Inventorier les activités du chimiste et les enjeux de la chimie dans la société.

Dégager quelques questions qui se posent au chimiste dans ses activités professionnelles.

CONTENUS

CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Mise en évidence expérimentale de transformations lentes et rapides.

Mise en évidence expérimentale des facteurs cinétiques : température et concentration des réactifs.

Rappels sur les couples oxydant/réducteur et sur l'écriture des équations de réactions d'oxydoréduction.

Écrire l'équation de la réaction associée à une transformation d'oxydoréduction et identifier dans cette équation les deux couples mis en jeu.

Définir un oxydant et un réducteur.

Montrer, à partir de résultats expérimentaux, l'influence des facteurs cinétiques sur la vitesse de réaction.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Tracé des courbes d'évolution de quantité de matière ou de concentration d'une espèce et de l'avancement de la réaction au cours du temps ; utilisation du tableau descriptif d'évolution du système chimique, exploitation des expériences.

Vitesse de réaction : Définition de la vitesse volumique de réaction exprimée en unité de quantité de matière par unité de temps et de volume.

v = 1/V . dx/dt où x est l'avancement de la réaction et V le volume de la solution.

Évolution de la vitesse de réaction au cours du temps.

Temps de demi-réaction noté t_1/2 : Définition et méthodes de détermination.

Choix d'une méthode de suivi de la transformation selon la valeur de t_1/2 .

Une nouvelle technique d'analyse, la spectrophotométrie :

L'absorbance A, grandeur mesurée par le spectrophotomètre.

Relation entre l'absorbance et la concentration effective d'une espèce colorée en solution, pour une longueur d'onde donnée et pour une épaisseur de solution traversée donnée.

Suivi de la cinétique d'une transformation chimique par spectrophotométrie.

Justifier les différentes opérations réalisées lors du suivi de l'évolution temporelle d'un système ; exploiter les résultats expérimentaux.

Définir l'équivalence lors d'un titrage et en déduire la quantité de matière de réactif titré.

À partir de mesures expérimentales et du tableau descriptif de l'évolution du système, réprésenter, en fonction du temps, la variation des quantités de matière ou des concentrations d'un réactif ou d'un produit et de l'avancement de réaction.

Savoir que la vitesse de réaction augmente en général avec la concentration des réactifs et avec la température.

Interpréter qualitativement la variation de la vitesse de réaction à l'aide d'une des courbes d'évolution tracées.

Connaître la définition du temps de demi-réaction t_1/2 .

Déterminer le temps de demi-réaction à l'aide de données expérimentales ou en exploitant des résultats expérimentaux.

Savoir utiliser, à une longueur d'onde donnée, la relation entre la concentration d'une espèce colorée en solution et l'absorbance.

CONTENUS

Interprétation de la réaction chimique en termes de chocs efficaces.

Interprétation de l'influence de la concentration des entités réactives et de la température sur le nombre de chocs et de chocs efficaces par unité de temps.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Introduction du pH et de sa mesure.

Mise en évidence expérimentale sur une transformation chimique donnée, d'un avancement final différent de l'avancement maximal.

Symbolisme d'écriture de l'équation de la réaction : le signe égal =.

État d'équilibre d'un système chimique.

Taux d'avancement final d'une réaction : t = x_final / x_max .

Interprétation à l'échelle microscopique de l'état d'équilibre en termes de cinétique : chocs efficaces entre entités réactives d'une part et entités produites d'autre part.

Définir un acide ou une base selon Brönsted.

Écrire l'équation de la réaction associée à une transformation acido-basique et identifier dans cette équation les deux couples mis enjeu.

Connaître la définition du pH pour les solutions aqueuses diluées.

Être capable de mesurer la valeur du pH d'une solution aqueuse avec un pH-mètre.

Connaissant la valeur de la concentration et du pH d'une solution d'acide, calculer l'avancement final de la réaction de cet acide sur l'eau et le comparer à l'avancement maximal.

Connaître la définition du taux d'avancement final et le déterminer à partir d'une mesure.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Quotient de réaction. Q_r : expression littérale en fonction des concentrations molaires des espèces dissoutes pour un état donné du système.

Généralisation à divers exemples en solution aqueuse homogène ou hétérogène (présence de solides).

Détermination de la valeur du quotient de réaction dans l'état d'équilibre du système, noté Q_réq .

Constante d'équilibre K associée à l'équation d'une réaction, à une température donnée.

Influence de l'état initial d'un système sur le taux d'avancement final d'une réaction.

Utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [X_i ] des ions X_i en solution.

Savoir que, lorsque l'état d'équilibre du système est atteint, les quantités de matière n'évoluent plus, et que cet état d'équilibre est dynamique.

