I - Les interactions fondamentales

 

Objectifs

Dans cette partie introductive, il s’agit de poursuivre la mise en place, entamée en classe de Seconde dans la partie " échelles de distances et de tailles", des différents niveaux de structuration de la matière, du microscopique au macroscopique, en précisant les interactions dominantes à chaque échelle. Plus précisément, on illustre les deux idées suivantes :

l’interaction forte, de courte portée, qui contrebalance la répulsion entre protons et assure ainsi la cohésion des noyaux jusqu’à l’uranium,

l’interaction électromagnétique qui est responsable de la cohésion des atomes, des molécules et des phases condensées,

l’interaction gravitationnelle qui, bien que d’intensité beaucoup plus faible que les autres, gouverne la structure de la matière à grande échelle, car elle est de longue portée attractive.

(L’interaction faible ne sera pas introduite)

1. Particules, interactions et cohésion de la matière

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

Illustrer par des études documentaires, le fait que, du noyau atomique jusqu’aux systèmes astronomiques, la matière pesante peut être considérée comme constituée de neutrons, protons et électrons.

 

 

 

Expériences d’électrisation. Inter-prétation.

 

Observation de la vallée de stabilité des noyaux ; corrélation avec la masse atomique de quelques éléments chimiques.

 

1.1. Particules élémentaires

Les constituants de la matière : neutrons, protons, électrons.

Charge élémentaire.

1.2. Interactions fondamentales

- La masse et l’interaction gravita-tionnelle ; loi de Newton.

- Les charges électriques et l’interaction coulombienne ; loi de Coulomb.

Phénomènes d’électrisation.

Conducteurs et isolants.

Notion de polarisation de la matière.

- Les nucléons et l’interaction forte.

Deux interactions à l’œuvre dans le noyau : la répulsion entre protons compensée, jusqu’à l’uranium, par une interaction intense mais de courte portée.

1.3. Interactions et cohésion de la matière

Comparaison de l’interaction coulom-bienne et gravitationnelle dans un système donné (exemple de l’atome d’hydrogène).

Connaître la valeur de la charge élémentaire et l’ordre de grandeur du rapport des masses du nucléon et de l’électron.

Connaître l’ordre de grandeur du rayon d’un atome et d’un noyau..

 

Réaliser et interpréter des expériences simples mettant en jeu des phénomènes d’électrisation.

Connaître et appliquer la loi de Coulomb.

Savoir que dans un métal une fraction des électrons est libre de se déplacer dans tout l’échantillon, alors que dans un isolant les déplacements des charges sont inférieurs à la taille atomique.

Savoir qu’au niveau du noyau s’exercent deux types d’interactions dont les effets sont opposés.

Savoir que la cohésion de la matière est assurée par :

  • l’interaction gravitationnelle à l’échelle astronomique,
  • l’interaction électromagnétique à l’échelle des atomes, des molécules et de la matière à notre échelle,
  • l’interaction forte à l’échelle du noyau.

 

 

 

2. Charges fixes, charges mobiles : premiers exemples

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

Etude de la résistance d’une portion de conducteur et des différents paramètres dont elle dépend.

Expérience de migration d’ions.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Observer des modèles de chlorure de sodium de fluorure de calcium.

 

 

2.1. Charges et courant électrique

Nature des porteurs de charges en mouvement : électrons dans les con-ducteurs, ions dans les solutions.

Interprétation microscopique du courant électrique.

Relation I = D Q/D t

Conservation de la charge ; loi des nœuds

Notion de résistance et de conductance.

Relation R = r l/s

2.2 Quelques manifestations de l’inter-action coulombienne en chimie

- Solide ionique

- Dipôle permanent (exemple de la mo-lécule de chlorure d’hydrogène et de la molécule d’eau) ; corrélation avec la classification périodique des éléments.

- Interaction ion-dipôle : solvatation.

- Les réactions chimiques : des redis-tributions d’électrons.

Distinguer la conduction dans les métaux, due à un déplacement d’électrons et la conduction dans les solutions, due à un déplacement d’ions.

Réaliser un circuit série d’après un schéma. Mesurer l’intensité du courant électrique et la tension aux bornes d’un conducteur avec un multimètre.

Appliquer la relation I = D Q/D t.

Connaître les paramètres physiques intervenant dans la résistance d’une portion de conducteur : longueur , section, nature du métal ou de la solution électrolytique. Connaître et utiliser la relation R = r l/s

Savoir que l’attraction entre un ion et ses plus proches voisins est assurée par l’interaction coulombienne.

Rendre compte du caractère dipolaire de la molécule d’eau en fonction de la nature des atomes et de la géométrie de la molécule.

Commentaires 

L’interaction gravitationnelle a déjà été rencontrée en classe de Seconde. Dans l’interaction électromagnétique, seule la partie électrostatique, coulombienne, est ici abordée. Une approche expérimentale des phénomènes d’électrisation permettra de justifier l’existence des deux types de charges et de préciser la nature attractive ou répulsive de leur interaction. Lorsque l’enseignant parle d’électrisation, le mot est pris au double sens : arrachage ou apport d’électrons (électrisation par contact), et phénomènes de polarisation (déplacement interne de charges).

L’enseignant précise, à l’aide d’exemples qualitatifs (tension d’un fil, résistance de la matière, ressort etc…), que l’interaction électromagnétique est responsable de la cohésion de la matière à notre échelle (y compris la matière vivante) mais veillera cependant à ne pas induire l’idée qu’elle suffit à elle seule à l’expliquer (la mécanique quantique joue un rôle fondamental).

