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Seconde générale et technologique

Spécialité de première générale

Enseignement scientifique première – programme modifié 2023

Spécialité de terminale générale

Contenus des programmes évalués pour l’épreuve terminale des enseignements de spécialité à partir de la session 2023

Enseignement scientifique terminale – programme modifié 2023 (mise en oeuvre à la rentrée 2024)

PHYSIQUE-CHIMIE : Page 96

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Cycle 4

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Première spé


Constitution et transformations de la matière

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PROGRAMME TERMINALE SPE


Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité) : Transformation modélisée par une réaction d’oxydo-réduction, schémas de Lewis, position dans le tableau périodique, électronégativité, polarité d’une liaison.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Suivi temporel et modélisation macroscopique Transformations lentes et rapides. Facteurs cinétiques : température, concentration des réactifs. Catalyse, catalyseur.    Justifier le choix d’un capteur de suivi temporel de l’évolution d’un système. Identifier, à partir de données expérimentales, des facteurs cinétiques. Citer les propriétés d’un catalyseur et identifier un catalyseur à partir de données expérimentales. Mettre en évidence des facteurs cinétiques et l’effet d’un catalyseur.
Vitesse volumique de disparition d’un réactif et d’apparition d’un produit. Temps de demi-réaction.À partir de données expérimentales, déterminer une vitesse volumique de disparition d’un réactif, une vitesse volumique d’apparition d’un produit ou un temps de demi-réaction. Mettre en œuvre une méthode physique pour suivre l’évolution d’une concentration et déterminer la vitesse volumique de formation d’un produit ou de disparition d’un réactif.
Loi de vitesse d’ordre 1.             Modélisation microscopique Mécanisme réactionnel : acte élémentaire, intermédiaire réactionnel, formalisme de la flèche courbe. Modification du mécanisme par ajout d’un catalyseur. Interprétation microscopique de l’influence des facteurs cinétiques.Identifier, à partir de données expérimentales, si l’évolution d’une concentration suit ou non une loi de vitesse d’ordre 1. Capacité numérique : À l’aide d’un langage de programmation et à partir de données expérimentales, tracer l’évolution temporelle d’une concentration, d’une vitesse volumique d’apparition ou de disparition et tester une relation donnée entre la vitesse volumique de disparition et la concentration d’un réactif.
À partir d’un mécanisme réactionnel fourni, identifier un intermédiaire réactionnel, un catalyseur et établir l’équation de la réaction qu’il modélise au niveau microscopique. Représenter les flèches courbes d’un acte élémentaire, en justifiant leur sens. Interpréter l’influence des concentrations et de la température sur la vitesse d’un acte élémentaire, en termes de fréquence et d’efficacité des chocs entre entités.
B) Modéliser l’évolution temporelle d’un système, siège d’une transformation nucléaire
Les transformations nucléaires, introduites en classe de seconde, sont réinvesties dans l’enseignement scientifique en classe de première où sont abordés, de manière qualitative ou graphique, le caractère aléatoire de la désintégration de noyaux radioactifs et la décroissance  de  l’activité  d’un  échantillon.  En  classe  terminale,  il  s’agit  de  passer de l’étude limitée au cas de durées discrètes (multiples entiers du temps de demi-vie) à une loi d’évolution  d’une  population  de noyaux régie  par  une  équation différentielle  linéaire du
premier ordre. Cette partie permet de réinvestir la notion d’isotope, d’utiliser le diagramme (N,Z), d’identifier le type de radioactivité et d’écrire des équations de réaction de désintégration. Des applications peuvent être proposées dans les domaines de l’archéologie, de la santé, de la médecine, du stockage des substances radioactives, de la protection, etc. Notions abordées en classe de seconde (enseignement commun de physique- chimie) et de première (enseignement scientifique) : Composition du noyau d’un atome, symbole AX, isotopes, transformation nucléaire, aspects Z énergétiques  des  transformations  nucléaires  (Soleil,  centrales  nucléaires),  caractère aléatoire de la désintégration radioactive, temps de demi-vie, datation, équivalence masse- énergie, fusion de l’hydrogène dans les étoiles.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Décroissance radioactive Stabilité et instabilité des noyaux : diagramme (N,Z), radioactivité α et β, équation d’une réaction nucléaire, lois de conservation. Radioactivité g.  Déterminer, à partir d’un diagramme (N,Z), les isotopes radioactifs d’un élément. Utiliser des données et les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire et identifier le type de radioactivité.
Évolution temporelle d’une population de noyaux radioactifs ; constante radioactive ; loi de décroissance radioactive ; temps de demi-vie ; activité.Établir l’expression de l’évolution temporelle de la population de noyaux radioactifs. Exploiter la loi et une courbe de décroissance radioactive. Capacité mathématique : Résoudre une équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants.
