inorganique au laboratoire : la synthèse des complexes
Complexe, ion ou atome central, ligand, liaison.Analyser un ou plusieurs procédés industriels de synthèse dune même espèce chimique en sappuyant sur les principes de la chimie verte :
matières premières,
sous-produits,
énergie,
catalyseur,
sécurité.
Reconnaître dans un complexe : lion ou latome central, le ou les ligands, le caractère monodenté ou polydenté du ligand.
Décrire létablissement de la liaison entre lion ou latome central et le ou les ligands selon le modèle accepteur-donneur de doublet électronique.
Écrire léquation de la réaction associée à la synthèse dun complexe.Réaction de formation dun complexe :
- constante
de formation globale dun complexe,
- synthèse et analyse dun complexe.
Suivre un protocole de synthèse dun complexe.
Déterminer, à laide dun tableau davancement, le réactif limitant dans la synthèse dun complexe et en déduire le rendement de la synthèse.
Proposer ou suivre un protocole mettant en uvre lanalyse qualitative et quantitative dun complexe.Complexes inorganiques,
bio-inorganiques. Extraire des informations pour illustrer des applications des complexes inorganiques et bio-inorganiques.Séparation et purification
Notions et contenusCapacités exigiblesRéaction de dissolution dune espèce chimique dans leau.
Solution saturée et notion de solubilité.
Quotient de réaction et constante déquilibre de dissolution.Illustrer expérimentalement la notion de solubilité.
Montrer que lors dune dissolution le quotient de réaction Qr évolue vers la constante déquilibre K et quil ne peut latteindre que si la quantité despèce apportée est suffisante.
Associer solution saturée et système chimique à léquilibre.Solubilité dune espèce chimique dans leau. Comparer et interpréter les solubilités de différentes espèces chimiques dans leau en termes dinteractions intermoléculaires et déventuelles réactions chimiques quelles engagent avec leau.Paramètres influençant la solubilité dune espèce chimique en solution aqueuse :
température,
composition de la solution.À partir des caractéristiques de la réaction de dissolution dune espèce chimique dans une solution aqueuse, prévoir les paramètres influençant sa solubilité (température, pH, ions communs).Extraction dune espèce chimique dune phase aqueuse :
par dégazage,
par solvant,
par précipitation. Proposer un protocole pour extraire une espèce chimique dissoute dans leau.
Choisir un solvant pour extraire une espèce chimique et réaliser une extraction par solvant.
Proposer ou suivre un protocole pour extraire sélectivement des ions dun mélange par précipitation. Prévision de létat final lors de la dissolution dune espèce chimique dans leau.Prédire si la solution obtenue par dissolution dune espèce chimique est saturée ou non en comparant Qr et K. Confronter les prévisions du modèle de la transformation avec les observations expérimentales.Séparation et développement durable.Extraire des informations pour justifier lévolution des techniques de séparation et repérer celles qui sinscrivent davantage dans le cadre du développement durable.ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES
Préparation de solutions
Notions et contenusCapacités exigiblessolvant : eau distillée, eau permutée.
- soluté : densité, titre massique, concentrations massique et molaire, toxicité.
solution : stockage, rejet, recyclage.
Justifier la nécessité dutiliser de leau distillée ou permutée dans le cadre des analyses en solution.
Analyser leau avant et après distillation, avant et après passage sur une résine échangeuse dions.
Préparer une solution aqueuse de concentration donnée à partir dun solide ou dune solution de concentration connue ou dune solution de titre massique et de densité connus.
Déterminer la concentration dune espèce chimique à partir du protocole de fabrication de la solution.
Adapter le mode délimination dune solution à la tolérance admise dans les eaux de rejet.
Citer les paramètres dinfluence sur le stockage de solutions : matériau du flacon, température, lumière.Analyses qualitative et structurale
Notions et contenusCapacités exigiblesAnalyse qualitative : tests de reconnaissance, témoin.
Analyse structurale :
spectroscopie UV-visible, IR, RMN.À laide de tables de données, de spectres ou de logiciels :
Proposer un protocole danalyse qualitative pour valider une hypothèse émise sur la présence dune espèce chimique.
Exploiter des spectres UV-visible pour caractériser une espèce chimique et choisir une longueur donde danalyse quantitative.
Identifier des groupes fonctionnels par analyse dun spectre IR.
