LE PROGRAMME DE PHYSIQUE/CHIMIE

DE LA CLASSE DE SECONDE

 

 

 

A. Préalables.

Les pages qui suivent présentent l’état actuel du travail du GTD de Physique/Chimie concernant les programmes de la classe de Seconde. En le plaçant comme contribution au forum de la SFP sur l’enseignement de la Physique, notre intention est multiple :

- présenter une actualisation des principes généraux des textes " Eléments de réflexion ",

- alimenter le débat à propos du programme chez les collègues et susciter des contributions constructives,

- contribuer à ce que, par ce débat, Internet favorise la liaison entre enseignants.

On verra que les propositions concrètes actuelles diffèrent parfois sensiblement des propositions initiales des " Eléments de réflexion ", tout en s’inscrivant dans le même cadre général.

L’élaboration des programmes est plus avancée en Chimie qu’en Physique. Concernant la Physique, sur les quatre parties proposées, seules les deux premières (" Dans l’espace, dans le temps " et " Les messages de la lumière ") sont détaillées dans leur forme " finale " : listes d’exemples d’activité, contenus correspondants, connaissances et savoir-faire exigibles, commentaires d’accompagnement. Pour les deux dernières parties (" L’univers en mouvements " et " Dans l’eau, dans l’air ") ne sont présentés que des sujets de Travaux Expérimentaux et les contenus des cours qui y correspondent. Nous espérons cependant que l’ensemble donnera un aperçu assez clair de l’esprit que nous voulons donner à cet enseignement, en particulier l’enseignement expérimental : plutôt que de le concevoir comme un ensemble de Travaux Pratiques d’application du cours, on insiste sur le questionnement préalable à tout travail expérimental (quel problème physique cherche-t-on à comprendre, quel protocole expérimental adopter) et succédant à celui-ci (aller-retour théorie-expérience) et sur l’analyse des compétences mises en jeu par les élèves dans l’activité elle-même. S’agissant de la Chimie, en revanche, nous proposons une maquette, certes provisoire, mais complète.

Quant au contenu du programme, rappelons que la classe de Seconde pose des problèmes spécifiques liés au choix d’en faire une classe indifférenciée au cours de laquelle les élèves déterminent, compte tenu de leurs intérêts et au vu des résultats qu’ils obtiennent dans les différentes disciplines, la filière qu’ils vont suivre jusqu’au baccalauréat. L’expérience montre que ce choix se fait relativement tôt dans l’année scolaire, et l’attention pour les sciences des élèves qui n’ont pas choisi la filière scientifique s’en ressent. Il en résulte une très grande hétérogénéité des classes, dont les professeurs disent avec force qu’elle représente l’une des principales difficultés de la classe de Seconde. Ces remarques justifient, lors de l’élaboration des programmes, de considérer séparément la classe de Seconde et l’ensemble Première/Terminale S. En effet dans la mesure où la majorité des élèves de Seconde n’optent pas pour la filière scientifique, le programme doit être conçu de façon à faire sens en lui-même et non en fonction du développement de la discipline au cours des années suivantes, tout en fournissant des bases réelles à ceux qui continueront dans la voie scientifique. C’est en ce sens notamment que le GTD, dans la logique explicitée dans les " Eléments de réflexion ", travaille à une refonte du contenu du programme de Physique, en le recentrant sur quelques notions de base de la Physique. Les remaniements sont de moindre ampleur en Chimie.

Pour terminer, insistons sur le fait que l’ensemble du document doit être considéré pour ce qu’il est, à savoir un document de travail dont les orientations générales sont fixées, mais qui est encore susceptible d’évoluer dans ses options concrètes.

 

 

 

B. Mise en oeuvre

 

Les notions de base de la physique et de la chimie mises en oeuvre dans le programme sont : repérages dans le temps et dans l’espace, mouvements et forces, température et pression, structure et transformation de la matière.

Le thème unificateur est l’exploration de l’Univers de l’atome aux galaxies.

