Le programme de sciences physiques de terminale s a pour trame








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Arrêté fixant le programme de l’enseignement de physique-chimie en classe terminale de la série scientifique
Annexe
I. INTRODUCTION
Le programme de sciences physiques de terminale S a pour trame l’évolution temporelle des systèmes. Les exemples traités, pris dans différents domaines de la physique et de la chimie, en constituent les motifs. Ces motifs sont, à chaque fois que c’est possible, introduits par des situations expérimentales.

Le texte ci-dessous comporte deux parties, l’une consacrée à la physique, l’autre à la chimie. Concernant la physique, cette introduction ne vise pas tant à présenter le programme dans l’ordre où il est proposé qu’à développer les enjeux conceptuels nouveaux de l’année. Les objectifs de chaque partie sont insérés dans chacune d’elles. Concernant la chimie, le texte explicite la progression du questionnement qui la structure.
I. 1 Physique
En classe de seconde, les élèves sont sensibilisés aux ordres de grandeur de distances et de temps du monde observable, et au double regard microscopique-macroscopique. Une première analyse de la cause du mouvement des objets a permis d’introduire le principe de l’inertie, dont l’utilisation heuristique est illustrée dans le cas de la gravitation.

En classe de première S, l’interrogation sur la nature des forces qui lient la matière se prolonge par l’introduction de l’interaction entre charges électriques et la mention de l’interaction entre nucléons. La mise en place de la dynamique est poursuivie par une écriture plus formelle de la relation entre le changement de la vitesse d’un objet et la résultante des forces s’exerçant sur lui. L’élève poursuit la construction du concept de force en s’interrogeant sur la notion de travail et sur les changements que ce travail permet de réaliser : changer l’énergie cinétique d’un mobile, changer son énergie potentielle d’interaction avec la Terre, changer la température d’un corps.



En classe de terminale est mise en place une compréhension plus fine de l’évolution des systèmes, en étudiant celle-ci quantitativement, tant sur le plan expérimental que théorique.

Sur le plan expérimental, observer une évolution c’est mesurer le taux de variation de certaines grandeurs physiques. Qu’il s’agisse de la propagation d’une perturbation dans un milieu, du taux de désintégration d’un noyau radioactif, de l’établissement du courant dans un circuit électrique, du mouvement d’un mobile ou d’un satellite, c’est à des taux de variation que l’on s’intéresse. L’accélération d’un mobile, notion nouvelle pour les élèves dans le cours de physique, est également un taux de variation, si on la comprend comme la vitesse de la vitesse. On s’interrogera sur les paramètres qui pilotent ces évolutions.

Du point de vue théorique, un taux de variation instantané est représenté par une dérivée, notion introduite dans le cours de mathématiques en classe de première S. Etudier les variations temporelles nécessite d’introduire la variable temps dans le formalisme. Le temps, disait Henri Poincaré s’interrogeant sur sa nature, est défini de sorte que les équations de la mécanique soient aussi simples que possible. S’interroger sur les paramètres qui influent sur la dérivée d’une grandeur physique, c’est chercher à établir une équation différentielle. La résoudre permet d’anticiper l’évolution réelle d’un système. La mise en place d’une méthode numérique itérative permet de mieux ancrer l’idée du déterminisme et de la causalité : l’état d’un système à un instant donné dépend de son état aux instants antérieurs et des actions qui s’exercent sur lui.

Ainsi, au cours de leur dernière année de lycée, les élèves ont pour la première fois la possibilité de toucher du doigt le double mouvement de l’activité scientifique dans le domaine de la physique : confronter les prédictions d’un modèle théorique à des résultats expérimentaux, utiliser des résultats expérimentaux pour affiner un modèle théorique.

La variété des systèmes abordés au cours de l’année ne doit donc pas faire perdre le fil directeur du programme : l’évolution des systèmes physiques. C’est ce qui permet de cadrer les différents sujets abordés et d’en préciser les limites.
Parmi les thèmes abordés dans l’enseignement obligatoire, certains relèvent de ce qu’il est convenu d’appeler la matière, d’autres relèvent de la catégorie ondes. Ces catégories ont certes leurs limites (puisqu’on traite notamment des ondes matérielles), mais leur pertinence se justifie notamment par les difficultés conceptuelles spécifiques rencontrées par les élèves.