Radioactivité naturelle ; applications à la datation. Applications dans le domaine médical ; protection contre les rayonnements ionisants.Expliquer le principe de la datation à l’aide de noyaux radioactifs et dater un événement. Citer quelques applications de la radioactivité dans le domaine médical. Citer des méthodes de protection contre les rayonnements ionisants et des facteurs d’influence de ces protections.
3. Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique
Le caractère non total des transformations, introduit en classe de première, a été attribué aux transformations pour lesquelles l’avancement final est inférieur à l’avancement maximal ; en classe terminale, il est modélisé par deux réactions opposées qui conduisent à des vitesses de disparition et d’apparition égales dans l’état final, ce qui correspond à un état d’équilibre dynamique du système. Pour ces transformations, le quotient de réaction Qr évolue de manière spontanée jusqu’à atteindre, dans l’état final, la valeur de la constante d’équilibre K(T). Dans le cas des transformations totales, la disparition d’un réactif intervient alors que la valeur du quotient de réaction Qr n’a pas atteint K(T). La notion de pression partielle n’étant pas abordée, on limite l’étude aux espèces liquides, solides ou dissoutes. Le quotient de réaction est adimensionné. Le critère d’évolution est appliqué, d’une part, à des systèmes oxydant-réducteur conduisant à étudier le fonctionnement des piles et, d’autre part, à des systèmes acide-base dans l’eau.
Le passage d’un courant au sein d’un système oxydant-réducteur permet de forcer le sens de son évolution ; ceci est illustré par l’étude du fonctionnement des électrolyseurs. Cette partie permet de sensibiliser aux enjeux de société et d’environnement liés au stockage d’énergie sous forme chimique et à la conversion d’énergie chimique en énergie électrique. Elle fait écho à la thématique abordée dans le programme de l’enseignement scientifique de la classe terminale sur la gestion de l’énergie. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité) : Tableau d’avancement, avancement final, avancement maximal, caractère total ou non total d’une transformation, oxydant, réducteur, couple oxydant-réducteur, demi-équations électroniques, réactions d’oxydo-réduction.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
A) Prévoir le sens de l’évolution spontanée d’un système chimique
État final d’un système siège d’une transformation non totale : état d’équilibre chimique. Modèle de l’équilibre dynamique.Relier le caractère non total d’une transformation à la présence, à l’état final du système, de tous les réactifs et de tous les produits. Mettre en évidence la présence de tous les réactifs dans l’état final d’un système siège d’une transformation non totale, par un nouvel ajout de réactifs.
Quotient de réaction Qr. Système à l’équilibre chimique : constante d’équilibre K(T). Critère d’évolution spontanée d’un système hors équilibre chimique.Déterminer le sens d’évolution spontanée d’un système. Déterminer un taux d’avancement final à partir de données sur la composition de l’état final et le relier au caractère total ou non total de la transformation. Déterminer la valeur du quotient de réaction à l’état final d’un système, siège d’une transformation non totale, et montrer son indépendance vis-à-vis de la composition initiale du système à une température donnée.
Transformation spontanée modélisée par une réaction d’oxydo-réduction.Illustrer un transfert spontané d’électrons par contact entre réactifs et par l’intermédiaire d’un circuit extérieur.
Pile, demi-piles, pont salin ou membrane, tension à vide. Fonctionnement d’une pile ; réactions électrochimiques aux électrodes. Usure d’une pile, capacité électrique d’une pile.Justifier la stratégie de séparation des réactifs dans deux demi-piles et l’utilisation d’un pont salin. Modéliser et schématiser, à partir de résultats expérimentaux, le fonctionnement d’une pile. Déterminer la capacité électrique d’une pile à partir de sa constitution initiale. Réaliser une pile, déterminer sa tension à vide et la polarité des électrodes, identifier la transformation mise en jeu, illustrer le rôle du pont salin.
Oxydants et réducteurs usuels.Citer des oxydants et des réducteurs usuels : eau de Javel, dioxygène, dichlore, acide ascorbique, dihydrogène, métaux. Justifier le caractère réducteur des métaux du bloc s.
B) Comparer la force des acides et des bases
Constante d’acidité KA d’un couple acide-base, produit ionique de l’eau Ke.Associer KA et Ke aux équations de réactions correspondantes. Estimer la valeur de la constante d’acidité d’un couple acide-base à l’aide d’une mesure de pH.
Réaction d’un acide ou d’une base avec l’eau, cas limite des acides forts et des bases fortes dans l’eau.Associer le caractère fort d’un acide (d’une base) à la transformation quasi-totale de cet acide (cette base) avec l’eau. Prévoir la composition finale d’une solution aqueuse de concentration donnée en acide fort ou faible apporté. Comparer la force de différents acides ou de différentes bases dans l’eau. Mesurer le pH de solutions d’acide ou de base de concentration donnée pour en déduire le caractère fort ou faible de l’acide ou de la base. Capacité numérique : Déterminer, à l’aide d’un langage de programmation, le taux d’avancement final d’une transformation, modélisée par la réaction d’un acide sur l’eau. Capacité mathématique : Résoudre une équation du second degré.
