Physique-ChimieEnseignementdespécialitédelaclassedepremièredelavoiegénérale

Préambuleduprogramme! ObjectifsdeformationEnclassedepremièredelavoiegénérale, lesélèvesquisuivent l’enseignementdespécialitédephysique-chimie,exprimentleurgoûtdessciencesetfontlechoixd’acquérirlesmodesderaisonnementinhérentsàuneformationparlessciencesexpérimentales.Ilsseprojettentainsidansunparcoursquileurouvrelavoiedes études supérieures relevant des domaines des sciences expérimentales, de la médecine, de latechnologie,del’ingénierie,del’informatique,desmathématiques,etc.Laphysique-chimie,scienceàlafoisfondamentale et appliquée, contribue demanière essentielle à l’acquisition d’un corpus de savoirs et desavoir-faire indispensables,notammentdans lecadrede l’apprentissagedessciencesde l’ingénieuretdessciencesdelavieetdelaTerreet,enmêmetemps,constitueunterrainprivilégiédecontextualisationpourlesmathématiquesoul’informatique.

Leprogrammedephysique-chimiedelaclassedepremières’inscritdanslacontinuitédeceluidelaclassedeseconde,enmettantparticulièrementenavantlapratiqueexpérimentaleetl'activitédemodélisationetenproposantuneapprocheconcrèteetcontextualiséedesconceptsetphénomènesétudiés.Ladémarchedemodélisationyoccupedoncuneplacecentralepourformerlesélèvesàétablirunlienentrele«monde»desobjets,desexpériences,des faits et celuidesmodèlesetdes théories.Aussi, l'enseignementproposés'attache-t-ilàpoursuivrel’acquisitiondesprincipauxélémentsconstitutifsdecettedémarche.

Enphysique,commeenchimie, lesthèmesdesecondesontprolongés.Leurétudeserapoursuiviedans lecadre de l’enseignement de spécialité de la classe de terminale, permettant ainsi à l’élève d’étudierprogressivement, dans la continuité et de manière approfondie, un nombre volontairement restreint desujetsdontlesvertusformatricessontavéréespourunepréparationefficaceàl’enseignementsupérieur.Lessavoirs et savoir-faire travaillés complètent, par ailleurs, ceux mobilisés dans le cadre du programme del’enseignementscientifique.

! OrganisationdesprogrammesEncohérenceaveclesprogrammesdesclassesducycle4etdeseconde,celuidelaclassedepremièreeststructuré autour des quatre thèmes : Constitution et transformations de la matière, Mouvement etinteractions, L’énergie: conversions et transferts,Ondes et signaux. Ces thèmes permettent de prendreappuisurdenombreusessituationsdelaviequotidienneetdecontribueràundialoguefructueuxaveclesautres disciplines scientifiques. Ils fournissent l’opportunité de faire émerger la cohérence d'ensemble duprogrammesur:

- desnotionstransversales(modèles,variationsetbilans,réponseàuneaction,etc.);- des notions liées aux valeurs des grandeurs (ordres de grandeur,mesures et incertitudes, unités,

etc.);- des dispositifs expérimentaux et numériques (capteurs, instruments demesure,microcontrôleurs,

etc.);- desnotionsmathématiques (situationsdeproportionnalité,grandeursquotient,puissancesdedix,

fonctions,vecteurs,etc.);- desnotionsenlienaveclessciencesnumériques(programmation,simulation,etc.).

Dans l’écriture des programmes, chaque thème comporte une introduction spécifique indiquant lesobjectifs de formation, les domaines d’application et un rappel des notions abordées dans les classes desecondeouducycle4.Elleestcomplétéeparuntableauendeuxcolonnesidentifiant,d’unepart,lesnotionsetcontenusàconnaître,d’autrepart, lescapacitésexigiblesainsiquelesactivitésexpérimentalessupport

delaformation.Parailleurs,descapacitésmathématiquesetnumériquessontmentionnées;lelangagedeprogrammationconseilléest le langagePython.Laprésentationduprogrammen’imposepas l’ordredesamise enœuvre par le professeur, laquelle relève de sa liberté pédagogique. En classe de première, uneidentification des capacités expérimentales à faire acquérir aux élèves dans le cadre des activitésexpérimentalesestétablie.

! LescompétencesdeladémarchescientifiqueLes compétences retenues pour caractériser la démarche scientifique visent à structurer la formation etl’évaluationdesélèves.L’ordredeleurprésentationnepréjugeenriendeceluidanslequellescompétencessontmobiliséesparl’élèvedanslecadred’activités.Quelquesexemplesdecapacitésassociéesprécisentlescontoursdechaquecompétence,l’ensemblen’ayantpasvocationàconstitueruncadrerigide.

Compétences Quelquesexemplesdecapacitésassociées

S’approprier- Énonceruneproblématique- Rechercheretorganiserl’informationenlienaveclaproblématiqueétudiée- Schématiserlasituation

Analyser/

Raisonner

- Formulerdeshypothèses- Proposerunestratégiederésolution- Planifierdestâches- Évaluerdesordresdegrandeur- Choisirunmodèleoudesloispertinentes- Choisir,élaborer,justifierunprotocole- Fairedesprévisionsàl'aided'unmodèle- Procéderàdesanalogies

Réaliser

- Mettreenœuvrelesétapesd’unedémarche- Utiliserunmodèle- Effectuerdesprocédurescourantes(calculs,représentations,collectesdedonnées,

etc.)- Mettreenœuvreunprotocoleexpérimentalenrespectantlesrèglesdesécurité

Valider

- Fairepreuved’espritcritique,procéderàdestestsdevraisemblance- Identifierdessourcesd’erreur,estimeruneincertitude,compareràunevaleurde

référence- Confronterunmodèleàdesrésultatsexpérimentaux- Proposerd’éventuellesaméliorationsdeladémarcheoudumodèle

Communiquer

Àl’écritcommeàl’oral:- présenterunedémarchedemanièreargumentée,synthétiqueetcohérente;

utiliserunvocabulaireadaptéetchoisirdesmodesdereprésentationappropriés- échangerentrepairs.

