Qu'est-ce qu'un circuit électrique ?

Circuit électrique simple avec une seule lampe ou un moteur :

- rôle du générateur ;

- fils de connexion ;

- rôle de l'interrupteur.

Du dessin au schéma, symboles normalisés.

Notion de boucle.

Approche de la notion de court-circuit.

Circuit électrique en boucle simple

Utilisation de : générateur, interrupteur, lampes, moteur, DEL, diode, fils de connexion, résistances (conducteurs ohmiques), en se limitant, outre les interrupteurs, à un générateur et trois dipôles.

Influence de l'ordre et du nombre de dipôles autres que le générateur.

Conducteurs et isolants.

Cas particuliers de l'interrupteur et de la diode.

Caractère conducteur du corps humain.

Le circuit électrique comportant des dérivations.

Omniprésence de l’eau

dans notre environnement.

L'eau, un constituant des boissons et des organismes vivants.

Test de reconnaissance de l'eau.

Les eaux, mélanges homogènes.

Présence dans une eau minérale de substances autres que l'eau.

Obtention d'eau (presque) pure par distillation.

Mesures de masses, unité, le kilogramme (kg).

Mesures de volumes, unité, le mètre cube (m³).

Distinction entre masse et volume.

Conservation de la masse au cours des changements d'état et non conservation du volume.

Repérage d'une température, unité : le degré Celsius (°C).

Existence d'un palier de température lors d'un changement d'état pour un corps pur.

L'eau solvant

L'eau est un solvant de certains solides et de certains gaz, elle est miscible à certains liquides.

SOURCES DE LUMIERE ET IMPORTANCE DE LA DIFFUSION

Entrée de la lumière dans l'oeil

Existence de deux types de sources de lumière :

- les sources primaires (étoiles, Soleil...) ;

- les objets diffusants (planètes, satellites, murs blancs...).

Une condition nécessaire pour la vision : l'entrée de la lumière dans l'oeil.

Propagation rectiligne de la lumière

Le faisceau de lumière.

Modèle du rayon de lumière.

Sens de propagation de la lumière.

Ombre propre, ombre portée et cône d'ombre : interprétation en termes de rayons de lumière.

Système Soleil-Terre-Lune

Phases de la Lune, éclipses : interprétation simplifiée.

Intensité et tension

Introduction opératoire de l'intensité et de la tension.

Intensité : mesure, unité.

Tension : mesure, unité.

Notion de branche et de noeud.

Lois d'unicité de l'intensité en courant continu dans un circuit série et d'additivité de l'intensité dans un circuit comportant des dérivations.

Loi d'additivité vérifiée par la tension.

Le comportement d'un circuit en boucle simple est indépendant de l'ordre des dipôles associés en série qui le constituent.

Caractère universel (indépendant de l'objet) des deux lois précédentes.

Adaptation d'un dipôle à un générateur donné.

Intensité et tension nominale.

Surtension et sous-tension.

La résistance

Approche expérimentale de la "résistance" électrique.

Unité de résistance électrique.

La loi d'Ohm

Le modèle du dipôle ohmique déduit des résultats expérimentaux.

Loi d'Ohm.

Sécurité : fusibles.

Le dioxygène, constituant de l'air avec le diazote.

Caractère compressible d'un gaz.

Masse d'un volume donné de gaz.

Distinction entre mélange et corps pur pour l'air et la vapeur d'eau.

L'existence de la molécule.

Les trois états de l'eau à travers la description moléculaire :

- l'état gazeux est dispersé et désordonné ;

- l'état liquide est compact et désordonné ;

- l'état solide est compact, les solides cristallins sont ordonnés.

Interprétation de la conservation de la masse lors des changements d'états et lors des mélanges.

Les combustions

Test du dioxyde de carbone : le dioxyde de carbone réagit avec l'eau de chaux pour donner un précipité de carbonate de calcium.

Combustion du butane et/ou du méthane.

Tests du dioxyde de carbone et de l'eau formés.

Interprétation atomique de deux ou trois combustions.

Les molécules sont constituées d'atomes.

La disparition de tout ou partie des réactifs et la formation de produits correspond à un réarrangement d'atomes au sein de nouvelles molécules.

Les atomes sont représentés par des symboles, les molécules par des formules.

L'équation de la réaction précise le sens de la transformation (la flèche va des réactifs vers les produits).

Les atomes présents dans les produits sont de même nature et en même nombre que dans les réactifs.

La masse totale est conservée au cours d'une transformation chimique. Équilibrer une équation bilan.