L’interaction forte, qui n’est que citée à ce niveau, est présentée dans le cadre de la cohésion du noyau : si le noyau résiste à la forte répulsion entre protons, c’est qu’il existe une interaction attractive entre nucléons. On fait remarquer que quand le nombre de charges augmente, la répulsion électromagnétique finit par l’emporter : le tableau périodique s’arrête ainsi à l’uranium. On pourra illustrer les réactions nucléaires par des cas où le nombre de neutrons et de protons des noyaux participants change, mais le nombre total des nucléons est conservé.

Dans la deuxième partie, l’électricité est abordée de façon microscopique, comme mise en mouvement de charges : électrons dans les conducteurs, ions dans les solutions. La loi des nœuds est reliée à la conservation de la charge (l’étude précise de circuits comportant des dérivations est effectuée ultérieurement dans l’année).

La notion de résistance, introduite ainsi que la loi d’Ohm en classe de troisième, est reprise ici en vue de son utilisation immédiate dans les mesures de conductimétrie en chimie ; elle sera reprise ultérieurement en physique dans la partie sur l’énergie électrique. Seules les notions indispensables pour l’enseignement expérimental sont ici mises en place, sans aborder l’étude électrocinétique des circuits.

Lors de l’étude du solide ionique, l’enseignant montre que celui-ci est constitué d’anions et de cations ordonnés dans l’espace et que chaque ion est entouré d’ions voisins de signes opposés ; l’enseignant précise que le solide ionique est neutre, mais il ne développe aucun comptage (pas de définition de la maille, ni de calcul correspondant).

Lorsqu’une molécule est constituée de deux atomes différents, elle peut présenter un caractère dissymétrique qui est la cause de l’apparition d’un dipôle permanent (le terme d’électro-négativité peut être utilisé, sans introduire de table qui n’aurait pas de sens à ce niveau). L’enseignant fait référence au tableau périodique et au fait que l’élève connaît la règle de l’octet pour interpréter le sens du dipôle.

Le phénomène de solvatation est mentionné comme une interaction ion-dipôle : les ions en solution s’entourent de molécules d’eau. La solvatation sera développée lors de l’étude des solutions électrolytiques.

Dans une perspective de vision unifiante de la physique et de la chimie, l’enseignant s’attache à montrer que lors d’une réactions chimique les noyaux se conservent mais les cortèges électroniques se redistribuent. Il prend des exemples simples de réactions chimiques. Il signale à l’élève que selon le type de transfert, les chimistes ont établi une typologie des réactions et que ces notions seront présentées dans la partie III.

II. Forces et mouvements

Objectifs :

L’idée est de reprendre et d’approfondir les notions vues en Seconde en montrant comment une action s’exerçant sur un solide est capable de modifier le mouvement de son centre d’inertie.

L’un des objectifs est de préciser la conception newtonienne du mouvement selon laquelle la force est liée au changement de la vitesse et non à la vitesse. Ce travail a déjà été entrepris en classe de Seconde avec une première approche du principe de l’inertie et de la force de gravitation. Il s’agit maintenant de donner davantage de consistance au point de vue newtonien en étendant le champ de l’étude à celle de solides soumis à plusieurs actions simultanées, le cas du solide en translation étant ici privilégié.

Il est signalé aux élèves que les forces macroscopiques qui s’exercent sur un solide (exception faite de celles de pesanteur) ont pour origine l’interaction électromagnétique ; on fait ainsi le lien entre le domaine de la mécanique et celui des interactions fondamentales étudié dans la partie précédente.

 

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

 

Observation du mouvement du centre d’inertie. Observation des mouvements des autres points (vidéos, chronophotographies…) .

Réalisation d’enregistrements : table à coussin d’air, table à digitaliser, vidéos, capteurs chrono-cinés… Détermination de vecteurs vitesses à partir d’enregistrements

 

 

Recherche de forces sur des d’exemples variés (expériences, vidéos, logiciels…)

 

 

 

Etude du mouvement du centre d’inertie d’un solide dans des situations simples, mais variées (mouvements de chute libre ou de projectiles divers dans le vide ou dans l’air, solide glissant sur un plan incliné, etc).

Comparaison du sens et de la direction du vecteur DVG à ceux du vecteur somme des forces appliquées au solide (cas où la somme des forces est nulle, cas d’un mouvement rectiligne varié, cas d’un mouvement curviligne varié, cas d’un mouvement circulaire uniforme).

Etude expérimentale de l’équilibre d’un solide soumis à plusieurs forces.

1- Mouvement d’un solide

1.1 Vecteur vitesse d’un point

1.2 Centre d’inertie d’un solide

Mouvement de translation d’un solide.

 

 

 

 

2- Forces macroscopiques s’exerçant sur un solide 

Forces macroscopiques et interactions fondamentales.

Actions exercées sur un solide ; exemples.

Représentation d’un ensemble de forces réparties par une force unique : leur résultante.

3- Une approche des lois de Newton

1ère loi : Principe d’inertie

Ce principe n’est vrai que dans certains référentiels

Ces référentiels sont dit galiléens

2ème loi : Aspect semi-quantitatif , comparaison de la somme des forces et de la variation du vecteur vitesse du centre d’inertie dans un référentiel galiléen.

3ème loi : Principe des actions réci-proques

 

 

Réaliser un enregistrement.

Déterminer et représenter le vecteur vitesse V d’un point mobile.

Savoir que V est le même pour tous les points d’un solide en translation.

 

 

 

Identifier et représenter les actions qui s’exercent sur un solide.

 

 

 

 

 

Savoir que le référentiel terrestre peut être assimilé à un référentiel galiléen.

Connaître et appliquer les lois de Newton :

- Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse VG du centre d’inertie ne varie pas, la somme F=S f des forces qui s’exercent sur le solide est nulle et réciproquement.

- Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse VG du centre d’inertie varie, la somme F=S f des forces qui s’exercent sur le solide n’est pas nulle. Sa direction et son sens sont ceux de la variation de VG entre deux instants proches .

