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de

Cours • Méthode • Exercices • Corrigés

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Première S

mon annéePhysique Chimie

1re SPhysique Chimie

rédigé par des professeursde l’Éducation Nationale

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© Copyright Cours Legendre – tous droits réservés

Ce cours a été rédigé par : Monsieur Akhebat,

professeur de Sciences physiques

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Le cours de révision est composé de quatre dossiers. 1. Un bilan-test de début de cours qui permet de repérer les éventuelles difficultés et de mieux

orienter ses révisions. Il ne faut pas l’adresser à la correction car vous trouverez les corrigés juste après.

2. Le cours. 4 séries de travail avec des leçons et des exercices d’application. Ceux-ci sont

autocorrectifs et servent d’entraînement aux devoirs. Il ne faut pas les adresser à la correction. 3. Corrigé des exercices. Ce sont les corrigés des exercices du cours. 4. Devoirs à adresser à la correction. 4 devoirs à réaliser après l’étude de chaque série + 2

devoirs facultatifs (« devoir bilan » et « QCM »). Étudiez une série de travail par semaine en faisant tous les exercices d’application, en vérifiant leur exactitude avant de commencer le devoir correspondant. Pour chaque série, un devoir vous est proposé. Exemples : Après l’étude de la première série de travail, faites votre devoir 1 Après l’étude de la deuxième série de travail, faites votre devoir 2… Après avoir rédigé les 4 devoirs, nous vous proposons deux devoirs facultatifs : un devoir de rattrapage et un devoir bilan, avec des exercices récapitulatifs sur toutes les séries. La durée d’étude de ce cours de révision est de quatre à six semaines selon les capacités de l’élève. Travaillez régulièrement chaque jour. Envoyez chaque devoir dès qu’il est terminé pour bénéficier ainsi des conseils des correcteurs. N’attendez pas le retour du devoir corrigé pour continuer à travailler.

Bon Travail !

COURS DE RÉVISION

COMMENT ÉTUDIER SON COURS ?

COURS DE RATTRAPAGE CONSEILS Reprod

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Les questions suivantes ont pour but de vous permettre d'évaluer vos connaissances avant de commencer le cours. Questions : Réponses : 1 )

La couleur émise par un corps chaud correspond à la superposition de l’ensemble des longueurs d’onde et non uniquement à la couleur du maximum d’intensité :

a Vrai b Faux

2 ) L’espèce chimique dissoute est appelée :

a solvant b soluté c solution

3 )

Le spectre d’absorption ne dépend pas de l’espèce chimique colorée :

a vrai b faux

4 ) La matière est formé de 3 constituants élémentaires :

a électrons b protons c neutrons d photons

5 ) Le carbone est tétravalent : a vrai b faux

6 ) Le Becquerel est une unité :

a biologique b de radioactivité c de désintégration nucléaire par seconde

7 ) L’électrisation consiste à faire apparaître sur un corps :

a un excès d’électrons b un défaut d’électrons c les deux à la fois

8 ) La liquéfaction est un passage de :

a l'état gazeux à l'état liquide b l'état liquide à l'état gazeux c l’état liquide à l’état solide

9 ) La Mole est l'unité de quantité de matière :

a vrai b faux

10 ) Un oxydant est une espèce chimique susceptible de :

a céder un ou plusieurs électrons b capter un ou plusieurs électrons

BILAN TEST

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11 ) Newton découvre les lois :

a d'attraction biologique b d'attraction universelle

12 )

L'année lumière est une distance parcourue par la lumière en une année dans le vide :

a vrai b faux

13 )

La lumière est constituée de :

a photons b neutrons c protons

14 ) Ce symbole est :

a le symbole d'une lentille divergente b le symbole d'une lentille convergente c le symbole d’une lentille plane

15 )

Le domaine du visible correspond à :

a 400 -800 mm b 400 – 800 nm c 400-800 µm

16 ) La puissance électrique s’exprime en

a W.H b J c W

17 ) Quel est l'intrus ?

a ohm b joule c calorie

18 ) L'air est composé de 21% d'O2, 78% d'azote et le reste de gaz divers. La pression atmosphérique est de 760 mmhg. Quelle est la pression de l'O2 ?

a 159 mmhg b 170 mmhg c 10 mmhg

19 ) L’oxydation ménagée d’une cétone donne

a un alcool primaire b ne donne pas de produit d’oxydation c donne un alcool secondaire

20 )

Un gaz n'a pas de forme propre :

a vrai b faux

Rep

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20 bonnes réponses : Bravo ! Entre 15 et 19 bonnes réponses : Vous avez de bonnes connaissances qui ne demandent qu'à être approfondies. Entre 10 et 14 bonnes réponses : Trop de trous de mémoire ! Ce livre est fait pour vous ! Entre 6 et 9 bonnes réponses : L'été sera studieux et ce livre un précieux compagnon ! Entre 0 et 5 bonnes réponses : Au boulot ! Et rassurez-vous, vous allez vite progresser !

BONNES RÉVISIONS ET BON COURAGE !