Relier un spectre de RMN à une molécule donnée.Dosage par étalonnage
Notions et contenusCapacités exigiblesConductimétrie : conductance, conductivité, conductivité ionique molaire. Proposer un protocole pour identifier les paramètres dinfluence sur la conductance
Utiliser un conductimètre pour mesurer la conductivité dune solution.
Concevoir un protocole et le mettre en uvre pour comparer qualitativement des conductivités ioniques molaires danions et de cations : confronter les classements expérimentaux obtenus à ceux issus des tables de données.
Concevoir un protocole et le mettre en uvre pour déterminer la concentration dune solution inconnue par comparaison à une gamme détalonnage.Dosage rapide par confrontation à une échelle de teintes : bandelettes et pastilles commerciales.Mettre en uvre un protocole de dosage rapide et comparer ses avantages et ses inconvénients en termes defficacité et de justesse.Dosage par titrage
Notions et contenusCapacités exigiblesRéactions support de titrage : précipitation (suivi par conductimétrie).
Proposer et réaliser un protocole de titrage mettant en jeu une réaction de précipitation suivie par conductimétrie.
Interpréter qualitativement lallure de la courbe de titrage par suivi conductimétrique en utilisant des tables de conductivités ioniques molaires et en déduire le volume à léquivalence du titrage.Titrage avec indicateurs colorés
Indicateur coloré acido-basique ; zone de virage.
Choix dun indicateur pour un titrage donné.
Indicateur coloré de précipitation.
Reconnaître expérimentalement et dans la description dun protocole un indicateur coloré acido-basique.
Tracer le diagramme de prédominance des deux formes dun indicateur coloré pour en déduire la zone de virage.
Justifier le choix dun indicateur coloré pour un titrage donné à partir de la courbe de titrage pHmétrique et/ou des diagrammes de prédominance.
Proposer et réaliser un protocole de titrage mettant en uvre un indicateur coloré. Repérer expérimentalement léquivalence.
Interpréter le comportement de lindicateur dans le cas du titrage dions halogénure selon la méthode de Mohr.
Réaliser et exploiter un titrage dions halogénure selon la méthode de Mohr.Capteurs électrochimiques
Notions et contenusCapacités exigiblesÉlectrode.
Potentiel délectrode : électrode standard à hydrogène, électrode de référence, relation de Nernst, potentiel standard.
Le potentiel délectrode, un outil de prévision :
polarité et tension à vide (fem) des piles,
sens spontané dévolution dun système, siège dune réaction doxydo-réduction.Identifier, dans une pile, une électrode comme un système constitué par les deux membres dun couple oxydant/réducteur et éventuellement dun conducteur.
Relier le potentiel délectrode à la tension à vide de la pile constituée par lélectrode et lélectrode standard à hydrogène (ESH).
Concevoir et mettre en uvre un protocole pour déterminer un potentiel délectrode à laide délectrodes de référence.
Déterminer expérimentalement les paramètres dinfluence sur un potentiel délectrode.
Concevoir et mettre en uvre un protocole pour déterminer ou vérifier la relation entre le potentiel délectrode et les concentrations des constituants du couple.Classement des oxydants et des réducteurs : échelles de potentiels, échelles de potentiels standards, relation entre différence des potentiels standards et caractère plus ou moins favorisé dune transformation.
Électrode spécifique, dosages par capteurs électrochimiques.
Analyse en temps réel pour prévenir toutes pollutions et limiter les risques.Écrire la relation de Nernst pour un couple donné.
Utiliser la relation de Nernst pour déterminer un potentiel délectrode.
Prévoir, à laide des potentiels délectrode, la polarité dune pile, sa tension à vide (fem) et son évolution lors de son fonctionnement et valider expérimentalement ces prévisions.
Prévoir le sens spontané dévolution lors dune transformation rédox à laide des potentiels délectrode des couples mis en jeu et confronter expérimentalement le modèle.
Interpréter labsence de lévolution prévue pour un système en termes de blocage cinétique.
Comparer les pouvoirs oxydants (les pouvoirs réducteurs) despèces chimiques à laide dune échelle de potentiels délectrode.
Prévoir le caractère favorisé dune transformation à laide dune échelle de potentiels standards.
Identifier une électrode à un « capteur électrochimique » spécifique dune espèce chimique.
