Title: SCIENCES PHYSIQUES
1SCIENCES PHYSIQUES
2Fournir aux élèves une représentation cohérente
des sciences physiques et leur faire assimiler
les grands principes gouvernant lévolution 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...Approch
er quelques éléments dhistoire des
sciences.Favoriser l orientation vers des
filières scientifiques, en développant le
nécessaire questionnement de l élève et la
pratique expérimentale.
Les objectifs de l enseignement des sciences
physiques et chimiques au lycée
3Le fil directeur lévolution temporelle des
systèmes
Le programme de Physique en terminale
- Thème ondes étude de la propagation dune
onde mécanique introduction du modèle
ondulatoire de la lumière - Thème matière exploration de systèmes très
variés noyaux atomiques, systèmes électriques,
systèmes mécaniques.
4Le 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 dinertie - 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
5En Terminale S
- Évolution temporelle des systèmes taux de
variation dune grandeur caractéristique - Formaliser les lois dévolution
- Pratiquer la démarche scientifique
- expérimenter,
- modéliser,
- confronter modèle et expérience.
-
6Physique
Enseignement Obligatoire
7TP dintroduction
- Objectif
- Introduire lévolution temporelle des systèmes.
- Comment ?
- Présenter des situations variées conduisant les
élèves à identifier les grandeurs pertinentes
pour lévolution dun système et les temps
caractéristiques. - Exemples
- Flash dun appareil jetable
- Saut à lélastique
- Vase de Tantale
8Tableau Sa construction peut être poursuivie
tout au long de lannée.
Évolution temporelle
9Partie A Propagation dune onde ondes
progressives (2 TP 9 HCE)
- Quest ce quune onde ?
- Comment la caractériser ?
- Quelles grandeurs physiques lui associe-t-on ?
- le formalisme est réduit au minimum,
- en particulier y f(x,t) nest pas au
programme. -
- Le modèle ondulatoire de la lumière est mis en
place à partir dune similitude de comportement
- la diffraction
10(No Transcript)
11Idées directrices de cette étude
- 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
12La démarche proposée
- Le questionnement et la problématisation
- Un questionnement peut précéder lobservation
- Si lon fait ceci ou cela, A VOTRE AVIS,
- que va-t-on observer , et pourquoi ?
- Lobservation conduit à une problématisation et
peut donner lieu à des hypothèses. - Le double mouvement de lactivité scientifique
est privilégié - Confrontation des prédictions dun modèle
théorique à des résultats expérimentaux - Utilisation des résultats expérimentaux pour
affiner un modèle théorique
13Quest-ce qui distingue une onde du mouvement
dun mobile ?
- Quelques questions étudiées
- Comment se déplace la surface de leau au passage
dune onde? - Quarrive-t-il lorsque deux ondes se rencontrent
? - Quelle est la forme de londe produite par une
pierre qui ricoche sur leau ? - Onde mécanique déformation dun milieu qui se
transmet de proche en proche (pas forcément
périodique ni sinusoïdale).
14Quest-ce qui distingue une onde du mouvement
dun mobile ?
- LE MOUVEMENT DUN MOBILE
- se décrit à laide dune 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 - seffectue à une vitesse qui lui est propre.
-
- LA PROPAGATION DUNE ONDE
- se fait, à partir dune 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 dautres 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. -
15De quoi dépend la célérité dune onde mécanique ?
- La célérité augmente avec la rigidité du milieu.
- Elle diminue lorsque linertie du milieu augmente.
16Comment étudier expérimentalement la propagation
dondes 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.
17Résultats
- Mesures
- - l 0,027 m
- T 0,092 s
- v 0,295 ms-1
- v.T 0,027 m
18Reprise de lexpérience avec les ultrasons
- Selon vous, quelles vont être les allures des
deux courbes que lon va observer sur lécran ?
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 cest-à-dire en léloignant de lémetteur,
que va-t-on observer, à votre avis, sur lécran
de loscilloscope et pourquoi ?
19Deux propriétés caractéristiques des ondes
- Dispersion
- On montre que V dépend de T
20Peut-on modéliser la lumière par une onde ?
- Diffraction
- Diffraction dun faisceau LASER
- Anticipation
- Si lon place, un filtre vert entre la source de
lumière blanche et le prisme, que verra-t-on sur
lécran ?
21Quelques 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)
22Partie B. Transformations nucléaires (2 TP 7HCE
)
- Un triple objectif
- 1. Aborder quelques notions concernant la
structure des noyaux atomiques à partir de
lobservation expérimentale de leur instabilité. - 2. Connaître quelques ordres de grandeurs
concernant la radioactivité naturelle et
comprendre quelle peut être utilisée pour la
datation. - 3. Comprendre que la conversion masse-énergie
peut être à lorigine de la production dénergie
utilisable. -
23(No Transcript)
24Commentaires
- Le thème de la radioactivité propose une
convergence thématique entre la physique, les
mathématiques et les sciences de la terre. - Étude statistique dune 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 lexpression demi-vie.