QUESTIONS RÉPONSES

1 a) Vrai

2 b)

3 b) Faux

4 a) b) c)

5 a)

6 b) c)

7 a) et b)

8 a)

9 a)

10 b)

11 b)

12 a)

13 a)

14 a)

15 b)

16 c)

17 a)

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19 b)

20 a)

BILAN TEST - CORRIGÉ

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SOMMAIRE 1ère S

PHYSIQUE - CHIMIE SÉRIE 1

1ère leçon Vision et formation des images 2ème leçon Lumières colorées – Couleur des objets 3ème leçon Sources de lumières colorées 4ème leçon Couleur et réaction chimique

SÉRIE 2

1ère leçon Espèces chimiques colorées 2ème leçon Géométrie des molécules 3ème leçon Matière et univers 4ème leçon Physique nucléaire

SÉRIE 3

1ère leçon Cohésion des solides. Dissolution 2ème leçon Aspect énergétique des transformations de la matière 3ème leçon Champs et forces 4ème leçon Conservation de l’énergie

SÉRIE 4

1ère leçon Ressources énergétiques : Cas de l’énergie électrique 2ème leçon Fonctionnement des piles- Oxydoréduction 3ème leçon Composés organiques oxygénés 4ème leçon Synthèses organiques

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1ère Série 1ère S

Physique - Chimie

PREMIÈRE LEÇON Vision et formation des images

DEUXIÈME LEÇON Lumières colorées – Couleur des objets

TROISIÈME LEÇON Sources de lumières colorées

QUATRIÈME LEÇON Couleur et réaction chimique

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12 1ère leçon


1ère Série PREMIÈRE LEÇON

Vision et formation des images

I - Les lentilles convergentes 1. Caractéristiques des lentilles convergentes Une lentille convergente est un milieu transparent limité par deux calottes sphériques (ou par une calotte sphérique et un plan). Trois types de lentilles convergentes peuvent être distinguées selon leur forme:

- Elles sont caractérisées par des bords minces et un centre épais. - Une lentille convergente est schématisée par le symbole:

- Si on envoie un faisceau de rayons parallèles sur une lentille convergente, alors le faisceau émergent converge en un point.

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13 1ère leçon


1ère Série 2. Propriétés des lentilles convergentes a. Propriétés Une lentille convergente est caractérisée par: - son centre optique: tout rayon passant par le centre O d'une lentille ne subit aucune déviation. Le point O est le centre optique de la lentille; - son axe optique: l'axe optique principal est la droite passant par le centre de courbure d'une des faces sphériques de la lentille; - son foyer image: tout rayon incident parallèle à l'axe optique émerge en passant par un point de cet axe, appelé foyer principal image et noté Fʹ. - son foyer objet: tout rayon incident passant par le foyer principal objet, noté F et situé sur l’axe optique, émerge parallèlement à l'axe principal. Ce point est appelé foyer principal objet. b. Définitions - Distance focale: L'axe optique étant orienté dans le sens de propagation de la lumière, en considérant le centre optique O, on définit la distance focale f ′ telle que: FOf ′=′ où FO ′ représente la mesure algébrique de FO ′ c'est-à-dire la distance de O à F ′ .

FO ′ est positive donc f ′ est une grandeur algébrique positive. L'unité de la distance focale est le mètre. - Vergence Pour caractériser une lentille, les opticiens utilisent la vergence. Elle est définie comme étant l'inverse de la distance focale.

Noté C, la vergence est donnée par: f

C′

=1

avec ′

)( dioptrie en vergence:(m) mètre en focale distance

dCf :

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14 1ère leçon


1ère Série II - Construction géométrique de l'image d'un objet 1. Utilisation de rayons particuliers Soit AB un objet positionné de façon perpendiculaire à l'axe optique. Pour obtenir l'image BA ′′ de l'objet AB, on peut utiliser deux rayons dont on connaît le trajet:

- le rayon BO passant par le centre optique n'est pas dévié; - le rayon BI parallèle à l'axe optique émerge de la lentille en passant par le foyer image F′ . Ainsi l'image BA ′′ se forme à l'intersection de ces deux rayons. - Un troisième rayon permet de confirmer la position de BA ′′ , à savoir, le rayon BF passant par le foyer objet de la lentille qui émerge de celle-ci parallèlement à l'axe optique et passe par B′ . 2. Image réelle et image virtuelle Deux possibilités existent pour l'obtention d'une image: - si la distance entre l'objet et la lentille est supérieure à la distance focale, alors une image réelle se forme et celle-ci peut être observée sur un écran par exemple. L'image obtenue est renversée et selon la position de l'objet elle peut être plus grande ou plus petite que celui-ci. - dans le cas où la distance objet-lentille est inférieure à la distance focale, l'image obtenue ne peut être recueillie sur un écran. Elle est dite virtuelle et se forme derrière l'objet. Dans ce cas, elle est droite et plus grande que l'objet (exemple: image d'un objet regardé à travers une loupe). On détermine sa position en prolongeant les rayons lumineux émergeant de la lentille.

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15 1ère leçon


1ère Série 3. Relations de conjugaison et de grandissement a) Repérage Les positions des points image et objet sont repérés sur le schéma optique à partir du centre optique O de la lentille, considéré comme l'origine du repère. L'axe optique constitue l'axe des abscisses orienté dans le sens de propagation de la lumière, l'axe des ordonnées étant perpendiculaire à l'axe des abscisses (confondu avec la lentille) et orienté de bas en haut. Exemple: dans la construction du 1. on a: 𝐴𝐴𝐴𝐴�� > 0, 𝐴𝐴′𝐴𝐴′�� < 0, 𝑂𝑂𝑂𝑂�� < 0 et 𝑂𝑂𝑂𝑂′�� > 0 b) Relation de conjugaison de Descartes La position de l'image est fonction de la position de l'objet par rapport à la lentille. Si AO ′ caractérise la position de l'image et OA celle de l'objet, on a la relation, dite de conjugaison:

CFFOOAAO

==′

=−′ '

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avec FOAOOA ′′,, en m et C en δ. Cette relation détermine algébriquement les positions de l'objet et de l'image par rapport au centre optique. c) Relation de grandissement Le grandissement γ d'une lentille est défini par:

OAAO

ABBA ′

=′′

=γ

γ est une grandeur algébrique sans dimension. Remarques: - si γ est positif, l'image et l'objet sont dans le même sens; - si γ est négatif, l'image et l'objet sont de sens contraire; - si 1>γ , l'image est plus grande que l'objet; - si 1<γ , l'image est plus petite que l'objet.

