partie g - Exercices corriges
L'inventaire des forces associé au principe fondamental de la dynamique .... afin
de corriger la lunette des aberrations géométriques et chromatiques, mais toute
..... Les effets du caractère non galiléen de ces référentiels ( force de Coriolis en ...
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PROGRAMMES DE SCIENCES PHYSIQUES DES CLASSES DE TERMINALES S1 ET S2
Août 2008
SOMMAIRE DU PROGRAMME DE TERMINALE S1 ET S2
HORAIRE : 7 H / ELEVE
PROGRAMME DE PHYSIQUE
CHAPITRENuméroTitreHoraire
CINEMATIQUE - DYNAMIQUEP1Cinématique du point.5 + 1 =6P2Bases de la dynamique4 + 1 = 5P3Applications des bases de la dynamique.10P4Gravitation universelle6
ELECTROMAGNETISME.P5Généralités sur les champs magnétiques - Champs magnétiques des courants.6P6Mouvement dune particule chargée dans un champ magnétique uniforme.6P7Loi de Laplace.5P8Induction magnétique- Etude dun dipôle (R, L).6P9Etude du dipôle (R,C).5
OSCILLATIONS OPTIQUE.P10Oscillations électriques libres et oscillations électriques forcées 9P11Oscillations mécaniques libres. 4P12Interférences lumineuses.6
PHENOMENES CORPUSCULAIRES.P13Effet photoélectrique : mise en évidence et interprétation 4P14Niveaux dénergie de latome.4P15Réactions nucléaires 8Total.90
PROGRAMME DE CHIMIE CLASSE DE Terminales S
CHAPITRENuméroTitreHoraireC1Alcools6C2Amines4C3Acides carboxyliques et dérivés.5C4Cinétique chimique.5C5Autoprotolyse de leau - pH dune solution aqueuse- Indicateurs colorés6C6Acide fort- Base forte- Réaction entre acide fort et base forte ; Dosage.7C7Acides et bases faibles - couples acide-base - constante dacidité
et classification des couples acide-base.8C8Réaction acide faible/base forte (et vice versa), effet tampon. Dosage.7C9Acides að aminés (éléments de stéréochimie)5Total.53
REFERENTIELS ET COMMENTAIRES DU PROGRAMME DE TERMINALE S
PROGRAMME DE PHYSIQUE
Les compétences d année.
Compétence 1
A la fin de la classe de terminale S, lélève ayant acquis des savoirs, savoir-faire et savoir-être en mécanique (lois de Newton et/ou théorèmes relatifs à lénergie), doit les intégrer dans des situations dexplication, 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, lélève 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 dexplication, de prévision et de résolution de problèmes.
Compétence 3
A la fin de la classe de terminale S, lélève ayant acquis des savoirs, savoir-faire et savoir-être sur les phénomènes ondulatoires et phénomènes corpusculaires (phénomènes lumineux, niveaux dénergie, 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 létude 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 létude 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.
CHAPITRE P1 : Cinématique du point. Durée : 6 hCLASSE:T° S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Citer des référentiels.
* Utiliser les coordonnées cartésiennes, polaires et labscisse 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 dair, 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 possiblesGaliléo Galilei (1564-1642) est incontestablement le père de la cinématique. Il a non seulement été un brillant observateur de lunivers, mais il a aussi cherché à expliquer les mouvements quil observait. Par un ensemble de dispositifs expérimentaux de mesures et de raisonnements mathématiques, il a cherché à décrire en particulier les mouvements de chute.
Lun 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. Quappelle-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 sen 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). Sappuyant sur lapproche déjà utilisée en classe de seconde pour la détermination des vitesses on en viendra à lexpression du vecteur vitesse instantanée en 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 dexemples simples.
Définir laccélération moyenne et laccélération 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 laide 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 Durée :4 hCLASSE :T° S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Choisir le référentiel adapté au mouvement.
* Mettre en évidence le centre dinertie.
* Appliquer la relation barycentrique pour déterminer le centre dinertie (cas simples)
* Exploiter des enregistrements (pour déterminer le centre dinertie, vérifier le principe de linertie)
* 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.
* Centre dinertie.
mise en évidence,
relation barycentrique
* Quantité de mouvement
* Principe de l'inertie (1ère loi de Newton).
* Référentiel galiléen.
* Relation fondamentale de la dynamique.
énoncé,
formulation
* Théorème du centre d'inertie.(2ème loi de Newton)
énoncé,
formulation.
* Théorème de l'accélération angulaire.
énoncé,
formulation
* Théorème d'Huygens
* Conséquence : Théorème de lénergie cinétique* Expérience de mise en évidence du centre dinertie (table à coussin dair)
* Exploitation de documents.
* Illustration du principe de l'inertie (banc à coussin d'air).
Commentaires
Activités préparatoires possibles1 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 dinertie : réaliser une expérience ou exploiter des enregistrements. Donner lexpression de la relation barycentrique, relation précisant la position du centre dinertie par rapport aux autres points du système (il nest pas demandé détablir 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 limportance du choix du référentiel pour létude dun 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.
Lobservation de quelques mouvements simples permet de montrer qualitativement que la cause de la variation de vitesse du centre dinertie dun système est lexistence dune 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 quil donne avec lexpérience. Insister sur le fait quelle 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.
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 dapplication sous forme dexercice : 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 dynamique Durée : 10 hCLASSE :T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage
* Résoudre des problèmes de dynamique
* Appliquer les théorèmes fondamentaux à des mouvements particuliers.
