Classe terminale de la serie scientifique





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PHYSIQUE–CHIMIE

CLASSE TERMINALE DE LA SERIE SCIENTIFIQUE
ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE
Présentation

Dans une société où des informations de tous ordres arrivent dans l’immédiateté et de toutes parts, la priorité est donnée à la formation des esprits pour transformer cette information en une connaissance. L’enseignant doit être un accompagnateur de chaque élève dans l’acquisition de compétences qui ne peuvent être opérationnelles sans connaissances, qui sont à la fois la base et l’objectif de la didactique, notamment scientifique. Formation des esprits et acquisition de connaissances sont deux facettes indissociables de l’activité éducative.

Ainsi le programme physique-chimie de terminale S se situe dans le prolongement de celui de première S en approfondissant la formation à la démarche scientifique. Il permet de mieux installer les compétences déjà rencontrées, de les compléter, et de faire acquérir des connaissances nouvelles.

Comme pour la première S, une rédaction volontairement allégée des contenus, notions et compétences, a été privilégiée, sans pour autant altérer la lisibilité et la précision des exigences telles qu’elles sont attendues en fin d’année scolaire et exigibles pour le baccalauréat.

Deux compétences occupent une place centrale en terminale : « extraire » et « exploiter » des informations ; elles seront mises en œuvre fréquemment, notamment dans les situations identifiées dans la colonne de droite du programme, en respectant l’esprit de la démarche scientifique.

Les activités proposées aux élèves au sujet de la compétence « extraire » et leurs connaissances acquises doivent les conduire à s’interroger de manière critique sur la valeur scientifique des informations, sur la pertinence de leur prise en compte, et à choisir de façon argumentée ce qui est à retenir dans des ensembles où l’information est souvent surabondante et parfois erronée, où la connaissance objective et rationnelle doit être distinguée de l’opinion et de la croyance.

Les supports d’informations proposés aux élèves seront multiples et diversifiés : textes de vulgarisation et textes scientifiques en français et éventuellement en langue étrangère, tableaux de données, constructions graphiques, vidéos, signaux délivrés par des capteurs, spectres, modèles moléculaires, expériences réalisées ou simulées…

L’exploitation sera conduite en passant par l’étape d’identification des grandeurs physiques ou chimiques pertinentes et par celle de modélisation. Cette formalisation pourra conduire à l’établissement des équations du modèle puis à leur traitement mathématique, numérique ou graphique.

L’élève est ainsi amené à raisonner avec méthode et à mettre en œuvre avec rigueur l’ensemble des étapes qui lui permettent de trouver la ou les solutions au problème posé. Le professeur aura cependant à l’esprit que le recours à des outils mathématiques n’est pas le but premier de la formation de l’élève en physique-chimie, même si cela peut être parfois nécessaire pour conduire une étude à son terme. Dans certains cas, le professeur utilisera des méthodes de résolutions graphique ou numérique, pratiques de plus en plus fréquentes en raison de la complexité des systèmes étudiés. Ce sera aussi l’occasion de souligner que les travaux de recherche sont souvent conduits par des équipes pluridisciplinaires.

Le professeur fera aussi appel à des exploitations qualitatives conduites avec rigueur. L’emploi de celles-ci s’avère particulièrement opportun dans le cas où elles permettent de dégager directement le sens de l’étude que pourrait masquer un développement calculatoire. Ainsi, l’analyse dimensionnelle, l’examen préalable des différents phénomènes en cause, la comparaison d’ordres de grandeur peuvent permettre une simplification efficace du cadre conceptuel de la situation et fournir une résolution élégante, rapide, à un problème a priori complexe.

Familiariser ainsi l’élève à pratiquer des raisonnements qualitatifs, à savoir faire de la physique et de la chimie « avec les mains », c’est aussi l’habituer à savoir communiquer en tant que scientifique avec des non scientifiques.