Le thème « Ondes » traite des ondes mécaniques et introduit le modèle ondulatoire de la lumière (Partie I). Le thème « Matière » explore des systèmes très variés : noyaux atomiques (Partie II), systèmes électriques (Partie III), systèmes mécaniques (Partie IV).
Les ondes mécaniques sont introduites expérimentalement par le phénomène de propagation sans transport de matière d’une perturbation dans un milieu initialement à l’équilibre. Divers montages expérimentaux permettent de mettre en évidence qu’à cette propagation est associé un transport d’énergie, qui s’effectue également sans transport de matière. L’analyse de la propagation de proche en proche d’une perturbation dans un milieu à une dimension lorsque l’amortissement est négligeable conduit à la notion de retard : la perturbation en un point de l’espace à un instant donné est la même que ce qu’elle était en un autre point à un instant antérieur. Les notions de longueur d’onde et de fréquence sont introduites dans le cadre plus particulier des ondes progressives périodiques sinusoïdales.

Le phénomène de diffraction, introduit dans le cas des ondes mécaniques et observé également avec la lumière, permet de modéliser cette dernière, tout du moins pour une partie de ses manifestations, comme une onde.

Le formalisme, dans cette partie, est réduit au minimum. Les ondes étant un phénomène certes familier mais que les élèves abordent pour la première fois comme phénomène physique, il importe surtout de se concentrer sur sa nature particulière, dont l’intérêt est lié à la possibilité de transporter de l’information et de l’énergie en faisant l’économie du transport de la matière.
Dans l’étude de l’évolution des systèmes matériels - nucléaires, électriques et mécaniques - il s’agit, à travers l’exploitation et la formalisation d’expériences diverses, de donner un sens précis au déterminisme classique. On insiste notamment sur l’importance des conditions initiales : une loi d’évolution ne détermine le futur d’un système que si les conditions initiales sont précisées, mais la loi d’évolution ne dit rien des conditions initiales ! Cette question prend un relief particulier lorsque l’on cherche à reconstituer le passé d’un système physique, comme en astrophysique : dans ce cas, l’état actuel fournit les conditions initiales, et l’application de la loi d’évolution permet de remonter le temps. Cette compréhension de l’évolution des systèmes (lois d’évolution + conditions initiales) est à la base de la physique moderne depuis trois siècles et a conditionné tous ses progrès.

Du point de vue formel, l’objet mathématique qui décrit la façon dont les actions déterminent l’évolution d’un système est une équation différentielle. C’est un concept nouveau pour les élèves. Dans les équations qu’ils ont vues précédemment, il s’agit de trouver un nombre. Là, l’inconnue est une fonction. La notion d’équation différentielle est détaillée dans le cours de mathématiques, mais l’interaction physique-mathématique est ici cruciale pour les deux disciplines. Les mathématiques ne sont pas un outil pour la physique, elles en sont constitutives. Leur pertinence pour la description du monde physique peut être l’objet d’une interrogation permanente : comment la manipulation de symboles sur une feuille de papier permet-elle de mettre en place un monde abstrait qui se comporte de façon analogue au monde réel, processus-clef de notre compréhension de la nature et d’une action aux effets prévisibles  ?
Le cadre théorique le plus achevé de ce programme de terminale S est la mécanique (partie IV du programme). Les élèves ont été initiés au principe d’inertie en classe de seconde, à divers types de force en seconde et en première S. Au cours de ces deux années s’est précisée l’idée que ce n’est pas la vitesse qui est le signe d’une interaction entre un mobile et son environnement, mais le changement de la vitesse. En terminale, on introduit le taux de variation de la vitesse, et la formalisation des lois d’évolution peut ainsi être complète. La nouveauté réside dans la possibilité de calculer et prévoir l’évolution temporelle d’un système mécanique, une fois connues les forces en jeu et les conditions initiales. La méthode d’Euler pour la résolution d’une équation d’évolution du premier ordre est mise en œuvre. L’étude expérimentale du mouvement de projectiles dans le champ de pesanteur, d’objets divers dans des liquides, de systèmes oscillants mécaniques, ainsi que la connaissance du mouvement des satellites et des planètes montrent que tous ces mouvements peuvent être formalisés dans un même cadre théorique.