Relier le potentiel dune électrode spécifique dune espèce chimique à sa concentration.
Concevoir et mettre en uvre un protocole de dosage par étalonnage dune espèce chimique à laide dun capteur électrochimique.
Extraire des informations pour illustrer des applications historiques, actuelles et en développement des capteurs électrochimiques, notamment dans le cadre de mesures environnementales : mesures de traces déléments, dosage de gaz (polluants, sonde lambda), analyse en temps réel et transmission des données pour contrôle et régulation.Choix dune technique danalyse
Notions et contenusCapacités exigiblesCritères de choix :
coût,
durée,
justesse et fidélité,
seuil de détection,
discrimination de plusieurs espèces dans le cas dun mélange.Choisir, parmi plusieurs techniques, la plus performante pour un critère donné (coût, durée, justesse et fidélité, seuil, discrimination de plusieurs espèces) en sappuyant sur son principe, sa mise en uvre et ses résultats expérimentaux pour une analyse donnée.SYSTÈMES ET PROCÉDÉS
La complexité du monde actuel est une évidence ; elle apparaît distinctement aussi bien dans les phénomènes naturels, dont lévolution est déterminée par des facteurs multiples et interdépendants, quà travers les réalisations technologiques contemporaines. Celles-ci résultent de la synergie de disciplines variées, de la contribution et du croisement de différents points de vue intégrant même les grands enjeux sociaux et économiques. Cette complexité exige que la formation scientifique des jeunes ne senferme pas dans des démarches analytiques et encyclopédiques attachées principalement à des objets et à des modèles standardisés ainsi quà des domaines de savoirs compartimentés. Cette formation doit souvrir à des approches plus globales, plus synthétiques et plus intégratives, en se référant en permanence aux réalités constitutives de lenvironnement immédiat. Cest assurément lune des clefs pédagogiques pour susciter chez les élèves lintérêt, la curiosité et le désir dapprendre mais aussi pour leur permettre de développer les compétences transversales dont ils auront besoin dans leurs vies professionnelle et personnelle.
À cet égard, lorganisation en thématiques des contenus des enseignements de tronc commun et de spécialité est destinée à favoriser une telle évolution dans le transfert des connaissances.
Lenseignement «systèmes et procédés » en classe terminale doit largement accompagner cette mutation. Il est conçu principalement pour répondre aux objectifs suivants :
faire acquérir aux élèves des méthodes danalyse permettant de mobiliser et dorganiser leurs connaissances afin dappréhender les procédés physico chimiques industriels et de laboratoire actuels et à venir, de façon à en garantir la pratique maîtrisée et optimale ;
leur faire percevoir que les concepts et les modèles des sciences de la matière permettent de décrire le fonctionnement des réalisations technologiques contemporaines simples ou complexes et que leur connaissance a été essentielle pour les concevoir, les réaliser ou pour envisager des innovations ;
leur montrer que la conception et la réalisation des systèmes et procédés ont le plus souvent impliqué des démarches de résolution de problèmes scientifiques, faisant ainsi progresser les savoirs ;
leur donner une vision moins parcellisée et moins dispersée du savoir, les systèmes actuels et à venir, nécessitant, de par leur complexité, une culture scientifique pluridisciplinaire beaucoup plus large et plus globale ;
développer leurs compétences pour élaborer des modèles pour expliquer, pour comprendre, pour prévoir et pour agir efficacement ;
favoriser, à travers lapproche de la complexité du réel, des attitudes et des usages personnels et professionnels plus attentifs à la préservation de lenvironnement, à la pluralité des points de vue, à la coopération et à la pluridisciplinarité.
Les systèmes supports de cet enseignement sont des dispositifs matériels réels dusage public ou privé, ou didactisés, caractérisés par leur fonction globale impliquant un ou plusieurs phénomènes physico-chimiques « internes ». Ils sont constitués déléments ou de parties en interaction concourant à la mise en uvre optimisée de la fonction globale opérant sur la grandeur dentrée (matière, énergie ou information) pour donner la grandeur de sortie. Les relations fonctionnelles dentrée-sortie peuvent être des transformations qualitatives, des transformations quantitatives, des opérations de stockage, de transport, de tri,
On sintéressera tout particulièrement aux performances et aux solutions scientifiques ayant favorisé des perfectionnements du système ou susceptibles damener des innovations, en croisant différents points de vue : coût, rendement, protection de lenvironnement, acceptabilité sociale
Des comparaisons entre systèmes remplissant la même fonction peuvent être très fécondes pour remobiliser les compétences et exercer lesprit critique.