Le résultat obtenu à l’issue d’une démarche de résolution sera l’objet d’une attention particulière. L’analyse critique d’un résultat permet en effet de lui donner davantage de sens, notamment lorsque l’on compare les effets attendus résultant de la modification d’un paramètre et ceux effectivement observés. L’exploitation d’un résultat apparaît comme un moyen de validation des hypothèses faites lors de la modélisation mais aussi comme le point de départ d’un réinvestissement : il s’agit de la charnière entre les démarches « comprendre » et « agir » que soulignent les programmes.

Les professeurs, s’ils souhaitent bénéficier de ressources didactiques, de situations et de questionnements, peuvent se reporter aux sites ministériels sur Eduscol : http://www.eduscol.education.fr/spc où ils trouveront des ressources pour la classe terminale, qui n’ont cependant pas de valeur prescriptive.

Il conviendra par ailleurs qu’ils s’appuient au mieux sur les acquis du collège et sur ceux des programmes de seconde et de première du lycée.

Les compétences évaluées en fin de cycle terminal à l’occasion des épreuves du baccalauréat porteront principalement sur le programme de terminale sans exclure celles des programmes des classes de seconde et de première, notamment celles de nature expérimentale.

Tout en poursuivant l’effort en cours de contextualisation de leur problématique, ces épreuves mettront ainsi l’accent sur l’acquisition de la méthodologie scientifique. Pour les élèves de terminale, le baccalauréat n’est pas en effet une fin en soi, mais une étape, destinée à préparer les élèves aux études supérieures, en accompagnant et prolongeant la formation des esprits à la démarche scientifique.

L’accent mis sur la méthodologie aura aussi notamment pour conséquence que les épreuves d’évaluation fourniront tous les éléments de savoir (formules, propriétés, données physicochimiques, schémas,…) nécessaires à leur résolution si cette dernière implique la mise en œuvre de compétences non exigibles car ne figurant pas dans la colonne de droite du programme.

Les programmes de terminale de la série scientifique comme ceux de première s’articulent autour des grandes phases de la démarche scientifique : observer, comprendre, agir, et s’appuient sur des entrées porteuses et modernes introduites à partir de questionnements.
Observer : ondes et matière

La partie « observation » est étendue à l’ensemble du spectre des ondes électromagnétiques et aux ondes dans la matière, ainsi qu’aux particules.

Ondes et particules

Des sources « froides » (rayonnement cosmologique, nuages interstellaires, corps solides,…) aux plus « chaudes » (étoiles et sources associées), en passant par les sources composites comme les galaxies, l’Univers est empli d’émetteurs électromagnétiques sur tout le spectre, qui interagissent avec l’atmosphère terrestre. Cette interaction, qui dépend du domaine spectral considéré, conditionne la nature de l’instrument d’observation, son support technologique et son altitude (du sol à l’extérieur de l’atmosphère).

L’Homme sait également fabriquer des sources de rayonnement sur l’ensemble du spectre, dans le visible, mais aussi dans les domaines radio, infrarouge et ultraviolet notamment.

Une étude documentaire, non exhaustive, des sources de rayonnement, éventuellement absorbé par l’atmosphère, sera menée, ainsi que sur les ondes de matière à l’œuvre sur Terre, avec une tonalité particulière mise sur les ondes sonores, dont un prolongement pourra être trouvé dans l’enseignement de spécialité.

Les photons associés aux ondes électromagnétiques, les particules élémentaires (électrons, protons, neutrinos,…), ou composites (noyaux, atomes, molécules) sont, à côté des ondes électromagnétiques et mécaniques, des supports précieux d’information.

Parmi l’ensemble des sources d’ondes et de particules, un choix est possible d’étude plus particulière ainsi que sur un dispositif d’observation donné. Cette faculté de choix porte également sur l’étude expérimentale obligatoire d’un dispositif de détection.

Caractéristiques et propriétés des ondes

Il s’agit de savoir décrire les ondes, définir et utiliser les grandeurs physiques associées. La diffraction d’ondes dans tous les domaines du spectre est soulignée, en particulier dans ses conséquences sur l’observation.