Leniveaudemaîtrisedecescompétencesdépenddel’autonomieetdel’initiativerequisesdanslesactivitésproposées aux élèves sur les notions et capacités exigibles du programme. La mise en œuvre desprogrammes doit aussi être l’occasion d’aborder avec les élèves la finalité et le fonctionnement de laphysique-chimie, des questions citoyennes mettant en jeu la responsabilité individuelle et collective, lasécuritépoursoietpourautrui,l’éducationàl’environnementetaudéveloppementdurable.

! ConseilsdidactiquesLeprofesseurestinvité:

- àprivilégierlamiseenactivitédesélèvesenévitanttoutdogmatisme;- àpermettrel'expressiondesconceptionsinitialesdesélèvesetàlesprendreencharge;- àvaloriserl’approcheexpérimentale;- àcontextualiserlesapprentissagespourleurdonnerdusens;

- àprocéderrégulièrementàdessynthèsespourexpliciteretstructurerlessavoirsetsavoir-faireetàlesappliquerdansdescontextesdifférents;

- à tisser des liens aussi bien entre les notions du programme qu’avec les autres enseignements,notamment lesmathématiques, les sciencesde la vieetde laTerre, les sciencesde l’ingénieuretl’enseignement«Enseignementscientifique»;

- à favoriser l'acquisition d'automatismes et à développer l'autonomie des élèves en proposant destempsdetravailpersonnelouengroupe,dansethorslaclasse.

Dès qu’elle est possible, une mise en perspective des savoirs avec l’histoire des sciences et l’actualitéscientifique est fortement recommandée. Le recours ponctuel à des «résolutions de problèmes» estencouragé, ces activités contribuant efficacement à l’acquisition des compétences de la démarchescientifique.

! MesureetincertitudesEncomplémentduprogrammedelaclassedeseconde,celuidelaclassedepremièreintroduitl’évaluationdetypeBd’uneincertitude-type,parexempledanslecasd’unemesureuniqueeffectuéeavecuninstrumentdemesuredont lescaractéristiquessontdonnées.Lorsqu’elleestpertinente, lacomparaisond’un résultatavecunevaleurderéférenceestconduitedemanièrequalitative;uncritèrequantitatifestintroduitdansleprogrammedespécialitéphysique-chimiedelaclassedeterminale.

Demême,lesincertitudescomposéessontabordéesenclassedeterminale.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesVariabilitédelamesured’unegrandeurphysique.

Exploiterunesériedemesuresindépendantesd’unegrandeurphysique:histogramme,moyenneetécart-type.Discuterdel’influencedel’instrumentdemesureetduprotocole.Évaluerqualitativementladispersiond’unesériedemesuresindépendantes.Capaciténumérique:Représenterl’histogrammeassociéàunesériedemesuresàl’aided’untableur.

Incertitude-type. Définirqualitativementuneincertitude-type.Procéderàl’évaluationd’uneincertitude-typeparuneapprochestatistique(évaluationdetypeA).Procéderàl’évaluationd’uneincertitude-typeparuneautreapprochequestatistique(évaluationdetypeB).

Écrituredurésultat.Valeurderéférence.

Écrire,avecunnombreadaptédechiffressignificatifs,lerésultatd’unemesure.Comparerqualitativementunrésultatàunevaleurderéférence.

Contenusdisciplinaires! Constitutionettransformationsdelamatière

1.Suividel’évolutiond’unsystème,sièged’unetransformation

L’objectifdecettepartieestdepoursuivre l’étudede lamodélisationmacroscopiquede la transformationchimiqued’unsystème.Lesnotionsdemassemolaire,volumemolaireetconcentration(enmol.L-1)sontintroduitespourdéterminerla composition d’un système chimique.Pour décrire l’évolution d’un système, siège d’une transformationchimique,desbilansdematièrecompletssonteffectuésens’appuyantsurlanotiond’avancement(enmol).Lesréactionsd’oxydo-réduction,modélisant les transformations impliquantuntransfertd’électron(s)entreespèceschimiques, sont introduitespuis réinvestiespour suivre l’évolutiond’unsystème.Certainesdecesréactions font intervenir des réactifs ou des produits colorés et permettent d’appréhender plus aisémentl’évolutiond’unsystèmeaucoursd’untitrageetderepérerl’équivalence.Pour rendre plus concrète l’introduction de l’ensemble des nouveaux concepts, des exemples dans desdomainesvariésserontproposéspourlestransformationsetlestitrages:combustion,corrosion,détartrage,contrôlequalité,analysedeproduitsd’usagescourants,surveillanceenvironnementale,analysesbiologiques,etc.

NotionsabordéesensecondeQuantité de matière (mol), constante d’Avogadro, solution, soluté, concentration (g.L-1), dosage parétalonnage,modélisationd’unetransformationparuneréactionchimique,équationderéaction,notionderéactiflimitant.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

A) Déterminationdelacompositiondusystèmeinitialàl’aidedegrandeursphysiques

Relationentremassemolaired’uneespèce,massedesentitésetconstanted’Avogadro.Massemolaireatomiqued’unélément.Volumemolaired’ungaz.

Déterminerlamassemolaired’uneespèceàpartirdesmassesmolairesatomiquesdesélémentsquilacomposent.Déterminerlaquantitédematièrecontenuedansunéchantillondecorpspuràpartirdesamasseetdutableaupériodique.Utiliserlevolumemolaired’ungazpourdéterminerunequantitédematière.Déterminerlaquantitédematièredechaqueespècedansunmélange(liquideousolide)àpartirdesacomposition.

Concentrationenmol.L-1.

Déterminerlaquantitédematièred’unsolutéàpartirdesaconcentrationenmol.L-1oueng.L-1etduvolumedesolution.

Absorbance,spectred’absorption,couleurd’uneespèceensolution,loideBeer-Lambert.