Pour atteindre les objectifs visés par cet enseignement , les élèves sont mis en présence de systèmes réels ou didactisés, finalisés et conçus pour assurer une ou des fonction(s) déterminée(s) à travers la mise en uvre dun ou de plusieurs procédés physico chimiques ; leur conception a, le plus souvent, obligé à résoudre un (ou des problèmes), scientifique(s) et technologique(s) spécifiques. Ils sont utilisés dans la « vie réelle » : dans les laboratoires, dans les industries de procédés, dans les activités personnelles ou de services
Ils doivent donner lieu, au laboratoire du lycée, à des activités expérimentales de physique et de chimie réalisées par les élèves et à des synthèses collectives permettant la structuration des connaissances.
Organisation de lenseignement :
Lenseignement est développé à partir de quelques systèmes en usage dans lespace public ou dans la sphère privée, choisis en début dannée scolaire par léquipe pédagogique comme supports dapprentissage.
Tout en cherchant prioritairement à exploiter les ressources matérielles de létablissement, léquipe ne devra pas aller au-delà dun nombre de six systèmes différents étudiés dans lannée scolaire. De plus, les interactions avec lenvironnement socio-économique de létablissement doivent permettre de disposer de supports matériels pertinents, récents et bien documentés.
Néanmoins il pourra se faire que, pour de multiples raisons, les systèmes envisagés ne puissent être physiquement disponibles au laboratoire ; le dossier scientifique remis aux élèves, fil directeur de létude, devra, dans ce cas, être suffisamment documenté, notamment sur le plan scientifique et technologique pour les aider à se construire une représentation aussi proche que possible de la réalité tout en ouvrant sur des activités concrètes de laboratoire. Des visites de laboratoires et dentreprises viendront compléter utilement la formation.
Le système :
Quand le système est présent dans l'établissement sous sa forme réelle industrielle ou de laboratoire ou didactisée, une première approche globale sera envisagée afin de définir dans un premier temps les principales caractéristiques du système:
fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;
grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;
principales performances attendues ;
dimensions économique et sociétale.
Si le système le permet, une analyse progressive de son fonctionnement, en sappuyant sur le système lui-même, pourra être conduite parallèlement à des études sur maquettes ou sur montages.
Quand le système n'est pas présent dans l'établissement, un travail préliminaire sur le dossier scientifique permettra de dégager ses principales caractéristiques.
Une analyse progressive du fonctionnement sur le système lui-même pourra être conduite parallèlement à des études sur maquettes ou sur des montages.
Du système aux procédés :
À partir des éléments constitutifs du système, on dégagera progressivement les concepts et les modèles physiques ou chimiques correspondant aux opérations mises en uvre dans le système étudié en se gardant de tout développement théorique qui ne se justifierait pas. Les notions seront apportées au fur et à mesure de leurs besoins. Dans certains cas l'analyse ne pourra donc être prolongée jusqu'au niveau le plus fin.
Ce sera loccasion de réinvestir des notions déjà rencontrées dans les autres parties des programmes de la série STL, tant au niveau de la classe de première quau niveau de la terminale. Ce sera aussi loccasion dintroduire de nouvelles notions nécessaires à la compréhension du fonctionnement du système.
L'usage d'outils mathématiques qui ne seraient pas au programme de cette série est proscrit.
Léquipe pédagogique de sciences physiques et chimiques devra sefforcer de trouver un juste équilibre entre plusieurs critères :
la disponibilité locale de systèmes et leur pertinence ;
la diversité des procédés ;
la diversité des domaines scientifiques explorés au travers des systèmes étudiés : pré-requis et compléments scientifiques compatibles avec les contraintes (durée à consacrer, adaptation au niveau de la classe terminale, outils et matériels nécessaires,...).
Lensemble des notions et contenus nouveaux et des capacités complémentaires à faire acquérir lors de cet enseignement est précisé dans le tableau « Capacités complémentaires à celles des autres programmes ». Ce tableau définit les limites quil faut donner à la formation en termes de capacités à maîtriser par les élèves à la fin de la scolarité.