L’étude des interférences met l’accent sur les conditions d’interférences constructives et destructives pour les ondes monochromatiques.

Comme la diffraction et les interférences, l’effet Doppler se prête bien à exploitation expérimentale. Son étude sera étendue à l’investigation en astrophysique (mouvements des corps, détections indirectes et planètes extrasolaires, expansion de l’Univers) et à la vélocimétrie.

Analyse spectrale.

La spectroscopie est un moyen privilégié d’étude des propriétés physicochimiques (température, composition) des sources de rayonnement, des objets astronomiques aux sources colorées fabriquées par l’Homme.

Elle est également un instrument irremplaçable d’analyse des espèces chimiques d’origine variée, notamment issues du domaine du vivant, qu’il s’agisse des spectres UV-visible, IR ou RMN. C’est principalement cet aspect qui donnera lieu à l’enseignement de terminale.

Sans aborder les règles qui régissent les transferts d’énergie dans les molécules, il s’agira d’exploiter des spectres de natures différentes à l’aide de tables et de logiciels, en vue de les mettre en relation avec la structure des molécules. En outre, il s’agira de choisir une espèce colorée pour conduire une démarche expérimentale destinée à la caractériser.

Comme dans l’ensemble du programme, l’enseignant n’est pas tenu à une lecture séquentielle dans cette partie « Observer », et peut la traiter dans l’ordre de son choix pour les trois thèmes. Il peut également, comme pour le programme de première, choisir de faire un détour parmi les deux autres parties « Comprendre » et « Agir » du programme au moyen d’un « fil rouge ».
Comprendre : Lois et modèles 1

Temps, mouvement et évolution

Le temps et sa mesure, la définition et l’évolution de son unité, reposent sur l’étude et l’exploitation de phénomènes périodiques.

L’histoire de cette mesure, qui peut remonter aux procédés ancestraux (gnomonique), fournit la matière à l’étude documentaire d’une recherche de progrès tendue par le souci toujours plus grand de la précision, de la stabilité et de l’universalité (rotation et révolution terrestres, oscillateurs mécaniques et électriques, horloges atomiques).

L’occasion est alors donnée d’appliquer la cinématique et la dynamique newtoniennes pour inscrire le temps comme variable naturelle des phénomènes évolutifs. Outre l’énergie, l’introduction de la quantité de mouvement permet d’étendre l’étude si fructueuse pour la physique de grandeurs qui se conservent lors d’une évolution.

Les aspects énergétiques interviennent dans ce cadre en particulier pour analyser les causes de dissipation qui altèrent la reproductibilité des phénomènes et donc la qualité des étalons de temps.

La définition du temps atomique et la réalisation des horloges associées font accéder à des échelles de précision telles qu’elles mettent directement en évidence le caractère relatif du temps en fonction de la vitesse relative de l’horloge et de l’observateur, qui est à la base de la relativité restreinte.

Les postulats d’Einstein (1905), qui constituent cette base, aboutissent à affirmer que la vitesse de la lumière dans le vide est la même dans tous les référentiels galiléens. C’est une constante fondamentale de la physique.

L’étude de cette propriété fondamentale dans le cadre d’un enseignement illustre bien la problématique du choix didactique face à la subtilité de la démarche scientifique. Cette subtilité est en l’occurrence celle de l’interrogation d’Einstein se posant la question de l’unité de la physique, entre l’électromagnétisme faisant apparaître une vitesse de propagation des ondes dans le vide indépendante du référentiel et la mécanique newtonienne posant l’additivité des vitesses, sans que l’on sache vraiment si la réponse d’Einstein avait pu être inspirée de tests expérimentaux comme l’expérience de Michelson et Morley.

La réponse d’Einstein sous forme de postulat remet en cause le cadre de la mécanique newtonienne, à savoir une vitesse de la lumière relative et un temps absolu, au profit d’une vitesse de la lumière absolue et un temps relatif.