Solutions courantes d’acides et de bases.Citer des solutions aqueuses d’acides et de bases courantes et les formules des espèces dissoutes associées : acide chlorhydrique (H3O+(aq), Cl(aq)), acide nitrique (H3O+(aq), NO (aq)), acide éthanoïque 3 (CH3COOH(aq)), soude ou hydroxyde de sodium (Na+(aq), HO(aq)), ammoniac (NH3(aq)).
Diagrammes de prédominance et de distribution d’un couple acide- base ; espèce prédominante, cas des indicateurs colorés et des acides alpha-aminés.Représenter le diagramme de prédominance d’un couple acide-base. Exploiter un diagramme de prédominance ou de distribution. Justifier le choix d’un indicateur coloré lors d’un titrage. Capacité numérique : Tracer, à l’aide d’un langage de programmation, le diagramme de distribution des espèces d’un couple acide-base de pKA donné.
Solution tampon.Citer les propriétés d’une solution tampon.
C) Forcer le sens d’évolution d’un système
Passage forcé d’un courant pour réaliser une transformation chimique. Constitution et fonctionnement d’un électrolyseur.Modéliser et schématiser, à partir de résultats expérimentaux, les transferts d’électrons aux électrodes par des réactions électrochimiques. Déterminer les variations de quantité de matière à partir de la durée de l’électrolyse et de la valeur de l’intensité du courant. Identifier les produits formés lors du passage forcé d’un courant dans un électrolyseur. Relier la durée, l’intensité du courant et les quantités de matière de produits formés.
Stockage et conversion d’énergie chimique.Citer des exemples de dispositifs mettant en jeu des conversions et stockages d’énergie chimique (piles, accumulateurs, organismes chlorophylliens) et les enjeux sociétaux associés.
4. Élaborer des stratégies en synthèse organique
Cette partie a pour objectif de réinvestir la plupart des notions introduites depuis la classe de seconde sur la constitution de la matière et les propriétés des transformations chimiques. Les différents modèles macroscopiques et microscopiques élaborés permettent de développer des raisonnements pour expliciter ou élaborer des stratégies limitant l’impact environnemental et visant le développement durable de ces activités. Elle s’appuie sur des activités concrètes des chimistes, essentielles dans de nombreux domaines de la vie quotidienne (santé, habillement, alimentation, transport, contrôle qualité, etc.). Pour la réalisation des synthèses écoresponsables de composés organiques, sont recherchés des réactifs, solvants, catalyseurs et protocoles minimisant les apports d’énergie et les déchets et augmentant la vitesse, la sélectivité et le rendement. Des banques de réactions sont mises à disposition des élèves pour analyser ou élaborer des synthèses multi- étapes et proposer éventuellement des améliorations. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité) : Formules brutes et semi-développées, squelette carboné saturé, groupes caractéristiques et familles fonctionnelles (alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques), lien entre nom et formule chimique, étapes d’un protocole (transformation, séparation, purification, identification), rendement d’une synthèse.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Structure et propriétés Formule topologique. Familles fonctionnelles : esters, amines, amides et halogénoalcanes. Squelettes carbonés insaturés, cycliques. Isomérie de constitution.  Exploiter des règles de nomenclature fournies pour nommer une espèce chimique ou représenter l’entité associée. Représenter des formules topologiques d’isomères de constitution, à partir d’une formule brute ou semi- développée.
Polymères.Identifier le motif d’un polymère à partir de sa formule. Citer des polymères naturels et synthétiques et des utilisations courantes des polymères.
Optimisation d’une étape de synthèse Optimisation de la vitesse de formation d’un produit et du rendement d’une synthèse.  Identifier, dans un protocole, les opérations réalisées pour optimiser la vitesse de formation d’un produit. Justifier l’augmentation du rendement d’une synthèse par introduction d’un excès d’un réactif ou par élimination d’un produit du milieu réactionnel. Mettre en œuvre un protocole de synthèse pour étudier l’influence de la modification des conditions expérimentales sur le rendement ou la vitesse.
Stratégie de synthèse multi-étapes Modification de groupe caractéristique, modification de chaîne carbonée, polymérisation. Protection / déprotection.    Élaborer une séquence réactionnelle de synthèse d’une espèce à partir d’une banque de réactions. Identifier des réactions d’oxydo-réduction, acide-base, de substitution, d’addition, d’élimination. Identifier des étapes de protection / déprotection et justifier leur intérêt, à partir d’une banque de réactions. Mettre en œuvre un protocole de synthèse conduisant à la modification d’un groupe caractéristique ou d’une chaîne carbonée.
Synthèses écoresponsables.Discuter l’impact environnemental d’une synthèse et proposer des améliorations à l’aide de données fournies, par exemple en termes d’énergie, de formation et valorisation de sous-produits et de choix des réactifs et solvants.