L’étude des systèmes oscillants mécaniques permet d’introduire la notion de période propre d’oscillation d’un système et de résonance.
Cette partie se termine par une ouverture au monde quantique. Quelques remarques simples suggèrent que la dynamique régissant les systèmes nucléaires, atomiques ou moléculaires doit être différente de la dynamique classique : l’identité des systèmes nucléaires ou atomiques (pourquoi tous les atomes d’hydrogène, par exemple, ont-ils strictement les mêmes propriétés ?) comparée à la variété des systèmes planétaires (tous les systèmes planétaires sont différents) ; la taille des atomes, de l’ordre de quelques dixièmes de nanomètres. Dans la mécanique classique, rien ne permet de rendre compte de ces faits. Il ne s’agit pas, en classe de terminale, d’aller au delà de ces interrogations, qui resteront provisoirement sans réponse. Ce sera toutefois l’occasion d’introduire la quantification des états d’énergie de l’atome et la quantification des échanges d’énergie qui en résulte : le monde quantique s’introduit ainsi par la constante de Planck.
D’autres évolutions temporelles sont également envisagées, faisant appel à des systèmes variés dont l’intérêt intrinsèque est évident. Il s’agit des phénomènes liés aux instabilités nucléaires, et des systèmes électriques. Les lois présentées ici ont un caractère empirique, mais elles sont intéressantes à plus d’un titre.

S’agissant de la physique du noyau atomique (partie II du programme), la mesure de la radioactivité naturelle liée à la présence du radon dans notre environnement sera l’occasion de placer des ordres de grandeur sur le phénomène et d’étudier une décroissance radioactive. Comprendre l’échelle à laquelle la radioactivité naturelle se place est un objectif essentiel pour la formation scientifique du citoyen. L’occasion est donnée, en outre, de montrer comment on met en place, lorsque c’est nécessaire, une approche statistique : le comportement d’un noyau est aléatoire, mais celui d’une population de noyaux, en moyenne, est parfaitement déterminé, et régi par une équation différentielle simple. Le programme de mathématiques se charge d’opérer le passage du caractère aléatoire de la désintégration d’un noyau individuel au caractère déterministe de l’évolution d’une population de noyaux radioactifs. L’application à la datation montre comment le phénomène permet de constituer des horloges adaptées aux échelles de temps les plus variées : géologiques ou historiques.

Concernant les systèmes électriques (partie III du programme), les élèves se sont intéressés en classe de première à certains effets propres au courant continu. Il s’agit en terminale d’aborder des phénomènes liés à la variation du courant électrique. On signale l’intérêt de pouvoir réaliser des signaux électriques dont la variation temporelle peut être réglée en fonction de besoins spécifiques. La formalisation de ces systèmes fait apparaître des analogies avec les systèmes mécaniques, puisqu’on y trouve les notions de régime asymptotique, de temps caractéristique d’évolution, de période propre et de résonance. C’est une première approche de l’idée profonde selon laquelle les mathématiques sont un outil idéal pour fabriquer des métaphores : si deux systèmes différents sont régis par des équations formellement identiques, chaque caractéristique du comportement de l’un se retrouve dans l’autre, et les deux systèmes s’éclairent mutuellement.
Pour l’enseignement de spécialité, le choix est fait de situer son contenu pour l’essentiel dans le prolongement du tronc commun, ce qui permet de développer une logique pédagogique différente de celle du tronc commun : dans l’enseignement de spécialité les notions seront introduites et acquises essentiellement à partir de travaux expérimentaux. Partant d’objets relativement complexes caractérisés par leur fonction, on cherche à reconnaître dans leurs principes de fonctionnement certaines notions de physique déjà vues par ailleurs, et à enrichir ainsi la compréhension de ces notions. Les thèmes retenus sont les suivants :

  • Produire des images, observer : en prolongement du programme de première S, on étudie l’association de deux éléments d’optique (lentille et miroir, lentille et lentille) pour réaliser des instruments d’optique.