I. Dans l’espace, dans le temps (4 TP, 8 heures de cours)

II. Les messages de la lumière (3 TP, 6 heures de cours)

III. L’Univers en mouvements (3 TP, 6 heures de cours)

IV. Dans l’eau, dans l’air ( 2 TP, 4 heures de cours)

- Concernant la chimie, le tronc commun est constitué de trois parties.

I. Matière chimique ou naturelle ? (4 TP, 8 heures de cours)

II. La constitution de la matière (4 TP, 8 heures de cours)

III. Les transformations de la matière (4TP, 8 heures de cours).

Le texte du programme est présenté sous forme d’un tableau à trois colonnes :

 

C. Compétences à acquérir

Outre l’apprentissage de l’autonomie, les compétences à acquérir ne se résument pas à des connaissances et savoir-faire strictement disciplinaires. L’élève doit être également capable d’utiliser d’autres compétences liées :

- à la langue française :

Ces compétences sont mises en oeuvre tout au long de l’année et ne figurent donc pas explicitement dans le contenu de la colonne de droite. Les différentes activités proposées par l’enseignant (étude de documents, description d’une expérience, analyse critique d’un texte…) lui permettront de former et d’évaluer ses élèves au cours de l’année.

- à l’outil mathématique :

Bien que les connaissances et savoir-faire liés à l’outil mathématique soient clairement explicitées dans la colonne de droite au fur et à mesure de leur apparition dans le programme, il est à noter que ces compétences seront à mettre en oeuvre tout au long de l’année.

Outre des connaissances et des savoir-faire liés à l’utilisation des appareils, il s’agit de compétences beaucoup plus générales, que l’élève doit acquérir tout au long de l’année, voire tout au long du cycle secondaire.

Le programme est en relation étroite avec les activités expérimentales. Ainsi, les compétences liées à l’expérimentation sont fondamentales. Le paragraphe suivant donne des pistes de réflexion sur le rôle de l’expérience dans l’enseignement de la Physique et de la Chimie.

 

 

D. Un enseignement expérimental.

 

Il est accordé une place privilégiée aux activités expérimentales. Celles-ci peuvent s’articuler autour de deux pôles distincts :

Pourquoi un enseignement expérimental ?

Il offre la possibilité de répondre à une situation-problème par la mise au point d’un protocole, la réalisation de ce protocole, la possibilité d’aller-retour entre la théorie et l’expérience, l’exploitation des résultats.

Il lui permet de confronter ses représentations avec la réalité.

Il apprend à l’élève à observer en éveillant sa curiosité.

Il développe l’esprit d’initiative, la ténacité et le sens critique.

Il lui permet de réaliser des mesures, de réfléchir quant à la précision de ces mesures, d’acquérir la connaissance de quelques ordres de grandeur .

Il aide l’élève à s’approprier des lois, des techniques.

Deux conditions sont nécessaires pour que cet enseignement expérimental remplisse pleinement son rôle :

- toute activité doit être précédée d’un questionnement qui donne du sens et de l’intérêt aux observations et aux résultats.

- l’enseignant doit veiller à bien définir les objectifs de contenus et à limiter les compétences mises en jeu dans une séance de TP.

Ces compétences, listées au paragraphe précédent, sont nombreuses et ne doivent pas être mobilisées toutes à la fois.

Comment gérer leur suivi lors des différentes activités expérimentales ?

Une grille de compétences, volontairement limitées à 10 dans un souci de simplification, est présentée ci-après.

Elle permet à l’enseignant de vérifier qu’il a introduit ces compétences plusieurs fois dans l’année.

Des exemples concrets d’utilisation de cette fiche seront donnés dans les commentaires de la première rubrique, " Dans l’espace, dans le temps ".