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16 1ère leçon


1ère Série III - L'œil 1. Anatomie de l'œil

La lumière issue des objets observés pénètre dans l'œil par la pupille en traversant plusieurs milieux transparents : la cornée, l'humeur aqueuse, le cristallin et l'humeur vitrée. Le fond de l'œil est tapissé par une membrane, la rétine, où vient se former l'image de l'objet observé. Elle est constituée de photorécepteurs (cônes et bâtonnets) qui convertissent le signal lumineux en un signal électrique. L'information résultante est transmise au cerveau par le nerf optique. 2. Oeil réduit On peut établir une analogie entre l'œil et un système optique où chaque partie possède un rôle particulier: - la pupille et l'iris jouent le rôle de diaphragme; - l'ensemble cornée-humeur aqueuse-cristallin peut être assimilé à une lentille convergente; - la rétine a pour fonction le rôle d'écran.

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17 1ère leçon


1ère Série 3. Accommodation - La vision d'un objet est nette si son image se forme sur la rétine. Pour un œil normal (emmétrope) au repos, l'image d'un objet très éloigné (considéré à l'infini) se forme sur la rétine. Ainsi le cristallin ne se déforme pas pour une telle observation. - Pour la vision d'un objet proche, la formation d'une image sur la rétine (vision nette) nécessite que l'œil devienne plus convergent. Les muscles ciliaires vont agir sur le cristallin en le bombant, rendant ainsi le système optique de l'œil plus convergent. Par conséquent, le cristallin de l'œil est une lentille de distance focale variable, donc de vergence variable. Selon la position de l'objet par rapport à l'œil, celui-ci augmente ou diminue sa vergence afin d'obtenir une image se formant sur la rétine nécessaire à une vision nette. Cette adaptation de l'œil est appelée accommodation. Exercice 1 On considère une lentille convergente L dont la vergence C est de d20+ . Un objet AB de 2 cm de hauteur est placé perpendiculairement à l'axe optique à 10 cm avant la lentille L, le point A étant situé sur l'axe optique. 1. Déterminer la position, la taille et le sens de l'image obtenue BA ′′ par le calcul. 2. Construire le schéma optique à l'échelle pour confirmer les résultats obtenus.

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18 1ère leçon


1ère Série Exercice 2 Une lentille convergente donne d'un objet AB mesurant 1 cm, une image BA ′′ de taille 2 cm. 1. Sachant que la distance de l'objet à l'image AA ′ est de 1 mètre, déterminer la position du centre optique O de la lentille.

2. En déduire la vergence de cette lentille. Exercice 3 Le système optique d'un projecteur de cinéma est équivalent à une lentille convergente de distance focale 8 cm. L'écran est placé à 30 m de la lentille. 1. Où doit-on placer la pellicule du film pour que l'image soit nette sur l'écran ? 2. a) Quel est alors le grandissement de cette lentille ? b) Comparer la taille de l'image à celle de l'objet.

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19 2ème leçon


1ère Série

DEUXIÈME LEÇON

Lumières colorées. Couleur des objets I – Lumières colorées 1. Dispersion de la lumière En éclairant un prisme avec un faisceau parallèle de lumière blanche (lumière solaire ou d’une lampe à incandescence), on constate que : - le faisceau est dévié vers la base du prisme ; la lumière subit une réfraction ; - en recueillant le faisceau à la sortie du prisme sur un écran, on y observe les couleurs de l’arc en ciel. Cette succession de couleurs constitue le spectre continu de la lumière blanche.

2. Composition de la lumière blanche D’après l’expérience précédente, on constate que la lumière blanche est constituée d’un ensemble de radiations colorées allant du rouge au violet. Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d’onde. Le domaine correspondant aux radiations visibles varie de 380 nm (violet) à environ 780 nm (rouge). De part et d’autre de ce domaine existent les radiations infrarouges (au-delà de 800 nm) et ultraviolettes (en deçà de 400 nm) invisibles à l’œil humain. 3. Lumières monochromatiques et polychromatiques - La lumière blanche constituée de plusieurs radiations donnant un spectre continu est une lumière polychromatique. - En recommençant l’expérience du prisme avec un pinceau de lumière émis par un laser, on remarque qu’il n’y a pas de décomposition de la lumière. Le spectre obtenu sur l’écran n’est constitué que d’une seule raie, celle correspondant à la radiation de départ. Ainsi on dit que la lumière du laser est monochromatique. 4. Obtention de lumières colorées La couleur d’une lumière est celle prise par un objet blanc (un écran par exemple) éclairé par cette lumière. Pour obtenir une lumière colorée, on peut : - interposer un filtre coloré devant un faisceau de lumière blanche. Seule la couleur correspondant au filtre sera diffusée ; - utiliser une source de lumière monochromatique (laser par exemple).

