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Programme
de physique chimie
Rentrée 2000 : classe de seconde
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Les programmes de chimie et de physique de la classe de seconde |
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Enseignement fondamental - Programme de chimie |
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Enseignement fondamental - Programme de physique |
| Exemples de
questions et d’activités |
Contenus |
Connaissances
et |
| Comment déterminer
l’ordre de grandeur de la taille d’une
molécule ? Expérience de Franklin Comment déterminer
l’ordre de grandeur de l’épaisseur d’un
cheveu ? Comment
évaluer la distance et les dimensions d’un
immeuble ? Comment
déterminer la profondeur d’un fond marin ? Comment
mesurer le rayon de la Terre ? Comment
mesurer la distance de la Terre à la Lune ? Étude de documents textuels ou multimédias* donnant des informations sur les représentations du système solaire et sur les échelles de distances. |
1.1 Présentation
de l'Univers L’atome, la Terre, le système solaire, la Galaxie, les autres galaxies. 1.2. Échelle des
longueurs 1.3.
L’année de lumière. |
Utiliser à bon
escient les noms des objets remplissant l’espace
aussi bien au niveau microscopique (noyau, atome,
molécule, cellule etc…) qu’au niveau cosmique
(Terre, Lune, planète, étoile, galaxie). Savoir classer
ces objets en fonction de leur taille. Savoir positionner
ces objets les uns par rapport aux autres sur une
échelle de distances. Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique. Connaître la valeur
de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans
l’air) et savoir qu’il s’agit
d’une vitesse limite. Utiliser
les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres
de grandeur, dans les calculs, et dans l’expression
des données et des résultats. Mesurer
une petite distance et une grande distance : Compétence en cours d’acquisition : être capable d’effectuer une recherche documentaire et critique sur un cédérom ou sur internet. |
| Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication sont repérées par un astérisque. |
| Commentaires Le travail sur cette
grandeur fondamentale de la physique, la longueur, doit
permettre à l'élève de faire une transition
relativement aisée du collège au lycée. En effet, peu
de notions nouvelles sont introduites. Ceci permet de
travailler davantage en début d'année sur la
méthodologie. Ainsi, l'accent est mis sur diverses
compétences liées à la langue française, à
l'outil mathématique et à l'expérimentation. Le
travail autour de l'expérience de cours ou de travaux
pratiques est essentiel afin que l'élève, comme il l'a
fait au collège, continue d'apprendre à observer, à
décrire, à schématiser, à analyser, à rédiger, à
utiliser un vocabulaire scientifique, à argumenter…
Les compétences développées ici sont bien évidemment mises en jeu tout au long de l'année, mais c'est au cours de cette partie du programme que l'enseignant pourra cerner les difficultés de ses élèves et introduire, dès le début de l'année, quelques outils méthodologiques dans sa classe. Il faut souligner que les activités expérimentales proposées pour la détermination des longueurs dans cette première partie font référence à des démarches historiques (Eratosthène, Franklin) ou à des techniques utilisées actuellement. Dans le cas de l'expérience d'Eratosthène, on remarque que la détermination du rayon de la Terre repose sur l'hypothèse de sa sphéricité qui, 250 ans avant notre ère, n'allait pas de soi et demandait à être justifiée. L'utilisation de la diffraction ne doit pas conduire à un développement théorique. On constate qu'un obstacle de faible dimension provoque la diffraction de la lumière et on utilise ce phénomène pour déterminer des petites longueurs. Il est bon d'avoir à l'esprit qu'à toutes les échelles, le remplissage de l'espace par la matière est lacunaire et discontinu. Pour une meilleure compréhension des dimensions relatives du noyau et du nuage électronique de l'atome, on peut donner dans le cadre du cours de physique ou de chimie un exemple transposé à l'échelle humaine (si le cortège électronique avait la taille du Stade de France, le noyau de l'atome aurait approximativement la taille d'une tête d'épingle placée au centre). Le rapport entre la taille du Soleil et la taille du système solaire est du même ordre de grandeur. Les connaissances à introduire concernant la structure de l'Univers doivent rester modestes. |
| 2.
Messages de la lumière Objectifs *On montre dans cette
partie que l'analyse de la lumière (direction, spectre)
permet d'obtenir des renseignements sur la matière d'où
elle est issue et qu'elle traverse. Cette technique est
illustrée par quelques applications astrophysiques.