 

Grille de suivi des compétences expérimentales

 

Compétences expérimentales

TP 1

TP 2

TP 3

TP 4

TP 5

TP 6

TP 7

TP 8

TP 9

TP 10

TP 11

TP 12

TP 13

TP 14

TP 15

TP 16

respecter les consignes (protocole, sécurité)

                               

construire un montage expérimental à partir d’un schéma

                               

faire le schéma d’une expérience

                               

Utiliser des instruments de mesure

                               

garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision des appareils

                               

faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur

                               

Utiliser l’ordinateur pour analyser des résultats expérimentaux, les comparer à un modèle…

                               

identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique

                               

concevoir une expérience en séparant correctement les variables

                               

déterminer le domaine de validité d’un modèle physique

                               

proposer une expérience permettant de valider ou d’infirmer une hypothèse

                               

 

PROJET DE PROGRAMME DE PHYSIQUE

 

Dans le temps, dans l’espace (4 TP, 8 heures de cours)

 

Le travail sur ces grandeurs fondamentales de la physique doit permettre à l’élève de faire une transition relativement aisée du collège au lycée. En effet, peu de notions nouvelles sont introduites. Ceci permettra de travailler davantage en début d’année sur la méthodologie. Ainsi, l’accent sera mis sur diverses compétences liées à la langue française, à l’outil mathématique et à l’expérimentation.

L’enseignant aura toute latitude pour construire la progression correspondant à cette partie du programme. En particulier, les TP pourront être choisis dans un large éventail touchant à de nombreux domaines de la physique. L’objectif des TP de ce début d’année n’est pas d’introduire de nouvelles notions mais de travailler sur la mesure en physique et ainsi d’initier l’élève à la démarche expérimentale.

Le travail autour de l’expérience de cours est essentiel afin que l’élève apprenne à observer, à décrire, 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 sera plus à même de cerner les difficultés de ses élèves et d’introduire, dès le début de l’année, quelques outils méthodologiques dans sa classe.

 

 

 

1-Repérage dans l’espace

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

Construction avec la classe d’une échelle de distances à partir de documents textuels ou multimédias.

Etude de documents liés à l’histoire des sciences : représentations du système solaire , mesure du rayon de la Terre…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Détermination expérimentale de la taille d’un objet de très petite dimension:

- par l’expérience de Franklin

- par une figure de diffraction

  • par l’utilisation d’un microscope ou d’une loupe


Détermination expérimentale de la taille d’un objet de très grande dimension :
- méthode d’Eratosthène (mesure du rayon de la Terre)

- méthode de la parallaxe
– méthode de l’écho (sonar, laser…)

1.1. De l’atome aux galaxies

- Présentation de l’univers : l’atome, la Terre, le système solaire, la Galaxie, les autres galaxies .

- Echelle des distances dans l’univers de l’atome aux galaxies. Unités de distances .

- Aspects historiques sur la détermination de certaines distances

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. L’utilisation de la lumière

Propagation rectiligne.

Vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air.

Définition et intérêt de l’année de lumière.

Savoir que le système solaire appartient à la Galaxie, une des nombreuses galaxies de l’Univers.

Savoir que le remplissage de l’espace par la matière, loin d’être homogène, est essentiellement granulaire, aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique.

Connaître les ordres de grandeur :

  • des distances astronomiques (au-delà de 107m)
  • des distances à l’échelle " humaine " ( de107m à 10-3m)
  • des distances microscopiques (au dessous de 10-3m)

Savoir :

  • ce que représente la notation 10n , n entier relatif.
  • évaluer l’ordre de grandeur du résultat d’une opération faisant intervenir les puissances de 10.
  • utiliser la calculatrice pour faire un calcul utilisant les puissances de 10.
  • repérer un angle

Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air  3,0.108m.s-1.

Connaître la définition de l’année de lumière et savoir l’utiliser comme unité.

Savoir expliquer que "  voir loin, c’est voir dans le passé ". 