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20 2ème leçon


1ère Série II – Couleurs des objets 1. Principe de la vision Un corps est visible quand la lumière issue de lui atteint l’œil de l’observateur. La lumière que le corps envoie peut être soit directement produite par lui (source primaire), soit renvoyée par le corps du fait qu’il est éclairé (source secondaire). Par exemple, le Soleil est une source primaire de lumière et la Lune une source secondaire. 2. Couleur d’un corps a) Phénomènes physiques impliqués Lorsque la surface d’un objet est éclairée par une lumière incidente, celle-ci peut : - renvoyer la lumière dans une direction privilégiée : on a une réflexion ; - renvoyer la lumière dans toutes les directions : on a une diffusion ; - ne pas renvoyer certaines radiations composant cette lumière : c’est l’absorption ; - laisser passer une partie de la lumière incidente : c’est la transmission. La couleur qui résulte d’un corps correspond à la composition de la lumière diffusée par le corps. b) Couleurs d’un corps en lumière blanche Un objet paraît blanc car celui-ci renvoie toutes les radiations visibles de la lumière incidente qu’il reçoit. Si l’objet absorbe quasiment toutes les radiations qu’il reçoit, alors il apparaît noir. Eclairé en lumière blanche, un objet coloré absorbe une partie des radiations composant la lumière blanche et diffuse la partie complémentaire donnant la sensation de la couleur observée. c) Couleur d’un corps éclairé par une lumière colorée La couleur observée d’un corps dépend du spectre de la lumière diffusé par lui. La couleur diffusée par l’objet va être celle de la lumière incidente qui l’éclaire, amputée des couleurs absorbées. Ainsi un corps ne possède pas de couleur propre. Celle-ci dépend de la lumière qu’il reçoit et des radiations qu’il absorbe. Exemple : Un citron éclairé par une lumière incidente blanche paraît jaune. Cela signifie que seules les radiations qui donnent une sensation jaune sont diffusées par le citron et que les autres radiations composant la lumière blanche sont absorbées. Mais si on éclaire un citron par une lumière bleue, celui-ci paraîtra gris-noir car il diffuse seulement la lumière jaune et la lumière bleue ne comporte pas de radiations jaunes.

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21 2ème leçon


1ère Série III – Reproduction de lumières colorées 1. Synthèse additive On peut reproduire une infinité de lumières colorées à partir de trois faisceaux de lumières de couleurs rouge, vert et bleu. - Si on superpose ces trois lumières avec une même intensité lumineuse, elles donnent naissance à de la lumière blanche. On peut donc écrire : rouge + vert + bleu = blanc Ces trois couleurs sont dites primaires. - Si on ne superpose que deux lumières primaires, on obtient des lumières, dites secondaires, à savoir : rouge + vert = jaune rouge + bleu = magenta bleu + vert = cyan En variant l’intensité de chacune des lumières primaires, on peut obtenir l’ensemble des couleurs. C’est ce principe, dit de la trichromie, qu’utilisent les écrans des smartphones, ordinateurs, téléviseurs.

Illustration de la synthèse additive des couleurs 2. Synthèse soustractive La synthèse soustractive est réalisée en superposant des filtres colorés entre la lumière blanche incidente et l’observateur. Par exemple, le filtre magenta ne laisse passer que les lumières rouge et bleue et absorbe la lumière verte. Les couleurs de base sont à présent le magenta, le jaune et le cyan. Elles constituent les couleurs primaires pour la synthèse soustractive. Ce procédé est utilisé en peinture et en imprimerie. Ici, ce sont les pigments qui jouent le rôle de filtres.

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22 2ème leçon


1ère Série

Illustration de la synthèse soustractive des couleurs 3. Couleur complémentaires - Des couleurs sont complémentaires l’une de l’autre si, par synthèse additive, elles forment une lumière blanche. Exemple : La superposition des lumières de couleurs bleu et rouge donne une lumière de couleur magenta, couleur qui est donc complémentaire du vert. - En synthèse soustractive, la superposition des couleurs complémentaires produit le noir. Exemple : On a vu que vert et magenta sont des couleurs complémentaires. En utilisant un filtre magenta une lumière blanche ne laisse passer que le bleu et le rouge. Ensuite, l’utilisation d’un filtre vert sur cette lumière va absorber le bleu et le rouge. Comme le vert n’est plus présent dans cette lumière, il va en résulter le noir. Exercice 4 Dans un tunnel routier, on utilise pour l’éclairage des lampes qui diffusent une lumière jaune. Indiquer quelle est la couleur perçue, dans un tunnel, d’une voiture, qui observée à la lumière du jour paraît : 1. blanche 2. jaune 3. bleue 4. noire 5. magenta

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23 2ème leçon


1ère Série Exercice 5 Deux lumières sont complémentaires si, lorsqu’elles sont superposées, donnent naissance à une lumière blanche. Indiquer la couleur complémentaire : 1. du bleu 2. du cyan Exercice 6 Une imprimante à jet d’encre a permis l’impression d’une photo représentant un paysage et un personnage constitués par : . ciel bleu, soleil jaune, arbre au feuillage vert pour le paysage . anorak rouge, pantalon magenta, chaussures cyan et bonnet noir habillant le personnage Sachant que l’imprimante n’a utilisé que les trois types de cartouches jaune, magenta et cyan, indiquer pour chaque élément de la photo les encres qui ont été nécessaires.

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24 3ème leçon


1ère Série

TROISIÈME LEÇON

Sources de lumières colorées I – Relation entre couleur et température 1. Onde lumineuse La propagation de la lumière peut être associée à une perturbation électrique et magnétique du milieu qu’elle traverse. De ce fait, on parle de rayonnement électromagnétique. Dans le vide, ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière (célérité), notée c :

c = 3 × 105 km . s-1 = 3 × 108 m . s-1

Elles sont de nature périodique, caractérisées par leur fréquence, notée ν. On définit la période T comme l’inverse de la fréquence :

T = 1ν T en s

ν en Hz Définition de la longueur d’onde La longueur d’onde d’une onde électromagnétique dans le vide est la distance en mètre parcourue par l’onde pendant la durée d’une période T. Si on note λ la longueur d’onde, on a la relation :

λ = c . T = 𝑐𝑐ν

Rappel Les longueurs d’onde des ondes lumineuses appartenant au domaine visible sont comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). En deçà de 380 nm on trouve les ultra-violets (U . V) et au-delà de 780 nm existent les infra-rouges (I. R)

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25 3ème leçon


1ère Série 2. Loi de Wien a) Définition Un corps chaud incandescent émet des radiations. Plus la température du corps est élevée, plus le spectre continu de la lumière s’enrichit en raies d’émission dans le domaine des basses longueurs d’onde (violet). Ainsi, la couleur observée d’un corps chauffé varie en fonction de sa température.