Programme mouvement et interactions

La seconde loi de Newton conduit ensuite à l’établissement et à la résolution des équations générales du mouvement dans des situations variées. L’étude des mouvements dans un champ uniforme permet d’appréhender des situations relevant du quotidien ; l’étude des mouvements dans un champ de gravitation ouvre les domaines de l’astronomie, de l’astrophysique, de la conquête spatiale et de l’observation de la Terre depuis l’espace.

Enfin, dans la continuité de l’introduction de la loi fondamentale de la statique des fluides en classe de première, ce thème se conclut par une introduction à la dynamique des fluides, avec notamment la mise en œuvre de la relation de Bernoulli, qui permet de décrire de très nombreux comportements dans des domaines aussi divers que la médecine, la biologie, l’aéronautique, la géophysique, etc.

Si la rédaction du programme est volontairement concise et centrée sur les notions et méthodes, il ne s’agit nullement de proposer aux élèves une présentation décontextualisée de la mécanique ; au contraire, tout en veillant au champ de validité des modèles utilisés, il est aisé de recourir à des domaines d’études variés : transports, biophysique, sport, planétologie, etc.

Lors des activités expérimentales, il est possible d’utiliser les outils courants de captation et de traitement d’images, ainsi que les nombreux capteurs présents dans les smartphones. L’activité de simulation peut également être mise à profit pour exploiter des modèles à des échelles d’espace ou de temps difficilement accessibles à l’expérimentation. Ce thème est l’occasion de développer des capacités de programmation.

Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité et enseignement scientifique) : Vecteur position, vecteur vitesse, variation du vecteur vitesse, notion de champ, exemples  de forces, lien entre forces extérieures et variation du vecteur vitesse, énergies cinétique, potentielle et mécanique, travail d’une force, trajectoire de la Terre dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, conception géocentrique vs conception héliocentrique, référentiel géocentrique, trajectoire de la Lune.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
1. Décrire un mouvement
Vecteurs position, vitesse et accélération d’un point.Définir le vecteur vitesse comme la dérivée du vecteur position par rapport au temps et le vecteur accélération comme la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps. Établir les coordonnées cartésiennes des vecteurs vitesse et accélération à partir des coordonnées du vecteur position et/ou du vecteur vitesse.
Coordonnées des vecteurs vitesse et accélération dans le repère de Frenet pour un mouvement circulaire.Citer et exploiter les expressions des coordonnées des vecteurs vitesse et accélération dans le repère de Frenet, dans le cas d’un mouvement circulaire.
Mouvement rectiligne uniformément accéléré. Mouvement circulaire uniforme.Caractériser le vecteur accélération pour les mouvements suivants : rectiligne, rectiligne uniforme, rectiligne uniformément accéléré, circulaire, circulaire uniforme. Réaliser et/ou exploiter une vidéo ou une chronophotographie pour déterminer les coordonnées du vecteur position en fonction du temps et en déduire les coordonnées approchées ou les représentations des vecteurs vitesse et accélération. Capacité numérique : Représenter, à l’aide d’un langage de programmation, des vecteurs accélération d’un point lors d’un mouvement. Capacité mathématique : Dériver une fonction.
2. Relier les actions appliquées à un système à son mouvement
Deuxième loi de Newton Centre de masse d’un système.  Justifier qualitativement la position du centre de masse d’un système, cette position étant donnée.
Référentiel galiléen. Deuxième loi de Newton. Équilibre d’un système.Discuter qualitativement du caractère galiléen d’un référentiel donné pour le mouvement étudié. Utiliser la deuxième loi de Newton dans des situations variées pour en déduire : le vecteur accélération du centre de masse, les forces appliquées au système étant connues ;la somme des forces appliquées au système, le mouvement du centre de masse étant connu.
Mouvement dans un champ uniforme Mouvement dans un champ de pesanteur uniforme. Champ électrique créé par un condensateur plan. Mouvement d’une particule chargée dans un champ électrique uniforme.    Montrer que le mouvement dans un champ uniforme est plan. Établir et exploiter les équations horaires du mouvement. Établir l’équation de la trajectoire. Discuter de l’influence des grandeurs physiques sur les caractéristiques du champ électrique créé par un condensateur plan, son expression étant donnée.
Principe de l’accélérateur linéaire de particules chargées.Décrire le principe d’un accélérateur linéaire de particules chargées.
Aspects énergétiques.Exploiter la conservation de l’énergie mécanique ou le théorème de l’énergie cinétique dans le cas du mouvement dans un champ uniforme. Utiliser des capteurs ou une vidéo pour déterminer les équations horaires du mouvement du centre de masse d’un système dans un champ uniforme. Étudier l’évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique. Capacité numérique : Représenter, à partir de données expérimentales variées, l’évolution des grandeurs énergétiques d’un système en mouvement dans un champ uniforme à l’aide d’un langage de programmation ou d’un tableur. Capacités mathématiques : Résoudre une équation différentielle, déterminer la primitive d’une fonction, utiliser la représentation paramétrique d’une courbe.
Mouvement dans un champ de gravitation Mouvement des satellites et des planètes. Orbite. Lois de Kepler. Période de révolution. Satellite géostationnaire.    Déterminer les caractéristiques des vecteurs vitesse et accélération du centre de masse d’un système en mouvement circulaire dans un champ de gravitation newtonien. Établir et exploiter la troisième loi de Kepler dans le cas du mouvement circulaire. Capacité numérique : Exploiter, à l’aide d’un langage de programmation, des données astronomiques ou satellitaires pour tester les deuxième et troisième lois de Kepler.
3. Modéliser l’écoulement d’un fluide
Poussée d’Archimède.         Écoulement d’un fluide en régime permanent.Expliquer qualitativement l’origine de la poussée d’Archimède. Utiliser l’expression vectorielle de la poussée d’Archimède. Mettre en œuvre un dispositif permettant de tester ou d’exploiter l’expression de la poussée d’Archimède. Exploiter la conservation du débit volumique pour déterminer la vitesse d’un fluide incompressible.
Débit volumique d’un fluide incompressible. Relation de Bernoulli. Effet Venturi.Exploiter la relation de Bernoulli, celle-ci étant fournie, pour étudier qualitativement puis quantitativement l’écoulement d’un fluide incompressible en régime permanent. Mettre en œuvre un dispositif expérimental pour étudier l’écoulement permanent d’un fluide et pour tester la relation de Bernoulli.