Lumières colorées et couleur des objets

Premières notions sur les lumières colorées :

- rôle d'un filtre ;

- spectre continu ;

- superposition de lumières colorées.

Premières notions sur la couleur des objets.

En absorbant la lumière, la matière reçoit de l'énergie. Elle s'échauffe et transfère une partie de l'énergie reçue à l'extérieur sous forme de chaleur.

Lentilles : foyers et images

Principe de formation des images en optique géométrique.

Concentration de l'énergie avec la lentille mince convergente.

Distance focale.

Sécurité : danger de l'observation directe du soleil à travers une lentille convergente.

Modélisation de l'oeil.

La vision résulte de la formation d'une image sur la rétine.

Approche expérimentale des corrections des défauts de l'oeil (myopie, hypermétropie).

Vitesse de la lumière et du son ; propagation de signaux

- La lumière peut se propager dans le vide et dans des milieux transparents comme l'air, l'eau et le verre.

Vitesse de la lumière dans le vide (3x10⁸ m/s ou 300 000 km/s).

Ordres de grandeur de distances de la Terre à quelques étoiles et galaxies dans l'Univers ou des durées de propagation de la lumière correspondantes.

- Le son se propage dans les milieux matériels (solide, liquide et gaz) ; il ne se propage pas dans le vide.

Ordre de grandeur de la vitesse du son dans l'air : 340 m/s.

Les sons trop intenses ont des conséquences sur l'audition.

- Un émetteur (source de lumière, source sonore, antenne émettrice) émet un signal qui se propage ; ce signal peut être capté par un récepteur (oeil, oreille, antenne réceptrice).

L'homme baigne dans une multitude de signaux qui transportent des informations.

3^e

le contenu du cours

rentrée 2008

CHIMIE, science de la transformation de la matière

(13 semaines)

A1 - Métaux, électrons et ions

A1.1 - Des métaux au quotidien

Quelques métaux usuels : le fer, le zinc, l'aluminium, le cuivre, l'argent et l'or.

A1.2 - Conduction électrique et structure de la matière

L'électron : comprendre la conduction électrique dans les métaux

Tous les métaux conduisent le courant électrique. Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. La conduction électrique dans les métaux s'interprète par un déplacement d'électrons.

L'ion : comprendre la conduction électrique dans les solutions aqueuses

Toutes les solutions aqueuses ne conduisent pas le courant électrique.

La conduction du courant électrique s'interprète par un déplacement d'ions.

Constituants de l'atome : noyau et électrons.

Les atomes et les molécules sont électriquement neutres ; l'électron et les ions sont chargés électriquement.

A.1.3 - Quelques tests de reconnaissance d'ions

Les formules des ions Na⁺, Cl^-, Cu²⁺, Fe²⁺ et Fe³⁺.

Domaines d'acidité et de basicité en solution aqueuse.

Une solution aqueuse neutre, contient autant d'ions hydrogène H⁺ que d'ions hydroxyde HO^-.

Dans une solution acide, il y a plus d'ions hydrogène H⁺ que d'ions hydroxyde HO^-.

Les dangers que présentent les produits acides ou basiques concentrés.

A.1.4 - Réaction entre le fer et l'acide chlorhydrique ; interprétation

- Les ions hydrogène et chlorure sont présents dans une solution d'acide chlorhydrique.

- Critères de reconnaissance d'une transformation chimique : disparition des réactifs et apparition de produits.

A.1.5 - Pile électrochimique et énergie chimique

- Les espèces chimiques présentes dans une pile contiennent de l'énergie chimique dont une partie est transférée sous d'autres formes d'énergie lorsqu'elle fonctionne.

- L'énergie mise en jeu dans une pile provient d'une réaction chimique : la consommation de réactifs entraîne "l'usure" de la pile.

A2 - Synthèse d'espèces chimiques

Peut-on synthétiser l'arôme de banane ?

La synthèse des espèces chimiques déjà existantes dans la nature permet d'en abaisser le coût et/ou la disponibilité. (acétate d'isoamyle)

Peut-on créer de nouvelles espèces chimiques ?

La synthèse d'espèces chimiques n'existant pas dans la nature permet d'améliorer les conditions de vie. (nylon ou savon)

Le nylon et les matières plastiques sont constitués de macromolécules.

B - ENERGIE ELECTRIQUE ET CIRCUITS ELECTRIQUES EN "ALTERNATIF"

(12 semaines)

B.1 - De la centrale électrique à l'utilisateur

L'alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques.