b) Loi de Wien La longueur d’onde λmax à laquelle un corps chauffé émet une intensité lumineuse maximale est reliée à la température T par la relation :

λmax. T = constante Avec λ en m, T en K et constante ≃ 2,9 × 10-3 m . K Rappel : La relation entre T(K) et T(°C) est : T(K) = T(°C) + 273,15 c) Conséquences de la loi de Wien - La relation indique que plus la température d’un corps est élevée, plus la longueur d’onde λmax est faible. - Connaissant la longueur d’onde λmax à laquelle émet un corps avec un maximum d’intensité lumineuse, on peut déterminer sa température (et inversement). Rep

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26 3ème leçon


1ère Série Exemples : - Une étoile, le fil d’une lampe à incandescence peuvent être assimilés à un corps chauffé du point de vue rayonnement thermique. - La surface du Soleil a pour température 5 500°C. À quelle longueur d’onde λ correspond cette température ? Réponse : D’après la loi de Wien λmax. T = constante = 2,9 . 10-3 m . K

D’où λmax = 2,9 .10−3

𝑇𝑇

T doit être en Kelvin donc T(K) = T(°C) + 273 = 5 500 + 273 = 5 773 K

Il vient : λmax = 2,9 .10−3

5773 ≈ 5 . 10-7 m = 500 nm

Le pic lumineux se situe dans le vert. II – Matière et rayonnement 1. Théorie corpusculaire de la matière En 1887, le physicien Hertz réalisa une expérience sur « l’effet photoélectrique » que le modèle ondulatoire de la lumière fut incapable d’expliquer. Dans un premier temps, le physicien Max Planck (1900) introduit l’idée que l’énergie d’un rayonnement de fréquence est quantifiée, c’est-à-dire que les échanges d’énergies lumineuses entre la matière et une onde électromagnétique ne peuvent se faire que de manière discontinue. Ensuite Albert Einstein, en 1905, interprète l’effet photoélectrique en formulant les hypothèses suivantes : - Les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement lumineux s’effectuent par quantités discrètes (ou paquets) d’énergie (ou quanta d’énergie). Ces échanges sont ainsi discontinus. - La lumière est constituée par un ensemble de corpuscules lumineux appelés photons, transportant chacun un quantum d’énergie et se propageant à la vitesse de la lumière. Ainsi, l’effet photoélectrique s’interprète par la théorie corpusculaire de la lumière. On peut donc énoncer : Chaque photon transporte un quantum d’énergie ∆E tel que :

∆E = h ν = ℎ 𝑐𝑐λ

où ν et la fréquence et λ la longueur d’onde de la radiation monochromatique. ν en Hz λ en m ∆E en Joules (J) Le joule représente l’unité de l’énergie dans le système international (S.I) h est une constante nommée constante de Planck et a pour valeur :

h = 6,63 . 10-34 J . s Une autre unité de ∆E, plus adaptée aux valeurs correspondant à un quantum d’énergie est utilisée : il s’agit de l’électron-volt (eV). La relation entre l’électron-volt et le joule est :

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27 3ème leçon


1ère Série

1 eV = 1,60 . 10-19 J

2. Énergie d’un atome Un atome est constitué d’un noyau de charge positive autour duquel gravitent des électrons chargés négativement. Hypothèses de Niels Bohr (1913) L’énergie d’un atome ne peut prendre que certaines valeurs formant une suite discontinue. Les états correspondant à ces valeurs particulières sont appelés niveaux d’énergie de l’atome. Ainsi, les orbites des électrons sont situées à des distances précises du noyau et correspondent à des énergies bien déterminées. Lorsque l’atome est à son niveau d’énergie le plus bas ont dit qu’il se situe dans son état fondamental. Si l’atome est à un autre niveau, dans ce cas on dit qu’il est dans un état excité. On peut ainsi représenter les énergies d’un atome dans un diagramme avec en ordonnée l’énergie en eV. Exemple : diagramme d’énergie pour l’atome d’hydrogène.

3. Interaction matière-rayonnement La quantification des niveaux d’énergie d’un atome permet de rendre compte du caractère discontinu des spectres d’émission ou d’absorption d’un atome. a) Émission d’un photon Un atome excité par l’apport d’énergie extérieure (chauffage, décharge électrique par exemple) retourne spontanément vers un état de plus basse énergie en émettant un photon d’énergie donnée ∆E. Cette énergie est telle que ∆E = Ei – Ef où Ei représente l’énergie de l’atome à l’état initial et Ef l’énergie de l’atome à l’état final (Ei > Ef).

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28 3ème leçon


1ère Série

b) Absorption d’un photon Un atome dans un état d’énergie initiale Ei peut absorber un photon d’énergie ∆E pour se retrouver avec une énergie finale Ef(Ef > Ei) à condition que ∆E = Ef – Ei

4. Cartes d’identité des atomes : spectre atomique Lors d’une transition entre deux états d’un atome, les photons émis ou absorbés ont une énergie qui est fonction des états de l’atome. Par conséquent, les longueurs d’onde des radiations composant le spectre de l’atome sont caractéristiques de celui-ci. Ainsi, deux types de spectres peuvent être obtenus : - un spectre de raies d’émission, - un spectre de bandes d’absorption. Pour ce dernier, celui-ci montre des bandes noires sur le fond continu du spectre de la lumière blanche excitatrice utilisée. Exemple pour l’atome d’hydrogène

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29 3ème leçon


1ère Série Exercice d’application L’état fondamental de l’atome d’hydrogène est tel que Ei = -13,6 eV. Il existe un premier état excité situé à Ef = -3,4 eV. Pour passer de Ei à Ef, il faut une énergie ∆E = Ef – Ei soit ∆E = -3,4 – (-13,6) = -3,4 + 13,6 = 10,2 eV