* Exploiter, interpréter des enregistrements de mouvements.* Mouvements dun 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 (rotation- translation)
* Mouvements dune particule chargée dans un champ électrique uniforme :
mouvement rectiligne.
- mouvement parabolique.
- déflexion électrique
* Applications :
- détermination de g,
- Oscilloscope
Résolution de problèmes de dynamique.
Expérience et /ou exploitation de document sur la chute libre et la chute ralentie.
Commentaires
Activités préparatoires possiblesLâcher sans vitesse initiale une bille ponctuelle sur la ligne de plus grande dun plan incliné de 30° sur lhorizontale. Repérer la position de lobjet à intervalles de temps égaux successifs très petits.
1 Reproduire lenregistrement obtenu.
2 En déduire laccélération du mouvement.
3 Etablir lexpression théorique de laccélération du mouvement en considérant que les frottements sont négligeables. Faire lapplication numérique. Prendre g = 9,8 S.I. Comparer avec le résultat obtenu expérimentalement. Conclure.
Dans ce chapitre sera regroupée létude 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 ( EMBED Word.Picture.8 , EMBED Word.Picture.8 ) dans le cas où la vitesse initiale est nulle ou possède le même support que le vecteur champ.
* mouvements paraboliques dans EMBED Word.Picture.8 , dans EMBED Word.Picture.8 ( traiter la déflexion électrique et expliquer lapplication 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 létude 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 dun solide ponctuel (afin que les difficultés liées aux questions de distribution des forces ninterviennent pas) et au cas de léquilibre relatif (pour ne pas avoir à faire intervenir une éventuelle accélération de Coriolis ; la composition des accélérations nest pas étudiée en cinématique).
On rappellera que les relations de la dynamique sont valables par rapport à un référentiel galiléen. Si on désire conserver la condition déquilibre EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 dans un autre repère on est amené à changer de membre le terme « ma » et à interpréter « m EMBED Equation.3 » comme représentant une force supplémentaire dite force dinertie. Contrairement aux autres forces cette force dinertie 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.
CHAPITRE P4 : Gravitation universelle.Durée :6 hCLASSE :T° S
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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 lorbite d'un satellite géostationnaire.
* Exprimer lénergie mécanique dun 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.* 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.
* Applications :
mouvement dun satellite à trajectoire circulaire
- Vitesse de satellisation.
- Période d'un satellite.
- Satellite géostationnaire.
- Troisième loi de Kepler : T2/r3 = constante
* Vitesse minimale de libération.
* 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
Commentaires
Activités préparatoires possibles1 Le premier satellite artificiel HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/Spoutnik" \o "Spoutnik" Spoutnik I fut lancé par l' HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/URSS" \o "URSS" URSS en HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/wiki/1957" \o "1957" 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 lespace montrent les astronautes et leur matériel qui flottent dans la cabine du satellite. Quel nom donne-t-on à ce phénomène ? Comment lexpliquer ?
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 lanalogie 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 linteraction gravitationnelle peut être négligée devant les interactions électrostatiques entre particules élémentaires (prendre lexemple des interactions entre électron et proton dans latome dhydrogène). Au contraire, à léchelle macroscopique et avec des objets neutres on nobserve plus que des interactions gravitationnelles. On insistera surtout sur limportance des forces gravitationnelles à léchelle planétaire et sur le rôle quelles jouent.
Létude qualitative du champ terrestre donnera loccasion de faire la différence entre champ de gravitation terrestre et champ de pesanteur terrestre. Faire établir les deux expressions de lintensité du champ de pesanteur terrestre : g = G.MT/r2. et g = g0RT2/r2
L'application du théorème du centre d'inertie au mouvement dun 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 lexpression de la période dun satellite dans dautres 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 » dune planète comme la terre.
On citera quelques applications de la gravitation universelle : satellite de communication, navette spatiale, sondes.
Deuxième partie : Electromagnétisme
CHAPITRE P5 : Généralités sur les champs magnétiques - Champ magnétique des courants.Durée :6 hCLASSE :TS
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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.
* 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.* Mise en évidence des interactions magnétiques : aimant/aimant, aimant/courant, courant/courant.
* Utilisation dune règle d'orientation bien maîtrisée
* Réalisation et exploitation de spectres magnétiques.
* Utilisation dune boussole.
Commentaires
Activités préparatoires possibles1 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 labsence de courant. Saupoudrer la plaque de limaille de fer, tapoter légèrement une seule fois. Quelle observation peut-on faire ? quelle en est linterprétation ?
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 dun aimant en U).
Laction dun aimant sur une aiguille de fer doux initialement non aimantée, permet de comprendre le mécanisme dobtention des spectres, chaque grain de limaille se comportant schématiquement comme une telle aiguille.
Expliquer quun spectre magnétique permet de connaître la topographie dun champ magnétique et de découvrir localement une direction privilégiée. La position dune 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 EMBED Word.Picture.8 ..
On mesurera l'intensité d'un champ magnétique avec un teslamètre.
Autant que possible létude 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 EMBED Word.Picture.8 .On insistera sur le lien entre le sens du courant et le sens du vecteur champ EMBED Word.Picture.8 et les règles dorientation seront précisées. Toutefois pour éviter les confusions il est préférable que chaque élève utilise une règle bien sue au lieu dutiliser 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 nest à faire ; une étude expérimentale permettra de vérifier lexpression de la valeur du vecteur champ à lintérieur du solénoïde.
La loi de Biot et Savart est hors programme.
