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Observer : Ondes et matière

Les ondes et les particules sont supports d’informations.
Comment les détecte-t-on ? Quelles sont les caractéristiques et les propriétés des ondes ?
Comment réaliser et exploiter des spectres pour identifier des atomes et des molécules ?

Ondes et particules

Rayonnements dans l’Univers

  • Absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre.
  • Extraire et exploiter des informations sur l’absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre et ses conséquences sur l’observation des sources de rayonnements dans l’Univers.
  • Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet.

Les ondes dans la matière

  • Houle, ondes sismiques, ondes sonores. Magnitude d’un séisme sur l’échelle de Richter. Niveau d’intensité sonore.
  • Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière.
  • Connaître et exploiter la relation liant le niveau d’intensité sonore à l’intensité sonore.

Détecteurs d’ondes (mécaniques et électromagnétiques) et de particules (photons, particules élémentaires ou non).

  • Extraire et exploiter des informations sur :
    • des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ;
    • un dispositif de détection.
  • Pratiquer une démarche expérimentale mettant en oeuvre un capteur ou un dispositif de détection.

Caractéristiques et propriétés des ondes

Caractéristiques des ondes

  • Ondes progressives. Grandeurs physiques associées. Retard. Ondes progressives périodiques, ondes sinusoïdales. Ondes sonores et ultrasonores. Analyse spectrale. Hauteur et timbre.
  • Définir une onde progressive à une dimension.
  • Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de propagation (célérité).
  • Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier qualitativement et quantitativement un phénomène de propagation d’une onde.
  • Définir, pour une onde progressive sinusoïdale, la période, la fréquence et la longueur d’onde.
  • Connaître et exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d’onde et la célérité.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la période, la fréquence, la longueur d’onde et la célérité d’une onde progressive sinusoïdale.
  • Réaliser l’analyse spectrale d’un son musical et l’exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre.

Propriétés des ondes

  • Diffraction. Influence relative de la taille de l’ouverture ou de l’obstacle et de la longueur d’onde sur le phénomène de diffraction. Cas des ondes lumineuses monochromatiques, cas de la lumière blanche.
  • Interférences. Cas des ondes lumineuses monochromatiques, cas de la lumière blanche. Couleurs interférentielles.
  • Effet Doppler.
  • Savoir que l’importance du phénomène de diffraction est liée au rapport de la longueur d’onde aux dimensions de l’ouverture ou de l’obstacle.
  • Connaître et exploiter la relation :
  • Identifier les situations physiques où il est pertinent de prendre en compte le phénomène de diffraction.
  • Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier ou utiliser le phénomène de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.
  • Connaître et exploiter les conditions d’interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiques.
  • Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d’interférence dans le cas des ondes lumineuses.
  • Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour mesurer une vitesse en utilisant l’effet Doppler.
  • Exploiter l’expression du décalage Doppler de la fréquence dans le cas des faibles vitesses.
  • Utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d’images pour illustrer l’utilisation de l’effet Doppler comme moyen d’investigation en astrophysique.

Analyse spectrale

Spectres UV-visible

  • Lien entre couleur perçue et longueur d’onde au maximum d’absorption de substances organiques ou inorganiques.
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental pour caractériser une espèce colorée.
  • Exploiter des spectres UV-visible.

Spectres IR

  • Identification de liaisons à l’aide du nombre d’onde correspondant ; détermination de groupes caractéristiques. Mise en évidence de la liaison hydrogène.
  • Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à l’aide de tables de données ou de logiciels.
  • Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.
  • Connaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes.

Spectres RMN du proton

  • Identification de molécules organiques à l’aide :
    • du déplacement chimique ;
    • de l’intégration ;
    • de la multiplicité du signal : règle des (n+1)-uplets.
  • Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l’aide de tables de données ou de logiciels.
  • Identifier les protons équivalents. Relier la multiplicité du signal au nombre de voisins.
  • Extraire et exploiter des informations sur différents types de spectres et sur leurs utilisations.

Comprendre : Lois et modèles

Comment exploite-t-on des phénomènes périodiques pour accéder à la mesure du temps ? En quoi le concept de temps joue-t-il un rôle essentiel dans la relativité ? Quels paramètres influencent l’évolution chimique ? Comment la structure des molécules permet-elle d’interpréter leurs propriétés ? Comment les réactions en chimie organique et celles par échange de proton participent-elles de la transformation de la matière ? Comment s’effectuent les transferts d’énergie à différentes échelles ? Comment se manifeste la réalité quantique, notamment pour la lumière ?