Or ∆E = h ν = ℎ 𝑐𝑐λ

Donc cette énergie correspond à l’absorption d’un photon de longueur d’onde :

λ = ℎ 𝑐𝑐∆E

= 6,63×10−34×3×108

10,2×1,6×10−19

Soit λ = 1,22 × 10-7 m = 122 nm Cette radiation correspond au domaine des ultra-violets. Exercice 7 Un corps émet un rayonnement thermique avec un maximum d’émission pour la longueur d’onde λmax = 580 nm. 1. À quel domaine appartient cette longueur d’onde ? 2. En assimilant cet objet à un corps noir, calculer sa température. 3. Donner la température en °C. 4. Cet objet se refroidit en fonction du temps qui passe. Comment évolue la longueur d’onde du maximum d’émission ? 5. Indiquer le domaine où se situe λmax quand la température a été multipliée par deux.

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30 3ème leçon


1ère Série Exercice 8 L’énergie que doit recevoir un atome d’hydrogène pour passer du premier état excité E1 au deuxième niveau de l’état excité E2 est de 1,89 eV. 1. Calculer cette énergie en joule. 2. En déduire la longueur d’onde du photon que l’atome d’hydrogène doit absorber pour passer de E1 et E2. 3. Indiquer le domaine auquel appartient cette longueur d’onde. Exercice 9 Le spectre ci-dessous représente le spectre d’émission de l’atome de lithium.

1. Le spectre du lithium est-il issu d’une lumière polychromatique ou monochromatique ? 2. Calculer les fréquences des raies de longueur d’onde 498 et 673 nm. 3. Calculer les énergies des photons associées à ces longueurs d’onde ?

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31 3ème leçon


1ère Série 4. À quelle transition correspond l’émission de ces radiations ? Les représenter sur le diagramme des niveaux d’énergie de l’atome de lithium ci-dessous.

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32 4ème leçon


1ère Série QUATRIÈME LEÇON

Couleur et réaction chimique

I – Matière colorée 1. Colorants et pigments On distingue deux sortes de matières colorées : - les colorants : ils sont solubles dans le milieu qui les contient (exemple : colorants alimentaires) - les pigments : ils sont insolubles dans le milieu qui les contient. Une peinture, par exemple, est constituée d’un pigment sous forme de poudre colorée qui est dispersée dans un liquide appelé liant. Une couleur peut être due à la présence d’un ou de plusieurs colorants ou pigments. On peut extraire des pigments et des colorants contenus dans des substances naturelles. La chromatographie sur couche mince (CCM) est une méthode qui permet de séparer les différents constituants d’un mélange dans le but d’une analyse. Certaines espèces chimiques peuvent avoir une couleur qui varie en fonction de paramètres physico-chimiques comme le pH ou la température. On parle de transformation chromatique. Par exemple, le rouge carmin est un colorant qui, à pH inférieur à 7 (acide), prend une couleur orange, à pH neutre (pH = 7) paraît rouge et à pH basique (pH > 7) devient rouge violacé. 2. Substances colorées : le mélange soustractif Un mélange de matières colorées absorbe les radiations de la lumière blanche correspondant aux radiations absorbées par chacun des constituants du mélange. Ainsi, chaque constituant se comporte comme un filtre superposé placé sur le trajet de la lumière. Par conséquent, la couleur perçue est obtenue par synthèse soustractive, les couleurs primaires étant jaune, magenta et cyan. Une substance qui absorbe une couleur du spectre de la lumière blanche diffuse la couleur complémentaire qui représente la couleur apparente de la substance. Exemples : - une solution qui absorbe la couleur bleue paraît jaune (couleur complémentaire du bleu). - un colorant qui absorbe le bleu mélangé à un colorant qui absorbe le vert donne pour le mélange une substance qui absorbe le cyan. Il paraît donc rouge, couleur complémentaire de cyan. Rep

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33 4ème leçon


1ère Série II – Concentration d’une espèce colorée en solution 1. Concentration Si m est la masse de soluté (espèces colorée) et V le volume de solution, alors la concentration massique est définie par :

Cm = 𝑚𝑚𝑉𝑉

Avec m en g, V en L, Cm en g . L-1 - Si n représente la quantité de matière de l’espèce colorée, on définit la concentration molaire C par :

C = 𝑛𝑛𝑉𝑉

Avec n en mol, V en L, C en mol . L-1 2. Loi de Beer – Lambert On définit l’absorbance A d’une solution par la relation :

A = k . C k représente un coefficient de proportionnalité exprimé en L . mol-1 et C est la concentration molaire de la substance colorée en mol . L-1. A est sans unité. Cette relation caractérise la loi de Beer-Lambert. Le coefficient k dépend de la longueur d’onde de la lumière monochromatique utilisée, de la nature de la solution, de la température et de l’épaisseur de solution traversée. Ainsi, A caractérise l’aptitude d’une espèce présente en solution à absorber une radiation monochromatique de longueur d’onde donnée. Remarques : - A se nomme également densité optique - A varie avec la longueur d’onde - Il existe une longueur d’onde λmax pour laquelle le coefficient k est maximum, c’est-à-dire, pour laquelle A est maximale. Exemple : Variation de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde pour une solution de permanganate de potassium.

