SCIENCES PHYSIQUES

1. SCIENCES PHYSIQUES TERMINALE S 2002

2. Les objectifs de l ’enseignement des sciences physiques et chimiques au lycée Fournir aux élèves une représentation cohérente des sciences physiques et leur faire assimiler les grands principes gouvernant l’évolution des systèmes.Acquérir un double regard, macroscopique et microscopique, sur le comportement de la matière ; observations et mesures à notre échelle, modélisation macroscopique et microscopique pour rendre rendre compte des phénomènes observés.Aborder sa dimension sociale et culturelle : importance dans la vie quotidienne, importance économique, image des sciences physiques dans la société...Approcher quelques éléments d’histoire des sciences.Favoriser l ’orientation vers des filières scientifiques, en développant le nécessaire questionnement de l ’élève et la pratique expérimentale.

3. Le programme de Physique • en terminale Le fil directeur : « l’évolution temporelle des systèmes » Thème « ondes » : étude de la propagation d’une onde mécanique ; introduction du modèle ondulatoire de la lumière Thème « matière » : exploration de systèmes très variés : noyaux atomiques, systèmes électriques, systèmes mécaniques.

4. Le programme de Physique cohérence verticale En classe de seconde grandeurs physiques et leur mesure Distances, temps, masse …. Double regard microscopique-macroscopique 1ère analyse de la cause du mouvement : force de gravitation, principe d’inertie En classe de 1ère S Les interactions fondamentales et notion de force . Effet des forces sur le mouvement ; première approche de la 2ème loi de Newton

5. En Terminale S • Évolution temporelle des systèmes : taux de variation d’une grandeur caractéristique • Formaliser les lois d’évolution • Pratiquer la démarche scientifique : • expérimenter, • modéliser, • confronter modèle et expérience.

6. Physique Enseignement Obligatoire

7. TP d’introduction Objectif : Introduire l’évolution temporelle des systèmes. Comment ? Présenter des situations variées conduisant les élèves à identifier les grandeurs pertinentes pour l’évolution d’un système et les temps caractéristiques. Exemples : • Flash d’un appareil jetable • Saut à l’élastique • Vase de Tantale…

8. Tableau : Sa construction peut être poursuivie tout au long de l’année. Saut à l’élastique Vase de Tantale Grandeurs caractéristiques dépendant du temps Position Vitesse niveau du liquide volume de liquide Paramètres qui interviennent dans l’évolution temporelle du phénomène Masse Champ g débit de remplissage diamètre du tube de vidange Conditions initiales Position et vitesse en fin de chute libre niveau initial Temps caractéristique Période T tR ou tV Période T Régime Oscillant amorti Périodique ou monotone Évolution temporelle

9. Partie A : Propagation d’une onde ; ondes progressives (2 TP – 9 HCE) • Qu’est ce qu’une onde ? • Comment la caractériser ? • Quelles grandeurs physiques lui associe-t-on ? • le formalisme est réduit au minimum, • en particulier : y = f(x,t) n’est pas au programme. • Le modèle ondulatoire de la lumière est mis en place à partir d’une similitude de comportement : la diffraction

10. A. Propagation d’une onde ; ondes progressives (2TP – 9HCE) 1 3HCE A.1 Les ondes mécaniques progressives 2 3 TP 3HCE Figures de diffraction ; relation q = l/a A3. La lumière, modèle ondulatoire TP (Durée des contrôles pour ce bloc : 2HCE prises sur les 9HCE) 3HCE TP tournant – retard, célérité d’une onde, influence du milieu – A2. Ondes mécaniques progressives périodiques A3. La lumière, modèle ondulatoire

11. Travail sur la cuve à ondes et enregistrements vidéo étudiés image par image Etude des principales propriétés et notions relatives aux ondes mécaniques Analogies pour les sons et la lumière Idées directrices de cette étude

12. La démarche proposée • Le questionnement et la problématisation • Un questionnement peut précéder l’observation : « Si l’on fait ceci ou cela, A VOTRE AVIS, que va-t-on observer , et pourquoi ? » • L’observation conduit à une problématisation et peut donner lieu à des hypothèses. • Le double mouvement de l’activité scientifique est privilégié : • Confrontation des prédictions d’un modèle théorique à des résultats expérimentaux • Utilisation des résultats expérimentaux pour affiner un modèle théorique

13. Qu’est-ce qui distingueune onde du mouvement d’un mobile ? • Quelques questions étudiées • Comment se déplace la surface de l’eau au passage d’une onde? • Qu’arrive-t-il lorsque deux ondes se rencontrent ? • Quelle est la forme de l’onde produite par une pierre qui ricoche sur l’eau ? • Onde mécanique = déformation d’un milieu qui se transmet de proche en proche (pas forcément périodique ni sinusoïdale).