Insister sur les conventions utilisées pour lorientation dans lespace (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 EMBED Word.Picture.8 avec l'horizontale.
On signalera l'origine du champ magnétique terrestre.
CHAPITRE P6 : Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme Durée : 6 hCLASSE :T° S
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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 dune particule chargée dans EMBED Word.Picture.8 .
* Déterminer les caractéristiques du mouvement dune particule chargée dans EMBED Word.Picture.8 (Calcul du rayon de la trajectoire détermination de la période de rotation).
* Déterminer la déflexion magnétique.
* Force de Lorentz.
- Caractéristiques de la force de Lorentz.
- Règles dorientation.
* Mouvement dans le champ EMBED Word.Picture.8
- nature du mouvement
- Déflexion magnétique.
* Applications.
- Spectrographe de masse.
- Cyclotron.
- Filtre de vitesse
* Utilisation pratique des propriétés du produit vectoriel.
* Expérience avec les bobines d'Helmholtz ou schéma de principe.
* Etude de la nature du mouvement dune particule chargée dans EMBED Word.Picture.8 .
* Exploitation de documents ( détermination du signe et de la valeur de la charge d'une particule
).
Commentaires
Activités préparatoires possiblesOn appelle accélérateur de particules toute machine servant à accroître la vitesse de particules chargées électriquement (protons, électrons, deutons, particules(). 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 daccélérateurs qui sont utilisés par le physicien et leurs caractéristiques principales.
Avant daborder 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 lorsquune 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 lexpression 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 linfluence de l'intensité du courant qui traverse 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 EMBED Word.Picture.8 dans un référentiel galiléen, on déterminera les caractéristiques du mouvement : plan, uniforme et circulaire.. On en déduira lexpression du rayon de la trajectoire et de la période (dans le cas où la trajectoire est fermée) du mouvement
En exercice dapplication on fera établir lexpression 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. Durée :5 hCLASSE :T° S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage
* Déterminer les caractéristiques de la force de Laplace
* Représenter la force de Laplace.
* Expliquer Interpréter le fonctionnement des moteurs électriques.
- Calculer le moment du couple des forces magnétiques.* 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.
* Mise en évidence de la force magnétique.
* Expériences dillustration et dapplication :, rails, balance de Cotton, sonde de Hall, roue de Barlow et autres moteurs électriques.
Commentaires
Activités préparatoires possiblesUn 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 dun électro-aimant polarisé et suivie dun pavillon évasé pour une bonne adaptation acoustique.
Cest avec lapparition, vers 1930, du haut-parleur électrodynamique quon peut fixer approximativement le début de lère moderne dans le domaine du son.
1 Quels sont les constituants du haut-parleur électrodynamique ?
2 Sur quel principe fonctionne lappareil ?
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.
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 defficacité, on sen tiendra à une ou deux règles tout au plus que les élèves pourront maîtriser.
Létude de laction mutuelle entre deux courants rectilignes se fera de manière expérimentale, on en déduira la définition légale de l'ampère.
Dans létude de laction dun champ magnétique sur un cadre on ne fera pas intervenir la notion de moment magnétique ; on ramènera simplement le calcul à laction du champ sur des courants rectilignes. Par ailleurs le vecteur moment dun 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.
CHAPITRE P8 : Induction magnétique- Etude dun dipôle (R, L). Durée : 6h CLASSE :T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage
Mettre en évidence le phénomène dinduction / dauto induction
Interpréter qualitativement le phénomène dinduction/dauto induction
Rappeler lexpression du flux propre en fonction de linductance.
Rappeler lexpression de la tension aux bornes dun dipôle (R,L)
Rappeler lexpression de la constante de temps du dipôle (R,L) et sa signification physique.
Etablir la loi de variation du courant établi dans une bobine par un échelon de tension
Etablir la loi de variation de la rupture du courant dans une bobine fermée sur un circuit résistant.
A :Etude qualitative du phénomène dinduction / auto induction.
Expérience fondamentale
Flux magnétique et flux magnétique propre
Inductance dune bobine
F.e.m instantanée d'induction.
B : Etude dune bobine (R,L) :
-- Tension aux bornes dune bobine
-- Etablissement dun courant dans un dipôle (R,L) : notion de constante de temps, expression.
--Energie emmagasinée dans une bobine
-- Annulation (rupture) du courant traversant une bobine,
- Applications :
* Réalisation dexpériences sur les interactions aimant-bobine et bobine-bobine.
.
Réalisation dexpériences montrant que la bobine soppose à létablissement du courant dans un circuit
Réalisation dexpériences montrant linfluence de linductance L et celle de la résistance R dune bobine sur la durée du régime transitoire de létablissement (ou de la rupture) du courant dans une bobine
Réalisation dexpérience montrant que la rupture du courant dans une bobine provoque une surtensionCommentaires
Activités préparatoires possiblesSurtension aux bornes dune bobine, étincelles de rupture : quelle explication ? quelles utilisations pratiques ?
La première partie du chapitre traite du phénomène dinduction. Létude du phénomène dinduction sera simplifiée. On se contentera de mettre le phénomène en évidence par lexpérience consistant à approcher ou éloigner un aimant droit dune bobine reliée à un appareil de mesure assez sensible tel quun microampèremètre (circuit fermé ne comportant pas de générateur), On sen tiendra à cet exemple.
On interprétera le phénomène dinduction 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 létude du dipôle (R,L).