PROGRAMME THEME ENERGIE ET SES CONVERSIONS

L’énergie : conversions et transferts

La validité d’un modèle est à nouveau interrogée à travers le modèle du gaz parfait qui prolonge et généralise la loi de Mariotte étudiée en classe de première. Dans la continuité des classes précédentes, du collège comme du lycée, l’objectif central du thème « L’énergie : conversions et transferts » est désormais de procéder à des bilans d’énergie en s’appuyant sur le premier principe de la thermodynamique. Il s’agit, une fois le système clairement défini, d’identifier les transferts d’énergie, de prévoir leur sens et de procéder à un bilan entre un état initial et un état final de ce système dans le cadre d’une démarche à adapter en fonction des informations disponibles. Les situations étudiées permettent de réinvestir, dans un cadre théorique cohérent, les connaissances des élèves relatives au travail, à l’énergie mécanique et aux effets énergétiques des transformations physiques, chimiques et nucléaires ; une approche simplifiée du bilan thermique du système Terre-atmosphère est proposée. L’étude de l’évolution temporelle de la température d’un système au contact d’un thermostat est l’occasion de proposer une modélisation par une équation différentielle du premier ordre et d’introduire la notion de temps caractéristique. Ce thème peut prendre appui sur un ensemble varié de domaines (transport, habitat, espace, santé et vivant) et permettre de sensibiliser les élèves à la problématique des économies d’énergie par une approche rationnelle. Il peut également être l’occasion d’enrichir les notions étudiées dans le cadre de l’enseignement scientifique relatives aux aspects énergétiques du vivant, au bilan thermique du système Terre-atmosphère en lien avec l’évolution du climat, etc. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité et enseignement scientifique) : Énergie cinétique, travail d’une force, énergie potentielle, théorème de l’énergie cinétique, conservation et non conservation de l’énergie mécanique, bilan de puissance dans un circuit, effet joule, rendement d’un convertisseur, énergie molaire de réaction, pouvoir calorifique massique, énergie libérée lors d’une combustion, énergie de liaison, rayonnement solaire, bilan radiatif terrestre, bilan thermique du corps humain.
1. Décrire un système thermodynamique : exemple du modèle du gaz parfait
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Modèle du gaz parfait. Masse volumique, température thermodynamique, pression.Relier qualitativement les valeurs des grandeurs macroscopiques mesurées aux propriétés du système à l’échelle microscopique.
Équation d’état du gaz parfait.Exploiter l’équation d’état du gaz parfait pour décrire le comportement d’un gaz. Identifier quelques limites du modèle du gaz parfait.
2. Effectuer des bilans d’énergie sur un système : le premier principe de la thermodynamique
Énergie interne d’un système. Aspects microscopiques.Citer les différentes contributions microscopiques à l’énergie interne d’un système.
Premier principe de la thermodynamique. Transfert thermique, travail.Prévoir le sens d’un transfert thermique. Distinguer, dans un bilan d’énergie, le terme correspondant à la variation de l’énergie du système des termes correspondant à des transferts d’énergie entre le système et l’extérieur.
Capacité thermique d’un système incompressible. Énergie interne d’un système incompressible.Exploiter l’expression de la variation d’énergie interne d’un système incompressible en fonction de sa capacité thermique et de la variation de sa température pour effectuer un bilan énergétique. Effectuer l’étude énergétique d’un système thermodynamique.
Modes de transfert thermique. Flux thermique. Résistance thermique.Caractériser qualitativement les trois modes de transfert thermique : conduction, convection, rayonnement. Exploiter la relation entre flux thermique, résistance thermique et écart de température, l’expression de la résistance thermique étant donnée.
Bilan thermique du système Terre-atmosphère. Effet de serre.Effectuer un bilan quantitatif d’énergie pour estimer la température terrestre moyenne, la loi de Stefan-Boltzmann étant donnée. Discuter qualitativement de l’influence de l’albédo et de l’effet de serre sur la température terrestre moyenne.
Loi phénoménologique de Newton, modélisation de l’évolution de la température d’un système au contact d’un thermostat.Effectuer un bilan d’énergie pour un système incompressible échangeant de l’énergie par un transfert thermique modélisé à l’aide de la loi de Newton fournie. Établir l’expression de la température du système en fonction du temps. Suivre et modéliser l’évolution de la température d’un système incompressible. Capacité mathématique : Résoudre une équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants avec un second membre constant.