14. LE MOUVEMENT D’UN MOBILE se décrit à l’aide d’une trajectoire, correspond à un transport de matière est ralenti par les frottements avec le milieu matériel  un mobile se déplace plus facilement dans le vide que dans un gaz et plus facilement dans un gaz que dans un liquide ; le mouvement dans les solides est impossible, est modifié par un choc avec un autre mobile se fait à une vitesse qui dépend des conditions initiales s’effectue à une vitesse qui lui est propre. LA PROPAGATION D’UNE ONDE se fait, à partir d’une source, dans toutes les directions possibles ne correspond pas à un transport de matière. ne subit pas d ’amortissement de sa célérité par le milieu matériel de propagation  une onde mécanique ne se propage pas dans le vide ; elle se propage plus vite dans les liquides que dans les gaz et fréquemment plus vite dans les solides que dans les liquides, conserve ses caractéristiques après la rencontre avec d’autres ondes se fait à une célérité qui ne dépend pas du mouvement de la source, se fait à une célérité qui dépend essentiellement du milieu de propagation. Qu’est-ce qui distingueune onde du mouvement d’un mobile ?

15. De quoi dépend la célérité d’une onde mécanique ? • La célérité augmente avec la rigidité du milieu. • Elle diminue lorsque l’inertie du milieu augmente.

16. Comment étudier expérimentalement la propagation d’ondes périodiques ? • Objectif : différencier périodes spatiale et temporelle • Méthode : avec logiciel de pointage ou caméscope • Mesure de l : en arrêt sur image • Mesure de T : on compte le temps de passage de 10 crêtes en un point. • Mesure de v : on suit la propagation des ondes périodiques image par image.

17. Résultats • Mesures - l = 0,027 m • T = 0,092 s • v = 0,295 ms-1 • v.T = 0,027 m

18. DA Emetteur DB Reprise de l’expérience avec les ultrasons • Selon vous, quelles vont être les allures des deux courbes que l’on va observer sur l’écran ? Sur une feuille de papier, dessinez soigneusement ces deux courbes. Que représentent-elles ? • Si, sans toucher au détecteur DA, on déplace lentement le détecteur DB dans le sens de la flèche c’est-à-dire en l’éloignant de l’émetteur, que va-t-on observer, à votre avis, sur l’écran de l’oscilloscope et pourquoi ?

19. Dispersion On montre que V dépend de T Diffraction Deux propriétés caractéristiques des ondes :

20. Anticipation Si l’on place, un filtre vert entre la source de lumière blanche et le prisme, que verra-t-on sur l’écran ? Constat ? Peut-on modéliser la lumière par une onde ? • Diffraction • Diffraction d’un faisceau LASER • Dispersion

21. Quelques précisions … • La notion de fréquence est réservée aux ondes sinusoïdales . • La notion de phase est hors programme (on lui préfère celle de retard t ) • Une célérité est représentée par v (c désigne la célérité de la lumière dans le vide)

22. Partie B. Transformations nucléaires (2 TP – 7HCE ) • Un triple objectif : • 1. Aborder quelques notions concernant la structure des noyaux atomiques à partir de l’observation expérimentale de leur instabilité. • 2. Connaître quelques ordres de grandeurs concernant la radioactivité naturelle et comprendre qu’elle peut être utilisée pour la datation. • 3.Comprendre que la conversion masse-énergie peut être à l’origine de la production d’énergie utilisable.

23. B. Transformations nucléaires (2TP – 7HCE) 1 Caractère aléatoire des désintégrations radioactives avec CRAB B.1. Décroissance radioactive TP 3HCE 2 TP 3HCE Loi de décroissance ; tracé de courbes d’évolution ; mesure de la radioactivité naturelle B.2. Noyaux, masse, énergie 3 1HCE B.2. Noyaux, masse, énergie (Durée des contrôles pour ce bloc : 2HCE prises sur les 7HCE)

24. Commentaires • Le thème de la radioactivité propose une convergence thématique entre la physique, les mathématiques et les sciences de la terre. • Étude statistique d’une série de mesures : moyenne , variance, écart type • Équations différentielles du type y’ = l . y • La fonction exponentielle et sa réciproque logarithme • Datation des objets et roches : 14C / 12C , 40K / 40Ar , 87Rb / 87Sr • Le terme période radioactive est évitée au profit de l’expression demi-vie.