Le programme propose cinq exemples en annexe. Ils donnent des indications sur le choix des systèmes étudiés et sur larticulation avec les différentes notions du programme.
Ils sont structurés de la manière suivante :
une brève description du procédé étudié ;
les notions déjà étudiées dans les différents programmes de la série STL (« physique-chimie » en première et en terminale (1ère PC et Tale PC), « mesures et instrumentation » (MI), « sciences physiques et chimiques en laboratoire » en première et en terminale (1ère PCL et Tale PCL),
) ;
les nouvelles notions nécessaires pour létude du procédé.
Tout autre système et tout autre procédé permettant d'aborder les capacités complémentaires à celles des autres programmes et revêtant une réalité dans les espaces public ou privé peuvent être choisis par les équipes pédagogiques.
Si lensemble des notions à introduire doit être couvert, il est par ailleurs souhaitable qu'elles soient communes à plusieurs procédés afin de permettre aux élèves de les réinvestir dans des contextes différents.
Capacités exigibles complémentaires à celles du tronc commun.
Thermodynamique
Notions et contenusCapacités exigiblesTransfert dénergie dune source froide à une source chaude.
Transfert dénergie sous forme de travail et de chaleur.
Modèle du gaz parfait.
Premier principe et second principe de la thermodynamique.
Pour une pompe à chaleur, un climatiseur ou un réfrigérateur : décrire le principe de fonctionnement ; identifier les transferts dénergie mis en jeu et réaliser le bilan énergétique.
Citer linfluence de la différence de température des deux sources sur le coefficient de performance dune pompe à chaleur ou dun climatiseur.
Distinguer un échange dénergie par travail et par transfert thermique.
Expliquer comment une compression ou une détente augmente ou abaisse la température dun gaz.
Appliquer le principe de conservation de lénergie à une machine ditherme.
Énoncer le second principe de la thermodynamique comme limpossibilité dun transfert thermique spontané dune source froide vers une source chaude.
Énoncer et exploiter, dans le cadre du second principe, la relation entre les énergies échangées par transferts thermiques et les températures des sources pour une machine ditherme.
Définir, exprimer et calculer le rendement ou lefficacité dune machine thermique.
Distinguer le coefficient de performance dune machine thermique de son efficacité thermodynamique.Irréversibilité.Identifier des causes dirréversibilité.Flux thermique en régime permanent.
Échangeur thermique.Déterminer expérimentalement le flux thermique échangé par les fluides dans un échangeur liquide liquide.
Évaluer à partir de données expérimentales le coefficient global déchange.Phénomènes de transport.Mettre en évidence expérimentalement le phénomène de diffusion.
Mettre en évidence expérimentalement linfluence de la température sur la diffusion.
Mettre en évidence expérimentalement leffet de la masse molaire moléculaire des espèces sur la diffusion.Diagrammes binaires.
Distillation.
Réaliser et légender le tracé dun diagramme isobare déquilibre liquide-vapeur dun mélange binaire à partir des courbes danalyse thermique et de la composition des phases liquide et gaz.
Exploiter un diagramme isobare déquilibre liquide-vapeur pour identifier le composé le plus volatil et reconnaître la présence dun azéotrope.
Déduire dun diagramme isobare déquilibre liquide-vapeur, la composition des premières bulles de vapeur formées.
Prévoir la nature du distillat et du résidu dune distillation fractionnée avec ou sans azéotrope.
Analyser par réfractométrie la composition dun mélange à partir dune courbe détalonnage.
Identifier les paramètres agissant sur le pouvoir séparateur des colonnes.
Expliquer lintérêt à réaliser une distillation sous pression réduite.
Identifier dans un système complexe les éléments constituant la distillation.Mécanique des fluides
Notions et contenusCapacités exigiblesConservation de lénergie.
Fluide incompressible en mouvement.
Puissance hydraulique.
Pertes de charge.Énoncer et exploiter la loi de conservation de lénergie dun fluide incompressible en mouvement.
Déterminer expérimentalement linfluence de quelques paramètres sur les pertes de charge : vitesse découlement, longueur et section de la canalisation, singularités.Énergie électrique
Notions et contenusCapacités exigiblesModèle d'un dipôle actif, limitation du modèle.