En disposant de l'équation d'une réaction, donner l'expression littérale du quotient de réaction Q_r

Savoir que le quotient de réaction dans l'état d'équilibre d'un système, Q_réq prend une valeur, indépendante de la composition initiale, qui est la constante d'équilibre associée à l'équation de la réaction.

Savoir que, pour une transformation donnée, le taux d'avancement final dépend de la constante d'équilibre et de l'état initial du système.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Autoprotolyse de l'eau ; constante d'équilibre appelée produit ionique de l'eau, notée K_e et pK_e .

Echelle de pH : solution acide, basique et neutre.

Constante d'acidité, notée K_A et pK_A .

Comparaison du comportement en solution, à concentration identique, des acides entre eux et des bases entre elles.

Constante d'équilibre associée à une réaction acido-basique.

Diagrammes de prédominance et de distribution d'espèces acides et basiques en solution.

Zone de virage d'un indicateur coloré acido-basique.

Titrage pH-métrique d'un acide ou d'une base dans l'eau en vue de déterminer le volume versé à l'équivalence et de choisir un indicateur coloré acido-basique pour un titrage.

Qu'en est-il des transformations totales ?

Détermination du taux d'avancement final d'une réaction sur un exemple de titrage acido-basique.

Savoir que K_e est la constante d'équilibre associée à l'équation de la réaction d'autoprotolyse de l'eau.

Connaissant la valeur du pH d'une solution aqueuse, dire si elle est acide, basique ou neutre.

À partir de la concentration molaire des ions H₃0⁺ ou OH^- , déduire la valeur du pH de la solution.

Associer la constante d'acidité K_A à l'équation de la réaction d'un acide sur l'eau.

Déterminer la constante d'équilibre associée à l'équation d'une réaction acido-basique à l'aide des constantes d'acidité des couples en présence.

Connaissant le pH d'une solution aqueuse et le pK_A du couple acide/base, indiquer l'espèce prédominante ; application aux indicateurs colorés.

Réaliser par suivi pH-métrique le titrage d'un acide ou d'une base en solution aqueuse.

Déterminer, à partir des résultats d'une expérience, le volume versé à l'équivalence lors d'un titrage acide-base.

Montrer qu'un indicateur coloré convenablement choisi permet de repérer l'équivalence.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Quotient de réaction, Q_r : expression littérale et calcul de sa valeur pour un état quelconque donné d'un système.

Au cours du temps, la valeur du quotient de réaction Q_r tend vers la constante d'équilibre K (critère d'évolution spontanée).

Illustration de ce critère sur des réactions acido-basiques et des réactions d'oxydoréduction.

En disposant de l'équation d'une réaction, donner l'expression littérale du quotient de réaction Q_r , et calculer sa valeur dans un état donné du système.

Savoir qu'un système évolue spontanément vers un état d'équilibre.

Être capable de déterminer le sens d'évolution d'un système donné en comparant la valeur du quotient de réaction dans l'état initial à la constante d'équilibre, dans le cas de réactions acido-basiques et d'oxydoréduction.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Transferts spontanés d'électrons entre des espèces chimiques (mélangées ou séparées) de deux couples oxydant/réducteur du type ion métallique/métal, Mⁿ⁺ /M_(s) .

Constitution et fonctionnement d'une pile : observation du sens de circulation du courant électrique, mouvement des porteurs de charges, rôle du pont salin, réactions aux électrodes. La pile, système hors équilibre au cours de son fonctionnement en générateur. Lors de l'évolution spontanée, la valeur du quotient de réaction tend vers la constante d'équilibre. La pile à l'équilibre « pile usée » : quantité d'électricité maximale débitée dans un circuit.

Force électromotrice d'une pile (f.é.m.) E : mesure, polarité des électrodes, sens de circulation du courant.

Exemple de pile usuelle.

Schématiser une pile.

Utiliser le critère d'évolution spontanée pour déterminer le sens de déplacement des porteurs de charges dans une pile.

Interpréter le fonctionnement d'une pile en disposant d'une information parmi les suivantes : sens de circulation du courant électrique, f.é.m., réactions aux électrodes, polarité des électrodes ou mouvement des porteurs de charges.

Écrire les réactions aux électrodes et relier les quantités de matière des espèces formées ou consom­mées à l'intensité du courant et à la durée de la transformation, dans une pile et lors d'une électrolyse.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Mise en évidence expérimentale de la possibilité, dans certains cas, de changer le sens d'évolu­tion d'un système en imposant un courant de sens inverse à celui observé lorsque le système évolue spontanément (transformation forcée).

Réactions aux électrodes, anode et cathode.

Application à l'électrolyse : principe et exemples d'applications courantes et industrielles.

Savoir que l'électrolyse est une transformation forcée.

Connaissant le sens du courant imposé par le générateur, identifier l'électrode à laquelle se produit la réaction d'oxydation (anode) et l'électrode à laquelle se produit la réaction de réduction (cathode).