Temps, mouvement et évolution

Temps, cinématique et dynamique newtoniennes

  • Description du mouvement d’un point au cours du temps : vecteurs position, vitesse et accélération.Référentiel galiléen.Lois de Newton : principe d’inertie loinewton.jpg, et principe des actions réciproques.
  • Conservation de la quantité de mouvement d’un système isolé. Mouvement d’un satellite.Révolution de la Terre autour du Soleil.Lois de Kepler.
  • Extraire et exploiter des informations relatives à la mesure du temps pour justifier l’évolution de la définition de la seconde.
  • Choisir un référentiel d’étude.
  • Définir et reconnaître des mouvements (rectiligne uniforme, rectiligne uniformément varié, circulaire uniforme, circulaire non uniforme) et donner dans chaque cas les caractéristiques du vecteur accélération.
  • Définir la quantité de mouvement vecteur_p.jpgd’un point matériel.
  • Connaître et exploiter les trois lois de Newton ; les mettre en œuvre pour étudier des mouvements dans des champs de pesanteur et électrostatique uniformes.
  • Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour étudier un mouvement.
  • Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour interpréter un mode de propulsion par réaction à l’aide d’un bilan qualitatif de quantité de mouvement.
  • Démontrer que, dans l’approximation des trajectoires circulaires, le mouvement d’un satellite, d’une planète, est uniforme. Établir l’expression de sa vitesse et de sa période.
  • Connaître les trois lois de Kepler ; exploiter la troisième dans le cas d’un mouvement circulaire.

Mesure du temps et oscillateur, amortissement

  • Travail d’une force.Force conservative ; énergie potentielle.Forces non conservatives : exemple des frottements.Énergie mécanique.
  • Étude énergétique des oscillations libres d’un système mécanique.Dissipation d’énergie.Définition du temps atomique.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence :
  • – les différents paramètres influençant la période d’un oscillateur mécanique ;
  • – son amortissement.
  • Établir et exploiter les expressions du travail d’une force constante (force de pesanteur, force électrique dans le cas d’un champ uniforme).
  • Établir l’expression du travail d’une force de frottement d’intensité constante dans le cas d’une trajectoire rectiligne.
  • Analyser les transferts énergétiques au cours d’un mouvement d’un point matériel.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier l’évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique d’un oscillateur.
  • Extraire et exploiter des informations sur l’influence des phénomènes dissipatifs sur la problématique de la mesure du temps et la définition de la seconde.
  • Extraire et exploiter des informations pour justifier l’utilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps.

Temps et relativité restreinte

  • Invariance de la vitesse de la lumière et caractère relatif du temps.Postulat d’Einstein. Tests expérimentaux de l’invariance de la vitesse de la lumière.
  • Notion d’événement. Temps propre. Dilatation des durées.Preuves expérimentales.
  • Savoir que la vitesse de la lumière dans le vide est la même dans tous les référentiels galiléens.
  • Définir la notion de temps propre.
  • Exploiter la relation entre durée propre et durée mesurée.
  • Extraire et exploiter des informations relatives à une situation concrète où le caractère relatif du temps est à prendre en compte.

Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse

  • Réactions lentes, rapides ; durée d’une réaction chimique. Facteurs cinétiques. Évolution d’une quantité de matière au cours du temps.
  • Temps de demi-réaction. Catalyse homogène, hétérogène et enzymatique.
  • Mettre en oeuvre une démarche expérimentale pour suivre dans le temps une synthèse organique par CCM et en estimer la durée.
  • Mettre en oeuvre une démarche expérimentale pour mettre en évidence quelques paramètres influençant l’évolution temporelle d’une réaction chimique : concentration, température, solvant.
  • Déterminer un temps de demi-réaction.
  • Mettre en oeuvre une démarche expérimentale pour mettre en évidence le rôle d’un catalyseur.
  • Extraire et exploiter des informations sur la catalyse, notamment en milieu biologique et dans le domaine industriel, pour en dégager l’intérêt.

Structure et transformation de la matière

Représentation spatiale des molécules

  • Chiralité : définition, approche historique.Représentation de Cram.Carbone asymétrique.Chiralité des acides α-aminés.
  • Énantiomérie, mélange racémique, diastéréoisomérie (Z/E, deux atomes de carbone asymétriques).
  • Conformation : rotation autour d’une liaison simple ; conformation la plus stable.
  • Formule topologique des molécules organiques. Propriétés biologiques et stéréoisomérie.
  • Reconnaître des espèces chirales à partir de leur représentation.
  • Utiliser la représentation de Cram.
  • Identifier les atomes de carbone asymétrique d’une molécule donnée.
  • À partir d’un modèle moléculaire ou d’une représentation, reconnaître si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence des propriétés différentes de diastéréoisomères.
  • Visualiser, à partir d’un modèle moléculaire ou d’un logiciel de simulation, les différentes conformations d’une molécule.
  • Utiliser la représentation topologique des molécules organiques.
  • Extraire et exploiter des informations sur :
  • – les propriétés biologiques de stéréoisomères,
  • – les conformations de molécules biologiques,
  • pour mettre en évidence l’importance de la stéréoisomérie dans la nature.