 

Savoir mesurer une distance (utilisation d’un dispositif de mesure, nombre de chiffres significatifs, unités)

 

 

 

2-Repérage dans le temps

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

 

Etude de documents textuels et multimédias sur l’histoire de la mesure du temps : cadran solaire, gnomon, clepsydre, sablier, horloge florale de Linné…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A l’aide de données numériques ou graphiques, calculer la date d’un événement par la technique de datation au carbone 14

 

 

 

 

Activités expérimentales :

- construction et étude d’un pendule simple

- utilisation d’un oscillo pour la mesure d’une durée

- production d’un signal d’horloge

- étude d’un signal d’horloge .


 

2.1. Utilisation d’un phénomène périodique.

  • 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).
  • systèmes mécaniques et électriques.
  • période et fréquence.

 

 

 

 

 

2.2. Utilisation de noyaux radioactifs.

  • la décroissance radioactive permet de dater les objets anciens.
  • principe de la datation au carbone 14

 

Connaître les définitions de la période et de la fréquence d’un phénomène périodique.

Connaître la relation entre période et fréquence .

Connaître les unités de la période et de la fréquence.

 

 

 

 

 

 

 

Connaître la définition de la demi-vie d’un noyau radioactif.

Savoir :

  • traduire par une représentation graphique les résultats d’un tableau de mesures
  • utiliser le graphe de décroissance radioactive

 

 

Savoir mesurer une durée (utilisation d’un dispositif de mesure, nombre de chiffres significatifs, unités)

 

 

 

 

 

 

Commentaires

 

Commentaires sur la partie repérage dans l’espace :

La projection d’un film (puissance de 10, exploration de l’Univers…) pourra permettre d’ébaucher une échelle des distances qui sera complétée par la suite.

Le professeur devra garder à l’esprit qu’à toutes les échelles, le remplissage de l’espace par la matière est faible et discontinu.

Pour une meilleure compréhension des dimensions relatives du noyau et du nuage électronique de l’atome, il sera bon de donner un exemple transposé à l’échelle humaine (si le cortège électronique avait la taille du Stade de France, le noyau 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 :

La Terre est l’une des 9 planètes liées au Soleil par la force gravitationnelle (cf 3ième partie) et formant, avec la ceinture d’astéroïde et les comètes, le système solaire.

Le système solaire a 4,54 milliards d’années et brillera encore environ 5 milliards d’années. Les étoiles plus grosses vivent moins longtemps (cf. explosion des supernovae).

Le Soleil n’est qu’une étoile parmi des centaines de milliards. Cet amas d’étoiles forme la Galaxie. La Galaxie est animée d’un mouvement de rotation d’ensemble qui lui a donné la forme d’un disque.

La Galaxie n’en est qu’une parmi des milliards d’autres (qui s’appellent galaxies, sans majuscule)…

 

Commentaires sur la partie repérage dans le temps :

On insistera sur le fait que la détermination d’un étalon de durée nécessite la recherche d’un phénomène périodique.

Dans le principe de la datation au carbone 14, on ne donnera aucune réaction de désintégration. Le pourcentage de carbone 14 fixé par les êtres vivants reste constant pendant la vie de l’organisme. Mais après la mort, ce pourcentage diminue. Connaissant l’allure de la courbe de décroissance radioactive, et supposant que le pourcentage de carbone 14 des êtres vivants n’a pas varié au cours des dernières dizaines de milliers d’années, on peut dater un objet ancien en mesurant le nombre de désintégrations par seconde.

 

 

Commentaires sur l’Enseignement Expérimental :

Suivant la présentation d’une séance de TP, les objectifs que s’est fixés l’enseignant peuvent être tout à fait différents. Ainsi, autour d’une même expérience, des compétences totalement différentes peuvent être mises en exergue.

A titre d’exemple, deux approches différentes d’une séance de TP autour du thème du pendule simple, sont proposées ci-après. Les compétences expérimentales associées à chacune de ces approches apparaissent en grisé dans la grille de suivi.