Caractéristique d'un générateur.
Caractérisation physique des grandeurs liées au transport de l'énergie électrique.Déterminer expérimentalement la caractéristique d'un générateur.
Visualiser une représentation temporelle d'une tension électrique, d'une intensité électrique en régime périodique et en analyser les caractéristiques.
Visualiser une représentation temporelle de la puissance instantanée consommée ou fournie par un dipôle en régime périodique et mesurer sa valeur moyenne.
Distinguer puissance moyenne et puissance instantanée.
Interpréter les données fournies par un analyseur d'énergie électrique industriel.Conversion statique de lénergie électrique.Énoncer et exploiter la loi de conservation de lénergie pour un convertisseur statique idéal.
Associer l'onduleur à un convertisseur continu-alternatif
Associer le redresseur à un convertisseur alternatif-continuTraitement du signal
Notions et contenusCapacités exigiblesModèle dun dipôle actif, limitation du modèle.
Caractéristique de transfert statique dun capteur.
Conditionneur de capteur.Déterminer expérimentalement la caractéristique de transfert statique dun capteur.
Visualiser la réponse temporelle dun capteur.
Déterminer le temps de réponse dun capteur.
Visualiser et exploiter la caractéristique de transfert dun ensemble capteur conditionneur.Filtrage et amplification de tension.
Gabarit.
Exploiter la courbe du coefficient damplification en fonction de la fréquence dun amplificateur pour déterminer ses limites dutilisation.
Déduire les propriétés dun filtre de la courbe représentant le coefficient damplification en fonction de la fréquence.
Proposer un gabarit de filtre pour répondre à un cahier des charges.Numérisation dune tension.Citer les caractéristiques utiles dun CAN : nombre de bits, quantum, fréquence de conversion.Contrôle et régulation
Notions et contenusCapacités exigiblesAspect fonctionnel
Boucle de régulation.
Schéma fonctionnel, chaînes daction et de retour, correcteur.
Identifier, nommer et connaître la fonction des éléments constitutifs dune boucle de régulation.
Établir le schéma fonctionnel dune boucle de régulation.
Citer la nature des signaux dinterconnexion des éléments constitutifs des chaînes daction et de retour ainsi que les valeurs normalisées les plus courantes.Grandeurs fonctionnelles : grandeurs réglées, réglantes et perturbatrices.Identifier les grandeurs fonctionnelles dune boucle de régulation.
Placer les grandeurs fonctionnelles sur un schéma fonctionnel.Caractéristiques statiques et dynamiques
Systèmes stable et instable.
Citer les définitions dun système stable ou instable.Caractéristique statique : gain statique ; point de fonctionnement.Tracer et exploiter la caractéristique statique dun procédé stable. Calculer, au point de fonctionnement, le gain statique.
Mettre en évidence expérimentalement le déplacement du point de fonctionnement quand la perturbation varie.Caractérisation des modèles comportementaux : caractéristiques dynamiques des procédés, comportement autour dun point de fonctionnement.Différencier le comportement des systèmes par leur réponse à un échelon de commande.
Déterminer les paramètres intrinsèques des procédés :
pour un système stable : le gain statique, la constante de temps, le temps mort ;
pour un système instable ou intégrateur : le gain dynamique et le temps mort.Régulation à action discontinue (TOR).Tracer et exploiter lévolution des grandeurs à partir dune consigne fixe pour les régulations TOR à un seuil et à deux seuils de basculement.Régulation à action continue (PI) : critères de performance dune boucle dasservissement ou de régulation :
Précision ;
rapidité ;
amortissement.Mesurer les critères de performance en boucle fermée, autour dun point de fonctionnement, suite à un échelon de consigne :
lécart statique ;
le temps de réponse à 5% ;
la valeur du 1er dépassement.
En asservissement et en régulation, pour un échelon de consigne ou de la perturbation :
Mettre en évidence expérimentalement linfluence du gain sur lécart statique, le temps de réponse à 5% et le dépassement pour une correction proportionnelle.
Mettre en évidence expérimentalement linfluence dune correction intégrale sur lécart statique, le temps de réponse à 5% et le dépassement.