25. MATH-PHYSIQUE : nécessité d’une approche concertée

27. Comment interpréter l’étrange comportement d’un échantillon de matière radioactive ? Deux séquences peuvent être proposées 1.Caractère aléatoire du phénomène de désintégration • Analyse d’une série de comptages de la désintégration du césium 137 (CRAB) • Montrer que chaque noyau a une certaine probabilité de se désintégrer pendant une durée donnée 2.Modélisation de l’évolution d’une population de noyaux au cours du temps • Courbe de décroissance radioactive du radon 222 (a,t1/2 = 3,8 j) ou du radon 220 (a, t1/2 = 56 s) • Loi macroscopique de décroissance radioactive, son caractère déterministe • Méthode d’Euler appliquée à la radioactivité

28. 1.Caractère aléatoire de la désintégration • On indique aux élèves : • une transformation radioactive se produit quand un noyau se transforme spontanément, l’événement peut être détecté par un compteur. • Une source radioactive simple est constituée par un échantillon de matière contenant un nombre N très grand de noyaux radioactif identiques. • On présente aux élèves le dispositif CRAB : • un compteur de type Geiger capable de détecter des b et g (le nombre affiché est proportionnel au nombre de noyaux désintégrés pendant la durée de comptage), • une source césium 137 émettrice b et g • des écrans de plomb qui absorbent une partie des g et tous les b.

29. Questionnement possible Chaque groupe d’élèves va venir mesurer le nombres n d’évènements détectés par le compteur pendant une durée Dt = 5,0 s, dans les mêmes conditions expérimentales. On appelle x le nombres de mesures effectuées. • a. On isole dans un premier temps la source loin du détecteur entre les écrans en plomb. Que peut-on prévoir pour la valeur de n ? Pourquoi ? • b. La source est placée à 4 cm du compteur (un écran intercalé). Que peut-on prévoir de la comparaison des x mesures de n réalisée ? Pourquoi ?

30. a. On peut penser que les élèves proposeront n = 0 en supposant que les écrans sont parfaitement efficaces en oubliant de tenir compte de la radioactivité due aux autres sources naturelles. b. On peut penser que la majorité des élèves va prévoir que les résultats seront comparables aux incertitudes de mesure près, puisque les conditions expérimentales sont identiques.

31. Réalisation des mesures et exploitation à l’aide d’un tableur grapheur

32. Questions possibles • Peut-on prévoir exactement le résultat d’un comptage radioactif ? • Comment expliquer la dispersion des résultats ? • Comment évolue la moyenne et l’écart type de la série de comptage en fonction de x ?

33. Points à retenir • Une transformation radioactive est un phénomène aléatoire. • Un noyau meurt sans vieillir. • La désintégration d’un noyau n’affecte pas celle d’un noyau voisin.

34. Réalisation d’une simulation du type tirage sans remise : On lance N0 dés, on retire tous ceux qui sont tombés sur la face 6. On note le nombre N de dés restant restant à t = Dt. On recommence ainsi en reprenant les dés restant. Cette simulation peut être réalisée avec une calculatrice ou un tableur. On peut amener les élèves à établir la relation : DN = - l.N. Dt Modélisation de l’évolution du nombre N de noyaux restant en fonction du temps

35. 2.a Courbe de décroissance radioactive • Issu de la désintégration du radium 226 présent dans la croûte terrestre, le radon (gaz) 222 a une demi-vie 222 t1/2= 3,8 j (émetteur a). • Un autre isotope : le radon 220 (émetteur a) a une demi-vie t1/2 = 56 s • Le deuxième isotope permet de tracer « A » = f(t) • Les taux de radioactivité sont exprimés en Bq/m3.

36. Un distributeur proposera : un kit de prélèvement du radon 222 dans la terre, Une fiole de radon 220, un dispositif de comptage pour la radioactivité a, un logiciel d’exploitation. Remarque : la source du CRAB n’est plus conforme aux nouvelles réglementations.