L'étude de la
réfraction est dans un premier temps réalisée avec un
filtre de couleur donnée. L'indice du milieu transparent
est introduit. |
Exemples
de questions |
Contenus |
Connaissances
|
| Comment un prisme
permet-il d’obtenir un spectre ? Décomposition
de la lumière blanche par un prisme Comment
le spectre d’une étoile nous renseigne-t-il sur sa
température ? Comment
déterminer la nature de la matière qui entoure une
étoile ? |
2.1. Un système
dispersif, le prisme. Caractérisation d’une radiation. Lois de Descartes sur la réfraction pour une radiation (l’un des milieux étant l’air). Dispersion de la lumière blanche par un prisme. Variation de l’indice d’un milieu transparent selon la radiation qui le traverse; interprétation qualitative de la dispersion de la lumière par un prisme. 2.2. Les spectres
d’émission et d’absorption. 2.2.2.Spectres
d’absorption 2.3. Application à l’astrophysique |
Savoir que la
longueur d’onde, qui s’exprime en mètres et
sous-multiples, caractérise dans l’air et dans le
vide une radiation monochromatique. Connaître et appliquer les lois de Descartes sur la réfraction. Utiliser un prisme pour décomposer la lumière blanche. Etudier expérimentalement la loi de Descartes sur la réfraction : - Utiliser un dispositif permettant d’étudier les lois de la réfraction. - Repérer un angle entre un rayon lumineux et une référence. - Mesurer un angle Savoir qu’un
corps chaud émet un rayonnement continu qui
s’enrichit vers le violet quand la température de
ce corps augmente. Savoir que l’étude des spectres permet de connaître la composition de l’enveloppe externe des étoiles. |
| Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication sont repérées par un astérisque. |
| Commentaires
La physique
de cette partie n'utilise que le modèle de l'optique
géométrique pour la loi de la réfraction de Descartes.
Aucun modèle ne sera présenté concernant l'optique
physique.
Cette partie du programme permet d'enrichir la notion d'entité chimique qui sera introduite dans le cours de chimie. Il n'est pas utile de développer l'étude des phénomènes de réflexion et de réflexion totale pour introduire les notions indispensables à la compréhension des phénomènes. On convient d'attacher un nombre servant de référence à cette radiation monochromatique dans l'air ou dans le vide. Ce nombre, dont on ne cherchera pas à donner la signification physique, est appelé longueur d'onde, noté l et s'exprime en mètres (ou sous-multiples). Le parti pris est de pouvoir utiliser directement des documents provenant de sources variées (Internet, livres d'astrophysique…) dans lesquels les radiations sont repérées par leur longueur d'onde dans le vide, et non par leur fréquence. On peut mentionner l'existence de rayonnement invisible à l'œil, ultraviolet ou infrarouge. |
II. L'Univers en mouvements et le temps
Le mouvement des
planètes est interprété par l'existence des forces
d'interaction gravitationnelle. Ces mouvements ont permis
à l'Homme de se repérer dans le temps. Par la suite, la
fabrication d'horloges, mécaniques ou électriques, ont
permis un repérage beaucoup plus précis.
1. Mouvements et forces Objectifs Cette partie est structurée autour de 3 notions qui s'articulent dans une progression logique : - la relativité de tout mouvement : le mouvement d'un objet n'a de sens que par rapport à un autre objet pris comme corps de référence, - le principe d'inertie, - l'utilisation heuristique du principe d'inertie pour la mise en évidence de forces, et en particulier de la gravitation universelle. La relativité du mouvement s'établit simplement par l'analyse de divers exemples où le mouvement d'un objet est décrit par deux observateurs en mouvement l'un par rapport à l'autre. On montre ensuite sur des exemples concrets que l'exercice d'une force est susceptible de modifier le mouvement d'un corps, et l'on détaille les deux effets possibles : modification de la vitesse, modification de la trajectoire. Après avoir remarqué que l'absence de force ne signifie pas nécessairement absence de mouvement, on pose le principe d'inertie comme principe général. Dans un deuxième temps, on se place dans un référentiel géocentrique pour étudier le mouvement de projectiles sur Terre (chute des corps) et le mouvement de la Lune. L'utilisation heuristique du principe d'inertie indique que, si un objet ne suit pas un mouvement rectiligne uniforme, il est soumis à une force. Cette force résulte de l'interaction gravitationnelle qui, à la surface de la Terre, s'identifie pratiquement au poids. L'enjeu de la démarche est important : un principe de physique est toujours posé comme généralisation vraisemblable de cas particuliers. Mais une fois posé, l'utilisation du principe dans des situations nouvelles permet de découvrir et d'interpréter des phénomènes, ici, l'existence de forces. On restituera cette démarche dans son contexte historique. L'étude de l'influence de la vitesse initiale sur la trajectoire d'un objet permet de comprendre qualitativement comment l'on passe d'une trajectoire de type projectile retombant à la surface de la Terre à une trajectoire de type satellite. L'objectif est ici de comprendre l'universalité de l'interaction gravitationnelle, qui rend compte ainsi des mouvements à l'échelle cosmique comme des phénomènes de pesanteur. |