On décrira simplement la bobine et on commencera par préciser ses caractéristiques : sa résistance R, son inductance L On donnera lexpression de la tension aux bornes de la bobine lorsquelle est traversée par un courant dintensité i. On adoptera pour cela la convention récepteur étudiée en classe de seconde.
Létablissement du courant dans une bobine (R,L) sera lobjet dune étude expérimentale. On établira théoriquement la loi de variation de lintensité du courant en insistant sur linfluence 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 dune bobine à la fermeture et à la rupture du courant et les applications correspondantes.
Pour les applications il sagira de les citer et den donner une explication brève sans entrer dans les détails des calculs.
CHAPITRE P9 : Etude du dipôle (R,C). Durée : 4 hCLASSE :T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage
* Etablir léquation différentielle régissant la charge ou la décharge dun condensateur.
* Etablir les lois de variations de la tension aux bornes du condensateur, de lintensité du courant lors de la charge ou de la décharge.
* Rappeler lexpression de la constante de temps, donner sa signification physique
- Déterminer la constante de temps
* Déterminer une capacité* Charge et décharge dun condensateur
- charge électrique,
- relation entre la charge électrique et lintensité du courant.
- Régime transitoire et régime permanent.
- Constante de temps.
* Théorie
-Interprétation qualitative
- Equation différentielle.
- Evolution des grandeurs électriques
* Energie emmagasinée.
* Applications : flash dun appareil photographique,
* Expériences sur charge et décharge d'un condensateur ; visualisation à loscilloscope.
* Interprétation des courbes de charge et de décharge d'un condensateur.
* Exploitation doscillogrammes ou de documents.
Commentaires
Activités préparatoires possiblesVisites 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 létude des condensateurs faite en première.
Pour commencer, on réalisera lexpérience de charge à intensité constante dun 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 lexpérience de charge du condensateur sous leffet dune tension constante.
On visualisera les régimes transitoire et permanent à laide dun oscilloscope (réglage convenable) et on procédera à létude théorique. Dans cette étude théorique on établira léquation 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 lintensité du courant dans le circuit. On donnera lexpression de lénergie emmagasinée par le condensateur lors de la charge.
Dans la suite, la décharge dun condensateur chargé à travers un résistor de résistance R sera étudiée expérimentalement et on procédera à létude théorique. Léquation différentielle de la décharge sera établie. On en déduira les lois de variation de la tension aux bornes du condensateur et celle de lintensité 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 dun condensateur. Donner son expression, expliquer les différents procédés utilisés pour sa détermination.
CHAPITRE P10: Oscillations électriques libres et oscillations électriques forcées Durée : 8hCLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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 doscillations 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 léquation différentielle régissant le fonctionnement dun 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 limportance du facteur de puissance.* Oscillations électriques libres .
- Mise en évidence
- Equation différentielle.
- Solution de l'équation différentielle.
- Période , pulsation, fréquence propres.
- Conservation de l'énergie totale.
* Oscillations électriques forcées dun dipôle R,L,C série.
*Grandeurs efficaces
* Impédance
* Déphasage
*Phénomène de résonance dintensité
- Courbe de résonance.
- Bande passante.
- Facteur de qualité.
- Surtension à la résonance.
- Energie électrique totale à la résonance.
* Puissance en courant alternatif.
- Puissance moyenne.
- Puissance apparente.
Facteur de puissance.
* Applications :
Filtre radio, transport dénergie
* Visualisation à l'oscilloscope doscillations électriques libres non amorties et amorties
* Mesure dune période, dune pseudo-période.
* Visualisation à l'oscilloscope la courbe i = f(t) d'un courant alternatif.
* Détermination du déphasage entre l'intensité instantanée et la tension instantanée.
* Etude du comportement d'un résistor, d'une self, d'un condensateur en régime sinusoïdal.
* Réalisation dexpériences avec l'oscilloscope (détermination du déphasage, recherche de la résonance et mesure des paramètres caractéristiques...)..
Commentaires
Activités préparatoires possiblesTout poste récepteur qui reçoit un message se sert dun oscillateur électrique.
Lantenne dun récepteur radio reçoit des signaux de fréquences différentes. Chacun de ces signaux provoque un courant dans le primaire de la bobine dantenne. 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 dantenne. Lauditeur règle son poste en ajustant le condensateur daccord. Il fait ainsi « résonner» la bobine dantenne et le condensateur sur la fréquence de la station quil 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 dun oscillateur électrique ?
2 Que signifie : il fait « résonner» la bobine dantenne et le condensateur sur la fréquence de la station quil veut écouter ?
3 Citer dautres dispositifs où sont utilisés des oscillateurs électriques
Comme suite logique des deux chapitres précédents il sagit dans ce nouveau chapitre détudier 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 létude 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 wð0.
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, lexpression de la résistance critique.
Rc =2 ( L/C)1/2 . La résolution de léquation nest 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.
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 lexpression de la puissance moyenne et souligner limportance 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 lintensité efficace du courant présente un maximum pour une valeur de la fréquence f égale à celle de la fréquence propre
fo = EMBED "Equation" \* mergeformat EMBED "Equation" \* mergeformat 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) = EMBED "Equation" "Objet de Word4" \* mergeformat . Comme application, on parlera du filtre radio.
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 souvre ainsi à beaucoup dapplications dans la vie courante : fonctionnement dinstallations domestiques et industrielles, dappareils électroménagers.
Des mesures de sécurité seront au fur et à mesure dégagées lors de cette étude.
CHAPITRE P11 : Oscillations mécaniques libres Durée :4 h CLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Etablir l'équation différentielle des oscillations mécaniques libres non amorties et des oscillations mécaniques amorties.