L’invariance de la vitesse de la lumière dans le vide a été abondamment confirmée par l’expérience (prisme mobile d’Arago 1810, Michelson et Morley 1887, Alväger 1964, Hall Brillet 1979, étoiles doubles,…). La liberté didactique du professeur consiste à faire un choix, notamment entre une approche historique, pouvant d’emblée annoncer le postulat et le faire suivre par des tests expérimentaux, et une approche plus « pédagogique » partant des résultats expérimentaux pour rendre plus naturelle ensuite l’hypothèse d’Einstein. En ce sens le programme se présente selon un ordre qui ne saurait être prescriptif, selon l’esprit général qui l’anime.

Il en va de même du caractère relatif du temps, entre ses notions afférentes (événement, temps propre, temps mesuré, dilatation des durées) et ses confirmations expérimentales ou situations concrètes (désintégration des muons dans l’atmosphère, particules instables dans les accélérateurs, horloges atomiques embarquées, GPS,…). A ce titre, on remarquera que la dilatation des durées se prête à analyse quantitative : la relation ∆tm = γ∆ tp avec γ = 1/(1 – (v/c)2)1/2 entre durée mesurée et durée propre peut être aisément justifiée (horloge de lumière, « expérience » de la lumière émise dans un bateau).

La mesure du temps (dans une approche classique) s’applique également à l’étude de la transformation de la matière, au travers notamment des facteurs qui influencent le rythme et la durée des évolutions chimiques. La cinétique et la catalyse s’inscrivent dans cette problématique, en se prêtant bien à des approches expérimentales et à des illustrations dans les champs aussi bien naturels qu’industriels.

Structure et transformation de la matière

Le programme de la classe terminale consacre ce thème à l’évolution de la matière au travers des réactions chimiques, en partant des représentations. Ceci pourra être l’occasion de mentionner l’importance des conformations et configurations dans le milieu biologique.

Une première approche de la réactivité est présentée. L’objectif est d’introduire les grandes classes de réactions en chimie organique et de faire percevoir l’idée que l’interaction entre un site nucléophile et un site électrophile fonde la plupart des réactions en chimie organique. Sans entrer dans le détail de leur interprétation par un mécanisme réactionnel, cette approche doit permettre de préparer la compréhension des fondements des réactions qui interviendront lors de la poursuite d’études scientifiques.

Les transformations étudiées s’inscrivent dans les deux grands ensembles de la chimie organique et de la réaction chimique par échange de proton. Au-delà du côté classique de ces exemples, il importera de contextualiser autant que possible leur étude, avec une attention particulière portée aux milieux biologiques, qui permettent aisément de construire des fils rouges.

On notera que les démarches expérimentales portant sur le même objet initial d’étude, comme les solutions par exemple, se prêtent bien aux analyses statistiques dans le cadre de la formation des élèves aux méthodes d’analyse des résultats de mesure.

Énergie, matière et rayonnement

Ce thème porte pour l’essentiel sur le rapport entre énergie et matière, avec un éclairage particulier porté au rayonnement, comme porte d’entrée sur le comportement quantique du réel.

L’étude documentaire doit permettre de saisir le changement des ordres de grandeur lors du passage du macroscopique au microscopique, notamment sur le plan du dénombrement (constante d’Avogadro), ou de la taille des objets. Cette étude doit aussi mettre en évidence l’aspect nécessairement statistique de notre connaissance des systèmes formés d’un grand nombre d’entités microscopiques. Les résultats des observations à très petite échelle fournissent des représentations au moyen d’images (il faudra être prudent sur la signification du terme « visualiser ») des atomes et des molécules, qui permettent de remonter aux dimensions et à la structure de la matière à ce niveau d’organisation.