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34 4ème leçon


1ère Série

L’absorbance de la solution est maximale pour λmax = 520 – 540 nm 3. Dosage spectrophotométrique Un dosage consiste à déterminer précisément la quantité de matière d’une espèce chimique donnée dans un volume défini (concentration). Dans un dosage spectrophotométrique, on utilise un appareil, le spectrophotomètre, qui mesure l’absorbance des solutions colorées à une longueur d’onde donnée. Cette absorbance est fonction de la concentration en espèces chimiques colorées. En utilisant une échelle de teinte de la solution contenant l’espèce chimique à doser, on mesure l’absorbance de chacune des solutions. Dans une plage de concentrations faibles, la courbe A = f(C) obtenue est une droite traduisant la proportionnalité de l’absorbance avec la concentration. Une telle droite obtenue est une droite d’étalonnage. Pour plus de précision, les mesures de A sont faites à λmax de la solution étudiée. Pour déterminer la concentration de l’espèce chimique dans une solution de concentration inconnue à doser, on mesure l’absorbance et on en déduit la concentration à partir de la courbe d’étalonnage.

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35 4ème leçon


1ère Série III – Évolution d’un système chimique - Un système chimique est l’ensemble des espèces chimiques qui sont étudiées. - Un état du système est caractérisé par les grandeurs physiques que sont la température, la pression et aussi par sa nature (états solide, liquide ou gazeux, solution aqueuse…). L’autre caractéristique est de nature quantitative, à savoir, la quantité de matière des espèces chimiques qui constituent l’état du système. - Un système chimique peut évoluer et subir une transformation qui modifie son état. Avant la transformation chimique, le système est dans un état appelé état initial, et après la transformation, il se trouve dans un autre état nommé état final. - Le passage du système de son état initial à son état final représente la transformation chimique. On la symbolise par une flèche allant de l’état initial verse l’état final. 1. Réaction chimique La réaction chimique modélise la transformation chimique subie par un système chimique. Pour la représenter, on écrit l’équation-bilan de la réaction où chaque espèce chimique est symbolisée par sa formule brute. Les espèces chimiques qui entrent en réaction sont les réactifs et celles qui sont formées représentent les produits. Les réactifs sont écrits à gauche de la flèche et les produits à droite. 2. Équilibre d’une équation-bilan. Réactif limitant a) Équation-bilan Au cours d’une transformation chimique les éléments se conservent. Cela nécessite d’affecter à chaque terme de l’équation-bilan des nombres pour l’équilibrer. Ces nombres sont appelés coefficients stoechiométriques. Exemple : Soit une réaction utilisant un réactif coloré : le diiode I2

I2 (aq) + 2 S2 𝑂𝑂32− (aq) 2 I- (aq) + S4 𝑂𝑂62− (aq) I2 réagit avec les ions thiosulfates S2 𝑂𝑂32− pour donner des ions iodures I- et tétrathionates S4 𝑂𝑂62− L’équation-bilan équilibrée indique qu’une molécule de I2 réagit avec 2 ions S2 𝑂𝑂32− pour donner 2 ions I- et un ion S4 𝑂𝑂62− . On peut également dire qu’une mole de I2 réagit avec 2 moles de 𝑆𝑆2𝑂𝑂32− pour donner deux moles de I- et une mole de S4 𝑂𝑂62−. Donc pour une mole de I2 consommée, il disparaît 2 moles de S2 𝑂𝑂32− (2 fois plus), donc on peut écrire :

n(S2 𝑂𝑂32−) = 2 × n(I2) Ainsi, dans cette transformation qui fait intervenir une espèce colorée (le diiode), l’intensité de la coloration rendra compte de l’évolution de la transformation.

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36 4ème leçon


1ère Série b. Réactif limitant Si lors d’une transformation chimique, tous les réactifs ont été consommés et qu’il ne reste à l’état final que les produits en quantité prévue par l’équation-bilan, alors on dit que les réactifs ont été introduits dans des proportions stoechiométriques. Lorsque le mélange des réactifs n’est pas stoechiométrique, un réactif au moins demeure présent à la fin de la réaction, alors que l’autre a été totalement consommé. C’est lorsque ce dernier a disparu que la réaction s’arrête. Il constitue le réactif limitant (c’est-à-dire totalement consommé) ; les autres réactifs encore présents sont dits en excès. c. Exemple Soit une équation-bilan de type : aA + bB cC +dD

-Les réactifs A et B ont été introduits dans des proportions stoechiométriques si 𝑛𝑛(𝐴𝐴)𝑎𝑎

= 𝑛𝑛(𝐵𝐵)𝑏𝑏

où n(A) et n(B) sont les quantités de matière de A et B. -Si A est le réactif limitant, par exemple, alors on a :

𝑛𝑛(𝐴𝐴)𝑎𝑎

< 𝑛𝑛(𝐵𝐵)𝑏𝑏

3. Avancement d’une réaction Pour caractériser l’état d’un système chimique au cours d’une transformation, on utilise une grandeur, notée x, qui s’exprime en mol, appelée avancement. Pour déterminer la composition exacte du système au cours de la transformation, on établit un tableau d’avancement dans lequel figure la quantité de matière des réactifs et des produits dans l’état initial et au cours de la transformation. L’état final de la transformation est caractérisé par le fait que le réactif limitant a disparu. On définit l’avancement maximal xmax comme étant la plus petite valeur de l’avancement qui annule les quantités de matière des réactifs.

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37 4ème leçon


1ère Série Exemple de tableau d’avancement Si on reprend l’équation-bilan : I2 (aq) + 2 S2 𝑂𝑂32− (aq) 2 I- (aq) + S4 𝑂𝑂62− (aq)

Équation de la réaction I2 (aq) + 2 S2 𝑂𝑂32− (aq) 2 I- (aq) + S4 𝑂𝑂62− (aq)

État du système avancement n(I2) n(S2 𝑂𝑂32−) n(I-) n(S4 𝑂𝑂62−)

État initial (mol) 0 n(I2) n(S2 𝑂𝑂32−) 0 0

État au cours de la transformation (mol)

x n(I2) - x n(S2 𝑂𝑂32−) – 2x 0+2x 0+x

État final (mol) xmax n(I2) - xmax n(S2 𝑂𝑂32−) – 2xmax 0+2xmax 0+xmax

4. Étude d’un exemple On considère la réaction de combustion complète du méthane CH4 dans le dioxygène O2. 1. Écrire l’équation-bilan de la combustion 2. Les quantités de matière initiales sont :

n(CH4) = 3 . 10-2 mol et n(O2) = 2 . 10-2 mol Dresser un tableau d’avancement de la réaction et déterminer les quantités de matière des espèces en fin de réaction. Réponse : 1. La combustion complète du méthane donne du dioxyde de carbone et de l’eau d’où :

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O 2.