Expliquerouprévoirlacouleurd’uneespèceensolutionàpartirdesonspectreUV-visible.Déterminerlaconcentrationd’unsolutéàpartirdedonnéesexpérimentalesrelativesàl’absorbancedesolutionsdeconcentrationsconnues.Proposeretmettreenœuvreunprotocolepourréaliserunegammeétalonetdéterminerlaconcentrationd’uneespècecoloréeensolutionpardesmesuresd’absorbance.Testerleslimitesd’utilisationduprotocole.

B) Suivietmodélisationdel’évolutiond’unsystèmechimiqueTransformationmodéliséeparuneréactiond’oxydo-réduction:oxydant,réducteur,coupleoxydant-réducteur,demi-équationélectronique.

Àpartirdedonnéesexpérimentales,identifierletransfertd’électronsentredeuxréactifsetlemodéliserpardesdemi-équationsélectroniquesetparuneréactiond’oxydo-réduction.Établiruneéquationdelaréactionentreunoxydantetunréducteur,lescouplesoxydant-réducteurétantdonnés.Mettreenœuvredestransformationsmodéliséespardes

2.Delastructuredesentitésauxpropriétésphysiquesdelamatière

Cette partie poursuit lamodélisationmicroscopique de lamatière et illustre la démarche demodélisationconsistant à rendre compte de certaines propriétés macroscopiques des espèces chimiques grâce à lastructure et aux propriétés des entités à l’échelle microscopique. L’écriture des schémas de Lewis estdésormaisexigibleetconduitàprévoirlagéométriedesentitésqui,associéeauconceptd’électronégativité,permetdedéterminerleurcaractèrepolaireounonpolaire.Leconstatd’unecohésionàl’échellemacroscopiquedesliquidesetdessolidesestl’occasiond’introduire,auniveaumicroscopique, le conceptd’interactionentre entités, notamment l’interactionparponthydrogène.Les différents types d’interaction sont ensuite réinvestis pour rendre compte d’opérations courantes aulaboratoiredechimie:dissolutiond’uncomposésolideioniqueoumoléculairedansunsolvantetextractionliquide-liquided’uneespècechimique.

NotionsabordéesensecondeTableaupériodique,analysedeconfigurationélectronique,électronsdevalence,stabilitédesgaznobles,ionsmonoatomiques,modèledelaliaisoncovalente,lecturedeschémasdeLewisdemolécules,solution,solutés,solvant,concentrationmaximaled’unsoluté(solubilité).

Notionsetcontenus

CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

A) Delastructureàlapolaritéd’uneentitéSchémadeLewisd’unemolécule,d’unionmonooupolyatomique.

ÉtablirleschémadeLewisdemoléculesetd’ionsmonooupolyatomiques,àpartirdutableaupériodique:O2,H2,N2,H2O,CO2,

Transformationmodéliséeparuneréactiond’oxydo-réduction:oxydant,réducteur,coupleoxydant-réducteur,demi-équationélectronique.

Àpartirdedonnéesexpérimentales,identifierletransfertd’électronsentredeuxréactifsetlemodéliserpardesdemi-équationsélectroniquesetparuneréactiond’oxydo-réduction.Établiruneéquationdelaréactionentreunoxydantetunréducteur,lescouplesoxydant-réducteurétantdonnés.Mettreenœuvredestransformationsmodéliséespardesréactionsd’oxydo-réduction.

Évolutiondesquantitésdematièrelorsd’unetransformation.

Décrirequalitativementl’évolutiondesquantitésdematièredesespèceschimiqueslorsd’unetransformation.

Étatinitial,notiond’avancement(mol),tableaud’avancement,étatfinal.Avancementfinal,avancementmaximal.Transformationstotaleetnontotale.Mélangesstœchiométriques.

Établirletableaud’avancementd’unetransformationchimiqueàpartirdel’équationdelaréactionetdesquantitésdematièreinitialesdesespèceschimiques.Déterminerlacompositiondusystèmedansl’étatfinalenfonctiondesacompositioninitialepourunetransformationconsidéréecommetotale.Déterminerl’avancementfinald’uneréactionàpartirdeladescriptiondel’étatfinaletcompareràl’avancementmaximal.Déterminerlacompositiondel’étatfinald’unsystèmeetl’avancementfinald’uneréaction.Capaciténumérique:Déterminerlacompositiondel’étatfinald’unsystèmesièged’unetransformationchimiquetotaleàl’aided’unlangagedeprogrammation.Capacitémathématique:Utiliseruneéquationlinéairedupremierdegré.

C) Déterminationd’unequantitédematièregrâceàunetransformationchimiqueTitrageavecsuivicolorimétrique.Réactiond’oxydo-réductionsupportdutitrage;changementderéactiflimitantaucoursdutitrage.Définitionetrepéragedel’équivalence.

Relierqualitativementl’évolutiondesquantitésdematièrederéactifsetdeproduitsàl’étatfinalàlaquantitédesolutiontitranteajoutée.Relierl’équivalenceauchangementderéactiflimitantetàl’introductiondesréactifsenproportionsstœchiométriques.Établirlarelationentrelesquantitésdematièrederéactifsintroduitespouratteindrel’équivalence.Expliquerouprévoirlechangementdecouleurobservéàl’équivalenced’untitragemettantenjeuuneespècecolorée.Réaliseruntitragedirectavecrepéragecolorimétriquedel’équivalencepourdéterminerlaquantitédematièred’uneespècedansunéchantillon.

Lacuneélectronique.Géométriedesentités.

NH3,CH4,HCl,H+,H3O

+,Na+,NH4+,Cl-,OH-,O2-.

Interpréterlagéométried’uneentitéàpartirdesonschémadeLewis.Utiliserdesmodèlesmoléculairesoudeslogicielsdereprésentationmoléculairepourvisualiserlagéométried’uneentité.

Électronégativitédesatomes,évolutiondansletableaupériodique.Polarisationd’uneliaisoncovalente,polaritéd’uneentitémoléculaire.

Déterminerlecaractèrepolaired’uneliaisonàpartirdeladonnéedel’électronégativitédesatomes.Déterminerlecaractèrepolaireouapolaired’uneentitémoléculaireàpartirdesagéométrieetdelapolaritédesesliaisons.