* Interpréter le phénomène doscillation à partir dexemples simples
* Donner la forme de la solution de léquation différentielle des oscillations mécaniques libres non amorties dun pendule élastique.
* Donner lexpression 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.* 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 dun flotteur, galvanomètre balistique, amortisseur de véhicule.* 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 possiblesAttacher un objet ponctuel de masse m = 30 g à lextrémité inférieure dun fil inextensible de longueur
L = 1m. Attacher lextrémité supérieure du fil à un support horizontal fixe.
Ecarter légèrement lobjet et le lâcher sans vitesse initiale.
1 Quelle grandeur permet détudier lévolution du pendule qui oscille librement dans le cas où les frottements sont très faibles ?
2 Quelle est laction extérieure responsable de cette évolution ?
3 Mesurer la durée dune oscillation.
4 Proposer une série dexpériences permettant détudier linfluence sur la durée dune oscillation du pendule :
- de la longueur du fil,
- de la masse de lobjet 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 léquation différentielle à partir des conditions initiales On précisera l'expression de la période propre To = EMBED "Equation" "Objet de Word5" \* mergeformat .
Le professeur remarquera que létude de loscillateur harmonique est importante parce quil constitue un modèle simple utilisable dans de nombreux cas et que la formalisation mathématique est la même que celle de loscillateur 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 loscillateur 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 lénergie dissipée lest sous forme de travail effectué par les forces de frottements.
La résolution de léquation différentielle nest pas au programme.
Pour toutes les séries S on fera l'analogie des grandeurs électriques et des grandeurs mécaniques.
On soulignera lexistence doscillations mécaniques forcées par analogie avec les oscillations électriques forcées.
CHAPITRE P12 : Interférences lumineuses Durée :6 hCLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage
Représenter le dispositif de Young.
Interpréter le phénomène dinterférences lumineuses.
Etablir les expressions de la différence de marche et celle de linterfrange
Préciser les positions des franges.
Déterminer linterfrange.
Préciser les conditions dinterférences
Donner léchelle des longueurs donde du spectre de la lumière.
Citer quelques applications du phénomène dinterférences lumineuses.* Expérience de Young.
- champ interférentiel
- franges dinterférences (lumière monochromatique)
* Interprétation théorique
- nature ondulatoire de la lumière
- interférence constructive
- interférence destructive
- différence de marche
- ordre dinterférence
- interfrange
- intensité lumineuse
* Conditions dinterférences
-* Le spectre de la lumière
- spectre visible, spectre U.V, spectre I.R,
- onde électromagnétique
* Applications
- mesures de longueurs dondes, de faibles épaisseurs.
- hologrammes.
* Mise en évidence des interférences lumineuses
Interprétation du phénomène dinterférences lumineuses
Représentation de léchelle des longueurs donde du spectre de la lumière
Commentaires
Activités préparatoires possibles1 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 donde limites. Situer sur cet axe le domaine de linfrarouge et celui de lultraviolet.
Lobjectif principal de ce chapitre est de faire découvrir la nature ondulatoire de la lumière à partir de la mise en évidence du phénomène dinterférence. Le chapitre sera simple et traité de manière expérimentale : lexpérience 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 donde, période, fréquence.
On signalera brièvement, dans le cas de lexpérience des fentes de Young, que cest la diffraction de la lumière qui est à lorigine du phénomène dinterférences.
Dans linterprétation on fera appel aux acquis du programme de première: par analogie avec les franges déjà observées sur la surface libre dun liquide (expérience dinterférences mécaniques réalisée en classe de 1ère) on admettra que, dans lexpérience de Young, les franges lumineuses résultent dune superposition dondes lumineuses issues des fentes. Cest admettre que la lumière a une nature ondulatoire. Lexpression de la différence de marche sera établie, la notion dordre dinterférence précisée. On donnera les positions des franges brillantes et celles des franges obscures sur lécran ; doù lon déduira lexpression de linterfrange.
Les élèves seront amenés à dresser léchelle des longueurs donde du spectre de la lumière.
Le déplacement des franges (déplacement de la source, interposition dune 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 dinterférences lumineuses (mesure de longueur donde, de très petites épaisseurs, réalisation dhologrammes)
Quatrième partie : Phénomènes corpusculaires
CHAPITRE P13 : Effet photoélectrique Durée :4 hCLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Interpréter l'effet photoélectrique par la théorie dEinstein
* Utiliser l'expression de l'énergie cinétique maximale de lélectron émis Ecm = h ( EMBED "Equation" \* mergeformat - EMBED "Equation" \* mergeformat o )
*Citer quelques applications de leffet photoélectrique : détecteur de niveau, dispositif de sécurité des banques,
.* Effet photoélectrique.
- Fréquence seuil.
- longueur d'onde seuil.
* Théorie dEisntein.
- Photon.
- Quantum d'énergie.
- Constante de Planck.
- Travail d'extraction.
- Electron-volt.
* Applications.
* Mise en évidence de l'effet photoélectrique.
Commentaires
Activités préparatoires possiblesRecherche 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 leffet photoélectrique et de lexistence du seuil photoélectrique,
linterprétation du phénomène par la théorie dEinstein.
On retiendra les expressions du quantum d'énergie E W= h EMBED "Equation" \* mergeformat , du travail d'extraction Wo = h EMBED "Equation" \* mergeformat o et de l'énergie cinétique des électrons émis par effet photoélectrique Ec = h ( EMBED "Equation" \* mergeformat - EMBED "Equation" \* mergeformat o ).