PROGRAMME THEME ONDES ET SIGNAUX

Ondes et signaux

1. Caractériser les phénomènes ondulatoires
Cette partie s’inscrit dans la continuité de l’étude des signaux sonores effectuée en classe de seconde puis de celle des ondes mécaniques, en particulier périodiques, abordée en classe de première. Ces études ont permis d’une part d’illustrer la variété des domaines d’application et d’autre part de donner du sens aux grandeurs caractéristiques des ondes et à la double périodicité spatiale et temporelle dans le cas des ondes périodiques. Tout en continuant à exploiter la diversité des champs d’application (télécommunications, santé, astronomie, géophysique, biophysique, acoustique, lecture optique, interférométrie,
vélocimétrie, etc.), il s’agit dans cette partie d’enrichir la modélisation des ondes en caractérisant les phénomènes qui leur sont propres : diffraction, interférences, effet Doppler. Même si certains de ces phénomènes peuvent échapper à l’observation directe, le recours à l’instrumentation et à la mesure permet de mener de nombreuses expériences pour illustrer ou tester les modèles. Il s’agit donc d’interpréter des observations courantes en distinguant bien le ou les phénomènes en jeu et en portant une attention particulière aux conditions de leur manifestation. Pour l’étude de la diffraction et des interférences, on se limite au cas des ondes progressives sinusoïdales. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité et enseignement scientifique) : Onde mécanique progressive périodique, célérité, retard, ondes sinusoïdales, période, longueur d’onde, relation entre période, longueur d’onde et célérité, son pur, son composé, puissance par unité de surface d’une onde sonore, fréquence fondamentale, note, gamme, signal analogique, numérisation.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Intensité sonore, intensité sonore de référence, niveau d’intensité sonore. Atténuation (en dB).Exploiter l’expression donnant le niveau d’intensité sonore d’un signal. Illustrer l’atténuation géométrique et l’atténuation par absorption. Capacité mathématique : Utiliser la fonction logarithme décimal et sa fonction réciproque.
Diffraction d’une onde par une ouverture : conditions d’observation et caractéristiques. Angle caractéristique de diffraction.Caractériser le phénomène de diffraction dans des situations variées et en citer des conséquences concrètes. Exploiter la relation exprimant l’angle caractéristique de diffraction en fonction de la longueur d’onde et de la taille de l’ouverture. Illustrer et caractériser qualitativement le phénomène de diffraction dans des situations variées. Exploiter la relation donnant l’angle caractéristique de diffraction dans le cas d’une onde lumineuse diffractée par une fente rectangulaire en utilisant éventuellement un logiciel de traitement d’image.
Interférences de deux ondes, conditions d’observation. Interférences constructives, Interférences destructives.Caractériser le phénomène d’interférences de deux ondes et en citer des conséquences concrètes. Établir les conditions d’interférences constructives et destructives de deux ondes issues de deux sources ponctuelles en phase dans le cas d’un milieu de propagation homogène. Tester les conditions d’interférences constructives ou destructives à la surface de l’eau dans le cas de deux ondes issues de deux sources ponctuelles en phase.
Interférences de deux ondes lumineuses, différence de chemin optique, conditions d’interférences constructives ou destructives.Prévoir les lieux d’interférences constructives et les lieux d’interférences destructives dans le cas des trous d’Young, l’expression linéarisée de la différence de chemin optique étant donnée. Établir l’expression de l’interfrange. Exploiter l’expression donnée de l’interfrange dans le cas
 des interférences de deux ondes lumineuses, en utilisant éventuellement un logiciel de traitement d’image. Capacité numérique : Représenter, à l’aide d’un langage de programmation, la somme de deux signaux sinusoïdaux périodiques synchrones en faisant varier la phase à l’origine de l’un des deux.
Effet Doppler. Décalage Doppler.Décrire et interpréter qualitativement les observations correspondant à une manifestation de l’effet Doppler. Établir l’expression du décalage Doppler dans le cas d’un observateur fixe, d’un émetteur mobile et dans une configuration à une dimension. Exploiter l’expression du décalage Doppler dans des situations variées utilisant des ondes acoustiques ou des ondes électromagnétiques. Exploiter l’expression du décalage Doppler en acoustique pour déterminer une vitesse.
2. Former des images, décrire la lumière par un flux de photons