25MATH-PHYSIQUE nécessité dune approche
concertée
Programme de mathématiques
Contenus Modalités de mise en oeuvre Commentaires
Probabilités 1ère S
Espérance, variance, écart type pour loi de probabilité Éclairage entre loi de probabilité et distributions de fréquences Loi des grands nombres les distributions de fréquences sur des séries de taille n se rapprochent de P loi de probabilité quand n devient grand
Lois de probabilité Terminale S
Loi binomiale Application à la désintégration radioactive loi exponentielle de désintégration des noyaux Ce paragraphe est une application de ce qui aura été fait en début dannée sur lexponentielle et le calcul intégral
26Intérêt pour la physique
La désintégration dun noyau est de nature probabiliste donc obéit à une loi de durée de vie sans vieillissement Létude physique se fera sur une population de noyaux (T.P. CRAB) La loi régissant la population est de type binomial car obéit au critère probabiliste individuel, doublé de lindépendance entre noyaux
Programme de mathématiques Fonction exponentielle
Contenus Modalités de mise en oeuvre Commentaires
Terminale S Introduction à la fonction exponentielle Étude de léquation f k.f Étude pouvant être motivée par lexemple de la radioactivité en physique On construira avec la méthode dEuler des représentations graphiques approchées de f avec des pas de plus en plus petits Ce travail sera fait très tôt dans lannée. Il fournira un premier contact avec léquation différentielle. La méthode dEuler fait apparaître une suite géométrique.
27Comment interpréter létrange comportement dun
échantillon de matière radioactive ?
- Deux séquences peuvent être proposées
- 1.Caractère aléatoire du phénomène de
désintégration - Analyse dune 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 lévolution dune 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 dEuler appliquée à la radioactivité
281.Caractère aléatoire de la désintégration
- On indique aux élèves
- une transformation radioactive se produit quand
un noyau se transforme spontanément, lévénement
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. -
29Questionnement possible
- Chaque groupe délèves va venir mesurer le
nombres n dévènements 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.
31Réalisation des mesures et exploitation à laide
dun tableur grapheur
32Questions possibles
-
- Peut-on prévoir exactement le résultat dun
comptage radioactif ? - Comment expliquer la dispersion des résultats ?
- Comment évolue la moyenne et lécart type de la
série de comptage en fonction de x ?
33Points à retenir
- Une transformation radioactive est un phénomène
aléatoire. - Un noyau meurt sans vieillir.
- La désintégration dun noyau naffecte pas celle
dun noyau voisin.
34Modélisation de lévolution du nombre N de noyaux
restant en fonction du temps
- Réalisation dune 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
352.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 dexploitation.
- Remarque la source du CRAB nest plus conforme
aux nouvelles réglementations.
372.b Méthode dEuler
- A défaut de ce matériel, le second TP peut être
loccasion de - présenter la méthode dEuler si les élèves ne
lont pas étudiée en 1ère - Méthode d'Euler (1)
- Méthode d'Euler (2)
- Méthode d'Euler (3)
- de lappliquer à la décroissance radioactive à
laide dun tableur, - de montrer quil sagit dune loi dévolution
exponentielle.
38La méthode dEuler
- Une méthode approchée de résolution déquation
différentielle - y f(t, y)
- sur un intervalle ? t0 t0 ?t?.
- exemple dN/dt -l.N
39Principe
- Pour cela, on subdivise cette durée ?t en N
intervalles de t0 à tN de durée égale tn1 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
lintervalle ?tn , tn1? avec sa tangente au
point de coordonnées tn.
40Principe
- Y(tn1) Y(tn) p ? y(tn ) avec y(tn) f(t,
y) - N(tn1) N(tn) (dN/dt)tn.p
- donc Y(tn1) Y(tn) p ? f(t, y(tn))
- N(tn1) 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
laide dun tableur.
41(No Transcript)
42Graphique et influence du pas
t n
t n1
432.c Des poussières radioactives dans lair
- Filiation de la famille de luranium 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.
44Radioactivité dans notre environnement
- Un disque découpé dans un filtre à café et coincé
dans un tuyau daspirateur en fonctionnement
pendant une ½ heure contient des radioéléments
émetteurs b-. - Une courbe de décroissance peut être obtenue à
laide du CRAB. - On montre ainsi lomniprésence de la
radioactivité dans notre environnement. - Inconvénient mélange de deux radioéléments
45Étude des désintégrations beta et gamma du Césium
137Simulation numérique
46Partie C. Évolution des systèmes électriques (3
TP - 10HCE)
- Etude des phénomènes associés à des courants
variables - Evolution temporelle dune intensité i(t) ou
dune tension u(t) et détermination dune durée
caractéristique (dipôles RC, RL, RLC série) - Equation différentielle et résolution analytique
47(No Transcript)
48Quelques commentaires
- Le phénomène dinduction et la notion
dauto-induction ne sont plus au programme. - Létude du dipôle RLC en régime sinusoïdal forcé
nest plus au programme. - Eviter les tensions créneaux pour létude
expérimentale de la réponse dun circuit RC ou RL
à un échelon de tension - oscilloscope à mémoire ou carte dacquisition.