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Formation d'un ester à partir d'un acide et d'un alcool, écriture de l'équation de la réaction correspondante, appelée réaction d'estérification.

Hydrolyse d'un ester, écriture de l'équation de la réaction correspondante.

Mise en évidence expérimentale d'un état d'équilibre lors des transformations faisant intervenir des réactions d'estérification et d'hydrolyse.

Définition du rendement d'une transformation.

Définition d'un catalyseur.

Contrôle de la vitesse de réaction : température et catalyseur.

Contrôle de l'état final d'un système : excès d'un réactif ou élimination d'un produit.

Reconnaître dans la formule d'une espèce chimique organique les groupes caractéristiques :

- OH , -C0₂H , -C0₂R , -CO-0-CO- .

Écrire l'équation des réactions d'estérification et d'hydrolyse.

À partir de la formule semi-développée d'un ester, retrouver les formules de l'acide carboxylique et de l'alcool correspondants.

Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum.

Savoir que les réactions d'estérification et d'hydrolyse sont inverses l'une de l'autre et que les transformations associées à ces réactions sont lentes.

Savoir qu'un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans figurer dans l'équation de la réaction et sans modifier l'état d'équilibre du système.

Savoir que l'excès de l'un des réactifs et/ou l'élimination de l'un des produits déplace l'état d'équilibre du système dans le sens direct.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Changement d'un réactif.

Synthèse d'un ester à partir d'un anhydride d'acide et d'un alcool.

Hydrolyse basique des esters : applications à la saponification des corps gras (préparations et propriétés des savons, relations structure-propriétés).

Utilisation de la catalyse.

Catalyse homogène, hétérogène, enzymatique : sélectivité des catalyseurs.

Calculer le rendement d'une transformation.

Mettre en ouvre au laboratoire, en justifiant le choix du matériel à utiliser : chauffage à reflux, distillation fractionnée, cristallisation, filtration sous vide, chromatographie sur couche mince,

Respecter les consignes de sécurité.

Justifier les étapes d'un protocole.

Écrire l'équation de la réaction d'un anhydride d'acide sur un alcool et de l'hydrolyse basique d'un ester.

Savoir que l'action d'un anhydride d'acide sur un alcool est rapide, qu'elle donne un ester et que l'avancement maximal est atteint.

Savoir que l'hydrolyse basique d'un ester est rapide et que l'avancement maximal est atteint.

Identifier la partie hydrophile et la partie hydrophobe d'un ion carboxylate à longue chaîne.

Un questionnement adapté aux exemples choisis doit faire comprendre progressivement comment se développe l'approche du (de la) physicien(ne) sur la réalité. Parmi les questions possibles, citons par exemple :

- Quelles sont les grandeurs pertinentes dont les variations témoignent de l'évolution du système ?

- Quels sont les paramètres extérieurs qui pilotent cette évolution ?

- L'évolution peut-elle être caractérisée par un ou plusieurs temps caractéristiques ?

- Quel est le rôle des conditions initiales dans l'évolution du système ?

- L'évolution est-elle lente, rapide, monotone, variée, oscillante, oscillante amortie ?

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

1.1. Introduction

À partir des exemples donnés en activité dégager la définition suivante d'une onde mécanique : « on appelle onde mécanique le phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu sans trans­port de matière ». Célérité.

Ondes longitudinales, transversales.

Ondes sonores comme ondes longitudinales de compression/dilatation.

Propriétés générales des ondes :

- une onde se propage, à partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes.

- la perturbation se transmet de proche en proche ; transfert d'énergie sans transport de matière.

- la vitesse de propagation d'une onde est une propriété du milieu.

- deux ondes peuvent se croiser sans se perturber.

1.2. Onde progressive à une dimension

Notion d'onde progressive à une dimension.

Notion de retard : la perturbation au point M à l'instant t est celle qui existait auparavant en un point M' à l'instant t' = t- τ ; avec t = M'M / v .

τ étant le retard et v la célérité (pour les milieux non dispersifs).

  Définir une onde mécanique et sa célérité.

Définir et reconnaître une onde transversale et une onde longitudinale.

Connaître et exploiter les propriétés générales des ondes.

Définir une onde progressive à une dimension et savoir que la perturbation en un point du milieu, à l'ins­tant t, est celle qu'avait la source au temps t' = t - τ , τ étant le retard (dans un milieu non dispersif).

Exploiter la relation entre le retard la distance et la célérité.

Exploiter un document expérimental (chronophotographies, vidéo) donnant l'aspect de la perturba­tion à des dates données en fonction de l'abscisse : interprétation, mesure d'une distance, calcul d'un retard et/ou d'une célérité.