B) Delastructuredesentitésàlacohésionetàlasolubilité/miscibilitéd’espèceschimiquesCohésiondansunsolide.Modélisationpardesinteractionsentreions,entreentitéspolaires,entreentitésapolaireset/ouparponthydrogène.

Expliquerlacohésionauseindecomposéssolidesioniquesetmoléculairesparl’analysedesinteractionsentreentités.

Dissolutiondessolidesioniquesdansl’eau.Équationderéactiondedissolution.

Expliquerlacapacitédel’eauàdissocieruneespèceioniqueetàsolvaterlesions.Modéliser,auniveaumacroscopique,ladissolutiond’uncomposéioniquedansl’eauparuneéquationderéaction,enutilisantlesnotations(s)et(aq).Calculerlaconcentrationdesionsdanslasolutionobtenue.

Extractionparunsolvant.Solubilitédansunsolvant.Miscibilitédedeuxliquides.

Expliquerouprévoirlasolubilitéd’uneespècechimiquedansunsolvantparl’analysedesinteractionsentrelesentités.Comparerlasolubilitéd’uneespècesolidedansdifférentssolvants(pursouenmélange).Interpréterunprotocoled’extractionliquide-liquideàpartirdesvaleursdesolubilitésdel’espècechimiquedanslesdeuxsolvants.Choisirunsolvantetmettreenœuvreunprotocoled’extractionliquide-liquided’unsolutémoléculaire.

Hydrophilie/lipophilie/amphiphilied’uneespècechimiqueorganique.

Expliquerlecaractèreamphiphileetlespropriétéslavantesd’unsavonàpartirdelaformulesemi-développéedesesentités.Citerdesapplicationsusuellesdetensioactifs.Illustrerlespropriétésdessavons.

3.Propriétésphysico-chimiques,synthèsesetcombustionsd’espèceschimiquesorganiques

Cette partie vise à fournir une première approche de la chimie organique en réinvestissant les notionsprécédemmentacquises–schémadeLewis,géométrieetpolaritédesentités, interactionsentreentitéseténergie de liaison – pour interpréter certaines étapes d’un protocole de synthèse et rendre compte del’exothermicitédescombustions.Lesnotionsdechaînescarbonées,degroupescaractéristiques,etdefamillesdecomposéssontintroduites.Auniveaude lanomenclature, ilestuniquementattenduenclassedepremièreque lesélèves justifient larelation entre nom et formule semi-développée de molécules comportant au maximum six atomes decarboneetunseulgroupecaractéristique.Lasynthèsed’uneespècechimiqueorganiquepermetderéinvestir lesbilansdematièrepourparvenirà lanotionderendement.Ilestrecommandédeproposerlasynthèsed’uncomposésolideetcelled’uncomposéliquidepourdiversifierlestechniquesd’isolement,depurificationetd’analyse(esteretsavon,parexemple).Lamatièreorganiqueesttransforméedanslevivant,aulaboratoireoudansl’industriepourproduiredetrèsnombreuses espèces chimiques organiques. Elle est aussi exploitée, en tant que combustibles, dans diversdispositifs de chauffage ou de production d’énergie électrique. L’énergie dégagée par les transformationschimiquesexothermiques,introduiteenclassedeseconde,estassociée,enclassedepremière,auxénergiesmisesenjeulorsdesrupturesetformationsdeliaisons.

Cettepartiepermet,enprenantappuisurdesapplicationsconcrètes,d’illustrerlecaractèreopérationneldelachimie,defaireprendreconsciencedesévolutionsqu’elleapermisesdansl’histoiredel’humanitéetdesdéfis scientifiques auxquels elle doit faire face en termes d’efficacité ou d’empreinte environnementale:synthèsesdemédicaments,utilisationdel’eaucommesolvant,combustiblesfossilesversuscarburantsagro-sourcés,méthanisation,etc.Cesproblématiquespeuventconstituerunesourcesupplémentaired’intérêtetdemotivationpourlesélèves.

NotionsabordéesensecondeSynthèse d’une espèce chimique existant dans la nature, montage à reflux, chromatographie sur couchemince,réactionsdecombustion,transformationschimiquesexothermiquesetendothermiques.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

A) StructuredesentitésorganiquesFormulesbrutesetsemi-développées.Squelettescarbonéssaturés,groupescaractéristiquesetfamillesdecomposés.

Identifier,àpartird’uneformulesemi-développée,lesgroupescaractéristiquesassociésauxfamillesdecomposés:alcool,aldéhyde,cétoneetacidecarboxylique.

Lienentrelenometlaformulesemi-développée.

Justifierlenomassociéàlaformulesemi-développéedemoléculessimplespossédantunseulgroupecaractéristiqueetinversement.

Identificationdesgroupescaractéristiquesparspectroscopieinfrarouge.

Exploiter,àpartirdedonnéestabulées,unspectred'absorptioninfrarouge.Utiliserdesmodèlesmoléculairesoudeslogicielspourvisualiserlagéométriedemoléculesorganiques.

B) Synthèsesd’espèceschimiquesorganiques

Étapesd’unprotocole.

Identifier,dansunprotocole,lesétapesdetransformationdesréactifs,d’isolement,depurificationetd’analyse(identification,pureté)duproduitsynthétisé.Justifier,àpartirdespropriétésphysico-chimiquesdesréactifsetproduits,lechoixdeméthodesd’isolement,depurificationoud’analyse.

Rendementd’unesynthèse.

Déterminer,àpartird’unprotocoleetdedonnéesexpérimentales,lerendementd’unesynthèse.Schématiserdesdispositifsexpérimentauxdesétapesd’unesynthèseetleslégender.Mettreenœuvreunmontageàrefluxpoursynthétiseruneespècechimiqueorganique.Mettreenœuvreuneextractionliquide-liquide,unefiltration,unedistillationfractionnée,unlavagepourisoleretpurifierunproduit.Mettreenœuvreunechromatographiesurcoucheminceouunemesuredetempératuredechangementd’étatpouranalyserunproduit.

C) Conversiondel’énergiestockéedanslamatièreorganique

Combustiblesorganiquesusuels. Citerdesexemplesdecombustiblesusuels.