- Décharge d'un condensateur dans R ou dans RL
- Oscillations électriques libres - Influence de L
et C - Oscillations électriques libres
49Un exemple dactivité 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 n1 qn i.Dt
- donc i(t) dq/dt
502. Comportement dun 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.
513. Comportement dun condensateur analyse
- E fixé donc charge du condensateur donc uc
augmente donc
524. Dernière étape possible la simulation
- L'intérêt ici est de pouvoir ensuite en faire une
étude par application d'une boucle de calcul - Animation circuit RC
- Établissement du courant dans une bobine
inductive
53Partie D. Évolution temporelle des systèmes
mécaniques (5 TP - 22 HCE)
- Continuité avec la seconde et la première S
- Cette partie constitue laboutissement de
lenseignement de mécanique commencé en
seconde par létude des grandeurs , poursuivi
en première par létude des interactions . En
Terminale, on étudie les effets des
interactions sur lévolution des systèmes .
54La démarche de modélisation
- On part de situations réelles quon étudie
expérimentalement - Mouvement dans un fluide
- Oscillations dun solide
- On construit ensuite le modèle...
- Force de frottement
- Oscillateur harmonique, pendule simple
- ...auquel on applique la théorie
- Equation différentielle, résolution, période
55Une méthode détude le traitement dimages vidéo
- Avec une Webcam ou un caméscope enregistrement
du mouvement - Avec un logiciel de pointage repérage des
positions - Avec un tableur traitement des données
- Modélisation des frottements
- Résolution de léquation différentielle (méthode
itérative dEuler)
56Chute dans lair repérage des coordonnées
Vidéo
57Chute dans un fluide traitement
- Demande de prévision de la courbe v f(t)
- Constat
- Recherche de la valeur des grandeurs
caractéristiques
58Principe de la modélisation des frottements
- Diagramme objet-interactions
59Hypothèses sur la modélisation des frottements
- Deuxième hypothèse f k.v²
60T.P. détude de la chute dun solide dans un
fluide Logiciel Avimeca Chute de 4 ballons de
baudruche
61Latome et la mécanique de Newton ouverture au
monde quantique
- Les expériences de Franck et Hertz (1914)
62Que devient un atome excité ?
- Réflexion à partir du spectre démission de
latome dhélium
63 64Partie E. Lévolution temporelle des systèmes et
la mesure du temps (2 HCE)
- Cette partie est considérée comme une révision
de fin dannée, autour de la mesure du temps.
Elle ne comporte aucune connaissance théorique
nouvelle ni nouvelle compétence exigible. - Chaque exemple est présenté sous forme
dactivité ou dexercice. - Exemples
- Comment mesurer une durée ?
- Mesurer une durée pour déterminer une longueur
- Mesurer une durée pour déterminer une vitesse.
65(No Transcript)
66La mesure du temps
- Récapitulation des connaissances acquises autour
de la mesure du temps - Comment mesurer une durée?
- À partir d une décroissance radioactive
- à partir d un phénomène périodique
- Mesurer une durée pour déterminer une longueur
- A partir de la propagation d une onde
- Le mètre défini à partir de la seconde
- Histoire de la mesure des longitudes
- Mesurer une durée pour déterminer une vitesse
67(No Transcript)
68Le système international dunitésBIPM.org
Unités de base Liens entre les unités du SI et
les constantes fondamentales Unités
dérivés Préfixes Bref historique du SI Brochure
du SI Conversion des unités
69Physique
Enseignement de spécialité
70Lenseignement de spécialité un
approfondissement de lenseignement obligatoire
- Produire des images, observer.
- Produire des sons, écouter.
- Produire des signaux, communiquer.
71Produire des images, observer (5TP)
- Suite de lenseignement de 1ère S
- Formation dune image
- Quelques instruments doptique
- Le microscope,
- la lunette astronomique,
- le télescope de Newton.
72 73Image donnée par un miroir sphérique
74Produire des sons,écouter (5TP)
- Approfondissement du chapitre sur les ondes
- Les instruments de musique
- Modes de vibration
- dune corde
- dune colonne d air.
- Interprétation ondulatoire
- Acoustique musicale et physique des sons
75 76Produire des signaux communiquer (4TP)
- Les ondes électromagnétiques et la transmission
des informations - La modulation damplitude
- Réalisation dun dispositif récepteur radio en MA
77(No Transcript)
78Bonnes vacances