Comparer lintérêt relatif dune régulation à action discontinue et dune régulation à action continue (avec correcteur PID) dans un contexte donné.Matériaux
Notions et contenusCapacités exigiblesFamilles de matériaux.Différencier les grandes familles de matériaux (céramiques, métaux et alliages, verres, matières plastiques, composite, matériaux naturels ...).Propriétés physico-chimiques des matériaux.Citer quelques propriétés physiques et chimiques dun matériau utilisé dans un système : résistance mécanique, tenue en température et inertie chimique, densité, dureté, conductivités, porosité et état de surface, perméabilité, propriétés optiques.Choix du matériau.Proposer, en argumentant à partir dune documentation, un matériau adapté à une partie dun système donné, en fonction d'un cahier des charges (propriétés d'usage, capacités de durabilité, durée de vie, recyclage, impact économique, impact environnemental et sociétal).
Exemple 1 : production autonome délectricité
Système étudié : installation photovoltaïque
Entrée :Sortie :Rayonnement solairePuissance électrique Besoins : alimentation autonome en électricité
FonctionsNotions et contenus des programmesNotions et contenus complémentairesCapture de lénergie solaireCoefficient de transmission énergétique (Tale PCL)MatériauxConversion de lénergie solaire en énergie électrique Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde (1ère PCL +1ère PC)
Énergie et puissance électriques (1ère PC)Caractéristique d'un générateurEffet photovoltaïque
Interaction rayonnement matière (1ère PCL).
Énergie d'un photon (1ère PCL + Tale PC)
Conversion photovoltaïque (Tale PC)
Mesure de flux lumineux (1ère PC et 1ère PCL)
Photo détecteurs (1ère PCL)Stockage de lénergie
Transformations chimiques et transformation dénergie électrique (Tale PC)
Piles, accumulateurs, piles à combustibles (Tale PC)Régulation de la puissance fournie à la batterie par la celluleLoi des nuds et lois des mailles (1ère PC)
Régulation Conversion statique de l'énergie électrique (continu alternatif)Énergie et puissance électrique (1ère PC)
Bilan énergétique (1ère et Tale PC)Convertisseurs statiques Surveillance et mise en sécurité de la batterieChaîne de mesure (MI)Exemple 2 : chauffage
Système étudié : installation domestique utilisant une pompe à chaleur. Exemple de la pompe à chaleur air/eau, technologie « fluides intermédiaires »
Entrée :Sortie :énergie interne de lair extérieur et énergie électriqueénergie interne de lair intérieurBesoin : maintien de la température dans un espace de volume donné
FonctionNotions et contenus des programmesNotions et contenus complémentairesTransfert thermique entre deux fluides
Stockage dénergie Énergie interne et température, capacité thermique massique (1ère PC)
Mesure de pression (MI)
Mesure de température (MI)
Transformations physiques et effets thermiques associés : Transfert thermique et changement détat (Tale PC)
Changements d'états d'un fluide (Tale PC).Transfert dénergie dune source froide à une source chaude
Transfert dénergie sous forme de travail et de chaleur, cycle, efficacité
Premier principe et second principe de la thermodynamique
Modèle du gaz parfait
IrréversibilitéÉchange thermique
VentilationMesure de température (MI)
Convection et conduction (1ère PC)Flux thermique en régime permanent
Échangeur thermiqueCirculation dun fluideÉcoulement stationnaireLoi de conservation de la masse, fluide parfait et incompressible (Tale PC)
Mesures de débit (MI)Fluide incompressible en mouvement
Puissance hydraulique
Pertes de chargeMaintien en température dune enceinteBilan thermique expérimental dune enceinte (1ère PC)Conversion de lénergie électriqueMoteur et compresseur (Tale PC)
Puissance absorbée, puissance utile, rendement (Tale PC)
Convertisseur électromécanique (Tale PC)Régulation de températureMesure de température, capteur de température (MI)
Chaîne de traitement (MI)Système bouclé TOR
Exemple 3 : séparation de constituants chimiques
Système étudié : distillateur
Entrée :Sortie :liquide(s) à distiller distillat purifié et résidu de distillationBesoin : obtention d'un ou plusieurs composés chimiques
FonctionsNotions et contenus des programmesNotions et contenus complémentairesChauffage d'un mélangeÉnergie et puissance électrique (1ère PC)
Énergie électrique et effet Joule (1ère PC)
Solvant, soluté, concentration (2de, 1ère PCL)
Changement détat (liquide-vapeur) (Tale PC)
Bilan thermique dune enceinte en régime stationnaire (1ère PC)Séparation de constituants Distillation (1ère PCL)Diagrammes binairesRefroidissement du distillatTransferts thermiques (PC)
Changement détat (vapeur-liquide) (Tale PC)
Puissance thermique (1ère PC)
Rendement thermique (Tale PC)Contrôle et régulation de la températureÉnergie interne Température (1ère PC)
Mesure de température (MI)Boucle de régulation
Régulation à action discontinue (TOR)Contrôle et régulation des débits deau de refroidissement et de distillatÉcoulement stationnaire (Tale PC)
Débit volumique et massique (Tale PC) Boucle de régulation
Régulation à action continue
Exemple 4 : production autonome délectricité avec une pile à combustible.