| Exemples d'activités | Contenus | Connaissances et savoir-faire exigibles |
| La trajectoire d'un
corps qui tombe est-elle la même pour tous les
observateurs ? Analyse d'un mouvement par rapport à différents corps de référence* (étude à partir d'images vidéo, chronophotographie). Expériences montrant l'influence d'une force sur le mouvement d'un corps (action d'un aimant sur une bille qui roule, modification de la trajectoire d'une balle lorsqu'on la touche, forces entre corps électrisés..). Peut-il y avoir mouvement sans force dans un référentiel terrestre ? Étude d'exemples de la vie courante provenant de films ou de bandes dessinées illustrant le principe d'inertie. Pourquoi
la Lune « ne tombe-t-elle pas » sur la
Terre ? Observation du mouvement circulaire uniforme d'un corps soumis à une force centrale. |
1.1. Relativité
du mouvement 1.2. Principes d'inertie 1.2.a. Effets d'une force sur le mouvement d'un corps. Rôle de la masse du corps. 1.2.b. Enoncé du principe d'inertie pour un observateur terrestre : « tout corps persévère en son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces qui s'exercent sur lui se compensent ». 1.3 La gravitation universelle. 1.3.a.
L'interaction gravitationnelle entre deux corps. 1.3.b.La
pesanteur résulte de l'attraction terrestre. 1.3.c
Trajectoire d'un projectile. |
Décrire le mouvement
d'un point dans deux référentiels différents. Savoir qu'une force s'exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la direction de son mouvement, et que cette modification dépend de la masse du corps. Enoncer
le principe d'inertie. Utiliser
le principe d'inertie pour interpréter en terme de force
la chute des corps sur Terre. Prévoir qualitativement comment est modifié le mouvement d'un projectile lorsqu'on modifie la direction du lancement ou la valeur de la vitesse initiale. |
| Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication sont repérées par un astérisque. |
| Commentaires L'analyse de la
relativité de tout mouvement fait apparaître la
nécessité de préciser, à chaque fois que l'on étudie
le mouvement d'un objet, le choix du corps de
référence, appelé référentiel.. Mais il est
inutile d'attacher un repère à ce référentiel.
Dans la mesure où, poursuivant la démarche historique,
on cherche à expliciter dans cette partie le caractère universel
de la gravitation, deux types de corps de référence
sont nécessaires :
- le référentiel terrestre qui permet l'étude de mouvements de courtes durées, réalisés sur Terre. Ce référentiel peut être assimilé à la salle de classe par exemple. - le référentiel géocentrique qui permet l'étude du mouvement de la Lune autour de la Terre (ainsi que celui des satellites artificiels). Ce référentiel est défini comme étant le globe terrestre privé de son mouvement de rotation autour de lui-même. On affirme que le principe d'inertie est vérifié dans ces deux référentiels dans le cadre des mouvements décrits ci-dessus. Tous les exemples de la vie courante montrés aux élèves devront présenter soit des corps de petites dimensions, soit des corps évoluant en translation. On ne considère que le mouvement de translation de la Lune. La notion de centre d'inertie et la possibilité de mouvements de rotation ne sont pas introduits. L'énoncé du principe d'inertie proposé, très proche de la version historique, permet de s'affranchir de la définition d'un référentiel galiléen et de la notion de centre d'inertie. Dans le cas de deux corps à répartition sphérique de masse, l'intensité de l'interaction gravitationnelle a pour expression F = G.m.m'/d2, dans laquelle G est la constante de gravitation et d la distance entre les centres de ces corps. Cette force s'applique aux centres de chacun des corps. L'introduction de la force gravitationnelle pose le problème de l'action et de la réaction, ou mieux, de l'action réciproque. L'étude détaillée de ce point sera faite en première S. En suivant l'évolution d'un projectile dans un référentiel terrestre par projection suivant la direction de la force et suivant la direction perpendiculaire, on constate : - que la vitesse n'est pas modifiée dans la direction perpendiculaire (ce qui est conforme au principe d'inertie) - que la vitesse est modifiée dans la direction de la force. Ce résultat peut être extrapolé au cas d'un satellite en mouvement circulaire uniforme autour de la Terre : la force d'attraction gravitationnelle, radiale, ramène continuellement vers le centre la direction de son mouvement tandis qu'elle ne modifie pas la valeur de la vitesse, puisqu'elle est toujours perpendiculaire à la direction de celle-ci. Cela peut être facilement montré sur des enregistrements vidéo. Des logiciels de simulations peuvent montrer que le mouvement d'un projectile dans un référentiel terrestre ou celui d'un satellite dans un référentiel géocentrique dépendent de leur vitesse de lancement. On pourra observer que, sous l'effet de la seule gravité (c'est-à-dire lorsque les frottements sont négligeables), le mouvement des corps est indépendant de leur masse (chute libre, mouvement des objets dans un satellite artificiel). L'enjeu théorique de cette constatation (identité entre la masse inerte et la masse pesante) ne peut être à l'évidence évoqué qu'en terminale S. |
| 2.