Modélisationd’unecombustionparuneréactiond’oxydo-réduction.

Écrirel’équationderéactiondecombustioncomplèted’unalcaneetd’unalcool.

Énergiemolairederéaction(J.mol-1),pouvoircalorifique(J.kg-1),énergielibéréelorsd’unecombustion(J).Interprétationmicroscopiqueenphasegazeuse:modificationdesstructuresmoléculaires,énergiedeliaison.

Estimerl’énergiemolairederéactionpourunetransformationenphasegazeuseàpartirdeladonnéedesénergiesdesliaisons.Mettreenœuvreuneexpériencepourestimerlepouvoircalorifiqued’uncombustible.

Combustionsetenjeuxsociétaux. Citerdesapplicationsusuellesquimettentenœuvredescombustionsetlesrisquesassociés.Citerdesaxesd’étudeactuelsd’applicationss’inscrivantdansuneperspectivededéveloppementdurable.

! MouvementetinteractionsLamécaniqueestundomainetrèsrichedupointdevuedel'observationetdel'expérience,maisaussidupoint de vue conceptuel etméthodologique. Elle permet d'illustrer de façon pertinente la démarche demodélisation. Deux caractéristiques inhérentes à l'apprentissage de la mécanique méritent d’êtresoulignées:

- l'immédiateté et la familiarité des situations de mouvement et d'interactions qui ont permisd'ancrerchezlesélèvesdesraisonnementsspontanéssouventopératoiresetdoncàdéconstruire;

- la nécessaire mise en place de savoirs et savoir-faire d’ordre mathématique dont la maîtriseconditionnel’accèsauxfinalitésetconceptspropresàlamécanique.

Le programme de l’enseignement de spécialité de la classe de première complète les connaissances desélèvesàproposdesmodèlesd’interaction;lesinteractionsgravitationnellesetélectrostatiquespermettentaussiunepremière introductionà lanotiondechamp.Ensuite, ladescriptiond’unfluideaureposfournitl'occasiondedécrirelesactionsexercéesparunfluide.Enfin,danslacontinuitéduprogrammedelaclassede seconde, un lien quantitatif entre la force appliquée à un système et la variation de sa vitesse estconstruit,d’abordàtraversuneformulationapprochéedeladeuxièmeloideNewton,puis,danslapartiedu programme dédiée au thème Énergie: conversions et transferts, en adoptant un point de vueénergétique.Si la rédaction du programme est volontairement concise et centrée sur les notions et méthodes de lamécanique, il ne s’agit nullement de proposer aux élèves une présentation décontextualisée de lamécanique.Aucontraire,lessituationsd'étudeoud’applicationsontnombreusesdansdesdomainesaussivariésquelestransports, l’aéronautique, l’explorationspatiale, labiophysique, lesport, lagéophysique, laplanétologie, l’astrophysique. Par ailleurs, l'étude de la mécanique fournit d'excellentes opportunités defaire référenceà l'histoiredes sciences. Le faitdemontrerqu’unmêmeensembledenotionspermetdetraiterdessituationsetdesphénomènesd’échellestrèsdiversesconstitueunobjectifdeformationàpartentière.Lorsdesactivitésexpérimentales, ilestpossibled’utiliserlesoutilscourantsdecaptationetdetraitementd'images, ainsi que les nombreux capteurs présents dans les smartphones. L'activité de simulation peutégalementêtremiseàprofitpourexploiterdesmodèlesàdeséchellesd'espaceoudetempsdifficilementaccessibles à l'expérimentation. Ce thèmeest l’occasiondedévelopper des capacités deprogrammation,parexemplepoursimuleretanalyserlemouvementd'unsystème.Au-delàdesproblématiques liées à lamiseenplaced’unmodèle– s’appuyant ici sur ladeuxième loi deNewton – la mécanique permet d’illustrer la physique comme science de la description des systèmesmatérielsenévolution.

NotionsabordéesensecondeRéférentiel, vecteur position, vecteur vitesse, variation du vecteur vitesse, exemples de forces, principed'inertie.Chargeélectriqueélémentaire.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

1. Interactionsfondamentalesetintroductionàlanotiondechamp

Chargeélectrique,interactionélectrostatique,influenceélectrostatique.LoideCoulomb.

Interpréterdesexpériencesmettantenjeul’interactionélectrostatique.UtiliserlaloideCoulomb.CiterlesanalogiesentrelaloideCoulombetlaloid’interactiongravitationnelle.

Forcedegravitationetchampdegravitation.Forceélectrostatiqueetchampélectrostatique.

Utiliserlesexpressionsvectorielles:-delaforcedegravitationetduchampdegravitation;-delaforceélectrostatiqueetduchampélectrostatique.Caractériserlocalementunelignedechampélectrostatiqueoudechampdegravitation.Illustrerl’interactionélectrostatique.Cartographierunchampélectrostatique.

2. Descriptiond’unfluideaureposÉchellesdedescription.Grandeursmacroscopiquesdedescriptiond’unfluideaurepos:massevolumique,pression,température.

Expliquerqualitativementlelienentrelesgrandeursmacroscopiquesdedescriptiond'unfluideetlecomportementmicroscopiquedesentitésquileconstituent.

Modèledecomportementd’ungaz:loideMariotte.

UtiliserlaloideMariotte.TesterlaloideMariotte,parexempleenutilisantundispositifcomportantunmicrocontrôleur.

Actionsexercéesparunfluidesurunesurface:forcespressantes.

ExploiterlarelationF=P.SpourdéterminerlaforcepressanteexercéeparunfluidesurunesurfaceplaneSsoumiseàlapressionP.

Loifondamentaledelastatiquedesfluides.

Danslecasd’unfluideincompressibleaurepos,utiliserlarelationfournieexprimantlaloifondamentaledelastatiquedesfluides:P2-P1=ρg(z1-z2).Testerlaloifondamentaledelastatiquedesfluides.

3. Mouvementd’unsystèmeLienentrelavariationduvecteurvitessed’unsystèmemodéliséparunpointmatérielentredeuxinstantsvoisinsetlasommedesforcesappliquéessurcelui-ci.Rôledelamasse.