L'énergie reçue par l'alternateur est convertie en énergie électrique.

Distinction entre les sources d'énergie renouvelables ou non.

L'alternateur

Une tension, variable dans le temps, peut être obtenue par déplacement d'un aimant au voisinage d'une bobine.

Tension continue et tension alternative périodique

Tension continue et tension variable au cours du temps ; tension alternative périodique.

Période.

Valeurs maximale et minimale d'une tension.

L'oscilloscope et/ou l'interface d'acquisition, instrument de mesures de tension et de durée

La fréquence d'une tension périodique et son unité, le hertz (Hz), dans le Système International (SI).

Relation entre la période et la fréquence.

La tension du secteur est alternative. Elle est sinusoïdale.

La fréquence de la tension du secteur en France est 50 Hz.

Pour une tension sinusoïdale, un voltmètre utilisé en alternatif indique la valeur efficace de cette tension.

Cette valeur efficace est proportionnelle à la valeur maximale.

B.2 - Puissance et énergie électriques

Puissance : Puissance nominale indiquée par un appareil.

Le watt (W) est l'unité de puissance du Système International (SI).

Énoncé traduisant, pour un dipôle ohmique, la relation P = U.I où U et I sont des grandeurs efficaces.

L'intensité du courant électrique qui parcourt un fil conducteur ne doit pas dépasser une valeur déterminée par un critère de sécurité.

Le coupe-circuit protège les appareils et les installations contre les surintensités.

Énergie : L'énergie électrique E transférée pendant une durée t à un appareil de puissance nominale P est donnée par la relation

E = P.t

Le joule (J) est l'unité d'énergie du Système International (SI).

C - DE LA GRAVITATION... À L'ÉNERGIE MÉCANIQUE

(5 semaines)

C1 - Interaction gravitationnelle

Présentation succincte du système solaire.

Action attractive à distance exercée par /

- le Soleil sur chaque planète ;

- une planète sur un objet proche d'elle ;

- un objet sur un autre objet du fait de leur masse.

La gravitation est une interaction attractive entre deux objets qui ont une masse ; elle dépend de leur distance.

La gravitation gouverne tout l'Univers (système solaire, étoiles et galaxies).

Poids et masse

Action à distance exercée par la Terre sur un objet situé dans son voisinage : poids d'un corps.

Le poids P et la masse m d'un objet sont deux grandeurs de nature différente ; elles sont proportionnelles.

L'unité de poids est le newton (N).

La relation de proportionnalité se traduit par P = m.g

Un objet possède :

- une énergie de position au voisinage de la Terre ;

- une énergie de mouvement appelée énergie cinétique.

La somme de ses énergies de position et cinétique constitue son énergie mécanique.

Conservation d'énergie au cours d'une chute.

C2 - Énergie cinétique et sécurité routière

L'énergie cinétique : la relation donnant l'énergie cinétique d'un solide en translation est :

E_c = 1/2 m.v².

L'énergie cinétique se mesure en joules (J).

La distance de freinage croît plus rapidement que la vitesse.

I - Exploration de l’espace

1.1. Présentation de l’Univers

L’atome, la Terre, le système solaire,

la Galaxie, les autres galaxies.

1.2. Échelle des longueurs

Échelle des distances dans l’univers de l’atome aux galaxies. Unités de longueur.

Taille comparée des différents systèmes.

1.3. L’année de lumière

Propagation rectiligne de la lumière.

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

Définition et intérêt de l’année de lumière.

2.1. Un système dispersif, le prisme

Caractérisation d’une radiation.

Lois de Descartes sur la réfraction pour une radiation (l’un des milieux étant l’air).

Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Variation de l’indice d’un milieu transparent selon la radiation qui le traverse; interprétation qualitative de la dispersion de la lumière par un prisme.

2.2. Les spectres d’émission et d’absorption.

2.2.1. Spectres d’émission

Spectres continus d’origine thermique.

Spectres de raies.

2.2.2. Spectres d’absorption

Bandes d’absorption de solutions colorés.

Raies d’absorption caractéristiques d’un atome ou d’un ion.

2.3. Application à l’astrophysique

II - L’Univers en mouvement et le temps

1.2. Principe d’inertie

1.2.a. Effets d’une force sur le mouvement d’un corps. Rôle de la masse du corps

1.2.b. Enoncé du principe d’inertie pour un observateur terrestre : “tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces qui s’exercent sur lui se compensent”

1.3. La gravitation universelle

1.3.a. L’interaction gravitationnelle entre deux corps.