Le temps Objectifs L'homme a toujours
recherché à se repérer dans le temps. Les phénomènes
astronomiques lui ont permis un premier repérage. Puis
l'élaboration de dispositifs ingénieux et performants
lui a permis d'accéder à des mesures de durée de plus
en plus précises.
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| Exemples d'activités | Contenus | Connaissances et savoir-faire exigibles |
| Sur quel principe
repose la construction d'un calendrier ? Comment
peut-on mesurer une durée ? Comment
une horloge fonctionne-t-elle ? Étude de documents textuels et multimédias sur l'histoire de la mesure du temps : cadran solaire, gnomon, clepsydre, sablier… |
Utilisation d'un
phénomène périodique. 2.1 Phénomènes astronomiques : l'alternance des jours et des nuits, des phases de la lune, des saisons permettent de régler le rythme de la vie (jour, heure, mois, année). 2.2 Dispositifs construits par l'Homme. |
Passer des années
aux mois, aux jours, aux heures, aux secondes et
réciproquement. Connaître les définitions de la période et de la fréquence d'un phénomène périodique. Savoir calculer la fréquence d'un phénomène à partir de sa période et réciproquement, et exprimer ces calculs avec les unités convenables. Nommer et reconnaître quelques dispositifs mécaniques ou électriques permettant la mesure d'une durée : cadran solaire, clepsydre, horloge à balancier… Mesurer
une durée : |
| Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication sont repérées par un astérisque. |
| Commentaires
On insiste
sur le fait que la détermination d'un étalon de durée
nécessite la recherche d'un phénomène périodique.
L'enseignant peut s'appuyer sur des travaux de recherches documentaires effectués avec les élèves. Aborder les difficultés rencontrées par les hommes au cours de l'Histoire pour inventer des dispositifs de mesure du temps peut illustrer l'aventure humaine que constitue l'élaboration des Sciences et des Techniques. Concernant les exemples d'horloges, on se limite à des descriptions sommaires et variées d'horloges mécaniques, électriques ou à quartz en montrant à chaque fois la présence d'un oscillateur sans toutefois entrer dans le détail de fonctionnement de ce dernier. Peu de nouvelles notions sont introduites dans cette partie. Il est souhaitable de réinvestir les notions étudiées dans les parties précédentes en faisant intervenir temps, distances, mouvements et forces. |
III. L'air qui nous entoure Objectifs Pour illustrer
l'existence de plusieurs niveaux d'appréhension du monde
naturel, le macroscopique et le microscopique, on étudie
le comportement d'un fluide gazeux : l'air qui nous
entoure.