On traitera également la dualité onde corpuscule. Cest loccasion dintroduire quelques éléments dhistoire des sciences.
L'effet Compton est hors programme.
La cellule photoélectrique et les notions connexes (potentiel darrêt, courant de saturation, rendement quantique) ne seront pas étudiées ainsi que les autres lois de leffet 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.
CHAPITRE P14 : Niveaux d'énergie de l'atome Durée :4 hCLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Donner l'expression du niveau d'énergie d'ordre n de l'atome d'hydrogène.
Utiliser lexpression du niveau dénergie dordre n de latome dhydrogène :
En = - EMBED "Equation" \* mergeformat (eV)
* Calculer les longueurs d'onde limites des séries de raies de l'atome d'hydrogène.
* Etre conscient de l'importance des spectres dans la détermination de la composition chimique des corps, de la température des étoiles...* Spectre de raies.
- Spectre de raies d'émission.
- Spectre de raies d'absorption.
- Excitation, désexcitation.
* Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène.
- Postulats de Bohr.
- Quantification.
- Etat d'ionisation.
- Séries du spectre d'émission (Lyman, Balmer, Paschen.).
* Applications.
* Observation de spectres d'émission.
* Observation de spectres dabsorption.
* Détermination de niveaux d'énergie.
* Exploitation des documents
* Représentation de transitions croissante ou décroissante
Commentaires
Activités préparatoires possiblesLa structure de latome a été au cours des siècles et millénaires lobjet de plusieurs théories.
Lhypothèse atomiste affirme dabord 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 luvre de Démocrite son contemporain et disciple.
Dans lhistoire de latome et les modèles proposés on retrouve les noms déminents 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 latome.
2 Quel modèle permet dexpliquer la formation des spectres de raies démission et dabsorption ?
Ce chapitre débutera par la mise en évidence (ou à défaut lobservation) de quelques spectres de raies d'émission et de raies d'absorption. Lanalyse que lon fera de ces spectres permettra daboutir 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 latome.
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 EMBED "Equation" \* mergeformat n,p est émis lorsque l'atome effectue une transition entre deux niveaux d'énergie Ep et En et donner la relation
h EMBED "Equation" \* mergeformat n,p = En- Ep avec En> Ep.
De même on donnera linterprétation des phénomènes d'excitation, de désexcitation et d'ionisation d'un atome.
Pour le cas de l'atome d'hydrogène on donnera l'expression du niveau d'énergie d'ordre n :
En = - EMBED "Equation" \* mergeformat (eV) où n est le nombre quantique principal ; on expliquera brièvement l'origine de 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 Durée : 6 hCLASSE:T°S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Interpréter la stabilité du noyau
*Utiliser lexpression de lénergie de liaison dun noyau.
*Utiliser léquivalence 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 lénergie libérée par une réaction nucléaire.* Relation d'Einstein.
- Equivalence masse-énergie.
- Unités de masse et dénergie
- Energie de liaison.
- Condition de stabilité.
* Stabilité dun noyau
- Composition dun 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.
* Etude des propriétés des rayonnements radioactifs.
* Analyse dun 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 possibles1. 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 jusquà 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 lhomme : en médecine et dans lindustrie
Après un bref rappel sur la composition du noyau et le phénomène disotopie, on abordera le problème de la stabilité dun 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 EMBED "Equation" "Objet de Word4" \* mergeformat 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 lénergie et on pourrait sen tenir à ces conventions pour plus dharmonie et de cohérence ; toutefois on donnera linformation sur lexistence dautres conventions.
Auparavant admettre l'équivalence masse-énergie et introduire la notion dénergie de masse puis donner la relation d'Einstein DðE = Dðmc2
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 lon 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 að ( noyaux d'hélium) est très ionisant, peu pénétrant
* le rayonnement bð (électrons ðpour bð-ð ou positron pour bð ð+ð) peu ionisant mais pénétrant
* le rayonnement ( (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 - lðt, où lð ðest la constante radioactive. Définir les notions de période (ou demi-vie) T et d'activité A (ou nombre de désintégrations par seconde).
Dans lécriture 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).
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 dintégration possibles
1 Etude dune mission dans lespace.
Lire lénoncé dans le recueil « activités » en fin de document (activité 4)
2 Imagerie médicale
Lire lénoncé dans le recueil « activités » en fin de document. (activité 3)
3 Etude dun accélérateur de particules.
4 Phénomène des tsunamis
5 Accident de Tchernobyl (26 avril 1986)
6 Utilisation de lénergie solaire.PROGRAMME DE CHIMIE
Les compétences dannée en chimie
Compétence 5
A la fin de la classe de terminale S, lélève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être en chimie organique (alcools, amines, acides carboxyliques, dérivés dacides carboxyliques et acides að 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, lélève ayant acquis les savoirs, savoir-faire et savoir- être sur les solutions aqueuses (pH, aux solutions dacides, de bases et de sels, réactions acide base) doit les intégrer dans des situations dexplication, de prévision et de résolution de problèmes : identification, caractérisation, dosage
.
Les chapitres
Létude de la chimie organique entamée en classe de première a permis de faire découvrir aux élèves que les composés organiques qui possèdent des groupes datomes identiques ont des propriétés analogues, ce qui justifie le classement de ces composés par groupes fonctionnels.