 

 

Version 1 (enjeu du TP : confronter un résultat théorique à des observations expérimentales)

Questionnement préalable : En un lieu où la constante de gravitation g vaut ……, suffit-il vraiment de connaître la longueur d’un pendule pour pouvoir mesurer une durée ?

Le modèle du pendule simple est donné aux élèves : objet suspendu de dimensions négligeables par rapport à la longueur l du pendule, fil inextensible et sans masse. Il est aussi dit aux élèves que, dans le cas d’oscillations de faible amplitude, les lois de la mécanique permettent de donner pour expression de la période T = 2p (l/g)1/2.

Les élèves doivent :

 

Version 2 (enjeu du TP : élaboration d’un protocole)

Questionnement préalable : un pendule simple est constitué d’un fil inextensible de masse négligeable auquel est accroché une masse ponctuelle. Ecarté de la position verticale d’un petit angle et lâché, il effectue un mouvement périodique d’allée et venue avec une durée T appelée période. De quoi cette période peut-elle dépendre ?

Une discussion est engagée dans la classe. On peut supposer que les paramètres retenus par les élèves seront la longueur du fil, la masse au bout du fil, l’angle duquel est écarté le pendule et la valeur de g . L’enseignant pourra alors faire remarquer qu’il va être difficile de faire varier g, mais que si le pendule tombe, c’est bien grâce à g ! On admettra donc intuitivement que T dépend bien de g.

L’enseignant demande alors aux élèves de proposer une série d’expériences qui permettent de valider ou d’infirmer les hypothèses.

La compétence " identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique " n’a pas été grisée dans la grille de suivi. En effet, l’objectif de la séance n’est pas d’identifier ces paramètres, qui seront listés avec la participation de tous, mais de faire élaborer à l’élève un protocole qui lui permette de répondre à la question posée. Pour cela, il devra proposer des expériences en séparant les différents paramètres susceptibles d’intervenir.

 

 

 

Compétences mises en jeu

Version 1

Version 2

respecter les consignes (protocole, sécurité)

   

construire un montage expérimental à partir d’un schéma

   

faire le schéma d’une expérience

   

Utiliser des instruments de mesure

   

garder un nombre de chiffres significatifs en adéquation avec la précision des appareils

   

faire l’étude statistique d’une série de mesures indépendantes en utilisant une calculatrice ou un tableur

   

Utiliser l’ordinateur pour analyser des résultats expérimentaux, les comparer à un modèle…

   

identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique

   

concevoir une expérience en séparant correctement les variables

   

déterminer le domaine de validité d’un modèle physique

   

proposer une expérience permettant de valider ou d’infirmer une hypothèse

   

 

 

 

 

Les messages de la lumière (3 TP , 6 heures de cours)

 

Exemples d’activités

Contenus

Connaissances et savoir-faire exigibles

Etude expérimentale des lois de la réfraction.

 

 

 

 

 

Décomposition de la lumière blanche par un prisme.

Etude de documents sur les découvertes de Newton concernant la lumière.

 

 

 

 

Réalisation du spectre continu d’une lampe à incandescence (avec prisme ou réseau).

Observation de la variation de la couleur et du spectre d’une lampe à incandescence en fonction de sa température.

Réalisation de spectres de raies et de bandes : émission et absorption.

Etude expérimentale des couleurs de flamme.

Etude de documents sur les spectres utilisés en astrophysique.

1-Le phénomène de réfraction

Les lois de Descartes sur la réfraction (dioptre plan ; l’un des milieux étant l’air)

 

 

 

 

2-Un système dispersif : le prisme.

Caractérisation d’une radiation dans l’air ou dans le vide par une grandeur physique appelée longueur d’onde et exprimée en mètre.

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.

3-Les spectres d’émission et d’absorption

3.1.Spectres d’émission

Spectres continus d’origine thermique ; influence de la température.

Spectres de raie : signature d’un élément.

 

3.2.Spectres d’absorption

Bandes d’absorption de solutions colorés.