1.3.b. La pesanteur résulte de l’attraction terrestre.

Comparaison du poids d’un même corps sur la Terre et sur la Lune.

1.3.c. Trajectoire d’un projectile.

Interprétation du mouvement de la Lune (ou d’un satellite) par extrapolation du mouvement d’un projectile.

Utilisation d’un phénomène périodique.

2.1 Phénomènes astronomiques : l’alternance des jours et des nuits, des phases de la lune,

des saisons permettent de régler le rythme

de la vie (jour, heure, mois, année).

2.2 Dispositifs construits par l’Homme.

1. Du macroscopique au microscopique

1.1 Description d’un gaz à l’échelle

microscopique.

1.2 Nécessité de décrire l’état gazeux par des grandeurs physiques macroscopiques

1.2.1 Notion de pression

- force pressante exercée sur une surface, perpendiculairement à cette surface .

- définition de la pression exercée

sur une paroi par la relation P=F/S.

- instrument de mesure de la pression : le manomètre.

- unités de pression.

- mise en évidence et origine de la pression dans un gaz ; interprétation microscopique.

1.2.2. Notion d’état thermique

De nombreux phénomènes physiques peuvent renseigner sur l’état thermique d’un corps comme : la dilatation des liquides, la dilatation

des gaz, la variation de la résistance électrique, l’émission de rayonnement (cf. Messages

de la lumière)… La mesure d’une température implique

l’équilibre thermique de deux corps en contact.

2. Lien entre agitation thermique et

température : équation d’état des gaz parfaits

- l’agitation des molécules constituant un gaz à faible pression caractérise son état thermique et peut être utilisée pour définir sa température.

- tous les gaz permettent de définir la même échelle de température, dite échelle Kelvin.

- l’absence d’agitation thermique correspond au zéro absolu.

- unité de température absolue : le Kelvin.

- la température en degré Celsius est déduite de la température absolue T

1.2. Espèces chimiques naturelles et espèces chimiques synthétiques

2 - Le monde de la chimie : approches expérimentale et historique de l’extraction, de la séparation et de l’identification d’espèces chimiques

2.1. Techniques d’extraction d’espèces chimiques organiques

a) Approche historique

b) Principe de l’extraction par solvant

c) Extraction d'espèces chimiques à partir d'un “produit” de la nature : extraction par solvant ou par entraînement à la vapeur

2.2. Séparation et identification d’espèces chimiques

Caractérisation ou identification par comparaison d’une espèce chimique extraite.

a) Chromatographie

Principe de la chromatographie : phase fixe, phase mobile, révélation, interprétation, application à la séparation des espèces d’un mélange et à l’analyse.

b) Caractéristiques physiques

3.1 Nécessité de la chimie de synthèse.

Quelques exemples de synthèse dans la chimie lourde et dans la chimie fine (à haute valeur ajoutée) à partir des matières premières de la nature et en fonction des besoins des consommateurs.

3.2. Synthèse d'une espèce chimique

3.3. Caractérisation d’une espèce chimique synthétique et comparaison avec un extrait naturel comportant la même espèce chimique que l’espèce synthétisée.

1 - Des modèles simples de description de l’atome

1.1. Un modèle de l’atome

Noyau (protons et neutrons), électrons :

Nombre de charge et numéro atomique Z.

Nombre de nucléons A.

Charge électrique élémentaire, charges des constituants de l’atome.

Électroneutralité de l’atome

Masse : masses des constituants de l’atome ; masse approchée d’un atome et de son noyau, considérée comme la somme des masses de ses constituants.

Dimension : ordre de grandeur du rapport des dimensions respectives de l’atome et de son noyau.

1.2. L’élément chimique

Définitions des isotopes.

Définitions des ions monoatomiques

Caractérisation de l’élément par son numéro atomique et son symbole.

Conservation de l’élément au cours des transformations chimiques.

1.3. Un modèle du cortège électronique

Répartition des électrons en différentes couches, appelées K, L, M.

Répartition des électrons pour les éléments de Z compris entre 1 et 18.

2 - De l’atome aux édifices chimiques

3.1. Classification périodique des éléments.

La démarche de Mendeleïev pour établir sa classification ; son génie, ses erreurs.

Les critères actuels de la classification : Z et les électrons de la couche externe.

III - Transformations de la matière

1.1. De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique : la mole

Unité de la quantité de matière : la mole.

Masse molaire “atomique” : M (g.mol^-1).

2.1. Modélisation de la transformation : réaction chimique

Exemples de transformations chimiques.