  • Produire des sons, écouter : en prolongement du tronc commun, l’examen simplifié de quelques instruments de musique permettra d’introduire la notion de spectre de fréquences et de relier la notion d’onde stationnaire à la superposition d’ondes progressives.

  • Produire des signaux, communiquer : l’analyse de la transmission d’un signal permet de réinvestir des notions vues dans les parties « ondes » et « systèmes électriques » du tronc commun. On se limitera à la modulation et la démodulation d’amplitude.


I.2 Chimie
En classe de seconde les élèves terminent l’année en découvrant le concept de transformation chimique au cours de laquelle la composition chimique d’un système évolue entre un état initial et un état final. L’outil avancement  est fourni pour déterminer quantitativement la composition finale du système à partir de sa composition initiale et de l’équation de la réaction chimique associée à la transformation observée.

En classe de première, le programme invite l’élève à découvrir deux activités fondamentales du chimiste : mesurer des quantités de matière et créer de nouvelles molécules à la lumière des relations existant entre la structure moléculaire d’une entité chimique et ses propriétés réactives. Le choix a été fait de prendre les exemples dans le domaine de la chimie organique.

Jusqu’en fin de classe de première, l’aspect temporel des transformations n’apparaît pas encore, et les transformations considérées s’achèvent lorsque l’un des réactifs est épuisé : les élèves perçoivent les transformations chimiques comme rapides et totales.
En classe terminale, les transformations chimiques sont abordées dans leur généralité. Dans toute application pratique de la chimie (extraction de matières premières, élaboration de nouveaux matériaux de toute nature, synthèse de médicaments), la question de l’état final d’une transformation et du temps caractéristique d’accès à cet état final est cruciale. Le fil directeur de l’enseignement de tronc commun -l’évolution des systèmes- peut se décliner en chimie en quatre questions :

I - La transformation d’un système chimique est-elle toujours rapide ?

II - La transformation d’un système chimique est-elle toujours totale ?

III - Le sens spontané d’évolution d’un système chimique est-il prévisible ? Ce sens peut-il être inversé ?

IV – Comment peut-on contrôler les transformations de la matière ?
La première partie est consacrée à la cinétique chimique. Les élèves constatent sur différents cas que les vitesses de réaction peuvent être très différentes. L’influence des paramètres température et concentrations des espèces est mise en évidence. Un zoom vers le niveau microscopique permet de comprendre qualitativement ce qui se passe. La réaction chimique a lieu à l’occasion des chocs entre molécules. La probabilité de chocs entre plusieurs entités réactives augmente avec les concentrations et la température, et l’efficacité de ces chocs augmente avec la température. La réaction chimique traduit le bilan macroscopique d’événements microscopiques complexes, au cours desquels les édifices moléculaires se font et se défont sans cesse.

Cette partie du programme offre une première occasion de discuter concrètement des techniques expérimentales à mettre en jeu en prenant en compte le temps de réponse d’une chaîne de mesure par rapport au temps caractéristique du phénomène étudié.
Les réactions acido-basiques sont le support de la seconde partie. Le pH est introduit ; des applications sont développées dans le domaine des titrages acido-basiques sur des produits de la vie courante par suivi pH-métrique, conductimétrique ou spectrophotométrique.

Les élèves sont amenés à découvrir que les réactions chimiques ne parviennent pas nécessairement à l’état d’avancement maximal compatible avec l’état initial du système, et que la réaction a lieu dans les deux sens. Un retour vers le microscopique permet de donner des éléments d’interprétation qualitative en termes d’état d’équilibre dynamique du système : en général, un système évolue vers un état stable à l’échelle macroscopique ; les réactifs et les produits y sont présents, et il y a passage incessant des entités réactives aux entités produites et inversement, avec la même vitesse.