Transformation en chimie organique

  • Aspect macroscopique :
    • – Modification de chaîne, modification de groupe caractéristique.
    • – Grandes catégories de réactions en chimie organique : substitution, addition, élimination.
  • Aspect microscopique :
    • – Liaison polarisée, site donneur et site accepteur de doublet d’électrons.
    • – Interaction entre des sites donneurs et accepteurs de doublet d’électrons ; représentation du mouvement d’un doublet d’électrons à l’aide d’une flèche courbe lors d’une étape d’un mécanisme réactionnel.
  • Reconnaître les groupes caractéristiques dans les alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.
  • Utiliser le nom systématique d’une espèce chimique organique pour en déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée.
  • Distinguer une modification de chaîne d’une modification de groupe caractéristique.
  • Déterminer la catégorie d’une réaction (substitution, addition, élimination) à partir de l’examen de la nature des réactifs et des produits.
  • Déterminer la polarisation des liaisons en lien avec l’électronégativité (table fournie).
  • Identifier un site donneur, un site accepteur de doublet d’électrons.
  • Pour une ou plusieurs étapes d’un mécanisme réactionnel donné, relier par une flèche courbe les sites donneur et accepteur en vue d’expliquer la formation ou la rupture de liaisons.

Réaction chimique par échange de proton

  • Le pH : définition, mesure.
  • Théorie de Brönsted : acides faibles, bases faibles ; notion d’équilibre ; couple acide-base ; constante d’acidité Ka. Échelle des pKa dans l’eau, produit ionique de l’eau ; domaines de prédominance (cas des acides carboxyliques, des amines, des acides α-aminés).
  • Réactions quasi-totales en faveur des produits :
  • – acide fort, base forte dans l’eau ;
  • – mélange d’un acide fort et d’une base forte dans l’eau.
  • Réaction entre un acide fort et une base forte : aspect thermique de la réaction. Sécurité.
  • Contrôle du pH : solution tampon ; rôle en milieu biologique.
  • Mesurer le pH d’une solution aqueuse.
  • Reconnaître un acide, une base dans la théorie de Brönsted.
  • Utiliser les symbolismes →, ← et doublefleche.jpg  dans l’écriture des réactions chimiques pour rendre compte des situations observées.
  • Identifier l’espèce prédominante d’un couple acide-base connaissant le pH du milieu et le pKa du couple.
  • Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour déterminer une constante d’acidité.
  • Calculer le pH d’une solution aqueuse d’acide fort ou de base forte de concentration usuelle.
  • Mettre en évidence l’influence des quantités de matière mises en jeu sur l’élévation de température observée.
  • Extraire et exploiter des informations pour montrer l’importance du contrôle du pH dans un milieu biologique.

Énergie, matière et rayonnement

Du macroscopique au microscopique

  • Constante d’Avogadro.
  • Extraire et exploiter des informations sur un dispositif expérimental permettant de visualiser les atomes et les molécules.
  • Évaluer des ordres de grandeurs relatifs aux domaines microscopique et macroscopique.

Transferts d’énergie entre systèmes macroscopiques

  • Notions de système et d’énergie interne. Interprétation microscopique. Capacité thermique.Transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement.
  • Flux thermique. Résistance thermique. Notion d’irréversibilité.Bilans d’énergie.
  • Savoir que l’énergie interne d’un système macroscopique résulte de contributions microscopiques.
  • Connaître et exploiter la relation entre la variation d’énergie interne et la variation de température pour un corps dans un état condensé.
  • Interpréter les transferts thermiques dans la matière à l’échelle microscopique.
  • Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et l’écart de température entre ses deux faces.
  • Établir un bilan énergétique faisant intervenir transfert thermique et travail.

Transferts quantiques d’énergie

  • Émission et absorption quantiques.Émission stimulée et amplification d’une onde lumineuse.Oscillateur optique : principe du laser.
  • Transitions d’énergie : électroniques, vibratoires.
  • Connaître le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité, monochromaticité, concentration spatiale et temporelle de l’énergie).
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un laser comme outil d’investigation ou pour transmettre de l’information.
  • Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu.

Dualité onde-particule

  • Photon et onde lumineuse. Particule matérielle et onde de matière ; relation de de Broglie.
  • Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière.
  • Savoir que la lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire.
  • Extraire et exploiter des informations sur les ondes de matière et sur la dualité onde-particule.
  • Connaître et utiliser la relation debroglie.jpg.
  • Identifier des situations physiques où le caractère ondulatoire de la matière est significatif.
  • Extraire et exploiter des informations sur les phénomènes quantiques pour mettre en évidence leur aspect probabiliste.

