Le programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).








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titreLe programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).
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date de publication30.10.2016
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On prend soin de distinguer le système réel de sa modélisation expérimentale.
On peut définir le système réel comme étant l'ensemble comprenant l'actionneur, le procédé et le capteur transmetteur car le château d'eau seul ne permet pas d'obtenir un débit constant.

Le système réel doit si possible être documenté même sommairement pour avoir une idée des ordres de grandeurs.

  • Procédé pour assurer un débit constant : maintenir un niveau d'eau dans une citerne (on peut préciser quelques valeurs numériques).

  • Capteur et transmetteur : capteur de niveau.


Système expérimentalement modélisé (maquette)

  • Procédé pour assurer un débit constant : maintenir le niveau d'eau dans une cuve :

  • Capteur et transmetteur : capteur de niveau à ultrasons et transmission de l'information par un courant

  • Régulateur : régulateur tout ou rien (ou autre selon maquette) ;

  • Actionneur : vanne commandable

  • Modélisation des perturbations par des vannes d'entrée et de sortie


Divers essais en régulation permettent de vérifier qu'il est possible dans certaines conditions de réaliser une régulation de niveau.

Il ne s'agit pas d'effectuer une modélisation mathématique mais de vérifier la possibilité de "simuler" par une maquette le comportement d'un système réel.

Régulateur industriel
d.Système stable, système instable.

Cet exemple se prête à montrer la différence entre un système stable et un système instable.

En l'absence de "boucle de retour", le système est instable : le niveau d'eau augmente jusqu'au débordement. On pourra montrer des exemples de systèmes stables et faire émerger les définitions de "système stable" et "système instable".

C'est aussi l'occasion de constater qu'une boucle de régulation peut stabiliser un système sans que cela soit systématique (un système peut être rendu instable par la boucle de régulation).








En synthèse on peut revenir sur le système réel, et d'un point de vue didactique identifier les différentes connaissances et capacités développées.




e.Prolongement.

Ce système peut aussi être utilisé pour étudier une régulation avec un régulateur "tout ou rien".


Mécanique des fluides

Énergie électrique

Traitement du signal


Mécanique des fluides


Notions et contenus

Capacités exigibles

Commentaires

Conservation de l'énergie.
Fluide incompressible en mouvement.
Puissance hydraulique.
Pertes de charge.

- Énoncer et exploiter la loi de conservation de l'énergie d'un fluide incompressible en mouvement.
- Déterminer expérimentalement l'influence de quelques paramètres sur les pertes de charge : vitesse d'écoulement, longueur et section de la canalisation, singularités.

Le théorème de Bernouilli traduit la loi de conservation de l'énergie d’un fluide incompressible en mouvement ; le théorème de Bernouilli est à connaître. On ne multipliera pas les expressions du théorème de Bernouilli en fonction des unités choisies. On se limitera à une expression faisant apparaître clairement les différentes énergies (ou énergies par unité de volume).

L'application de l'incompressibilité d'un fluide pour amplifier une force est à connaître.

Aucune connaissance n'est exigible sur les pertes de charge singulières ou régulières.


Énergie électrique


Notions et contenus

Capacités exigibles

Commentaires

Modèle d'un dipôle actif, limitation du modèle.
Caractéristique d'un générateur.
Caractérisation physique des grandeurs liées au transport de l'énergie électrique.

- Déterminer expérimentalement la caractéristique d'un générateur.
- Visualiser une représentation temporelle d'une tension électrique, d'une intensité électrique en régime périodique et en analyser les caractéristiques.
- Visualiser une représentation temporelle de la puissance instantanée consommée ou fournie par un dipôle en régime périodique et mesurer sa valeur moyenne.
- Distinguer puissance moyenne et puissance instantanée.
- Interpréter les données fournies par un analyseur d'énergie électrique industriel.

L'élève doit être en mesure de proposer un protocole en utilisant les appareils mis à sa disposition (voltmètre, ampèremètre, résistance réglable) : réaliser un schéma du montage et indiquer les grandeurs mesurées.