Système étudié : pile à combustible
Entrée :Sortie :Réactifs
Hydrogène et oxygène (air)
ou
Méthanol et oxygène (air)Énergie électriqueBesoin : fournir une puissance électrique sous une tension donnée
FonctionNotions et contenus des programmesNotions et contenus complémentairesStockage des réactifs
Stockage de l'hydrogène
Stockage du méthanolMesure de pression (MI ; Tale PC)
Mesure de volume (MI)
Analyse des risques (1ère PC)Modèle du gaz parfait
Humidification des gaz à l'entrée
États de la matière. Transfert thermiques et changements détat.
Transformations physiques et effets thermiques (Tale PC).Régulation
Détente et compression des gazMesure de pression (MI)
Mesure de débit (MI ; Tale PC)
Débit volumique (Tale PC)Régulation de pression et de débit (continue et discontinue)Conversion d'énergie chimique en énergie électriqueTransformation chimique et transfert dénergie sous forme électrique (Tale PC)
Piles à combustible (Tale PC)
Catalyseurs (Tale PC)Propriétés physico-chimiques des matériaux
Puissance moyenne et puissance instantanéeRégulation de la température de l'empilement des modulesBilan thermique expérimental dune enceinte (1ère PC)
Mesure de température (MI; 1ère PC)Régulation Régulation de tensionMesure de tension, capteur de courant (MI)
Tension et intensité électriques dans un circuit en régime continu (1er PC)
Conditions dutilisation optimales dune batterie (Tale PC)
Chaîne de traitement (MI)Caractéristique d'un générateur
Système bouclé
Régulation
Exemple 5 : obtention deau douce
Système réel étudié : osmoseur pour la plaisance
Entrée : Sortie : eau de mereau douceBesoin : quantité quotidienne d'eau douce
FonctionNotions et contenus des programmesNotions et contenus complémentairesPompage et mise sous pression de l'eau de merÉnergie et puissance électrique (1ère PC)
Puissance absorbée, puissance utile, rendement dun convertisseur électromécanique (Tale PC)
Rendement, débit volumique (Tale PC)
Fluide incompressible en mouvement Conservation de l'énergie d'un fluide incompressible en mouvement
Puissance hydraulique
Conservation de lénergie
Pertes de chargePrétraitements de leau (réduction du colmatage de la membrane et de la formation de précipités)Nanomatériaux (1ère et Tale PC)
Filtration (1ère PCL)
Réactions de précipitation (Tale PCL)
Polymères (1ère PC)
Solubilité, polarité (Tale PC)Matériaux : propriétés physicochimiques, choixDiffusion au travers dune membrane semi-perméableSolvant, soluté, dissolution, concentration, dilution (2de, 1ère PCL)
Séparation et purification (1ère PCL)
Pression dans un fluide (2de, Tale PC)
Polymères (1ère PC)
Pression dans un fluide (2de, Tale PC)
Écoulement dun fluide, débit (Tale PC)Phénomènes de transport
Contrôle en ligne des concentrations dans le perméat
Récupération de lénergie hydraulique du concentrat (turbopompes, turbines, échangeurs de pression)Conductimétrie (1ère et Tale PCL)
Écoulement dun fluide, débit (Tale PC)Fluide incompressible en mouvement.
Puissance hydraulique
Conservation de lénergie
Pertes de charge
MENJVA - Direction générale de lenseignement scolaire
Programme de lenseignement de sciences physiques et chimiques en laboratoire en classe terminale de la série STL - Page PAGE 1 sur NUMPAGES 26