Exploiter un document expérimental (oscillogrammes, acquisition de données avec un ordinateur...) obtenu à partir de capteurs délivrant un signal lié à la perturbation et donnant l'évolution temporelle de la perturbation en un point donné : interprétation, mesure d'un retard, calcul d'une célérité, calcul d'une distance.

Savoir-faire expérimentaux :

Utiliser un dispositif expérimental pour mesurer un retard ou une distance lors de la propagation d'une onde.

En particulier utiliser un oscilloscope pour mesurer le retard d'un clap sonore ou d'une salve d'ultrasons.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Notion d'onde progressive périodique.

Périodicité temporelle, période ; périodicité spatiale.

Onde progressive sinusoïdale, période, fréquence, longueur d'onde ; relation λ = v.T = v / ν.

La diffraction dans le cas d'ondes progressives sinusoïdales ; mise en évidence expérimentale.

Influence de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé.

La dispersion : mise en évidence de l'influence de la fréquence sur la célérité de l'onde à la surface de l'eau ; notion de milieu dispersif.

Reconnaître une onde progressive périodique et sa période.

Définir pour une onde progressive sinusoïdale, la période, la fréquence, la longueur d'onde.

Connaître et utiliser la relation λ = v.T, connaître la signification et l'unité de chaque terme, savoir justifier cette relation par une équation aux dimensions.

Savoir, pour une longueur d'onde donnée, que le phénomène de diffraction est d'autant plus marqué que la dimension d'une ouverture ou d'un obstacle est plus petite.

Définir un milieu dispersif.

Exploiter un document expérimental (série de photos, oscillogramme, acquisition de données avec un ordinateur...) : détermination de la période, de la fréquence, de la longueur d'onde.

Reconnaître sur un document un phénomène de diffraction.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser un montage permettant de mettre en évidence le phénomène de diffraction dans le cas d'ondes mécaniques sonores ou ultrasonores.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Observation expérimentale de la diffraction en lumière monochromatique et en lumière blanche (irisation).

Propagation de la lumière dans le vide.

Modèle ondulatoire de la lumière : célérité, longueur d'onde dans le vide, fréquence, λ = cT = c/ ν .

Influence de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé ; écart angulaire du faisceau diffracté par une fente ou un fil rectilignes de largeur a : θ = λ/a.

Lumière monochromatique, lumière polychromatique ; fréquence et couleur.

Propagation de la lumière dans les milieux transparents ; indice du milieu.

Mise en évidence du phénomène de dispersion de la lumière blanche par un prisme : l'indice d'un milieu transparent dépend de la fréquence de la lumière.

Savoir que, étant diffractée, la lumière peut être décrite comme une onde.

Connaître l'importance de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé.

Exploiter une figure de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.

Connaître et savoir utiliser la relation λ= c/ n , la signification et l'unité de chaque terme.

Connaître et utiliser la relation θ=λ/a, la signification et l'unité de chaque terme.

Définir une lumière monochromatique et une lumière polychromatique.

Connaître les limites des longueurs d'onde dans le vide du spectre visible et les couleurs corres­pondantes.

Situer les rayonnements ultraviolets et infrarouges par rapport au spectre visible.

Savoir que la lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.

Savoir que la fréquence d'une radiation monochromatique ne change pas lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre.

Savoir que les milieux transparents sont plus ou moins dispersifs. Définir l'indice d'un milieu transparent pour une fréquence donnée.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser un montage permettant de mettre en évidence le phénomène de diffraction dans le cas d'ondes lumineuses.

Réaliser des mesures permettant de vérifier la pertinence de la relation θ = λ/a.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

1.1. Stabilité et instabilité des noyaux

Composition ; isotope ; notation ^A_ZX .

Diagramme (N, Z) .

1.2. La radioactivité

La radioactivité α , β^- , β⁺ , émission γ.

Lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons.

1.3. Loi de décroissance

Évolution de la population moyenne d'un ensemble de noyaux radioactifs ΔN = - λ N Δt ; N = N₀ e^-λt .

Importance de l'activité IΔNI / Δt ; le becquerel.

Constante de temps t = 1 / l .

Demi-vie t_1/2 = t In 2.

Application à la datation.

Connaître la signification du symbole ^A_ZX et donner la composition du noyau correspondant.

Définir l'isotopie et reconnaître des isotopes.

Reconnaître les domaines de stabilité et d'instabilité des noyaux sur un diagramme (N, Z).

Définir un noyau radioactif.

Connaître et utiliser les lois de conservation.

Définir la radioactivité α , β^- , β⁺ , émission γ et écrire l'équation d'une réaction nucléaire pour une émission α , β^- , β⁺ ,en appliquant les lois de conservation.

A partir de l'équation d'une réaction nucléaire, reconnaître le type de radioactivité.

Connaître l'expression de la loi de décroissance et exploiter la courbe de décroissance.