- A et B étant des solides et/ou des particules, soient FB/A la force exercée par B sur A, et FA/B la force exercée par A sur B . Quel que soit l’état de mouvement de A par rapport à B on a toujours l’égalité vectorielle :

FA/B = - FB/A.

Comprendre qu’une force de frottement peut servir à la propulsion.

Commentaires

Vitesse d’un point : La valeur de la vitesse moyenne est introduite comme le quotient de la distance parcourue par la durée. La mesure approchée de la valeur de la vitesse d’un point est obtenue par le calcul de la valeur de la vitesse moyenne entre deux instants voisins.

Mouvement d’un solide :

Connaître le mouvement d’un solide, c’est connaître le mouvement de chacun de ses points

Les forces de contact qui s’exercent sur un objet modifient localement, à l’échelle microscopique, les surfaces de cet objet. Celui-ci n’est donc pas rigoureusement indéformable. Ces déformations ne seront pas évoquées dans cette partie, et le solide sera défini comme un objet indéformable au sens macroscopique.

L’étude, dans le référentiel terrestre, du mouvement d’un solide soumis à la seule action de la de la Terre montre qu’il existe un point G dont le mouvement est plus simple que les autres : le centre d’inertie.

Cette étude est conduite en référence à un ou deux exemples concrets et simples de situations de dynamique. On pourra, à cette fin, utiliser des enregistrements vidéo de mouvements judicieusement choisis.

Forces macroscopiques s’exerçant sur un solide

Le lien est fait entre les interactions fondamentales et les forces macroscopiques. En particulier, le professeur signale que les forces macroscopiques (forces de gravitation exclues) résultent des forces électriques entre entités qui constituent la matière.

La description microscopique de l’action d’un corps sur un autre nécessite en général tout un ensemble de forces réparties en volume ou à la surface de contact ; l’étude étant ici limitée au mouvement du centre d’inertie des corps et plus loin à des solides en translation, seule la connaissance de la résultante de ces forces est utile, d’où la modélisation, suffisante à ce niveau, de l’action en terme d’une force unique. Citons comme exemples : l’interaction gravitationnelle (forces de pesanteur), les forces de contact entre solides.

Une approche des lois de Newton

On se limite à un niveau de formulation semi-quantitatif des lois de Newton qu’on énoncera comme principes fondamentaux dans un référentiel terrestre .

La première loi permet de retrouver le principe d’inertie. La description des différents référentiels usuels (héliocentrique, géocentrique…) sera faite en classe de Terminale.

L’approche quantitative de la deuxième loi s’appuie sur le constat d’une variation D VG de la vitesse du centre d’inertie calculée entre deux instants proches. La relation F = m a sera vue en classe terminale. Seuls la direction et le sens des vecteurs F et D VG seront comparés en classe de première.

Pour la troisième loi, on dit que deux corps A et B sont en interaction si l’état de mouvement ou de repos de l’un (A) dépend de l’existence de l’autre (B). Une interaction entre deux corps A et B suppose toujours deux actions réciproques : celle de A sur B et celle de B sur A.

Il est intéressant de faire remarquer aux élèves que la résultante des forces de frottements peut être dirigée dans le sens opposé à celui du vecteur vitesse (cas du freinage) mais aussi dans le même sens (cas de la propulsion).

Dans l’application des deux premières lois, pour effectuer la somme des forces agissant sur un solide, les vecteurs qui les décrivent seront représentés graphiquement à partir d’une origine commune ; ce point peut être le centre d’inertie ou de préférence un point en dehors de la figure représentant le dispositif étudié.

III. Introduction à l’énergie

 

Objectifs :

Le but est d’introduire une grandeur fondamentale dont la conservation constitue une des lois les plus générales de la physique.

Les différentes formes d’énergie sont introduites à partir de la notion du travail d’une force, tout en montrant que selon les situations, ces différentes formes sont susceptibles de se transformer les unes dans les autres. L’objectif est ainsi de progresser vers l’idée de conservation.

Enfin pour illustrer le fait que le travail n’est pas le seul mode de transfert d’énergie, on termine cette introduction par quelques considération simples sur la chaleur. On amène les élèves à faire la différence entre chaleur et température.

Un troisième mode de transfert, le rayonnement, sera introduit ultérieurement.

 

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

 

Expériences montrant les effets sur un solide de forces dont les points d’application se déplacent :

- modifications de la vitesse d’un solide en chute libre, d’un solide glissant sur un plan incliné

- modifications de l’altitude, de la température, de l’aspect…

 

 

 

 

 

 

Etude quantitative des variations de la vitesse d’un corps dans différentes situations :

- chutes libres avec et sans vitesse initiale (utilisation de capteurs chronocinés, de logiciels, de vidéos…)

- mouvements circulaires uniformes des satellites

- solide lancé sur une table…

Étude qualitative des variations de la vitesse d’un satellite en orbite autour d’une planète.

Exploitation de représentations gra-phiques des différentes formes d’énergie.

 

 

 

 

 

 

Expérience de Joule

 

1. Travail d’une force

1.1 Introduction au travail.

Effets possibles du déplacement du point d’application d’une force.

1.2 Travail d’une force constante.

WAB = F.AB = F.AB. cosa

Unité de travail : le Joule (J)

Expression du travail du poids d’un corps

Travail moteur, travail résistant

2. Le travail : un mode de transfert de l’énergie

2.1. Travail et énergie cinétique

Dans un référentiel terrestre, étude expérimentale de la chute libre, sans vitesse initiale, d’un corps au voisinage de la Terre ; relation 

(1/2)MV2 = WAB(P)

Interprétation énergétique ; définition de l’énergie cinétique d’un solide en translation.

Généralisation pour un solide en translation :

(1/2)MVB2 - (1/2)MVA2 = S WAB(Fext).