Utiliserlarelationapprochéeentrelavariationduvecteurvitessed’unsystèmemodéliséparunpointmatérielentredeuxinstantsvoisinsetlasommedesforcesappliquéessurcelui-ci:- pourendéduireuneestimationdelavariationdevitesseentre

deuxinstantsvoisins,lesforcesappliquéesausystèmeétantconnues;

- pourendéduireuneestimationdesforcesappliquéesausystème,lecomportementcinématiqueétantconnu.

Réaliseretexploiterunevidéoouunechronophotographied’unsystèmemodéliséparunpointmatérielenmouvementpourconstruirelesvecteursvariationdevitesse.Testerlarelationapprochéeentrelavariationduvecteurvitesseentredeuxinstantsvoisinsetlasommedesforcesappliquéesausystème.Capaciténumérique:Utiliserunlangagedeprogrammationpourétudierlarelationapprochéeentrelavariationduvecteurvitessed’unsystèmemodéliséparunpointmatérielentredeuxinstantsvoisinsetlasommedesforcesappliquéessurcelui-ci.Capacitémathématique:Sommeretsoustrairedesvecteurs.

! L’énergie:conversionsettransferts1. AspectsénergétiquesdesphénomènesélectriquesL’électricitéestundomainetrèsprésentautraversdesesmultiplesapplicationsetriche,tantd’unpointde

vueconceptuel,queméthodologiqueetexpérimental.Dans la continuité du programme de seconde, cette partie met l’accent sur l’utilisation de dipôlesélectriques simples pour modéliser le comportement de systèmes électriques utilisés dans la viequotidienne ou en laboratoire: générateurs, dont les piles, et capteurs. En évitant soigneusement touteconfusionentrelesconceptsd’électricitéetd’énergie,l'enjeuestd'analyserquelquessituationstypiquesàl'aidedeconceptsénergétiquespréalablementconstruits,notammentaucycle4.L’électricitéesteneffetun thème propice à l’étude de bilans énergétiques. La problématique de l’efficacité d'une conversionénergétique,fondamentalepourlesenjeuxenvironnementaux,estégalementabordée.L'applicationdecesnotions renvoieàdenombreuxsecteursd'activités : télécommunications, transports,environnement,météorologie,santé,bioélectricité,etc.Danstouscesdomaines,descapteurstrèsdivers,associés à des circuits électriques, sont utilisés pour mesurer des grandeurs physiques. Le programmepermet d’aborder toutes ces applications avec un point de vue énergétique. Lamise enœuvre de cettepartieduprogrammeestl’occasiond’utiliserdesmultimètres,desmicrocontrôleursassociésàdescapteurs,dessmartphones,descartesd'acquisitions,desoscilloscopes,etc.

Notionsabordéesaucycle4etensecondeÉnergie,puissance,relationentrepuissanceeténergie,identificationdessources,transfertsetconversionsd’énergie,bilanénergétiquepourunsystèmesimple,conversiond’untyped’énergieenunautre.Tension,intensité,caractéristiquetension-courant,loid’Ohm,capteurs.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

Porteurdechargeélectrique.Lienentreintensitéd’uncourantcontinuetdébitdecharges.

Relierintensitéd’uncourantcontinuetdébitdecharges.

Modèled’unesourceréelledetensioncontinuecommeassociationenséried’unesourceidéaledetensioncontinueetd’unerésistance.

Expliquerquelquesconséquencespratiquesdelaprésenced’unerésistancedanslemodèled’unesourceréelledetensioncontinue.Déterminerlacaractéristiqued’unesourceréelledetensionetl'utiliserpourproposerunemodélisationparunesourceidéaleassociéeàunerésistance.

Puissanceeténergie.Bilandepuissancedansuncircuit.EffetJoule.Casdesdipôlesohmiques.Rendementd’unconvertisseur.

Citerquelquesordresdegrandeurdepuissancesfourniesouconsomméespardesdispositifscourants.Définirlerendementd’unconvertisseur.Évaluerlerendementd’undispositif.

2. AspectsénergétiquesdesphénomènesmécaniquesCette partie prolonge le thème "Mouvement et interactions" dont les situations d'étude peuvent êtreanalysées du point de vue de l'énergie. Le travail des forces est introduit comme moyen d’évaluer lestransferts d'énergie en jeu et le théorème de l'énergie cinétique comme bilan d'énergie, fournissant unautrelienentreforcesetvariationdelavitesse.Lesconceptsd'énergiepotentielleetd'énergiemécaniquepermettent ensuite de discuter de l’éventuelle conservation de l'énergiemécanique, en particulier pouridentifierdesphénomènesdissipatifs.

Notionsabordéesaucycle4Énergiecinétique,énergiepotentielle(dépendantdelaposition),bilanénergétiquepourunsystèmesimple,conversiond’untyped’énergieenunautre.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

Énergiecinétiqued’unsystèmemodéliséparunpointmatériel.Travaild’uneforce.Expressiondutravaildanslecasd'uneforceconstante.Théorèmedel’énergiecinétique.

Utiliserl’expressiondel’énergiecinétiqued’unsystèmemodéliséparunpointmatériel.Utiliserl’expressiondutravailWABF=F∙ABdanslecasdeforcesconstantes.Énonceretexploiterlethéorèmedel’énergiecinétique.

Forcesconservatives.Énergiepotentielle.Casduchampdepesanteurterrestre.

Établiretutiliserl'expressiondel'énergiepotentielledepesanteurpourunsystèmeauvoisinagedelasurfacedelaTerre.

Forcesnon-conservatives:exempledesfrottements.

Calculerletravaild’uneforcedefrottementd’intensitéconstantedanslecasd’unetrajectoirerectiligne.

Énergiemécanique.Conservationetnonconservationdel’énergiemécanique.Gainoudissipationd’énergie.

