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Ceci est un extrait de cela ( Programme de physique - chimie - Classe de Première S. Ministère de l'Éducation nationale. Direction générale de l'enseignement scolaire).

I - Les interactions fondamentales

(Durée indicative : 3 heures, 1 TP)

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 peut être considérée comme constituée de neutrons, protons et électrons.

1 - Particules élémentaires
Les constituants de la matière : neutrons, protons, électrons.
Charge élémentaire.

 

Savoir que toute charge électrique est multiple d’une charge élémentaire.
Connaître 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.

Observer et interpréter, à l’échelle atomique, les phénomènes tels que :
- l’électrisation par frottement,
- l’attraction et la répulsion d’objets,
- le caractère conducteur ou isolant de certains matériaux.
Observation sur une carte (N, Z) du domaine d’existence des noyaux atomiques.

 

 

 

2 - Interactions fondamentales
- La masse et l’interaction gravitationnelle ; loi de Newton.
- Les charges et l’interaction électrique ; loi de Coulomb ; direction, sens, valeur :
F = kqq’/d2 avec k ≅ 9 x 109 SI.
Phénomènes d’électrisation.
Isolants. Conducteurs ; porteurs de charge : électrons et ions.
- Les nucléons et l’interaction forte.
Deux interactions à l’oeuvre dans le noyau : la répulsion coulombienne entre protons compensée, jusqu’à l’uranium, par une interaction attractive intense mais de courte portée.

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

 

Comparaison des interactions électriques et gravitationnelle pour le système électron-proton.
Discuter pourquoi l’interaction gravitationnelle est prédominante en général à l’échelle macroscopique.

 

3 - Interactions et cohésion de la matière à diverses échelles
Échelle astronomique
Échelle atomique et humaine
Échelle du noyau

 

 

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.

 

 

II - Forces, travail et énergie

(Durée indicative : 18 heures, 6 TP)

A - Forces et mouvements

Exemples d'activités
Contenus
Connaissances et savoir-faire exigibles

Observation du mouvement du centre d’inertie.
Observation des mouvements des autres points (vidéos, chronophotographies, etc.)*
Réalisation et exploitation d’enregistrements
: table à coussin d’air, table à digitaliser, vidéos-capteurs chronocinés*, etc.
Détermination de vecteurs vitesses à partir d’enregistrements.
Étude du mouvement du centre d’inertie d’un solide dans diverses situations (projectiles, satellites).
Recherche de forces sur des exemples variés (expériences, vidéos, logiciels, etc.)*.


Utilisation du principe d’inertie pour analyser les forces qui agissent sur un solide, en mouvement ou non.
Mettre en relation la variation du vecteur vitesse VG d’un mobile avec la somme des forces appliquées dans des situations simples et variées.
Expliquer pourquoi il y a des ceintures de sécurité dans les voitures.
Analyser comment le principe d’inertie s’applique à un véhicule qui monte une côte rectiligne à vitesse constante.
Expliquer le rôle des roues motrices et du sol dans le mouvement d’une voiture.

 

 

 

1 - Mouvement d’un solide indéformable

1.1 Vecteur vitesse d’un point du solide
1.2 Centre d’inertie d’un solide
1.3 Mouvement de translation d’un solide
1.4 Mouvement de rotation d’un solide autour d’un axe fixe ; vitesse angulaire


2 - Forces macroscopiques s’exerçant sur un solide
Actions exercées sur un solide ; exemples d’effets produits (maintien en équilibre, mise en mouvement de translation, mise en mouvement de rotation, déformations).

 


3 - Une approche des lois de Newton appliquées au centre d’inertie
1ère loi : Principe d’inertie.
Ce principe n’est vrai que dans certains référentiels.
Ces référentiels sont dits 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 réciproques.

 

 

 

Sur un enregistrement réalisé ou donné, déterminer et représenter le vecteur vitesse V d’un point mobile.
Savoir que le vecteur vitesse V est le même pour tous les points d’un solide en translation. Savoir que chaque point d’un solide en rotation autour d’un axe fixe a une trajectoire circulaire. Pour un solide en rotation autour d’un axe fixe, relier la vitesse d’un point à la vitesse angulaire.