Agir : Défis du XXIème siècle

En quoi la science permet-elle de répondre aux défis rencontrés par l’Homme dans sa volonté de développement tout en préservant la planète ?

Économiser les ressources et respecter l’environnement

Enjeux énergétiques

  • Nouvelles chaînes énergétiques.Économies d’énergie.
  • Extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets scientifiques répondant à des problématiques énergétiques contemporaines.
  • Faire un bilan énergétique dans les domaines de l’habitat ou du transport.
  • Argumenter sur des solutions permettant de réaliser des économies d’énergie.

Apport de la chimie au respect de l’environnement

  • Chimie durable :
    • – économie d’atomes ;
    • – limitation des déchets ;
    • – agro ressources ;
    • – chimie douce ;
    • – choix des solvants ;
    • – recyclage.
  • Valorisation du dioxyde de carbone.
  • Extraire et exploiter des informations en lien avec :
    • – la chimie durable,
    • – la valorisation du dioxyde de carbone
  • pour comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l’environnement.

Contrôle de la qualité par dosage

  • Dosages par étalonnage :
    • – spectrophotométrie ; loi de Beer-Lambert ;
    • – conductimétrie ; explication qualitative de la loi de Kohlrausch, par analogie avec la loi de Beer-Lambert.
  • Dosages par titrage direct. Réaction support de titrage ; caractère quantitatif.
  • Équivalence dans un titrage ; repérage de l’équivalence pour un titrage pH-métrique, conductimétrique et par utilisation d’un indicateur de fin de réaction.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d’une espèce à l’aide de courbes d’étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.
  • Établir l’équation de la réaction support de titrage à partir d’un protocole expérimental.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d’une espèce chimique par titrage par le suivi d’une grandeur physique et par la visualisation d’un changement de couleur, dans le domaine de la santé, de l’environnement ou du contrôle de la qualité.
  • Interpréter qualitativement un changement de pente dans un titrage conductimétrique.

Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux

Stratégie de la synthèse organique

  • Protocole de synthèse organique :
    • – identification des réactifs, du solvant, du catalyseur, des produits ;
    • – détermination des quantités des espèces mises en jeu, du réactif limitant ;
    • – choix des paramètres expérimentaux : température, solvant, durée de la réaction, pH ;
    • – choix du montage, de la technique de purification, de l’analyse du produit ;
    • – calcul d’un rendement ;
    • – aspects liés à la sécurité ;
    • – coûts.
  • Effectuer une analyse critique de protocoles expérimentaux pour identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux.
  • Justifier le choix des techniques de synthèse et d’analyse utilisées.
  • Comparer les avantages et les inconvénients de deux protocoles.

Sélectivité en chimie organique

  • Composé polyfonctionnel : réactif chimiosélectif, protection de fonctions.
  •  Extraire et exploiter des informations :
    • – sur l’utilisation de réactifs chimiosélectifs,
    • – sur la protection d’une fonction dans le cas de la synthèse peptidique,
  • pour mettre en évidence le caractère sélectif ou non d’une réaction.
  • Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique d’intérêt biologique à partir d’un protocole.
  • Identifier des réactifs et des produits à l’aide de spectres et de tables fournis.

Transmettre et stocker de l’information

Chaîne de transmission d’informations

  • Identifier les éléments d’une chaîne de transmission d’informations.
  • Recueillir et exploiter des informations concernant des éléments de chaînes de transmission d’informations et leur évolution récente.

Images numériques

  • Caractéristiques d’une image numérique : pixellisation, codage RVB et niveaux de gris.
  • Associer un tableau de nombres à une image numérique.
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un capteur (caméra ou appareil photo numériques par exemple) pour étudier un phénomène optique.

Signal analogique et signal numérique

  • Conversion d’un signal analogique en signal numérique.Échantillonnage ; quantification ; numérisation.
  • Reconnaître des signaux de nature analogique et des signaux de nature numérique.
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un échantillonneur-bloqueur et/ou un convertisseur analogique numérique (CAN) pour étudier l’influence des différents paramètres sur la numérisation d’un signal (d’origine sonore par exemple).

Procédés physiques de transmission

  • Propagation libre et propagation guidée.
  • Transmission :
    • – par câble ;
    • – par fibre optique : notion de mode ;
    • – transmission hertzienne.
  • Débit binaire. Atténuations.
  • Exploiter des informations pour comparer les différents types de transmission.
  • Caractériser une transmission numérique par son débit binaire.
  • Évaluer l’affaiblissement d’un signal à l’aide du coefficient d’atténuation.
  • Mettre en œuvre un dispositif de transmission de données (câble, fibre optique).

Stockage optique

  • Écriture et lecture des données sur un disque optique. Capacités de stockage.
  • Expliquer le principe de la lecture par une approche interférentielle.
  • Relier la capacité de stockage et son évolution au phénomène de diffraction.