2.2 Travail et énergie potentielle gravi-tationnelle 

Energie potentielle d’un solide en interaction avec la Terre.

Cas particulier des situations localisées au voisinage de la Terre. Relation Epp = Mgz.

Transformation d’énergie potentielle en énergie cinétique .

Invariant ½.MV2 + Epp

2.3 Travail et autres effets ; notion d’énergie interne. 

Travail et déformations élastiques, tra-vail et élévation de température  ; notion d’énergie interne U.

 

Connaître quelques effets sur un solide de forces dont le point d’application se déplace.

Exprimer et calculer le travail d’une force constante dans un référentiel terrestre. 

Savoir que le travail d’une force constante effectué entre deux points A et B est indépendant du chemin parcouru.

 

 

 

Utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation.

Mettre en œuvre un dispositif décrit.

Utiliser un tableur et un grapheur.

Estimer l’ordre de grandeur d’une incertitude de mesure.

Utiliser le fait qu’entre deux positions, dans un référentiel galiléen , la varia-tion de l’énergie cinétique d’un solide en translation est égale à la somme des travaux des forces extérieures.

 

Utiliser l’expression de l’énergie potentielle gravitationnelle d’un solide au voisinage de la Terre.

Expliciter la transformation d’énergie potentielle en énergie cinétique dans des cas simples.

 

 

Savoir que l’énergie reçue par travail peut aussi être " stockée " par un corps dont certaines propriétés physiques ou chimiques sont modifiées.

 

Approche qualitative de la mise en contact de deux corps à des températures différentes : évolution vers l’équilibre thermique

 

Analyse qualitative des transferts d’énergie se faisant sur un système déterminé.

3. Un autre mode de transfert : la chaleur 

Transferts thermiques : la chaleur

Aspect microscopique.

 

4. Approche du principe de con-servation de l’énergie.

L’énergie d’un solide en translation en interaction avec la Terre peut s’écrire :

E = Ec + Epp + U

Principe de conservation de l’énergie.

Savoir qu’à l’échelle macroscopique, un transfert par chaleur se fait spon-tanément du système dont la tem-pérature est la plus élevée vers celui dont la température est la plus basse.

Prévoir sur des exemples simples le sens d’un transfert par chaleur.

 

Appliquer sur des exemples simples  la loi de conservation de l’énergie.

 

Commentaires

Travail d’une force

Partant d’exemples concrets de la vie quotidienne, on constate que des objets soumis à une force dont le point d’application se déplace peuvent :

Dans tous ces cas, on dira que la force travaille.

On définit le travail WAB d’une force constante F pour un déplacement AB de son point d’application  par la relation WAB = F.AB = F.AB.cos a

Pour un solide en translation, tous les points du solide ont même déplacement ; le travail de forces réparties est alors identique à celui de leur résultante.

Les altitudes z étant mesurées sur un axe Oz vertical dirigé vers le haut, on montrera que le travail des forces de pesanteur (champ localement uniforme) sur un solide s’exprime par WAB = Mg (zA – zB ) lorsque le centre d’inertie passe de l’altitude zA à l’altitude zB et qu’il est indépendant du chemin suivi.

Travail et énergie cinétique

On part ici de situations concrètes permettant d’étudier les effets d’une force extérieure sur la valeur de la vitesse du centre d’inertie d’un solide en translation, en particulier l’influence de la direction de la force par rapport à la direction du vecteur vitesse (étude de la chute libre d’un solide sans vitesse initiale, étude de la chute libre avec vitesse initiale vers le haut durant la montée ou d’un mouvement de projectile, étude du mouvement circulaire d’un satellite, étude d’un solide lancé et s’arrêtant sur un plan horizontal etc.).

L’idée est de chercher s’il existe une relation entre la valeur de la vitesse du centre d’inertie du solide et le travail des forces extérieures.

Cette relation est d’abord introduite par le calcul du travail du poids dans le cas de la chute libre sans vitesse initiale d’un corps au voisinage de la Terre.

On interprète de façon énergétique cette relation de la façon suivante : le travail du poids a servi à faire varier la vitesse du solide. On définit l’énergie cinétique d’un solide en translation par la relation ½.MVG² ; l’énergie cinétique est donc une grandeur caractéristique de son état de mouvement.

Cette relation est ensuite généralisée à d’autres exemples simples, où les corps ont une vitesse initiale non nulle.

Dans la généralisation, S WAB (Fext) désigne la somme des travaux de la résultante des forces extérieures associés à la translation du solide, dont le déplacement de chaque point est identique à celui de son centre d’inertie de A en B.

Pour un solide en translation, la relation D (½ MVG2) = ½.MVB2 – ½.MVA2 = F.AB s’identifie avec l’expression restreinte que donne, dans ce cas particulier, le théorème général dit " de l’énergie cinétique ". En fait, sa portée est plus vaste car elle valable pour tout système même déformable, avec au premier membre la partie de l’énergie cinétique associée à la translation d’ensemble, ½ MVG2 , où intervient la vitesse du centre d’inertie, et au second membre la partie du travail des forces extérieures associée à cette même translation d’ensemble, produit du déplacement AB du centre d’inertie par les résultantes des forces extérieures (c’est une conséquence du théorème du centre d’inertie).

Cette relation est donc utilisable sans restriction particulière, en particulier dans le cas de forces de frottement solide/solide ; ces forces sont dues à l’existence d’aspérités des surfaces en contact, subissant de très petites déformations locales, bien que le solide soit considéré comme indéformable au sens macroscopique, et se manifestent par un échauffement des surfaces en contact. Aussi, même pour un solide en translation, le second membre ne représente pas tout le travail des forces extérieures de frottement, mais seulement sa composante macroscopique ; le calcul précis du travail des forces de frottement, à l’échelle microscopique, est en général impossible à faire.