La notion de facteur de puissance n'est pas au programme.
Aucune connaissance n'est exigible sur l'interprétation des données d'un analyseur industriel. Cette partie est traitée si le niveau de la classe le permet et si l'établissement est équipé en matériel.

Conversion statique de l'énergie électrique.

- Énoncer et exploiter la loi de conservation de l'énergie pour un convertisseur statique idéal.
- Associer l'onduleur à un convertisseur continu-alternatif.
- Associer le redresseur à un convertisseur alternatif-continu.

Les convertisseurs sont à aborder de façon globale en termes d'entrée-sortie sans entrer dans la technologie utilisée pour les construire. Les connaissances exigibles se limitent à l'association d'un nom de convertisseur à la transformation de signaux effectuée et à l'existence d'un rendement de conversion.

Traitement du signal

Notions et contenus

Capacités exigibles

Commentaires

Modèle d'un dipôle actif, limitation du modèle.
Caractéristique de transfert statique d'un capteur.
Conditionneur de capteur.

- Déterminer expérimentalement la caractéristique de transfert statique d'un capteur.
- Visualiser la réponse temporelle d'un capteur.
- Déterminer le temps de réponse d'un capteur.
- Visualiser et exploiter la caractéristique de transfert d'un ensemble capteur-conditionneur.

La réponse temporelle se limite à la réponse de l'ensemble {capteur, conditionneur} à un échelon de la grandeur à mesurer.
L'élève doit pouvoir expliquer l'intérêt du conditionnement du signal.

Filtrage et amplification de tension.
Gabarit.

- Exploiter la courbe du coefficient d'amplification en fonction de la fréquence d'un amplificateur pour déterminer ses limites d'utilisation.
- Déduire les propriétés d'un filtre de la courbe représentant le coefficient d'amplification en fonction de la fréquence.
- Proposer un gabarit de filtre pour répondre à un cahier des charges.

L'élève n'a pas à connaître l'expression des fréquences de coupure ; pour la réponse fréquentielle, les critères de limites d'utilisation d'un amplificateur sont fournis.
On se limitera à quelques exemples de mise en œuvre dans des cas concrets pour des filtres passe-bas, passe-bande et passe-haut. La notion de sélectivité est hors programme.
Pour le gabarit, on se limite au filtre passe-bas utilisé pour extraire une valeur moyenne.

Numérisation d'une tension.

- Citer les caractéristiques utiles d'un CAN : nombre de bits, quantum, fréquence de conversion.





Avertissement.
Les exemples suivants sont présentés sous des formes différentes :

  • Séquences pédagogiques ;

  • Documents susceptibles d'être utilisés dans une séquence.


Les séquences proposées sont données à titre indicatif et ne peuvent être reproduites telles quelles. Une adaptation à la classe mais aussi et surtout aux compétences visées et notamment à la mise en œuvre d'une démarche scientifique est nécessaire.

Ces ressources ne constituent en rien des documents professeurs clés en main.


Auteurs des ressources :

Virginie LEGROS, académie de Nice ; Laurent BRUNETTO, académie de Nice ; Bertrand LE PARC, académie de Caen
Animatrice de l'atelier: Annie ZENTILIN, IA-IPR, académie de VERSAILLES



Exemple 1 : séquence sur l’utilisation de l’énergie solaire

Système étudié : Les capteurs solaires

  • Type d’activité : documentaire et expérimentale.

  • Situation dans le programme :

L’activité proposée illustre les parties du programme suivantes (surligné) :

Énergie électrique

Notions et contenus

Capacités exigibles

Modèle d'un dipôle actif, limitation du modèle.
Caractéristique d'un générateur.

Caractérisation physique des grandeurs liées au transport de l'énergie électrique.

- Déterminer expérimentalement la caractéristique d'un générateur.
- Visualiser une représentation temporelle d'une tension électrique, d'une intensité électrique en régime périodique et en analyser les caractéristiques.
- Visualiser une représentation temporelle de la puissance instantanée consommée ou fournie par un dipôle en régime périodique et mesurer sa valeur moyenne.
- Distinguer puissance moyenne et puissance instantanée.
- Interpréter les données fournies par un analyseur d'énergie électrique industriel.