On y apprend comment on peut modéliser le comportement de cette matière gazeuse dont la nature microscopique n'est pas aisément perceptible ; on met d'abord en évidence l'agitation moléculaire puis, comme il est impossible de connaître le mouvement précis des molécules, on introduit les grandeurs macroscopiques qui vont permettre de rendre compte de l'état d'un gaz. Les instruments de mesures qui permettent d'évaluer ces grandeurs sont introduits au cours des activités expérimentales. La description de phénomènes physiques liés à l'état thermique d'un corps, dans l'intention de montrer le principe du repérage d'une température, permet d'introduire sans dogmatisme la notion de température absolue : c'est l'état thermique d'une quantité donnée de gaz à faible pression qui permet de définir l'échelle Kelvin. L'équation d'état du modèle du gaz parfait vient finaliser cette partie. |
| Exemples d'activités | Contenus | Connaissances et savoir-faire exigibles |
| Comment expliquer que
deux gaz finissent toujours par se mélanger ? Observation du mouvement brownien. De quels paramètres la pression d'un gaz dépend-elle ? Mise en œuvre de situations expérimentales simples permettant l'identification et la mesure des grandeurs macroscopiques décrivant l'état d'un gaz : mise en évidence de l'influence des paramètres V, n, T sur la pression d'un gaz*. Quels
phénomènes peuvent fournir des renseignements objectifs
sur l'état thermique d'un corps ? Utilisation de logiciels de simulation montrant l'agitation moléculaire*. Étude quantitative du comportement d'une quantité donnée de gaz à température constante* : loi de Mariotte. Comment
interpréter les observations suivantes : |
1. Du
macroscopique au microscopique 1.1 Description d'un gaz à l'échelle microscopique. 1.2 Nécessité de
décrire l'état gazeux par des grandeurs physiques
macroscopiques 2. Lien entre agitation thermique et température : équation d'état des gaz parfaits -
l'agitation des molécules constituant un gaz à faible
pression caractérise son état thermique et peut être
utilisée pour définir sa température. |
Savoir que la
matière est constituée de molécules en mouvement. Savoir que
l'état d'un gaz peut être décrit par des grandeurs
macroscopiques comme : Utiliser la relation P=F/S. Connaître l'unité légale de pression. Savoir interpréter la force pressante sur une paroi par un modèle microscopique de la matière. Donner
quelques exemples de propriétés physiques qui
dépendent de l'état thermique d'un corps. Savoir que, à une pression donnée et dans un état thermique donné, un nombre donné de molécules occupe un volume indépendant de la nature du gaz. Savoir que l'équation d'état PV = nRT définit le modèle de comportement du gaz « parfait ». Savoir
utiliser la relation : Savoir que dans les conditions habituelles de température et de pression l'air de la salle de classe peut être assimilé à un gaz parfait. Savoir utiliser la relation PV = nRT |
| Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l'information et de la communication sont repérées par un astérisque. |
| Commentaires Les logiciels de
simulation sont d'une aide précieuse pour permettre aux
élèves de se construire une représentation du modèle
microscopique. On peut signaler que la vitesse moyenne
d'une molécule de dioxygène ou de diazote de la salle
de classe est d'environ 500 m/s. Si l'enseignant souhaite
faire observer le mouvement brownien (dans un gaz ou dans
un liquide), l'idée que cette vitesse moyenne diminue
lorsque la masse augmente peut être évoquée. En effet,
les particules de poussières qui sont
« géantes » et très lourdes comparées aux
molécules de l'air se déplacent beaucoup moins vite.
C'est ce qui permet l'observation du mouvement brownien
dans le champ d'un microscope. Dans un souci de familiarisation avec le matériel, on confronte tout d'abord l'élève à des situations expérimentales où sont mises en œuvre des mesures de volume, de température et de pression. Le professeur choisit des situations où l'identification et, éventuellement, la mesure des grandeurs qui évoluent au cours de l'expérience peut se faire sans équivoque ; il s'agit de sensibiliser les élèves à l'interdépendance des quatre variables d'état. On doit signaler que le calcul de la quantité de matière contenue dans un mélange gazeux (tel que l'air) n'est possible que si on en connaît l'exacte composition. La description expérimentale de phénomènes physiques dépendant de l'état thermique d'un corps doit rester simple et ne déboucher sur aucun formalisme. On explique à cette occasion pourquoi les sensations thermiques humaines ne sont pas fiables pour mesurer une température. Il est important de faire comprendre aux élèves que l'échelle de température absolue est actuellement l'échelle de référence dont sont déduites d'autres échelles d'utilisation courante souvent bien plus commodes. On signale, à l'attention du professeur, que depuis 1968, l'échelle Celsius est définie internationalement à partir de l'échelle de température absolue (ou thermodynamique) par la relation q (°C) = T(K) - 273,15 ; le degré Celsius est donc égal au Kelvin et les deux échelles ne diffèrent l'une de l'autre que par une simple translation. Il découle de sa « nouvelle » définition que l'échelle Celsius n'est pas a priori une échelle centésimale et, du reste, elle ne l'est pas exactement (à l'échelle d'une précision du centième de degré). La dernière partie,
dont le contenu se résume à l'équation d'état des gaz
parfaits, est entièrement enseignée à travers des
activités expérimentales comme : |
| M I C R O M É G A - H A T I E R |