Travail et énergie potentielle gravitationnelle

On introduit qualitativement la variation d’énergie potentielle gravitationnelle comme étant le travail qu’il faut fournir pour éloigner un corps du centre de la Terre d’un point A à un point B, le corps étant au repos en A et en B : Pour élever ce corps de l’altitude zA à l’altitude zB il faut lui appliquer et faire travailler une force F (c’est la force exercée par l’opérateur). L’application de la loi précédente s’écrit alors  :

½.MVB2 – ½.MVA2 = SWAB(Fext) = WAB(P)+ WAB(F).

VA et VB étant nulles, on en déduit que WAB(F) = - WAB(P) = Mg(zB – zA).

L’énergie potentielle de pesanteur est définie par la grandeur Mgz

( Ce raisonnement, qui ne suppose pas la force F constante, est valable dans toutes les situations et est cohérent avec les lois de Newton).

Pour détailler la transformation d’énergie potentielle en énergie cinétique, on pourra faire un retour sur la chute libre ou sur un mouvement de projectile et établir l’invariant ½.MVG² + Mgz.

On fait remarquer la cohérence du discours énergétique introduit dans la partie précédente à savoir que du travail pouvait produire de l’énergie cinétique. Ici il produit de l’énergie potentielle, qui elle-même peut se transformer en énergie cinétique.

On aborde ainsi une première fois la conservation de l’énergie sans pour autant l’évoquer de manière explicite aux élèves.

Autres effets du travail

L’idée directrice est qu’en plus de son énergie cinétique et de son énergie potentielle d’interaction avec la Terre, un corps peut aussi stocker de l’énergie qui se manifeste à l’échelle macroscopique sous diverses formes plus ou moins indépendantes les unes des autres (déformation élastique, variation de température et/ou de pression, changement d’état physico-chimique…).

On cite par exemple l’énergie stockée différemment dans un ressort, un élastique, un gaz comprimé, un accumulateur qui peut , au moins en partie, être récupérée en mettant par exemple des corps en mouvement (lanceur d’un flipper, arbalète, carabine à ressort, moteurs à ressort, voiture électrique…)

On signale que les déplacements des " solides " en présence de forces de frottement s’accompagnent généralement d’une élévation de température. C’est l’occasion d’affiner les notions de force de frottement et de solide en expliquant que les forces de frottements sont constituées d’une multitude de forces locales qui déforment les aspérités des surfaces en contact, les solides n’étant pas absolument indéformables.

Toutes ces formes d’énergie interne sont regroupées sous la dénomination " énergie interne U ". Aucune expression de l’énergie interne ne sera proposée.

 

Un autre mode de transfert : la chaleur.

On a montré précédemment qu’en apportant de l’énergie par travail mécanique ou électrique (plus tard pour ce dernier point) on peut échauffer un corps , d’où l’idée qu’en général à une élévation de température correspond une énergie stockée plus importante.

On s’appuie ensuite sur l’étude de situations simples dans lesquelles un système voit son énergie évoluer ( par exemple un corps chaud qu’on laisse refroidir au contact de l’air atmosphérique ou un corps froid placé au contact d’une source chaude). On définit alors un deuxième mode de transfert d’énergie : la chaleur (transfert thermique).

Il a été vu en classe de seconde que la température est la variable macroscopique rendant compte de l’agitation des particules. La chaleur est un mode de transfert désordonné qui s’interprète à l’échelle microscopique par des transferts d’énergie lors d’interactions concernant des particules situées à l‘interface entre le système et son environnement.

On indique qu’à l’échelle macroscopique, ce transfert d’énergie s’effectue spontanément du système dont la température est la plus élevée vers celui dont la température est la plus basse. On se limite dans cette première approche au transfert thermique par conduction .

Approche du principe de conservation de l’énergie.

On pourra conclure cette partie présentant le principe de conservation de l’énergie sous la forme : A tout système dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée " énergie " . Cette grandeur est définie ici pour le cas particulier d’un solide en translation en interaction avec la Terre. Elle est introduite qualitativement par le bilan de ce qui précède : E = Ec + Epp + U.

 

 

IV - La cohésion de la matière

et les aspects énergétiques de ses transformations

Objectifs

Dans cette partie est proposée à l’élève, à nouveau, une vision unifiante de la physique et de la chimie concernant les diverses transformations de la matière, les aspects énergétiques et les effets thermiques associés. En physique, l’interaction forte nécessaire à la cohésion du noyau est traduite en termes d’énergie de liaison, ce qui permet d’introduire les deux grands types de réactions nucléaires : fusion et fission, ainsi que leurs aspects énergétiques. La même démarche est employée en chimie pour l’étude de la molécule et des phases condensées. Les progressions utilisées, en physique et en chimie, en ce qui concerne la cohésion et les transformations de la matière sont les mêmes.

L’enseignant peut choisir  :

Quelle que soit la progression choisie, l’objectif est, dans les deux situations suggérées, d’établir une comparaison entre noyaux, molécules et phases condensées et de situer les ordres de grandeur des valeurs de l’énergie associée à leur transformations.

Noyaux et réactions nucléaires

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

Réalisation d’une frise chrono-logique sur l’évolution des idées concernant le noyau atomique

 

 

Etude de documents (textes, films, cédérom) traitant des réactions de fusion dans les étoiles.

Travail transdisciplinaire sur la géothermie terrestre.

1. La cohésion du noyau

Energie de liaison par nucléon.

L’électron-volt.

 

2. Les réactions nucléaires dans notre environnement .

Réactions de :

- fusion dans le Soleil,

- fission au centre de la Terre.

Conservation du nombre de nucléons, conservation du nombre de charges.