Cette partie prolonge les notions abordées en classe de première par l’étude des images formées par un dispositif associant deux lentilles convergentes : la lunette astronomique. La description de l’effet photoélectrique permet d’introduire le caractère particulaire de la lumière et conduit à effectuer un bilan énergétique. Cette partie se prête à des activités expérimentales variées et permet d’aborder de nombreuses applications actuelles ou en développement : il concerne en effet aussi bien les bases de l’optique instrumentale que les nombreux dispositifs permettant d’émettre ou de capter des photons, en particulier pour convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique et réciproquement. Cette partie fournit également l’opportunité d’évoquer le processus de construction des connaissances scientifiques, en s’appuyant par exemple sur les débats scientifiques historiques à propos de la nature de la lumière. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité et enseignement scientifique) : Relation de conjugaison d’une lentille mince convergente, image réelle, image virtuelle, relation entre longueur d’onde, célérité de la lumière et fréquence, le photon, énergie d’un photon, bilan de puissance dans un circuit, rendement d’un convertisseur, rayonnement solaire, loi de Wien, puissance radiative.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
A) Former des images
Modèle optique d’une lunette astronomique avec objectif et oculaire convergents. Grossissement.Représenter le schéma d’une lunette afocale modélisée par deux lentilles minces convergentes ; identifier l’objectif et l’oculaire. Représenter le faisceau émergent issu d’un point objet situé « à l’infini » et traversant une lunette afocale. Établir l’expression du grossissement d’une lunette afocale. Exploiter les données caractéristiques d’une lunette commerciale.
 Réaliser une maquette de lunette astronomique ou utiliser une lunette commerciale pour en déterminer le grossissement. Vérifier la position de l’image intermédiaire en la visualisant sur un écran.
B) Décrire la lumière par un flux de photons
Le photon : énergie, vitesse, masse. Effet photoélectrique. Travail d’extraction.Décrire l’effet photoélectrique, ses caractéristiques et son importance historique. Interpréter qualitativement l’effet photoélectrique à l’aide du modèle particulaire de la lumière. Établir, par un bilan d’énergie, la relation entre l’énergie cinétique des électrons et la fréquence. Expliquer qualitativement le fonctionnement d’une cellule photoélectrique.
Absorption et émission de photons. Enjeux énergétiques : rendement d’une cellule photovoltaïque.Citer quelques applications actuelles mettant en jeu l’interaction photon-matière (capteurs de lumière, cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes, spectroscopies UV-visible et IR, etc.). Déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque.
3. Étudier la dynamique d’un système électrique
Cette partie s’intéresse au comportement capacitif de certains dipôles et étudie le circuit RC comme modèle de ce comportement. Elle permet d’introduire les notions de régime transitoire, de régime stationnaire et de temps caractéristique, et de modéliser un phénomène par une équation différentielle. Les capteurs sont présents dans de nombreux secteurs : dans le domaine de l’électronique, les MEMS (systèmes micro-électromécaniques) dont certains sont de type capacitif comme les capteurs d’accélération, dans la technologie des écrans tactiles, dans des dispositifs permettant de contrôler et de réguler les consommations d’énergie, dans le domaine de l’agroalimentaire ou de la chimie avec par exemple des capteurs de proximité (contrôle du remplissage de cuves), dans les objets dits « connectés » où ils sont associés à d’autres capteurs. En biologie, ce modèle permet de rendre compte, par analogie, du comportement de systèmes complexes. La mise en œuvre expérimentale de cette partie du programme est l’occasion d’utiliser des multimètres, des microcontrôleurs associés à des capteurs, des cartes d’acquisition, des oscilloscopes, etc. Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité) : Lien entre intensité d’un courant continu et débit de charges, modèle d’une source réelle de tension continue, puissance, énergie, bilan de puissance dans un circuit, effet Joule, rendement d’un convertisseur.
  Notions et contenusCapacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
Intensité d’un courant électrique en régime variable.Relier l’intensité d’un courant électrique au débit de charges.
Comportement capacitif.Identifier des situations variées où il y a accumulation de charges de signes opposés sur des surfaces en regard.