Savoir que 1 Bq est égal à une désintégration par seconde.

Expliquer la signification et l'importance de l'activité dans le cadre des effets biologiques.

Connaître la définition de la constante de temps et du temps de demi-vie.

Utiliser les relations entre τ , λ et t_1/2 .

Déterminer l'unité de τ ou de λ par analyse dimensionnelle.

Expliquer le principe de la datation, le choix du radioélément et dater un événement.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser une série de comptages relatifs à une désintégration radioactive.

À partir d'une série de mesures, utiliser un tableur ou une calculatrice pour calculer la moyenne, la variance et l'écart-type du nombre de désintégrations enregistrées pendant un intervalle de temps donné.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

2.1. Équivalence masse-énergie

Défaut de masse ; énergie de liaison ΔE = Δmc² ; unités : eV, keV, MeV.

Énergie de liaison par nucléon.

Équivalence masse-énergie.

E, Courbe d'Aston -E_l/A = f(A).

2.2. Fission et fusion

Exploitation de la courbe d'Aston ; domaines de la fission et de la fusion.

2.3. Bilan de masse et d'énergie d'une réaction nucléaire

Exemples pour la radioactivité, pour la fission et la fusion.

Existence de conditions à réaliser pour obtenir l'amorçage de réactions de fission et de fusion.

Définir et calculer un défaut de masse et une énergie de liaison.

Définir et calculer l'énergie de liaison par nucléon.

Savoir convertir des J en eV et réciproquement.

Connaître la relation d'équivalence masse-énergie et calculer une énergie de masse.

Commenter la courbe d'Aston pour dégager l'intérêt énergétique des fissions et des fusions.

Définir la fission et la fusion et écrire les équations des réactions nucléaires en appliquant les lois de conservation.

À partir de l'équation d'une réaction nucléaire, reconnaître le type de réaction.

Faire le bilan énergétique d'une réaction nucléaire en comparant les énergies

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

1.1. Le condensateur

Description sommaire, symbole.

Charges des armatures.

Intensité : débit de charges.

Algébrisation en convention récepteur i, u, q.

Relation charge-intensité pour un condensateur i = dq/dt , q charge du condensateur en convention récepteur.

Relation charge-tension q = Cu ; capacité, son unité le farad (F).

1.2. Dipôle RC

Réponse d'un dipôle RC à un échelon de tension : tension aux bornes du condensateur, intensité du courant ; étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique). Énergie emmagasinée dans un condensateur.

Continuité de la tension aux bornes du condensateur.

Connaître la représentation symbolique d'un condensateur.

Connaître la représentation symbolique d'un condensateur.

En utilisant la convention récepteur, savoir orienter un circuit sur un schéma, représenter les différentes flèches-tension, noter les charges des armatures du condensateur.

Connaître les relations charge-intensité et charge-tension pour un condensateur en convention récepteur ; connaître la signification de chacun des termes et leur unité.

Savoir exploiter la relation q = Cu.

Effectuer la résolution analytique pour la tension aux bornes du condensateur ou la charge de celui-ci lorsque le dipôle RC est soumis à un échelon de tension.

En déduire l'expression de l'intensité dans le circuit.

Connaître l'expression de la constante de temps et savoir vérifier son unité par analyse dimensionnelle.

Connaître l'expression de l'énergie emmagasinée dans un condensateur.

Savoir que la tension aux bornes d'un condensateur n'est jamais discontinue.

Savoir exploiter un document expérimental pour :

- identifier les tensions observées,

- montrer l'influence de R et de C sur la charge ou la décharge,

- déterminer une constante de temps lors de la charge et de la décharge.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser un montage électrique à partir d'un schéma.

Réaliser les branchements pour visualiser les tensions aux bornes du générateur, du condensateur et du conducteur ohmique.

Montrer l'influence de l'amplitude de l'échelon de tension, de la résistance et de la capacité sur le phénomène observé lors de la charge et de la décharge du condensateur.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

2.1. La bobine

Description sommaire d'une bobine, symbole.

Tension aux bornes d'une bobine en convention récepteur : u = ri + L di/dt

Inductance : son unité le henry (H).

2.2. Dipôle RL

Réponse en courant d'une bobine à un échelon de tension ; étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique).

Energie emmagasinée dans une bobine.

Continuité de l'intensité du courant dans un circuit qui contient une bobine.

Connaître la représentation symbolique d'une bobine.

En utilisant la convention récepteur, savoir orienter le circuit sur un schéma et représenter les différentes flèches-tension.

Connaître l'expression de la tension aux bornes d'une bobine ; connaître la signification de chacun des termes et leur unité. Savoir exploiter la relation.

Effectuer la résolution analytique pour l'intensité du courant dans un dipôle RL soumis à un échelon de tension. En déduire la tension aux bornes de la bobine.