37. 2.b Méthode d’Euler A défaut de ce matériel, le second TP peut être l’occasion de : • présenter la méthode d’Euler si les élèves ne l’ont pas étudiée en 1ère • Méthode d'Euler (1) • Méthode d'Euler (2) • Méthode d'Euler (3) • de l’appliquer à la décroissance radioactive à l’aide d‘un tableur, • de montrer qu’il s’agit d’une loi d’évolution exponentielle.

38. La méthode d’Euler Une méthode approchée de résolution d’équation différentielle y’ = f(t, y) sur un intervalle  t0 ; t0 + t. exemple : dN/dt = -l.N

39. Pour cela, on subdivise cette durée t en N intervalles de t0 à tN de durée égale tn+1 – tn = p appelés pas. La fonction solution y(t) est assimilée à une fonction affine Y(t) par morceaux. On assimile la courbe de la fonction solution sur l’intervalle tn , tn+1 avec sa tangente au point de coordonnées tn. Principe

40. Y(tn+1) = Y(tn) + p  y’(tn ) avec y’(tn) = f(t, y) N(tn+1) = N(tn) +(dN/dt)tn.p donc Y(tn+1) = Y(tn) + p  f(t, y(tn)) N(tn+1)= N(tn) - l.N tn .p Partant de y0 = y(t0) (condition initiale) et ayant défini p on peut alors calculer y(tn) par itération. Les calculs successifs peuvent être réalisés à l’aide d’un tableur. Principe

42. Graphique et influence du pas tn tn+1

43. 2.c Des poussières radioactives dans l’air • Filiation de la famille de l’uranium 238 : 238U g… g 222Rn 222Rn g 218Po (a ; 3,8 j) 218Po g 214Pb (a ; 3,0 min) 214Pb g 214Bi (b- ; 27 min) 214Bi g 214Po(b- ; 20 min) c hyp : présence de poussières renfermant les deux derniers radioéléments.

44. Radioactivité dans notre environnement • Un disque découpé dans un filtre à café et coincé dans un tuyau d’aspirateur en fonctionnement pendant une ½ heure contient des radioéléments émetteurs b-. • Une courbe de décroissance peut être obtenue à l’aide du CRAB. • On montre ainsi l’omniprésence de la radioactivité dans notre environnement. • Inconvénient : mélange de deux radioéléments

45. Étude des désintégrations beta et gamma du Césium 137Simulation numérique

46. Partie C. Évolution des systèmes électriques (3 TP - 10HCE) • Etude des phénomènes associés à des courants variables • Evolution temporelle d’une intensité i(t) ou d’une tension u(t) et détermination d’une durée caractéristique (dipôles RC, RL, RLC série) • Equation différentielle et résolution analytique

47. C. Evolution de systèmes électriques(3TP – 10HCE) TP 3HCE Oscillations libres C.2. Cas du dipôle RL 1 Dipôle RC C.1. Cas d’un dipôle RC C.3. Oscillations libres d’un circuit RLC série TP 2HCE 2 Dipôle RL C.1. Cas d’un dipôle RC C.2 Cas du dipôle RL TP 3 3HCE 4 2HCE C.3. Oscillations libres d’un circuit RLC série (Durée des contrôles pour ce bloc : 2HCE prises sur les 10 HCE)

48. Quelques commentaires • Le phénomène d’induction et la notion d’auto-induction ne sont plus au programme. • L’étude du dipôle RLC en régime sinusoïdal forcé n’est plus au programme. • Eviter les tensions créneaux pour l’étude expérimentale de la réponse d’un circuit RC ou RL à un échelon de tension • oscilloscope à mémoire ou carte d’acquisition. • Décharge d'un condensateur dans R ou dans RL • Oscillations électriques libres - Influence de L et C • Oscillations électriques libres

49.         Intensité réservoir Charge : q débit de charge Un exemple d’activité : charge du condensateur • Intensité comme débit de charge • Définition de l'intensité du courant : quantité de charge qui traverse une section de conducteur par unité de temps par unité de temps. • q(t) = I.t + q0 si I = Cte q(t2) = q(t1) + i.(t2 ‑ t1) ou q n+1= qn + i.Dt donc i(t) = dq/dt

50. R C E 2. Comportement d’un condensateur : prévision qualitative On propose aux élèves la situation théorique suivante : La relation q = C.uc a déjà été introduite. Le condensateur est supposé initialement non chargé. • Questions possibles : • que va-t-il se produire à la fermeture du circuit ? • comment varie la charge du condensateur (donc la tension à ses bornes) au cours du temps ? Les réponses peuvent être agrémentées de graphiques.