3. Aspects énergétiques

Certaines réactions nucléaires libè-rent de l’énergie qui est cédée au milieu extérieur.

Ce transfert d’énergie s’accom-pagne d’une diminution de la masse du système.

Relation d’Einstein : D E = D m.c2

Unité de masse atomique.

Savoir que dans un noyau l’interaction forte l’emporte, jusqu’à l’uranium, sur la répulsion entre protons.

Connaître l’ordre de grandeur de l’énergie de liaison moyenne par nucléon

Convertir les J en eV.

Interpréter et utiliser la courbe d’Aston.

Ecrire les réactions nucléaires correspondant à une fusion et à une fission.

 

 

Calculer, à partir du défaut de masse, des énergies libérées lors de la fission d’un élément lourd ou lors de la fusion d’éléments légers.

 

Commentaires

La notion de défaut de masse peut être introduite à la fin de cette étude en la reliant à l’énergie de liaison du noyau.

Dans cette partie, l’enseignant montre que les réactions nucléaires naturelles sont omniprésentes dans notre environnement : d’une part, elles sont à l’origine de l’énergie solaire et d’autre part contribuent à maintenir l’intérieur de la Terre à une température élevée, d’où mouvements de convection, tectonique des plaques et…

Toutes les applications humaines concernant les centrales thermiques nucléaires sont traitées lors de la période citoyenne.

 

 

V - Période citoyenne :

Les choix énergétiques et leurs enjeux ;

les sources d’énergie, le traitement des déchets

Objectifs 

Les enseignements de physique et de chimie doivent permettre de développer chez les élèves une véritable culture scientifique. L’objectif est de leur faire acquérir des éléments de réflexion pour comprendre par exemple les choix énergétiques d’une nation ; à travers le traitement des déchets, les élèves prennent conscience des problèmes de pollution (déchets radioactifs, combustions de carburant, etc.). C’est l’occasion de renforcer l’éducation des élèves à la prise en compte de la sécurité et à l’évaluation des risques. Des notions vues précédemment peuvent être réinvesties, en particulier celles concernant l’étude de la cohésion de la matière (partie IV). Cette période citoyenne met les élèves en situation de questionnement et de recherche au sujet de quelques grands sujets de société, tout en donnant à l’enseignant une grande liberté pédagogique dans ses choix.

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

 

Recherche sur les différents types de rayonnement, sur leurs dangers et sur la protection.

Recherche sur les conséquences des combustions sur l’environnement

Utilisation de courbes permettant de déterminer la période d’un élément radioactif.

1. Applications des effets ther-miques liés à la réorganisation de la matière

- Pour la production du courant électrique : fission et centrale thermique nucléaire ; combustions et centrales thermiques à flamme.

- Dans les transports :

carburants et moteurs à explosion.

2. Le traitement des déchets.

 

 

Comparer les puissances mises en jeu, les produits formés et les risques des centrales thermiques à flammes et des centrales thermiques nucléaires

Commentaires

Bien qu’il semble souhaitable que cette dernière partie forme un " bloc " de deux semaines, une répartition au cours de l’année scolaire peut être envisagée, au fur et à mesure de la mise en place des connaissances.

Cette partie doit permettre à l’élève de s’ouvrir sur le monde qui l’entoure. De nombreuses activités peuvent être proposées par l’enseignant. Le choix de ces activités sera réalisé selon les possibilités locales (visites d’usine, de centrales, de centres de traitement des déchets, etc.) et les ressources existantes (vidéo, cédéroms, etc.).

 

VI. L’énergie électrique

Objectifs 

Dans une première partie, on montre comment se transforme l’énergie dans un circuit électrique en soulignant l’importance de l’effet Joule, autant dans ses applications que dans ses inconvénients. A cette occasion l’élève va réinvestir les connaissances sur l’introduction à l’énergie. L’approche énergétique est privilégiée, mais c’est aussi l’occasion de s’approprier certaines lois de l’électrocinétique.

La seconde partie est destinée à faire réfléchir les élèves sur les difficultés rencontrées pour le transport de l’énergie électrique. Elle doit permettre d’apporter des réponses à des questions telles que : " Pourquoi achemine-t-on du courant alternatif et pas du courant continu ? " ou " Pourquoi le transport du courant s’effectue-t-il à haute tension ? "…

1. Circuit électrique en courant continu

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir faire exigibles

 

Mise en évidence de transferts d’énergie au niveau d’un récepteur : lampe qui brille, résistance chauffante, moteur qui tourne…

Mesures de tensions et d’intensités dans un circuit série dans le but de calculer des grandeurs énergétiques.

Mesure du potentiel électrique de différents points d’un circuit par rapport à celui d’un point choisi comme référence ; tracé d’un diagramme des potentiels le long d’un circuit.

Etude de l’effet Joule ; recherche sur le principe de fonctionnement de quelques appareils (plaques de cuisson, fers à repasser, radiateurs électriques…)

Réalisation de circuits nécessitant un choix raisonné des composants pour satisfaire aux valeurs nominales indiquées par les constructeurs.

 

Réalisation de circuits montrant la l’influence de l’agencement des composants sur l’énergie transférée par le générateur au reste du circuit

1. Transferts d’énergie entre les éléments d’un circuit série

1.1 Bilan d’énergie qualitatif au niveau d’un récepteur, en régime permanent .

1.2 Expression de l’énergie électrique transférée du générateur au reste du circuit pendant la durée Dt :

We = (VP-VN) I Dt

(VP-VN) =UPN désigne la différence de potentiel ou tension entre la borne positive et négative du générateur et I l’intensité du courant débité par le générateur.

Puissance électrique associée : P=UPN I

1.3 Expression de l’énergie électrique We reçue par un récepteur, traversé par le courant I, pendant Dt :

We=(VA-VB) I Dt avec UAB= (VA-VB)>0

-Puissance électrique associée : P=UABI.