Connaître l'expression de la constante de temps et savoir vérifier son unité par analyse dimensionnelle.

Connaître l'expression de l'énergie emmagasinée.

Savoir qu'une bobine s'oppose aux variations du courant du circuit où elle se trouve et que l'intensité de ce courant ne subit pas de discontinuité.

Savoir exploiter un document expérimental pour ;

- identifier les tensions observées,

- montrer l'influence de R et de L lors de l'établissement et de la disparition du courant,

- déterminer une constante de temps.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser un montage électrique à partir d'un schéma.

Réaliser les branchements pour visualiser les tensions aux bornes du générateur, de la bobine et du conducteur ohmique supplémentaire.

Montrer l'influence de l 'amplitude de l'échelon de tension, de R et de L sur le phénomène observé.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Décharge oscillante d'un condensateur dans une bobine.

Influence de l'amortissement : régimes périodique, pseudo-périodique, apériodique.

Période propre et pseudo-période.

Interprétation énergétique : transfert d'énergie entre le condensateur et la bobine, effet Joule.

Résolution analytique dans le cas d'un amortissement négligeable.

Expression de la période propre.

Entretien des oscillations.

Définir et reconnaître les régimes périodique pseudo-périodique et apériodique.

Savoir tracer l'allure de la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps pour les régimes périodique, pseudo-périodique et apériodique.

Dans le cas d'un amortissement négligeable, effectuer la résolution analytique pour la tension aux bornes du condensateur ou la charge de celui-ci.

En déduire l'expression de l'intensité dans le circuit.

Connaître l'expression de la période propre, la signification de chacun des termes et leur unité.

Savoir que le dispositif qui entretient les oscillations fournit l'énergie évacuée par transfert thermique.

Savoir interpréter en terme d'énergie les régimes périodique, pseudo-périodique, apériodique et entretenu.

Savoir exploiter un document expérimental pour :

- identifier les tensions observées,

- reconnaître un régime,

- montrer l'influence de R et de L ou C sur le phénomène d'oscillations.

- déterminer une pseudo-période.

Savoir-faire expérimentaux

Réaliser un montage électrique à partir d'un schéma.

Réaliser les branchements pour visualiser les tensions aux bornes du condensateur et de la résis­tance supplémentaire éventuelle.

Montrer l'influence de R, L et C sur le phénomène observé.

Mesurer une pseudo-période et une période.

Utiliser un oscilloscope :

- le régler : mode balayage, finesse du trait, réglage du « zéro », choix de la sensibilité verticale et choix d'une base de temps, sélection des voies;

- repérer les tensions observables simultanément dans un circuit;

- visualiser et déterminer les caractéristiques d'une tension;

- visualiser l'image d'une intensité ;

- visualiser simultanément deux tensions.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Lien qualitatif entre les vecteurs force et variation de la vitesse (rappels).

Comparaison des vecteurs variation de la vitesse correspondant à des intervalles de temps égaux pour des forces de valeurs différentes.
Vecteur accélération (direction, sens, valeur).

Rôle de la masse.

Deuxième loi de Newton appliquée au centre d'inertie.

Importance du choix du référentiel dans l'étude du mouvement du centre d'inertie d'un solide ; référentiels galiléens.

Troisième loi de Newton : loi des actions réciproques (rappel).

Choisir un système.

Choisir les repères d'espace et de temps.

Faire inventaire des forces extérieures appliquées à ce système. Définir le vecteur accélération et exploiter cette définition, connaître son unité.

Énoncer les trois lois de Newton.

Savoir exploiter un document expérimental (série de photos, film, acquisition de données avec un ordinateur...) : reconnaître si le mouvement du centre d'inertie est rectiligne uniforme ou non, déter­miner des vecteurs vitesse et accélération, mettre en relation accélération et somme des forces, tracer et exploiter des courbes v_G = f(t).

Savoir-faire expérimentaux

Savoir enregistrer expérimentalement le mouvement de chute d'un solide dans l'air et/ou dans un autre fluide en vue de l'exploitation du document obtenu.

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CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

2.1. Chute verticale d'un solide

Force de pesanteur, notion de champ de pesanteur uniforme.

- Chute verticale avec frottement

Application de la deuxième loi de Newton à un mouvement de chute verticale : forces appliquées au solide (poids, poussée d'Archimède, force de frottement fluide) ; équation différentielle du mouvement ; résolution par une méthode numérique itérative, régime initial et régime asymptotique (dit « permanent »), vitesse limite ; notion de temps caractéristique.

- Chute verticale libre

Mouvement rectiligne uniformément accéléré ; accélération indépendante de la masse de l'objet.

Résolution analytique de l'équation différentielle du mouvement ; importance des conditions initiales.