En classe de terminale, à travers létude de quelques composés oxygénés et /ou azotés, dautres groupes fonctionnels sont présentés. Cela montre, entre autres, que plusieurs groupes peuvent coexister dans une même molécule induisant des propriétés spécifiques. Par ailleurs laccent est mis sur la possibilité de transformer les groupes fonctionnels les uns dans les autres montrant ainsi toute la richesse et les possibilités quoffre la chimie organique. Lutilisation courante des composés organiques est soulignée(alcootests, parfums, médicaments, savons,
).
Toutefois létude de la chimie reste descriptive en particulier pour les structures moléculaires.
Les mécanismes réactionnels sont hors programme.
CHAPITRE C1 : Les alcools Durée :6 hCLASSE : T S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Construire les modèles des molécules dalcools de différentes classes
* Nommer un alcool.
* Distinguer les trois classes dalcool par leur formule ou par loxydation ménagée.
* Ecrire les équations bilans.
**Citer les caractéristiques de la réaction destérification directe et celles de lhydrolyse.
*Distinguer qualitativement une réaction totale dune réaction réversible* Rappels : alcools et classes.
- Formule brute, groupement caractéristique.
-.- Les trois classes
* Propriétés .
Oxydation ménagée
Déshydratation
- Estérification directe.
Hydrolyse.
Equilibre chimique* Utilisation des modèles moléculaires
Recherche de formules développées
Réalisation de loxydation ménagée ou énergique des alcools.
*
* Réalisation dune réaction destérification (ou dhydrolyse).
Commentaires
Activités préparatoires possiblesLa 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 dusage courant.
3 A quelle (s) fin(s) utilise-t-on ces alcools ?
4 Relever les indications mentionnées sur létiquette dune bouteille dalcool éthylique commercial. Donner leur signification.
- Ce chapitre prolonge létude des composés organiques oxygénés menée en classe de première. Il convient de rappeler les groupements caractéristiques des alcools, leur formule générale, les classes dalcools et leur obtention par lhydratation des alcènes.
- Laccent sera mis sur létude des propriétés chimiques des alcools : déshydratation, oxydation brutale, oxydation ménagée et estérification directe (la réaction destérification indirecte ne sera étudiée que dans le chapitre C3)
- Souligner les caractéristiques de la réaction destérification directe.
- Insister sur les réactions d'oxydation ménagée et montrer comment elles permettent de distinguer les trois classes dalcools. La mise en évidence des produits de loxydation ménagée dun alcool fera appel aux tests didentification des aldéhydes et cétones vus en classe de première. Ces tests ne seront pas traduits en équations. Par contre, on traduira loxydation de lalcool en aldéhyde ou acide carboxylique par lion permanganate et/ou lion dichromate en milieu acide en utilisant les demi-équations électroniques des couples oxydant-réducteur correspondants
- 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 déquilibre, létude quantitative ne sera pas abordée ici ; par contre la possibilité de déplacer un équilibre sera illustrée par un exemple (élimination deau dans le cas de léquilibre estérification-hydrolyse) .
- A travers cette étude l'accent sera mis sur l'utilisation courante des composés organiques oxygénés : alcootests, parfums, médicaments etc.
Signaler lexistence de polyalcools, il sera utile de donner lexemple du glycérol qui servira plus tard (réaction de saponification chapitre C3) .
Toutefois létude des propriétés des polyalcools est hors programme.
CHAPITRE C2 : Les amines.Durée :4 hCLASSE : °t S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissageNommer une amine à partir de sa formule développée ou semi-développée
Construire les modèles moléculaires damines de différentes classes *
Différencier les trois classes damine
Donner les caractéristiques de lionisation dune amine dans leau.
* Mettre en évidence les propriétés basiques des amines.* Amines.
. Groupe caractéristique.
Structure de LEWIS
Nomenclature.
- Les trois classes.
*
* * Propriétés
Ionisation
Réaction avec les indicateurs et
les ions métalliques.
.
* 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 possiblesLes amines sont des produits de base très importants dans lindustrie.
Ecrire la formule semi-développée de chacune des amines nommées ci-après et donner les principales utilisations industrielles que lon en fait:
- méthanamine
- éthanamine,
- aniline.
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 dexpliquer dans la suite du programme le lien entre la force de la basicité de lamine et le degré de substitution).
L'étude des propriétés basiques des amines donnera lieu à des expériences que feront les élèves. Cette étude sera limitée à lionisation des amines dans leau (on insistera sur le caractère partiel), leur action sur les indicateurs colorés et sur les solutions d'ions métalliques.
Dautres 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 dérivésDurée :5 hCLASSE : T S
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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.* 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 lanhydride et réaction inverse
Passage au chlorure et réaction inverse
Estérification
- Saponification
Passage à lamide.
* Applications
- Polyesters.
- Polyamides.* Utilisation des modèles moléculaires.
Recherche de formules développées
* Hydrolyse du chlorure dacyle
*Fabrication de savon
* Fabrication du nylon6-6
Commentaires
Activités préparatoires possiblesC'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 lacide correspondant au vinaigre ?
3 En déduire le nom systématique de cet acide, donner la formule semi-développée correspondante.
4 Ecrire la formule semi-développée dun 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 sagit de présenter à nouveau le groupe carboxyle et par suite détudier ses transformations en dautres groupes :
Après avoir rappelé les règles de nomenclature donner quelques exemples d'acides carboxyliques à chaîne linéaire et saturée, et dacides dont la molécule renferme un noyau benzénique.
Létude 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 dacide, 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 lester donnera loccasion 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 dun anhydride d'acide sur un alcool, réaction rapide, totale).