Équation de la réaction CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

État du système avancement n(CH4) n(O2) n(CO2) n( H2O)

État initial (mol) 0 3 . 10-2 2 . 10-2 0 0

État au cours de la transformation (mol)

x 3 . 10-2 - x 2 . 10-2 – 2x x 2x

État final (mol) xmax 3 . 10-2 - xmax 2 . 10-2 – 2xmax xmax 2xmax

Pour déterminer xmax on résout les équations suivantes : 3 . 10-2 – x = 0 ⇔ x = 3 . 10-2 mol pour CH4 2 . 10-2 – 2x = 0 ⇔ x = 10-2 mol pour O2 La plus petite valeur de x donne xmax, donc xmax = 10-2 mol.

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38 4ème leçon


1ère Série Par conséquent, le dioxygène est le réactif limitant. Ainsi à l’état final on a : xmax = 10-2 mol n(CH4) = 3 . 10-2 – 10-2 = 2 . 10-2 mol n(O2) = 2 . 10-2 – 2 . 10-2 = 0 mol n(CO2) = 10-2 mol n(H2O) = 2 . 10-2 mol Exercice 10 On veut doser un colorant présent dans un sirop. Dans un premier temps, on fabrique une gamme de solutions étalons contenant ce colorant et on mesure leur absorbance à une longueur d’onde λmax = 530 nm.

C(mg . L-1) 0 1 2 3 4 5

A 0 0,14 0,28 0,42 0,56 0,70

Ensuite on prépare une solution de sirop dilué 20 fois et on mesure l’absorbance de cette solution dans les mêmes conditions expérimentales que précédemment. On obtient A = 0,48 1. Tracer le graphe A = f(C). Peut-on appliquer la loi de Beer-Lambert ? 2. Déterminer le coefficient directeur de la droite d’étalonnage. 3. Calculer la concentration C’ du colorant dans la solution dont on a mesuré l’absorbance. 4. En déduire la concentration C de colorant dans le sirop.

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39 4ème leçon


1ère Série Exercice 11 On étudie l’attaque du fer métal par l’acide chlorhydrique. Dans un bécher, on introduit 1 g de limaille de fer, puis on verse un volume V de 50 ml d’acide chlorhydrique de concentration C = 0,5 mol . L-1 1. Écrire l’équation-bilan de la réaction chimique 2. Calculer les quantités de matière des réactifs introduits. 3. En déduire le réactif limitant et donner les quantités de matière des espèces en fin de réaction. 4. Calculer le volume total de gaz dégagé à la fin de la réaction. 5. Quelles sont les concentrations des espèces présentes en solution, à la fin de la réaction ? Données : M(Fe) = 55, 8 g . mol-1

Vm = 24 l . mol-1 Exercice 12 On fait réagir 5,4 g d’aluminium en poudre sur 12,8 g de fleur de soufre (soufre en poudre). Le produit obtenu est du sulfure d’aluminium de formule Al2 S3. 1. Écrire l’équation-bilan de la réaction 2. Calculer les quantités de matière d’aluminium et de soufre à l’état initial.

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40 4ème leçon


1ère Série 3. Construire le tableau d’avancement de la réaction 4. Quel est le réactif limitant ? 5. Faire le bilan en masse des réactifs et des produits à la fin de la réaction. Données : M(Al) = 27 g . mol-1 ; M(S) = 32 g . mol-1

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41 1ère leçon


2ème Série

2ème Série 1ère S

Physique - Chimie

PREMIÈRE LEÇON Espèces chimiques colorées

DEUXIÈME LEÇON Géométrie des molécules

TROISIÈME LEÇON Matière et univers

QUATRIÈME LEÇON Physique nucléaire

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42 1ère leçon


2ème Série

PREMIÈRE LEÇON

Espèces chimiques colorées I – Molécules organiques 1. Définition Une molécule organique est une molécule contenant principalement les éléments carbone (C) et hydrogène (H) Les atomes de carbone forment une chaîne carbonée en étant reliés entre eux. Sur cette chaîne, d’autres atomes ou groupes d’atomes viennent se fixer. Les atomes, exceptés le carbone et l’hydrogène, sont appelés hétéroatomes (exemple : oxygène, azote, soufre, chlore…) Ils constituent des groupes d’atomes caractéristiques conférant des propriétés chimiques particulières pour chaque molécule. Exemples de molécules organiques : Méthane CH4,

Éthanol C2 H6O, Glucose C6H12O6, Urée CON2H4…

2. Groupes caractéristiques ou fonctions Les groupes d’atomes caractéristiques permettent de regrouper les molécules en familles selon leurs propriétés chimiques (on parle aussi de fonctions ou groupes fonctionnels). Exemples Groupe caractéristique Hydroxyle Carbonyle Amine Carboxyle Alcène

Représentation - C - OH

C = O

- C - NH2

O - C

OH

C = C

Famille Alcool Aldéhyde, cétone

Amine Acide carboxylique

Alcène

3. Représentation des molécules a) Formule brute La formule brute d’une molécule indique la nature et le nombre des atomes constituant cette molécule. Exemple : L’éthanol C2H6O est une molécule constituée de 2 atomes de carbone, de 6 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.

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