2.2. Mouvement plans

- Mouvement de projectiles dans un champ de pesanteur

Application de la deuxième loi de Newton au mouvement du centre d'inertie d'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme dans le cas où les frottements peuvent être négligés.

Equation horaires paramétriques.

Équation de la trajectoire.

Importance des conditions initiales.

- Satellites et planètes

Lois de Kepler (trajectoire circulaire ou elliptique). Référentiels héliocentrique et géocentrique.

Etude d'un mouvement circulaire uniforme : vitesse, vecteur accélération ; accélération normale.

Énoncé de la loi de gravitation universelle pour des corps dont la répartition des masses est à symétrie sphérique et la distance grande devant leur taille (rappel).

Application de la deuxième loi de Newton au centre d'inertie d'un satellite ou d'une planète : force centripète, accélération radiale, modélisation du mouvement des centres d'inertie des satellites et des planètes par un mouvement circulaire et uniforme, applications (période de révolution, vitesse, altitude, satellite géostationnaire). Interprétation qualitative de l'impesanteur dans le cas d'un satellite en mouvement circulaire uniforme.

Définir un champ de pesanteur uniforme.

Connaître les caractéristiques de la poussée d'Archimède.

Appliquer la deuxième loi de Newton à un corps en chute verticale dans un fluide et établir l'équa­tion différentielle du mouvement, la force de frottement étant donnée.

Connaître le principe de la méthode d'Euler pour la résolution approchée d'une équation différentielle.

Définir une chute libre, établir son équation différentielle et la résoudre.

Définir un mouvement rectiligne uniformément accéléré.

Savoir exploiter des reproductions d'écrans d'ordinateur (lors de l'utilisation d'un tableur grapheur) correspondant à des enregistrements expérimentaux.

Savoir exploiter des courbes v_G = f(t) pour :

- reconnaître le régime initial et/ou le régime asymptotique,

- évaluer le temps caractéristique correspondant au passage d'un régime à l'autre,

- déterminer la vitesse limite.

Dans le cas de la résolution par méthode itérative de l'équation différentielle, discuter la pertinence des courbes obtenues par rapport aux résultats expérimentaux (choix du pas de résolution, modèle proposé pour la force de frottement).

Appliquer la deuxième loi de Newton à un projectile dans un champ de pesanteur uniforme.

Montrer que le mouvement est plan.

Établir l'équation de la trajectoire à partir des équations horaires paramétriques.

Savoir exploiter un document expérimental reproduisant la trajectoire d'un projectile ; tracer des vecteurs vitesse et accélération, déterminer les caractéristiques du vecteur accélération, trouver les conditions initiales.

Savoir-faire expérimentaux

Utiliser un tableur ou une calculatrice pour résoudre une équation différentielle par la méthode d'Euler.

Savoir enregistrer expérimentalement la trajectoire à 'un projectile et exploiter le document obtenu.

Énoncer les lois de Kepler et les appliquer à une trajectoire circulaire ou elliptique. Définir un mouvement circulaire uniforme et donner les caractéristiques de son vecteur accélération. Connaître les conditions nécessaires pour observer un mouvement circulaire uniforme : vitesse ini­tiale non nulle et force radiale.

Énoncer la loi de gravitation universelle sous sa forme vectorielle pour des corps dont la répartition des masses est à symétrie sphérique et la distance grande devant leur taille.

Appliquer la deuxième loi de Newton à un satellite ou à une planète.

Démontrer que le mouvement circulaire et uniforme est une solution des équations obtenues en appliquant la deuxième loi de Newton aux satellites ou aux planètes.

Définir la période de révolution et la distinguer de la période de rotation propre.

Exploiter les relations liant la vitesse, la période de révolution et le rayon de la trajectoire.

Connaître et justifier les caractéristiques imposées au mouvement d'un satellite pour qu'il soit géostationnaire.

Retrouver la troisième loi de Kepler pour un satellite ou une planète en mouvement circulaire uniforme.

Exploiter des informations concernant le mouvement de satellites ou de planètes.

CONTENUS

CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

3.1. Présentation de divers systèmes oscillants mécaniques

Pendule pesant, pendule simple et système solide-ressort en oscillation libre : position d'équilibre, écart à l'équilibre, abscisse angulaire, amplitude amortissement (régime pseudo-périodique, régime apériodique), pseudo-période et isochronisme des petites oscillations, période propre. Expression de la période propre d'un pendule simple ; justification de la forme de l'expression par analyse dimensionnelle.

3.2. Le dispositif solide-ressort

Force de rappel exercée par un ressort.

Étude dynamique du système « solide » : choix du référentiel, bilan des forces, application de la 2e loi de Newton, équation différentielle, solution analytique dans le cas d'un frottement nul.

Période propre.