Pour les amides on se limitera au passage de lacide à lamide (le passage inverse nest 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 lhuile.
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 Durée :5 hCLASSE :T S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissage* Déterminer une vitesse de formation dun produit et/ou de disparition dun réactif.
* Déterminer le temps de demi réaction.
* Utiliser linfluence des facteurs cinétiques sur la vitesse.
* Donner quelques applications de la cinétique chimique : conservation des aliments, autocuiseur.
* 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* 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 possibles1 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 ?
Létude comparée de lévolution dans le temps de quelques réactions pourrait se faire en s'appuyant sur des exemples simples : combustions vives, réactions de précipitation, combustions lentes, estérification,
.
On insistera sur la notion de temps de réaction et sur la relativité du caractère rapide ou lent dune réaction. Cela permettra de justifier la nécessité dintroduire la vitesse et de préciser l'objet de la cinétique chimique.
Sappuyant sur un exemple de réaction lente on montrera que lon peut facilement suivre la formation de lun des produits ou la disparition dun des réactifs et chercher à déterminer la quantité qui varie au cours du temps : Comme exemple on pourrait réaliser laction des ions iodure sur les ions péroxodisulfate ou la réaction destérification directe ou d'hydrolyse dun ester (à défaut de répéter lexpérience les résultats de mesures du chapitre C1 pourraient être utilisés).
On définira alors la vitesse moyenne de formation et la vitesse instantanée de formation dun 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 laction 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 lautocatalyse donner lexemple du couple MnO4- /Mn2+, cest 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 doxydoréduction donner les potentiels normaux des couples impliqués ou des indications sur les produits formés pour permettre aux élèves décrire 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,
Létude systématique de la catalyse est aussi hors programme.
CHAPITRE C5: pH dune solution aqueuse - Autoprotolyse de l'eau , produit ionique Indicateurs colorés Durée 6 hCLASSE :T S
Objectifs dapprentissageContenusActivités d'apprentissageMesurer le pH dune solution à laide du pH-mètre
Déterminer l'acidité, la basicité et la neutralité d'un milieu par la mesure du pH ou lemploi dun indicateur coloré.
.Ecrire léquation de la réaction dautoprotolyse de leau.
Donner la valeur du produit ionique de leau 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)
Déduire le pH de la concentration 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.
* pH d'une solution aqueuse.
- Expression.
- Mesure de pH.
* Caractère acide, basique ou neutre dune solution
* * Cas de leau pure
- - Conductibilité de l'eau.
- Autoprotolyse de l'eau.
- Produit ionique de l'eau.
* Calcul de pH
* Indicateurs colorés.
* Applications.
* 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.
* calcul de pH et de concentrations en ions OH- et H3O+
* Préparation dun indicateur coloré..
Etablissement de léchelle de pH dun indicateur coloré.
Commentaires
Activités préparatoires possibles1 Macérer dans leau la calice sèche doseille (bissap bllanc) pendant une heure environ. Filtrer et transvaser le filtrat dans un flacon ; diluer si la solution est concentrée et conserver à labri de lair.
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 doseille. Noter la couleur obtenue. Comparer les résultats obtenus. Conclure.
Quelle utilisation pratique peut-on faire de la solution doseille ?
2 Reprendre lexpérience en utilisant des fleurs de bougainvilliers à la place de la calice doseille. Comparer les résultats obtenus avec les précédents.
Létude des solutions faite en classe de seconde a permis de faire le lien entre les propriétés acides (basiques) dune solution et la concentration en ions hydronium ou oxonium H3O+ (hydroxyde HO-) : les propriétés acides (basiques) sont dautant plus marquées que la concentration en ions H3O+ (ou en ions HO-) est élevée (à ce niveau seule la définition dArrhénius a été étudiée)
Ce chapitre consolide les connaissances acquises en classe de seconde sur les acides et les bases par lintroduction dune grandeur, le pH, qui « mesure » lacidité ou la basicité dune solution aqueuse.
Le pH sera défini comme lopposé du logarithme décimal de la concentration en ions hydronium : pH = - log [H3O+]
On expliquera en quoi il est plus commode dutiliser 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 lappareil.
A laide 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 leau peut être introduite à partir de la mesure du pH de leau pure qui prouve lexistence dions. Cette conductibilité sera interprétée à partir de la réaction dautoprotolyse de leau ou équilibre dionisation de leau. On en profitera pour consolider la notion déquilibre 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.
Laction dun 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 létude des indicateurs colorés (couple acide base, pKa, mode daction dun 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 » dun soluté dans une solution et de concentration molaire dune espèce chimique présente dans une solution.
CHAPITRE C6 : Notions d'acide fort et de base forte réaction entre acide fort et base forte. Durée 7 hCLASSE :T S
Objectifs dapprentissageContenusActivités 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.* 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
* 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 pH-mètre.
* 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 possiblesLes Industries Chimiques du Sénégal (I.C.S) disposent à MBAO dune unité de fabrication dengrais. On y fabrique, entre autres :
- du sulfate dammonium (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 laction dun 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 lutilisation abusive des engrais chimiques ; expliquer.
Dans le cas des acides forts, on prendra comme exemple lacide chlorhydrique. A partir dune 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 dions Cl- (action dune solution de nitrate dargent) et dions H3O+ (mesure du pH). Après avoir fait l'inventaire des espèces chimiques présentes, on appliquera 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 lon précisera son domaine de validité :10-5 mol.L-1 A B Z a b e f Ç È É Ê
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