L’étude des transferts d’énergie entre systèmes macroscopiques traite de notions de base de la thermodynamique (énergie interne, transferts thermiques, travail, capacité thermique), première étape vers l’étude future de ses principes. L’occasion doit être donnée de mettre en place certains éléments méthodologiques de la thermodynamique : définition du système étudié, identification de la nature et du sens des transferts d’énergie, analyse critique des résultats obtenus et mise en perspective avec des dispositifs réels.

La diversité des transferts thermiques permet d’évoquer l’irréversibilité des phénomènes liée en particulier aux processus diffusifs, et d’aborder des aspects de la vie courante tenant aux préoccupations énergétiques. Ainsi, les bilans d’énergie peuvent être empruntés au domaine de l’habitat (problématique du chauffage d’une habitation, géothermie, pompe à chaleur, climatiseur, réfrigérateur,…), du transport (moteurs, effets thermiques liés au frottement,…) ou bien encore celui de la production d’énergie, qui peut être l’occasion pour le professeur de faire un lien avec la thématique sur les enjeux énergétiques de la partie « Agir – défis du XXIème siècle ».

Au niveau quantique, le laser s’avère être un objet et un outil d’étude privilégié des transferts d’énergie. L’étude des émissions et de l’absorption quantiques n’est menée qu’au niveau de leur principe, toute étude théorique plus quantitative (coefficients d’Einstein) étant hors programme. La présentation doit en effet avoir comme seule fin de comprendre le principe du pompage optique et de l’amplification cohérente et directive d’un rayonnement monochromatique incident, dans l’enceinte d’un oscillateur optique.

L’usage du laser peut aisément faire partie des fils rouges du programme (onde électromagnétique, spectroscopie, principe des transferts quantiques, traitement de l’information,…).

La dualité onde-corpuscule est une formulation qui s’applique aux manifestations du photon, qui se comporte soit comme une onde, soit comme une particule, selon le contexte expérimental considéré. Mais elle ne doit pas décrire la nature intrinsèque du photon lui-même, qui n’est ni une onde, ni une particule, mais l’archétype d’un objet quantique, appelé parfois « quanton » par les scientifiques.

L’occasion doit pouvoir être saisie d’une similitude des propriétés des ondes de matière et des ondes électromagnétiques, comme dans le cas des électrons et des rayons X. Une illustration naturelle et nécessaire en est celle du microscope électronique où p = h/λ, soit λ = h/p, rapportée au phénomène de diffraction, explique la nécessité d’explorer la matière par des particules ou du rayonnement de longueur d’onde nettement plus petite que la taille des objets observés.

L’observation (vidéo) de la réalisation progressive de la figure d’interférences obtenue en émettant le rayonnement photon par photon, ou la matière particule par particule, souligne l’étrangeté éventuelle des phénomènes quantiques pour le sens commun. Elle est une illustration parmi d’autres de l’aspect probabiliste de la réalité quantique, comme peut l’être la désintégration radioactive (cas des muons évoqués plus haut). L’incertitude associée aux phénomènes quantiques, comme sur l’instant auquel se produit une désintégration, ne doit pas laisser croire que toutes les mesures physiques à ce niveau sont incertaines. Ainsi l’énergie des niveaux quantiques stables peut être connue avec une précision exceptionnelle (de l’ordre de 10-13 par exemple pour le premier niveau d’énergie de l’atome d’hydrogène !).

Si l’occurrence des phénomènes quantiques individuels ne peut être connue avec précision, la loi des grands nombres permet néanmoins de prévoir précisément le comportement des grands ensembles, c’est à dire des systèmes macroscopiques. Il faut bien voir alors que la limite de la précision dans leur connaissance réside dans l’acte de mesure lui-même, alors qu’elle est intrinsèque au niveau microscopique, en raison du caractère probabiliste de la réalité quantique.

Le professeur exerce sa liberté pédagogique en traitant cette partie « Lois et modèles » du programme, dédiée à la modélisation conceptuelle, dans l’ordre des thèmes de son choix.
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