A toute équation de réaction chimique est associée une fonction des concentrations en réactifs et en produits, appelé quotient de réaction, dont la valeur numérique dans l’état d’équilibre du système est identifiée à la constante d’équilibre et ne dépend pas des concentrations en réactifs et en produits dans l’état initial du système.
Les deux premières questions peuvent être interverties. Il est alors possible d’introduire la spectrophotométrie lors de l’étude des indicateurs colorés et de revenir sur la notion d’état d’équilibre lors de la description microscopique des phénomènes en cinétique chimique.
Les piles, l’électrolyse et donc les réactions d’oxydoréduction sont au cœur de la troisième partie du programme. Un critère d’évolution spontanée est mis en place qui permet, connaissant l’état initial et la constante d’équilibre, de prévoir le sens de l’évolution du système. L’observation du sens de circulation du courant électrique dans les piles permet de valider le critère d’évolution spontanée.
La question se pose alors de savoir s’il est possible d’imposer au système un sens d’évolution non spontané. Cela est possible à condition d’apporter de l’énergie au système. La transformation est alors qualifiée de transformation forcée. L’électrolyse en constitue une bonne illustration qui donne lieu à de nombreuses applications pratiques et industrielles. Sur quelques exemples -respiration, photosynthèse- les élèves réalisent que les systèmes biologiques sont des systèmes chimiques qui obéissent aux lois de la physique et de la chimie, auxquels s’applique le critère d’évolution spontanée et qui sont aussi le siège de transformations forcées.
La quatrième partie constitue l’aboutissement des trois années de lycée. Elle a pour but de montrer qu’en investissant les connaissances sur la cinétique chimique et l’état d’équilibre d’un système chimique donné, il est possible d’augmenter la vitesse de la réaction et d’accroître le rendement de la transformation. Cette partie est traitée faisant appel à des transformations du domaine de la chimie organique et en prenant comme exemple les réactions d’estérification et d’hydrolyse d’un ester.

L’industrie des parfums, des savons, des arômes et des médicaments fournit des exemples de contrôle de l’évolution des systèmes. À cette occasion sont présentés quelques aspects de la chimie contemporaine, dans lesquels les chimistes réalisent et contrôlent des transformations chimiques sélectives en utilisant des catalyseurs et des espèces chimiques très réactives.
Dans l’enseignement de spécialité, la perspective est de prolonger le tronc commun et non d’apporter des connaissances nouvelles. Cet enseignement met en relief les activités du chimiste ainsi que les techniques ou procédés utilisés au laboratoire ou dans l’industrie : extraire, identifier, créer et reproduire des espèces chimiques, effectuer des « contrôles de qualité », élaborer un « produit » de consommation, de la matière première à la formulation.
L’enseignant est incité à regrouper ces techniques autour de thèmes directeurs et les élèves qui, au début de leurs études de lycée, ont été confrontés à la question du chimique et du naturel peuvent à travers l’étude de thèmes tels que l’alimentation, les colorants, l’élaboration d’un polymère, recevoir un nouvel éclairage sur cette question.
I.3 Compétences scientifiques générales exigibles en fin de classe terminale S
Compétences expérimentales

  • Formuler une hypothèse sur un événement susceptible de se produire ou sur un paramètre pouvant influencer un phénomène

  • Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse ou répondant à un objectif précis

  • Décrire une expérience, un phénomène

  • Choisir et justifier l’utilisation du matériel de laboratoire

  • Analyser les résultats expérimentaux et les confronter aux prévisions d’un modèle


Compétences manipulatoires

  • Reconnaître et nommer le matériel de laboratoire

  • Suivre un protocole et utiliser le matériel prescrit

  • Respecter les règles de sécurité élémentaires pour l’utilisation du matériel et des produits

  • Faire le schéma d’un montage expérimental

  • Réaliser un montage à partir d’un schéma ou d’un protocole


Compétences scientifiques

  • Identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique ou chimique

  • Associer un modèle à un phénomène

  • Elaborer une argumentation, une démarche scientifique

  • Discuter la pertinence, la cohérence et la logique d’une argumentation scientifique