Conversion statique de l'énergie électrique.

- Énoncer et exploiter la loi de conservation de l'énergie pour un convertisseur statique idéal.
- Associer l'onduleur à un convertisseur continu-alternatif.
- Associer le redresseur à un convertisseur alternatif-continu.




  • Choix pédagogiques 

    1. On s’appuie sur les notions introduites dans l’enseignement de tronc commun et dans celui de mesures et instrumentation pour faire réfléchir les élèves à un problème concret.

    2. Si on choisit d’étudier le système constitué d'un panneau solaire thermique (voir fiche), il est possible de poursuivre par l’étude d'un panneau solaire photovoltaïque qui permet alors d'aborder certaines notions liées à l'énergie électrique, notamment la caractéristique d'un générateur électrique et la conversion de l'énergie électrique.

  • Compétences travaillées :

    S'approprier

    Se questionner et identifier la problématique posée

    Rechercher et extraire l'information en lien avec une situation donnée

    Analyser

    Identifier les paramètres influençant un phénomène

    Exploiter les informations fournies ou recherchées

    Réaliser

    Réaliser un protocole donné ou à établir

    Utiliser les outils informatiques : tableur, grapheur, système de modélisation

    Valider

    Exploiter et interpréter des mesures

    Analyser des résultats de façon critique

    Communiquer

    Présenter, formuler et argumenter la démarche, la conclusion

    Rendre compte à l'oral et utiliser les moyens de communication adaptés

  • Exemple de problématique :

Vous êtes ingénieur dans un bureau d’études et vous êtes sollicité par le propriétaire d’un refuge des Hautes-Alpes qui souhaite utiliser l’énergie solaire pour produire l’énergie électrique dont il a besoin.

On attend une solution détaillée avec la surface des capteurs à installer, le coût de l’installation, …


  • Documents- ressources : choix de documents utilisables avec les élèves selon les besoins

  • Guide technique : http://www.grenoble.archi.fr/cours-en-ligne/lyon-caen/guide-nergie.pdf

  • Besoins en électricité d'un refuge :



  • Besoins en eau chaude (pouvant être d'origine électrique) d'un refuge : 3 à 5 kWh/an si l'usage est limité au gardien (douche et cuisine), supérieur à 10 kWh/an si l'usage est ouvert à la clientèle (douche notamment).

  • Un système d'information géographique européen pour le photovoltaïque permet d'obtenir des cartes et de calculer en un point l'irradiation solaire et le potentiel photovoltaïque. C'est le Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) :

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=fr&map=europe


Remarque : Le watt-crête (Wc) est une unité de mesure représentant la puissance maximale d'un dispositif. Par exemple dans une installation photovoltaïque, c'est la puissance électrique maximale pouvant être fournie dans des conditions standards : http://fr.wikipedia.org/wiki/Watt-crête.

  • Suggestions de modalités de mise en activité des élèves 

Travail par équipe de quatre élèves. On peut laisser aux élèves une certaine autonomie pour organiser le travail.

La restitution peut se faire sous forme d’un diaporama ou d’un document écrit. On peut demander à quelques groupes de venir exposer leur solution à l’oral.


  • Pistes pour le déroulé de la séquence :

  1. Travail à la maison pour s’approprier les documents (on peut envisager qu’une répartition du travail soit faite au sein de l’équipe).

  2. Séance 1 : par équipe, mise en commun et échange autour des documents. En déduire la nécessité de comprendre le fonctionnement d’une cellule, puis celle de la conversion d’énergie.

  3. Séance 2 : caractéristique de la cellule (éventuellement recherche du protocole, mise en œuvre, exploitation avec le rendement énergétique). Voir en annexe un exemple de protocole avec des résultats expérimentaux.

  4. Séance 3 : conversion de l’énergie. On peut par exemple compléter une carte mentale.

  5. Séance 4 : éventuellement restitution à l’oral par un ou deux groupes et bilan de la séquence : qu’avons-nous appris ? Que devons–nous retenir ? Avec la construction d’un bilan que les élèves notent dans leur cahier.




  1. Annexe : Étude expérimentale d'une photopile.


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