Raies d’absorption caractéristiques d’un élément.

 

3.3.Applications à l’astrophysique

Intérêt du spectre continu et du spectre de raies dans l’étude de la composition des étoiles.

Connaître et savoir appliquer les lois de Descartes.

Utiliser un dispositif permettant d’étudier les lois de la réfraction.

Repérer un angle entre un rayon lumineux et une référence.

Mesurer un angle.

Calculer un sinus.

 

Savoir que le prisme décompose la lumière.

Utiliser un prisme pour décomposer la lumière.

Savoir que la lumière blanche est constituée d’une infinité de radiations lumineuses et que dans l’air ou dans le vide chaque radiation est caractérisée par une grandeur physique appelée longueur d’onde.

 

 

 

Utiliser un réseau pour observer un spectre.

Distinguer un spectre d’émission et un spectre d’absorption.

Savoir qu’un élément chimique est caractérisé par un spectre de raies qui constitue sa signature.

 

Savoir que l’étude des spectres permet de connaître la composition des étoiles.

Savoir à partir de tables reconnaître la présence d’un élément chimique dans une étoile.

 

 

 

 

Commentaires

 

 

 

L’objectif de cette partie est de montrer 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 partie du programme permet d’enrichir la notion d’élément chimique introduite dans le cours de chimie.

L’étude de la réfraction est dans un premier temps réalisée avec un filtre de couleur donnée. L’indice du milieu est introduit.

Une approche historique permettra d’introduire la notion de radiation monochromatique. En observant la décomposition de la lumière blanche à travers un prisme, Newton en tira la conclusion que les couleurs obtenues sont présentes dans la lumière blanche, et que le prisme a pour effet de les séparer. L’indice du milieu transparent constituant le prisme n’est donc pas le même suivant la couleur de la lumière.

Il montra ensuite que les couleurs du spectre ne peuvent se décomposer en de nouvelles couleurs : si l’on envoie de la lumière rouge (émise par un laser par exemple) sur un prisme, on retrouve la même couleur rouge après la traversée du prisme. Cette couleur est appelée radiation monochromatique.

On conviendra 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 une signification physique, est appelé longueur d’onde, noté l et s’exprime en mètres (ou sous-multiples).

L’étude de nombreux spectres permettra d’arriver aux lois suivantes :

Un élément chimique est ainsi caractérisé par un spectre, qui constitue en quelque sorte la signature de cet élément.

L’analyse spectrale donne des renseignements sur la température et la composition chimique d’astres inaccessibles à l’expérimentation directe par comparaison avec les spectres d’éléments mesurés au laboratoire.

 

L’Univers en mouvements (3 TP, 6 heures de cours)

 

Objectif : illustrer, à l’aide d’une approche historique et expérimentale, les débuts de la mécanique

TP 1 : rétrogradation de Mars (approche historique : comment expliquer ce phénomène ?)

 

TP 2 : Les lois du mouvement d’une chute libre 

 

Newton postule que la force de pesanteur responsable de la chute d’une pomme et celle responsable des mouvements de gravitation de la Lune ou de la Terre sont de même nature. Loi de Newton en m .m’ / d2.

Newton démontre les lois que Képler avait énoncées .

 

TP 3 : La troisième loi de Képler.

 

 

Dans l’eau, dans l’air (2 TP , 4 heures de cours)

 

Objectif : connaître quelques lois relatives à 2 fluides présents sur notre planète

 

TP 1 : Relation entre les paramètres d’état d’un gaz parfait : loi de Mariotte PV = cste. Le produit PV dépend de la température (et de n ?)

 

TP 2 : TP mettant en jeu plusieurs notions rencontrées dans les parties précédentes (poussée d’Archimède).

Partie complémentaire

 

La partie complémentaire constitue un prolongement du tronc commun, sans nouvelles connaissances exigibles introduites. De nombreuses possibilités sont offertes à l’enseignant :

 

Proposition de thèmes :