Identifier et représenter les actions qui s’exercent sur un solide.
Prévoir dans des cas simples la possibilité de mise en rotation d’un solide autour d’un axe fixe.


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 = Σƒ 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 = Σƒ 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 deux corps, 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


Analyser un exemple où une force de frottement sert à la propulsion.

B - Travail mécanique et énergie

Exemples d'activités
Contenus
Connaissances et savoir-faire exigibles

Identifier les effets sur un solide de forces dont les points d’application se déplacent dans le référentiel d’étude :
- modifications de la valeur de la vitesse d’un solide en chute libre, d’un solide glissant sur un plan incliné, de la valeur de la vitesse de rotation d’un solide autour d’un axe fixe,
- modifications de l’altitude, de la température, de l’aspect, etc.

 


Utiliser un tableur et un grapheur.
Étude quantitative des variations de la valeur de la vitesse d’un corps dans différentes situations * :
- chutes libres avec et sans vitesse initiale (utilisation de capteurs chronocinés, de logiciels, de vidéos, etc.),
- satellites en mouvement circulaire uniforme, - solide lancé sur une table, etc.


Analyse du travail de la force de gravitation qui s’exerce sur une comète ; conséquence sur sa vitesse.

 


Expérience de Joule ou équivalente.

 


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.

1 - Travail d’une force

1.1 Notion de travail d’une force
Effets possibles d’une force dont le point d’application se déplace.
1.2 Travail d’une force constante
WAB = F.AB = F.AB.cosα
Unité de travail : le joule (symbole : J).
Expression du travail du poids d’un corps.
Travail moteur, travail résistant.
1.3 Puissance du travail d’une ou plusieurs forces


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 d’un corps au voisinage de la Terre ; travail du poids :
WAB(P) = Δ[(1/2) MVG 2].
Interprétation énergétique ; définition de l’énergie cinétique d’un solide en translation.
Généralisation : pour un solide en translation soumis à diverses forces :
(1/2) MVB 2 – (1/2)MVA 2 = ΣWAB(Fext).


2.2 Travail et énergie potentielle de pesanteur
Énergie 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 dans le cas de la chute libre.


2.3 Travail et énergie interne
Quelques autres effets du travail reçu (déformations élastiques, élévation de température, changements d’état physico-
chimiques).
Notion d’énergie interne.


3 - Le transfert thermique
Un travail reçu peut produire une élévation de température d’un corps. Une élévation identique de température peut être obtenue par transfert d’énergie sous une autre forme : le transfert thermique ; aspect microscopique.
Autre mode de transfert énergétique : le rayonnement.

Connaître quelques effets sur un solide de forces dont le ou les points d’application se déplacent.
Exprimer et calculer le travail d’une force constante.


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


Utiliser la relation P = W/Δt.

 


Utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation.
Mettre en oeuvre un dispositif décrit.


Utiliser le fait qu’entre deux positions, dans un référentiel galiléen, la variation 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 de pesanteur d’un solide au voisinage de la Terre.


Expliciter la transformation ’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.
Savoir qu’à l’échelle acroscopique, un transfert thermique se fait spontanément du système dont la température est la plus élevée vers celui dont la température est la plus basse.
Prévoir sur des exemples simples le sens d’un transfert thermique.
Savoir que le rayonnement est un mode de transfert de l’énergie.

La conclusion de l’analyse présentée dans le chapitre s’exprimera sous la forme suivante :
À tout système dans un état donné, on peut associer une grandeur appelée « énergie ». Si l’énergie d’un système augmente
ou diminue, c’est qu’il a reçu ou cédé de l’énergie, que ce soit par travail, par transfert thermique ou par rayonnement.

 

 

III - Électrodynamique

(Durée indicative : 15 heures, 5 TP)

A - Circuit électrique en courant continu

Exemples d'activités
Contenus
Connaissances et savoir-faire exigibles

Interpréter en termes de transferts d’énergie qu’une lampe brille, qu’une résistance s’échauffe, qu’un moteur 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.