  • Utiliser des unités adaptées

  • Utiliser l’analyse dimensionnelle

  • Evaluer l’ordre de grandeur d’un résultat

  • S’interroger sur la vraisemblance d’un résultat

  • Utiliser un vocabulaire scientifique adapté

  • Analyser, en termes scientifiques, une situation, une expérience, un document

  • Construire une courbe à partir d’un ensemble de mesures et l’exploiter

  • Savoir exploiter une courbe


Compétences transversales

  • Utiliser un axe orienté et des mesures algébriques

  • Utiliser les vecteurs et les opérations correspondantes (coordonnées, addition, produit scalaire)

  • Utiliser les fonctions du programme de mathématiques

  • Conduire une calcul de dérivée, de primitive et d’intégrale

  • Utiliser la notion d’équation différentielle

  • Utiliser les notions de statistique et de probabilité du programme de mathématiques

  • Exploiter un tableau de valeurs

  • Utiliser l’ordinateur pour acquérir et/ou traiter des données expérimentales

  • Effectuer une recherche documentaire et savoir trier les informations selon des critères pertinents

  • S’interroger sur la crédibilité d’une information

  • Produire un document en utilisant les technologies de l’information et de la communication


II. PHYSIQUE – ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE
Introduction à l’évolution temporelle des systèmes (1 TP)

Objectifs



Pour cette première prise de contact entre la classe et le professeur, il s’agit de présenter, à travers les documents les plus divers, des situations réelles où l’évolution temporelle est d’une importance particulière : ondes sismiques, vibrations mécaniques, mouvements de balançoires, laser Terre-Lune, augmentation de la vitesse des moyens de transport (Train à grande vitesse), augmentation de la fréquence de l’horloge des ordinateurs, échelle de temps de la tectonique des plaques, décollage d’une fusée et mise en orbite de satellites, chute de la station MIR, saut en parachute et saut à l’élastique, amélioration des performances sportives, etc.


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


  • Quelles sont les grandeurs pertinentes dont les variations témoignent de l’évolution du système ?

  • Quels sont les paramètres extérieurs qui pilotent cette évolution ?

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

  • Quel est le rôle des conditions initiales dans l’évolution du système ?

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


Ce questionnement a notamment pour but d’orienter la réflexion sur l’élaboration de modèles simplifiés qui capturent l’essentiel d’un phénomène et qui pourront donner lieu à quelques expériences. On illustre ainsi une activité essentielle de la physique : l’élaboration de systèmes suffisamment simples pour pouvoir être étudiés de façon quantitative (sur le plan expérimental ou théorique), et suffisamment riches pour faire comprendre le comportement de systèmes complexes. Dans la mesure où il apparaît que des systèmes différents peuvent avoir des évolutions analogues, s’introduit la démarche qui, dans la diversité du monde, s’efforce de reconnaître les comportements génériques de la matière.
Aucune compétence n’est exigible à cette période de l’année scolaire.

Commentaires

La proposition de réaliser cette étude en séance de travaux pratiques a pour but de faire réfléchir un effectif restreint d’élèves sur des situations réelles, donc complexes. Tous les élèves peuvent travailler sur une même situation, ou des petits groupes sur des situations différentes.

Les phénomènes cités n’ont aucun caractère obligatoire. Les exemples seront choisis en fonction du matériel disponible et des objectifs à atteindre.

Les expériences réalisées devront être simples afin que la complexité expérimentale et instrumentale ne soit pas un obstacle à l’émergence des questions et à un début de problématisation.

Tout au long de l’année, l’élève réinvestira cette démarche initiale, à l’occasion de chaque expérimentation, aussi bien en physique qu’en chimie.

Dans cet esprit, au début du cours de chimie, des expériences mettant en évidence les différents paramètres introduits en physique pourront être présentées par le professeur (réactions oscillantes, réactions chimiques mettant en évidence l’évolution au cours du temps).

Il est à noter que la notion de temps caractéristique ne s’identifie pas à la constante de temps qui sera introduite lors de la résolution des équations différentielles. Pour les phénomènes périodiques, le temps caractéristique est identifié à la période ou la pseudo-période. Certains phénomènes peuvent présenter plusieurs temps caractéristiques (oscillations amorties).


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