3.3. Le phénomène de résonance

Présentation expérimentale du phénomène : excitateur, résonateur, amplitude et période des oscilla­tions, influence de l'amortissement.

Exemples de résonances mécaniques.

Définir un pendule simple.

Justifier la position d'équilibre dans le cas d'un pendule simple.

Définir l'écart à l'équilibre, l'abscisse angulaire, l'amplitude, la pseudo-période, la période propre et les mesurer sur un enregistrement.

Énoncer la loi d'isochronisme des petites oscillations.

Savoir comment un système peut atteindre un régime apériodique.

Savoir que dans le cas d'un amortissement faible, la pseudo-période est voisine de la période propre.

Pour un pendule simple, justifier la forme de l'expression de la période propre par analyse dimensionnelle.

À partir d'une série de résultats expérimentaux, vérifier la validité de l'expression de la période pro­pre d'un pendule simple.

Connaître les caractéristiques de la force de rappel exercée par un ressort.

Appliquer la deuxième loi de Newton au solide et effectuer la résolution analytique dans le cas d'un dispositif oscillant horizontalement.

Connaître la signification de tous les termes intervenant dans la solution de l'équation différentielle et leur unité.

Connaître et savoir exploiter l'expression de la période propre, vérifier son homogénéité par analyse dimensionnelle.

Savoir que la résonance mécanique se produit lorsque la période de l'excitateur est voisine de la période propre du résonateur.

Savoir que l'augmentation de l'amortissement provoque une diminution de l'amplitude.

Connaître des exemples de résonance mécanique.

Savoir-faire expérimentaux

Décrire un protocole expérimental permettant :

- d'enregistrer le mouvement d'un système oscillant plus ou moins amorti,

- de vérifier la loi d'isochronisme des petites oscillations,

- de vérifier l'expression de la période propre dans le cas du pendule simple.

Enregistrer un mouvement oscillant amorti.

Savoir mesurer une amplitude, une pseudo-période.

Savoir-faire varier l'amortissement.

Savoir montrer l'influence des paramètres masse et rigidité sur la période propre.

CONTENUS

CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Travail élémentaire d'une force.

Travail d'une force extérieure appliquée à l'extrémité d'un ressort, l'autre extrémité étant fixe.

Énergie potentielle élastique du ressort.

Énergie mécanique du système solide-ressort.

Energie mécanique d'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme.

Connaître l'expression du travail élémentaire d'une force.

Établir l'expression du travail d'une force extérieure appliquée à l'extrémité d'un ressort, par méthode graphique et par intégration.

Établir et connaître l'expression de l'énergie potentielle élastique d'un ressort.

Établir l'expression de l'énergie mécanique d'un système solide-ressort et d'un projectile dans un champ de pesanteur.

Exploiter la relation traduisant, lorsqu'elle est justifiée, la conservation de l'énergie mécanique d'un système.

Calculer la variation de l'énergie cinétique d'un système à partir de la variation d'énergie potentielle et réciproquement.

Savoir exploiter un document expérimental pour :

-calculer des énergies,

-reconnaître et interpréter la conservation ou la non-conservation de l'énergie mécanique d'un système.

CONTENUS

CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE EXIGIBLES

Limites de la mécanique de Newton.

Quantification des échanges d'énergie.

Quantification des niveaux d'énergie d'un atome, d'une molécule, d'un noyau.

Application aux spectres, constante de Planck, ΔE = h ν .

Connaître les expressions de la force d'interaction gravitationnelle et de la force d'interaction électrostatique.

Savoir que l'énergie de l'atome est quantifiée et que la mécanique de Newton ne permet pas d'interpréter cette quantification.

Connaître et exploiter la relation ΔE = h ν , connaître la signification de chaque terme et leur unité.

Convertir les joules en eV et réciproquement.

Interpréter un spectre de raies.

Dans les échanges d'énergie, associer le MeV au noyau et l'eV au cortège électronique.

1 ) Comment mesurer une durée ?

- À partir d'une décroissance radioactive (âge de la Terre, âge de peintures rupestres...).

- À partir de phénomènes périodiques :

. oscillateur électrique entretenu (oscillateur LC),

. mouvements des astres,

. rotation de la Terre,

. horloges à balancier,

. horloges atomiques ; définition de la seconde.

2 ) Mesurer une durée pour déterminer une longueur

- À partir de la propagation d'une onde mécanique (télémètre ultrasonore, échographie, sonar...).

- À partir de la propagation d'une onde lumineuse (télémétrie laser, distance Terre-Lune...).

- Le mètre défini à partir de la seconde et de la célérité de la lumière.

- Le mètre et le pendule battant la seconde.

- Histoire de la mesure des longitudes.

3 ) Mesurer une durée pour déterminer une vitesse :

- Mesure de la célérité du son.

- Mesure de la célérité de la lumière.