 

 

 

 


Inventorier quelques manifestations de l’effet Joule dans la vie courante.

 

 

 

 

 

 

Analyser l’influence de l’agencement des composants sur l’énergie transférée par le générateur au reste du circuit.

 

 


Justification de l’utilisation de hautes tensions pour le transport de l’énergie électrique.

 

1 - Transferts d’énergie au niveau d’un générateur et d’un récepteur

1.1 Énergie électrique We reçue par un récepteur, traversé par le courant d’intensité I, pendant Δt :
We = (VA– VB) I Δt avec UAB = (VA– VB) > 0
Puissance électrique du transfert : P = UABI.

1.2 Effet Joule : applications

 


1.3 Énergie électrique transférée du générateur au reste du circuit pendant la durée Δt : We =(VP– VN) I Δt
(VP– VN) = UPN désigne la différence de potentiel ou tension entre les bornes positive et négative du générateur et I l’intensité du courant qui le traverse.
Puissance électrique du transfert :
P = UPN I


1.4 Bilan du transfert d’énergie pendant la durée Δt
Un récepteur absorbe une énergie électrique UAB.I.Δt, en « dissipe » une partie r.I2.Δt et convertit le reste sous une autre forme (mécanique, chimique).
Un générateur transforme partiellement une forme d’énergie (mécanique, chimique) E.I.Δt en énergie électrique disponible UPN.I.Δt.
Le complément r.I2.Δt est « dissipé » sous forme thermique par effet Joule.

2. Comportement global d’un circuit

2.1 Distribution de l’énergie électrique pendant la durée Δt :
We (générateur) = ΣWe(récepteur)
Justification énergétique des lois d’additivité des tensions et des intensités (loi des noeuds).


2.2 Étude des paramètres influant sur l’énergie transférée par le générateur au reste d’un circuit résistif :
– influence de la force électromotrice E,
– influence des résistances et de leurs associations,
– relation I = E / Req,
– puissance maximale disponible aux bornes d’un générateur, tolérée par un récepteur.

 

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

 

 


Mesurer une différence de potentiel.
Mesurer l’intensité d’un courant.


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


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


Représenter sur un schéma une tension par une flèche.

 


Savoir que, dans un circuit où il n’y a qu’un générateur, le potentiel électrique est une grandeur qui décroît de la borne positive vers la borne négative.
Savoir que la grandeur « puissance électrique » permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Utiliser l’additivité des résistances en série et des conductances en parallèle.


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

B - Magnétisme, forces électromagnétiques

Exemples d'activités
Contenus
Connaissances et savoir-faire exigibles

Étude documentaire sur l’histoire du magnétisme et de l’électromagnétisme*.
Expérience de l’aimant brisé.


Comparaison de deux champs magnétiques.


Mise en oeuvre d’expériences montrant les caractéristiques du champ magnétique crée par :
– un courant rectiligne ;
– une bobine ou un solénoïde.
Comparaison du champ externe d’un solénoïde et celui d’un barreau aimanté.
Mise en évidence du champ magnétique terrestre.

 


Utiliser la loi de Laplace pour interpréter qualitativement des expériences telles que :
– barre mobile sur rails,
– action entre courants parallèles,
– mouvement d’une bobine au voisinage d’un aimant.

Mise en évidence du principe de fonctionnement d’un haut-parleur électrodynamique, d’un moteur à courant continu.
Observer le fonctionnement en microphone, d’un HP électro-dynamique.

 

 

 

 

 

1 - Champ magnétique
Action d’un aimant, d’un courant continu, sur une très courte aiguille aimantée.
Vecteur champ magnétique B : direction, sens, valeur et unité.
Exemples de lignes de champ magnétique ; champ magnétique uniforme.
Superposition de deux champs magnétiques (addition vectorielle).


2 - Champ magnétique créé par un courant
Proportionnalité de la valeur du champ B et de l’intensité du courant en l’absence de milieux magnétiques.
Champ magnétique crée par :
– un courant rectiligne,
– un solénoïde.