TRANSFORMATION ET ORGANISATION DE LA MATIERE

Repères pour une progression : https://eduscol.education.fr/document/17737/download

Activités : https://fondation-lamap.org/sites/default/files/sequence_pdf/ocean-et-climat-l-augmentation-du-niveau-des-mers.pdf

Exemple de progression sur l’ensemble du cycle 4

ATTENDUS DE FIN DE CYCLE 4NOTION5ÈME4ÈME3ÈME
Décrire la constitution et les états de la matièreLes états de la matièreConservation de la masse d’une espèce chimique lors d’un chan- gement d’état et maintien de la température à une valeur constante pour corps pur.Nature microscopique de la matière et interprétation des changements d’état au niveau microscopique.Remédiation / approfondissements en AP ou réinvestissement en EPI.
Masse volumiqueMesures de volume et de masse. Mise en évidence de la proportionna- lité entre masse et volume.Notion de masse volumique définie comme le coefficient de propor- tionnalité entre masse et volume et utilisation de la quatrième propor- tionnelleMasse volumique pour distinguer les matériaux, pour calculer une masse ou un volume à partir de la relation littérale m=ρV.
Corps purs et mélangesTempérature de changement d’état d’un corps pur. Mélanges : solutions aqueuses obte- nues par dissolution de gaz ou de solides ou par mélange de liquides.Solubilité d’un solide ou d’un gaz dans de l’eau. La solubilité et la miscibilité varie en fonction de l’espèce dissoute et de la température.Remédiation / approfondissements en AP ou réinvestissement en EPI.
Décrire et expliquer des transfor- mations chimiquesTransformation chimiqueLes combustions, exemples de transformations chimiques. Dis- tinction transformation physique et transformation chimique.Interprétation des transformations chimiques comme une redistribution d’atomes au niveau microscopique.Description d’une transformation chimique par une équation de réaction.
Atomes, ions, molécules, classifica- tion périodique Notions de molécules, atomes, ions. Tests caractéristiquesConstituants de l’atome. Tableau périodique des éléments
Propriétés acido-basiquesMesure du pH d’une solution acide ou basique.Caractère acide ou basique d’une solution associé à la présence d’ions H+ et OH-.Réactions acide-base, acide-métal.
Décrire l’organisation de la matière dans l’UniversStructure de l’Univers. Les distances dans l‘universLe système solaire Les distances dans le système solaire.L’Univers Les distances dans l‘Univers.Remédiation / approfondissements en AP ou réinvestissement en EPI.
Les éléments sur Terre et dans l’Univers. Constituants de l’atome Notions de molécules, atomes et ions présents sur Terre et dans l’UniversLes éléments sur Terre et dans l’Univers. Constituants de l’atome.
CINQUIEME THEME DIRECTEUR : OCÉANSQUATRIEME THEME DIRECTEUR : ALIMENTATIONTROISIEME THEME DIRECTEUR : ENVIRONNEMENTCONNAISSANCES ET COMPETENCES ASSOCIEES
DÉCRIRE LA CONSTITUTION ET LES ÉTATS DE LA MATIÈRE
LES ÉTATS DE LA MATÈRE On vérifie les acquis du cycle 3 concernant les états de la matière, les propriétés de la matière (densité, solubilité), la notion de masse, la notion de volume, de mélange. Evaluation diagnostique L’évaluation diagnostique peut être répartie dans le temps au fur et à mesure des besoins et réalisée au moyen d’un formulaire numérique. On complète les acquis du cycle 3 sur les états de la matière en montrant la conservation de la masse lors d’un changement d’état et le maintien de la température à une valeur constante pour une substance1. Une activité complémentaire documen- taire sur les réserves d’eau sur Terre et le cycle de l’eau peut permettre, en remédiation, de réactiver le vocabulaire lié aux changements d’état (O1 O2 O3). Exemples d’activités Activité documentaire : L’eau sur Terre Démarche d’investigation Fonte de la glace et augmentation du niveau de la  mer (http://www.fondation-lamap.org/node/28660) Activité expérimentale autour des changements d’état de l’eau.LES CHANGEMENTS D’ÉTAT On aborde en classe de 4ème la nature microsco- pique de la matière et l’interprétation des chan- gements d’état au niveau microscopique (O4). Exemples d’activités Activité numérique Simulation avec Modèle moléculaire illustrant  diverses propriétés physiques de la matière.LA MATIÈRE ET L’ENVIRONNEMENT Cette partie permet de faire le bilan des acquis sur la constitution et les états de la matière à travers des problématiques envi- ronnementales contribuant au parcours citoyen et/ou au parcours santé. Exemples d’activités Activité documentaire autour du réchauf- fement climatique à partir de la ressource Les glaces au cœur du réchauffement climatique Activité expérimentale Pétrole et marées noires (http://www. fondation-lamap.org/node/28679) Acidification des océans Activité contribuant au Parcours Avenir sur les métiers de l’environnement, à partir par exemple du site de l’ONISEP.O1 Caractériser les différents états de la matière (solide, liquide et gaz). O2 Proposer et mettre en œuvre un pro- tocole expérimental pour étudier les propriétés des changements d’état. O3 Caractériser les différents change- ments d’état d’un corps pur. O4 Interpréter les changements d’état au niveau microscopique. O5 Proposer et mettre en œuvre un pro- tocole expérimental pour déterminer une masse volumique d’un liquide ou d’un solide. O6 Exploiter des mesures de masse volu- mique pour différencier des espèces chimiques. Espèce chimique et mélange.Notion de corps pur.Changements d’états de la matière.Conservation de la masse, variation du volume, température de change- ment d’état.Masse volumique : Relation m = ρ.V. O7 Concevoir et réaliser des expériences pour caractériser des mélanges. O8 Estimer expérimentalement une valeur de solubilité dans l’eau. Solubilité.Miscibilité.Composition de l’air.