Identifierdessituationsdeconservationetdenonconservationdel’énergiemécanique.Exploiterlaconservationdel’énergiemécaniquedansdescassimples:chutelibreenl’absencedefrottement,oscillationsd’unpenduleenl’absencedefrottement,etc.Utiliserlavariationdel’énergiemécaniquepourdéterminerletravaildesforcesnonconservatives.Utiliserundispositif(smartphone,logicieldetraitementd’images,etc.)pourétudierl’évolutiondesénergiescinétique,potentielleetmécaniqued’unsystèmedansdifférentessituations:chuted’uncorps,rebondsurunsupport,oscillationsd’unpendule,etc.Capaciténumérique:Utiliserunlangagedeprogrammationpoureffectuerlebilanénergétiqued’unsystèmeenmouvement.Capacitémathématique:Utiliserleproduitscalairededeuxvecteurs.

! Ondesetsignaux1. OndesmécaniquesCetteparties'appuiesurlesconnaissancesacquisesenclassedesecondeàproposdessignauxsonorespourdécriredesondesdansdesdomainesvariés.Lerôleparticulier jouépar lemodèledesondespériodiquespermetd'introduireladoublepériodicitéetlanotiondelongueurd'onde,commegrandeurdépendantàlafoisdelasourceetdumilieu.Les domaines d’application sont nombreux: musique, médecine, investigation par ondes ultrasonores,géophysique, audiométrie, etc. Les activités expérimentales associées à cette partie du programmefournissentauxélèvesl'occasiond'utiliserdesoutilsvariéscommedescapteurs,desmicrocontrôleurs,deslogiciels d’analyse ou de simulation d’un signal sonore, etc. L'emploi d’un smartphone comme outild’acquisitionetdecaractérisationd’unsonpeutêtreenvisagé.

NotionsabordéesensecondeSignalsonore,propagation,vitessedepropagation,fréquence,période.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

Ondemécaniqueprogressive.Grandeursphysiquesassociées.

Décrire,danslecasd'uneondemécaniqueprogressive,lapropagationd'uneperturbationmécaniqued'unmilieudansl'espaceetaucoursdutemps:houle,ondessismiques,ondessonores,etc.Expliqueràl’aided’unmodèlequalitatiflapropagationd'uneperturbationmécaniquedansunmilieumatériel.Produireuneperturbationetvisualisersapropagationdansdessituationsvariées,parexemple:ondesonore,ondelelongd’unecordeoud’unressort,ondeàlasurfacedel'eau.

Céléritéd’uneonde.Retard.

Exploiterlarelationentreladuréedepropagation,ladistanceparcourueparuneperturbationetlacélérité,notammentpourlocaliserunesourced’onde.Déterminer,parexempleàl’aided’unmicrocontrôleuroud’unsmartphone,unedistanceoulacéléritéd’uneonde.Illustrerl’influencedumilieusurlacéléritéd’uneonde.

Ondesmécaniquespériodiques.Ondessinusoïdales.Période.Longueurd'onde.Relationentrepériode,longueurd’ondeetcélérité.

Distinguerpériodicitéspatialeetpériodicitétemporelle.Justifieretexploiterlarelationentrepériode,longueurd'ondeetcélérité.Déterminerlescaractéristiquesd'uneondemécaniquepériodiqueàpartirdereprésentationsspatialesoutemporelles.Déterminerlapériode,lalongueurd'ondeetlacéléritéd'uneondeprogressivesinusoïdaleàl'aided'unechaînedemesure.Capacitésnumériques:Représenterunsignalpériodiqueetillustrerl’influencedesescaractéristiques(période,amplitude)sursareprésentation.Simuleràl’aided’unlangagedeprogrammation,lapropagationd’uneondepériodique.Capacitémathématique:Utiliserlegraphedesfonctionssinusetcosinus.

2. Lalumière:imagesetcouleurs,modèlesondulatoireetparticulaireDanslacontinuitéduprogrammedeseconde,cettepartieviseàexpliciterlesrelationsalgébriquesrelativesà la formationd'une imageparune lentillemince convergenteet àpermettred’utiliser cettedescriptionquantitativedanslecadredetechnologiesactuelles,recourantparexempleàdeslentillesàfocalevariable.Encomplémentdecemodèlegéométrique,deuxmodèlesdelalumière–ondulatoireetparticulaire–sontensuiteabordés;ilsserontapprofondisdanslecadredel’enseignementdespécialitéphysique-chimiedelaclassedeterminale.Les domaines d’application de cette partie sont très variés: vision humaine, photographie, vidéo,astrophysique,imageriescientifique,art,spectacle,etc.Lamiseenœuvredecettepartieduprogrammeestsourcedenombreusesexpériencesdémonstrativesetd'activitésexpérimentalesquantitatives.

Notionsabordéesenseconde

Lentille mince convergente, image réelle d'un objet réel, distance focale, grandissement, dispersion,spectres,longueurd'ondedanslevideoudansl'air.

Notionsetcontenus CapacitésexigiblesActivitésexpérimentalessupportdelaformation

A) ImagesetcouleursRelationdeconjugaisond'unelentilleminceconvergente.Grandissement.Imageréelle,imagevirtuelle,imagedroite,imagerenversée.

Exploiterlesrelationsdeconjugaisonetdegrandissementfourniespourdéterminerlapositionetlatailledel’imaged’unobjet-planréel.Déterminerlescaractéristiquesdel’imaged’unobjet-planréelforméeparunelentilleminceconvergente.Estimerladistancefocaled’unelentilleminceconvergente.Testerlarelationdeconjugaisond’unelentilleminceconvergente.Réaliserunemiseaupointenmodifiantsoitladistancefocaledelalentilleconvergentesoitlagéométriedumontageoptique.Capacitésmathématiques:UtiliserlethéorèmedeThalès.Utiliserdesgrandeursalgébriques.

Couleurblanche,couleurscomplémentaires.Couleurdesobjets.Synthèseadditive,synthèsesoustractive.Absorption,diffusion,transmission.Visiondescouleursettrichromie.