3 - Forces électromagnétiques
Loi de Laplace ; direction, sens, valeur de la force : F = I/Bsin α.

 

 

 

 

 

 

4 - Couplage électromécanique
Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.
Rôle moteur des forces de Laplace.
Observation de l’effet réciproque associé au mouvement d’un circuit dans un champ magnétique : conversion d’énergie mécanique en énergie électrique.

Une petite aiguille aimantée permet d’obtenir la direction et le sens du champ magnétique dans une petite région de l’espace.
Les caractéristiques du vecteur champ magnétique.
Réaliser des spectres magnétiques.
Utiliser une sonde à effet Hall.

Les lignes de champ magnétique se referment sur elles-mêmes.
Connaître la topographie du champ magnétique créé par :
– un courant rectiligne,
– un solénoïde.


Savoir que la valeur de B dépend de la géométrie du courant, de son intensité ainsi que du point de mesure.

 


Appliquer la loi de Laplace pour évaluer la force qui s’exerce sur une portion rectiligne de circuit.
Sur un schéma de principe donné, représenter la force de Laplace qui explicite le fonctionnement :
– d’un haut-parleur electrodynamique,
– d’un moteur à courant continu.
Connaître les ordres de grandeur de la puissance des moteurs électriques usuels.

 

 

 

 

 

 

 

 

IV - Optique

(Durée indicative : 9 heures, 3 TP)

Exemples d'activités
Contenus
Connaissances et savoir-faire exigibles

Élaborer une réponse aux questions suivantes
:
– Peut-on voir la lumière ?
– À quelles conditions un objet est-il visible ?
Observation de l’effet d’une lentille convergente, divergente, sur un faisceau de lumière parallèle.

 

Observation et construction de l’image d’un objet donné par un miroir plan ;
détermination du champ d’observation.
Expérience dite des deux bougies.

 

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

 

 

 

 

Étude documentaire et expérimentale d’un instrument d’optique tel que *:
– lunette astronomique,
– lunette terrestre,
– instrument de projection ou de rétroprojection.

 

1 - Conditions de visibilité d’un objet
Rôle de l’oeil dans la vision directe des objets.
Propagation de la lumière : modèle du rayon lumineuxx ; point-objet.
Lentilles convergentes ; lentilles divergentes.
Critères simples de tri.


2 - Images formées par les systèmes optiques

2.1 Images données par un miroir plan
Observation et localisation de l’image d’un objet donnée par un miroir plan.
Point-image conjugué d’un point objet.
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 ; centre optique, foyers ; distance focale, vergence.
Modélisation analytique : relations de conjugaison et de grandissement des lentilles minces convergentes.
La loupe.


3 - Un exemple d’appareil optique
Modélisation expérimentale d’un instrument d’optique simple : lunette astronomique, rétroprojection, lunette terrestre ou jumelles, appareil de projection ou de rétro-projection, etc.

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’oeil.
Savoir que lors de la vision d’une image à travers un système ptique, la lumière issue de l’objet pénètre dans l’oeil après un parcours non rectiligne et que le cerveau l’interprète comme venant en ligne
droite.
Localiser expérimentalement une image.
Déterminer graphiquement la position et la grandeur de l’image d’un point objet dans le cas d’un miroir plan.

 

Schématiser une lentille mince convergente et indiquer les positions de ses foyers et du centre optique.
Déterminer graphiquement la position de l’image d’un point-objet donnée par une lentille convergente.
Utiliser les relations de conjugaison des lentilles minces convergentes. Utiliser le grandissement.
Être capable de faire un montage permettant de mesurer la distance focale d’une lentille convegente.
Être capable de prévoir le sens du déplacement d’une image consécutif à un déplacement de l’objet.

Comprendre les rôles des éléments constitutifs d’un appareil d’optique n’utilisant que des lentilles convergentes et des miroirs plans.

 

* Activités pouvant donner lieu à l’utilisation des technologies de l’information et de la communication.


Date de création : 26/08/2009 @ 13:07
Dernière modification : 26/08/2009 @ 13:21
Catégorie : Physique
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