1.4 Effet Joule : applications

2. Comportement global d’un circuit 

2.1 Grandeurs caractérisant le généra-teur de tension :

- force électromotrice E,

- résistance interne r,

- puissance maximale.

2.2 Distribution de l’énergie électrique : pendant la durée Dt :

We (générateur)=We(récepteur)

justification énergétique de la loi d’additivité des tensions.

2.3 Etude des paramètres influant sur l’énergie transférée par le générateur au reste du circuit :

- Influence de E,

- Influence de la résistance équivalente du circuit Req.

- Relation I =E / Req

 

Utiliser le principe de conservation de l’énergie pour faire un bilan qualitatif au niveau d’un récepteur.

Savoir que le rayonnement est un mode de transfert de l’énergie

Mesurer une différence de potentiel Ecrire algébriquement une tension et la représenter par une flèche

Savoir que , dans un circuit où il n’y a qu’un générateur, le potentiel électrique est une grandeur qui décroît en parcourant le circuit de la borne positive du générateur vers sa borne négative.

Réaliser un circuit d’après un schéma conventionnel et dessiner le schéma d’un circuit réalisé.

Mesurer l’intensité d’un courant

Savoir que la grandeur " puissance électrique " permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie.

Savoir que l’effet Joule est un effet thermique associé au passage du courant dans un conducteur.

Connaître et utiliser la relation

UPN=E-rI

Prendre en compte les puissances maximales admissibles indiquées par les constructeurs dans la réalisation d’un circuit

 

Faire des prévisions quantitatives lors de la réalisation ou de la modification du circuit à partir de la relation I = E / Req

 

 

 

 

Commentaires

Lors de l’étude des transferts d’énergie concernant un récepteur en régime permanent, l’approche du principe de conservation de l’énergie vue à la fin de la mécanique va permettre d’introduire simplement le fait que de l’énergie a nécessairement été transférée du générateur au récepteur. On utilise alors l’expression " d’énergie électrique transférée ", notée We, de préférence à l’expression de " travail électrique " d’usage moins courant

L’introduction de la notion de potentiel liée à une grandeur énergétique devrait permettre au professeur d’opérer un rapprochement avec l’idée " d’énergie potentielle électrique " dont disposent les porteurs de charges. La définition de l’énergie potentielle électrique n’est cependant pas au programme.

Les potentiels se répartissent tout au long du circuit en fonction des caractéristiques des éléments qui le constituent.

On utilise des grandeurs positives pour calculer We et P, le sens du transfert étant parfaitement identifié.

On attire l’attention sur le fait qu’il n’y a transfert d’énergie que si la portion de circuit considérée est soumise à une tension différente de zéro et est traversée par un courant dont l’intensité n’est pas nulle.

On insiste sur l’omniprésence de l’effet Joule, en justifiant que dans certains cas cet effet est mis au rang des pertes (dans le générateurs par exemple ou les lignes de transport) et que dans d’autres il s’agit d’un effet utile. L’étude de l’effet Joule est aussi l’occasion de rencontrer un nouveau mode de transfert de l’énergie : le rayonnement, toujours associé aux effets thermiques et même dominant dans certains radiateurs électriques et les lampes.

On n’étudie que des circuits comportant un seul générateur de tension, néanmoins le professeur peut mentionner le fait que les générateur de tension continue sont souvent associés en série de manière à additionner les f.e.m.

L’étude des paramètres influant sur l’énergie transférée par le générateur au reste du circuit permet d’insister sur le rôle de la résistance équivalente du circuit. On montre que finalement l’intensité du courant dans la branche du générateur dépend de cette résistance et que, pour un circuit entièrement résistif, cette intensité est égale à E/Req. Les associations de conducteurs sont mises en œuvre dans le but de constater leur effet sur l’intensité du courant donc sur l’énergie délivrée par le générateur de tension. Il n’est pas demandé que l’élève connaisse par cœur les formules d’associations de résistances. Il est important en revanche qu’il retienne que les associations en série ont pour effet d’augmenter la résistance totale et que les associations en parallèle aboutissent à une résistance plus faible que la plus petite d’entre elles.

Pour introduire la partie suivante on peut souligner que les installations domestiques utilisent des associations en parallèles aux bornes du compteur électrique.

2. Distribution de l’énergie électrique du " secteur "

 

 

Observer avec un oscilloscope ou une interface reliée à un ordinateur une tension variable

Expériences mettant en œuvre des transferts d’énergie sous forme de chaleur et/ou de rayonnement, dans le but d’introduire la notion de valeur efficace de l’intensité.

 

 

 

Détermination des pertes en lignes à partir de maquettes (basses tensions) illustrant le principe du transport de l’énergie électrique : rôle des transformateurs.

1. Tension alternative sinusoïdale : ses caractéristiques.

2. Effet Joule en alternatif : notion de valeur efficace.

3. Description simplifiée d’une ligne de transport :

- les câbles d’acheminement et le réseau alimenté se comportent comme des conducteurs ohmiques.

- les lois de distribution de l’énergie sont, dans ces conditions, les mêmes qu’en courant continu en utilisant les valeurs efficaces.

4. Problème du transport de l’énergie électrique avec des pertes minimales :

- nécessité d’élever la tension pour transporter l’énergie électrique,

- nécessité d’abaisser la tension au niveau de l’utilisateur,

- rôle d’un transformateur ; rapport de transformation

Connaître les caractéristiques d’une tension sinusoïdale :

Tension maximale Um,

Fréquence f et période T .

Utiliser la relation f = 1/T

Utiliser la relation

Utiliser les instruments adaptés pour :

- mesurer une tension ou une intensité maximale,

- mesurer une tension ou une intensité efficace,

- mesurer une fréquence,

- visualiser une tension variable.