Choisirlemodèledelasynthèseadditiveouceluidelasynthèsesoustractiveselonlasituationàinterpréter.Interpréterlacouleurperçued’unobjetàpartirdecelledelalumièreincidenteainsiquedesphénomènesd’absorption,dediffusionetdetransmission.Prévoirlerésultatdelasuperpositiondelumièrescoloréesetl’effetd’unouplusieursfiltrescoloréssurunelumièreincidente.Illustrerlesnotionsdesynthèseadditive,desynthèsesoustractiveetdecouleurdesobjets.

B) ModèlesondulatoireetparticulairedelalumièreDomainesdesondesélectromagnétiques.Relationentrelongueurd’onde,céléritédelalumièreetfréquence.

Utiliseruneéchelledefréquencesoudelongueursd’ondepouridentifierundomainespectral.Citerl’ordredegrandeurdesfréquencesoudeslongueursd’ondedesondesélectromagnétiquesutiliséesdansdiversdomainesd’application(imageriemédicale,optiquevisible,signauxwifi,micro-ondes,etc.).

Lephoton.Énergied’unphoton.Descriptionqualitativedel’interactionlumière-matière:absorptionetémission.Quantificationdesniveauxd’énergiedesatomes.

Utiliserl’expressiondonnantl’énergied’unphoton.Exploiterundiagrammedeniveauxd'énergieenutilisantlesrelationsλ=c/νetΔE=hν. Obtenirlespectred’unesourcespectraleetl’interpréteràpartirdudiagrammedeniveauxd’énergiedesentitésquilaconstituent.

CapacitésexpérimentalesCettepartieprésentel’ensembledescapacitésexpérimentalesquelesélèvesdoiventacquérirdanslecadredel’enseignementdespécialitéphysique-chimiedelaclassedepremière.Lalistequisuitindiquecequelesélèvesdoiventsavoirréaliseràl’issuedeleurformationconduitedanslecadredes"Activitésexpérimentalessupport de la formation". Ces capacités peuvent être mobilisées en abordant différentes parties duprogrammeetcertainesd’entreellespeuventêtremisesenœuvreplusieursfoisaucoursdel'année.Ellesseveulentauserviced’unepart,del’apprentissagedesméthodesetconceptsetd’autrepart,del’acquisitiondescompétencesdeladémarchescientifique.Partieintégrantedel'activitédemodélisation,cettemaitrisedescapacitésexpérimentalesrelèveprincipalementdelacompétence"Réaliser"maisnes'ylimitepas.

La listedes capacitésestorganisée selon les thèmesduprogramme.Deuxd'entreelles sont communesàl’ensembledesthèmes:- respecterlesrèglesdesécuritéliéesautravailenlaboratoire;- mettreenœuvreunlogicieldesimulationetdetraitementdesdonnées.

! Constitutionettransformationsdelamatière

- Préparerunesolutionpardissolutionoupardilutionenchoisissantlematérieladapté.- Réaliserlespectred’absorptionUV-visibled’uneespècechimique.- Réaliserdesmesuresd’absorbanceens’aidantd’unenotice.- Mettreenœuvreuntestdereconnaissancepouridentifieruneespècechimique.- Mettreenœuvreleprotocoleexpérimentald’untitragedirectavecrepéragecolorimétriquede

l’équivalence.- Utiliserunlogicieldesimulationetdesmodèlesmoléculairespourvisualiserlagéométried’entités

chimiques.- Proposeretmettreenœuvreunprotocoled’extractionliquide-liquided’uneespècechimiqueàpartirde

donnéesdesolubilitéetdemiscibilité.- Mettreenœuvredesdispositifsdechauffageàrefluxetdedistillationfractionnée.- Réaliserunefiltration,unlavagepourisoleretpurifieruneespècechimique.- Réaliserunechromatographiesurcouchemince.- Mettreenœuvreundispositifpourestimerunetempératuredechangementd’état.- Respecterlesrèglesdesécuritépréconiséeslorsdel’utilisationdeproduitschimiquesetdeverrerie.- Respecterlemoded’éliminationd’uneespècechimiqueoud’unmélangepourminimiserl’impactsur

l’environnement.

! Mouvementetinteractions

- Mettreenœuvreundispositifpermettantd'illustrerl'interactionélectrostatique.- Utiliserundispositifpermettantderepérerladirectionduchampélectrique.- Mesurerunepressiondansungazetdansunliquide.- Mettreenœuvreundispositifexpérimentalpermettantdecollecterdesdonnéessurunmouvement

(vidéo,chronophotographie,etc.).

! L’énergie:conversionsettransferts- Utiliserunmultimètre,adapterlecalibresinécessaire.- Réaliserunmontageélectriqueconformémentàunschémaélectriquenormalisé.- Mesurerettraiterunsignalaumoyend'uneinterfacedemesureoud'unmicrocontrôleur.- Commanderlaproductiond'unsignalgrâceàunmicrocontrôleur.- Mettreenœuvreunprotocolepermettantd'estimeruneénergietransféréeélectriquementou

mécaniquement.- Respecterlesrèglesdesécuritépréconiséeslorsdel’utilisationd’appareilsélectriques.

! Ondesetsignaux- Mettreenœuvreundispositifexpérimentalpermettantd'illustrerlapropagationd'uneperturbation

mécanique.- Mettreenœuvreundispositifexpérimentalpermettantdecollecterdesdonnéessurlapropagation

d'uneperturbationmécanique(vidéo,chronophotographie,…).- Mettreenœuvreundispositifpermettantdemesurerlapériode,lalongueurd'onde,lacéléritéd'une

ondepériodique.- Mettreenœuvreunedémarcheexpérimentalepourestimerladistancefocaled'unelentillemince

convergente.- Réaliserunmontageoptiquecomportantunelentillemincepourvisualiserl'imaged'unobjetplanréel.- Mettreenœuvreundispositifpourillustrerlasynthèseadditiveoulasynthèsesoustractive.- Mettreenœuvreundispositifpourillustrerquelacouleurapparented'unobjetdépenddelasourcede

lumière.- Mettreenœuvreunprotocoleexpérimentalpermettantd'obtenirunspectred'émission.- Respecterlesrèglesdesécuritépréconiséeslorsdel'utilisationdesourceslumineuses.