Savoir qu’un transformateur permet d’élever ou d’abaisser une tension.

Commentaires

Le but de cet enseignement est double :

- il doit permettre l’étude de phénomènes dépendant du temps à l’aide d’instruments adaptés tels que l’oscilloscope ou l’ordinateur.

- il invite les élèves à réfléchir à la manière dont s’opèrent certains choix technologiques en partant des phénomènes physiques et en tenant compte des contraintes mécaniques, thermiques, économiques…

L’oscilloscope est utilisé ici comme un instrument de mesure, la description de son fonctionnement interne n’est pas au programme.

A propos des transformateurs, le professeur montre qu’il est possible d’élever une tension avec un transformateur et que cette élévation n’est pas incompatible avec le principe de conservation de l’énergie.

VII. Comment observe-t-on l’espace ?

 

Objectifs

L’objectif est avant tout ici de construire le concept d’image compris comme l’interprétation, effectuée par le cerveau conditionné à la propagation rectiligne, du signal reçu par l’œil.

On s’interroge tout d’abord sur les conditions dans lesquelles un objet est vu

Dans les études des miroirs et des lentilles, on commence par localiser les images perçues. On interprète ensuite le résultat de cette localisation en s’interrogeant sur le trajet effectivement suivi par la lumière. Puis on modélise ces phénomènes en construisant, sur une représentation de la situation, des rayons lumineux. On écrit enfin les lois ou les relations rendant compte des phénomènes observés.

L’étude du télescope de Newton permet assez simplement de comprendre comment l’association d’une lentille et de deux miroirs permet d’observer une image agrandie d’un objet très lointain.

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

Etude documentaire sur le télescope de Newton (schéma permettant de visualiser les principales pièces, contexte historique...)

Que voit-on avec un télescope : études documentaires sur les obser-vations faites par le télescope Hubble

 

Peut-on voir la lumière ?

A quelles conditions un objet est-il visible?

 

 

 

 

 

 

Expérience dite des deux bougies

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Objets et Images.

1.1 Conditions de visibilité d’un objet

Rôle de l’œil dans la vision des objets .

Propagation de la lumière : modèle du rayon lumineux  ; notion de point-objet.

1.2 Les images

Notion d’image

Rôle de l’œil et du cerveau dans la vision des images :

Notion de point-image.

2. Étude des images.

2.1 Images données par des miroirs

Observation et localisation de l’image d’un objet donnée par les miroirs plan et sphériques.

Lois de la réflexion.

2.2 Images données par une lentille convergente

Observation et localisation des images données par une lentille convergente.

Modélisation géométrique d’une lentille mince convergente

Modélisation analytique : relations de conjugaison des lentilles minces convergentes.

Application à la loupe.

3. Le télescope de Newton.

Principe de fonctionnement d’un télescope simplifié (un miroir parabolique, un miroir plan et une lentille convergente).

Observation des images.

Savoir que :

- un objet ne peut être vu que s’il est éclairé ou s’il émet de la lumière.

- un objet ne peut être vu que si de la lumière provenant de cet objet arrive dans l’œil.

Savoir que lors de la vision d’une image :

- la lumière pénètre dans l’œil

- le cerveau l’interprète comme venant en ligne droite.

Localiser expérimentalement une image

Déterminer graphiquement la position de l’image d’un point objet dans le cas d’un miroir plan ou sphérique.

Déterminer graphiquement la position de l’image d’un point-objet donnée par une lentille convergente.

Schématiser une lentille mince convergente et indiquer les positions de ses foyers et du centre optique

Utiliser les relations de conjugaison des lentilles minces convergentes. Calculer un grandissement

 

Comprendre les rôles respectifs du miroir concave, du miroir plan et de la lentille.

Construire graphiquement la position de l’image d’un point-objet donnée par le télescope.

 

Commentaires :

On insistera sur le fait qu’on ne voit pas la lumière mais seulement des objets à condition que ceux-ci envoient de la lumière dans l’œil de l’observateur. Ceci a lieu lorsque l’objet est lui-même émetteur de lumière (cas d’un filament incandescent), ou lorsque l’objet diffuse vers l’œil de l’observateur une partie de la lumière qu’il reçoit. On ne fera pas de distinction fondamentale entre ces deux cas. Par conséquent on ne parlera pas de sources primaires ou secondaires mais d’objets, qu’ils soient lumineux ou éclairés.

Le professeur veillera à ce que l’expression " rayon lumineux " ne soit pas mal interprétée, et ne laisse pas croire aux élèves que l’on " voit la lumière ".

On fera comprendre que la vision humaine donnent des images dont le concept est étroitement lié à l’existence du cerveau derrière le récepteur qu’est l’œil. L’interprétation de ces images est liée au conditionnement du cerveau à la propagation rectiligne de la lumière.

A ce niveau, on ne fera pas de distinction entre les notions d’images réelles et virtuelles (et encore moins d’objets réels et virtuels).

On désigne par "point-objet" un point de l’objet étudié et par "point-image" un point de l’image. On appelle "rayon lumineux" la ligne (pas nécessairement rectiligne) représentant le chemin effectivement suivi par la lumière.

L’étude expérimentale des images données par un miroir ou par une lentille pourra être présentée en analogie avec le travail effectué en classe de Seconde sur la parallaxe (localisation d’objets inaccessibles).

L’introduction de la relation de conjugaison a, outre la mise en place d’une notion importante, des objectifs autres que purement disciplinaires. Elle permet de travailler sur des outils mathématiques souvent mal acquis par les élèves : inverses, valeurs algébriques, repérages sur un axe.

Les relations de conjugaison du miroir sphérique ne sont pas au programme. Les constructions des images seront réalisées en utilisant les lois de Descartes relatives à la réflexion.