Programme de terminale S, enseignement obligatoire jusqu'à l'année 2011-2012
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PROGRAMME DE PHYSIQUE : CONTENUS :
Introduction à l’évolution temporelle des systèmes (1TP)
A - Propagation d’une onde ; ondes progressives (2 TP - 9 HCE)
1 - Les ondes mécaniques progressives
Illustrations : Des ressources au sujet des ondes mécaniques.
1.1 Introduction
À partir des exemples donnés en activité dégager la définition suivante d’une onde mécanique :
“on appelle onde mécanique le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu sans transport de matière”.
Célérité.
Ondes longitudinales, transversales.
Ondes sonores comme ondes longitudinales de compression-dilatation.
Annales 0 du bac 2003 : exercice sur les ondes ultrasonores
Propriétés générales des ondes :
- une onde se propage, à partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes
- la perturbation se transmet de proche en proche ; transfert d’énergie sans transport de matière.
- la vitesse de propagation d’une onde est une propriété du milieu.
- deux ondes peuvent se croiser sans se perturber.
1.2 Onde progressive à une dimension
Notion d’onde progressive à une dimension.
Notion de retard : la perturbation au point M à l’instant t est celle qui existait auparavant en un point M’ à l’instant t’= t- τ: avec τ = M’M/v, τ étant le retard et v la célérité (pour les milieux non dispersifs).
2 - Ondes progressives mécaniques périodiques
Annales 0 du bac : ondes sismiques
Notion d’onde progressive périodique.
Périodicité temporelle, période; périodicité spatiale.
Onde progressive sinusoïdale, période, fréquence, longueur d’onde; relation λ= vT = v / ν.
La diffraction dans le cas d’ondes progressives sinusoïdales : mise en évidence expérimentale. Influence de la dimension de l’ouverture ou de l’obstacle sur le phénomène observé.
La dispersion : mise en évidence de l’influence de la fréquence sur la célérité de l’onde à la surface de l’eau ; notion de milieu dispersif.
3 - La lumière, modèle ondulatoire
Illustrations : Des ressources au sujet des ondes lumineuses.
Observation expérimentale de la diffraction en lumière monochromatique et en lumière blanche (irisation).
Propagation de la lumière dans le vide.
Modèle ondulatoire de la lumière : célérité, longueur d’onde dans le vide, fréquence, λ= c T = c/ ν.
Influence de la dimension de l’ouverture ou de l’obstacle sur le phénomène observé; écart angulaire du faisceau diffracté par une fente ou un fil rectilignes de largeur a : θ= λ/a.
Lumière monochromatique, lumière polychromatique; fréquence et couleur.
Propagation de la lumière dans les milieux transparents ; indice du milieu.
Mise en évidence du phénomène de dispersion de la lumière blanche par un prisme : l’indice d’un milieu transparent dépend de la fréquence de la lumière.
B - Transformations nucléaires (2 TP – 7HCE)
1 - Décroissance radioactive
Illustrations : Des ressources au sujet de la radioactivité.
Annales 0 du bac : décroissance radioactive du radon 220, datation au carbone 14, le radon 222
1.1 Stabilité et instabilité des noyaux
Composition; isotopie ; notation AZX
Diagramme (N,Z)
1.2 La radioactivité
La radioactivité α, β−, β+, émission γ.
Lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons
1.3 Loi de décroissance
Évolution de la population moyenne d’un ensemble de noyaux radioactifs
∆N = - λN∆t; N = N0 e-λt .
Importance de l’activité | ∆N|/ ∆t ; le becquerel.
Constante de temps τ= 1/ λ.
Demi-vie t1/2 = τ ln2.
Application à la datation.
2 - Noyaux, masse, énergie
2.1 Équivalence masse-énergie
Défaut de masse ; énergie de liaison ∆E = ∆m c2 ; unités : eV, keV, MeV.
Énergie de liaison par nucléon.
Équivalence masse-énergie.
Courbe d’Aston –El/A = f(A)
2.2 Fission et fusion
Exploitation de la courbe d’Aston; domaines de la fission et de la fusion.
2.3 Bilan de masse et d’énergie d’une réaction nucléaire
Exemples pour la radioactivité, pour la fission et la fusion.
Existence de conditions à réaliser pour obtenir l’amorçage de réactions de fission et de fusion.
C - Évolution des systèmes électriques (3TP - 10HCE)
1 - Cas d’un dipôle RC
1.1 Le condensateur
Description sommaire, symbole.
Charges des armatures.
Intensité : débit de charges
Algébrisation en convention récepteur i, u, q.
Relation charge-intensité pour un condensateur i = dq/dt, q charge du condensateur en convention récepteur.
Relation charge-tension q = Cu; capacité, son unité le farad (F).
1.2 Dipôle RC
Réponse d’un dipôle RC à un échelon de tension : tension aux bornes du condensateur, intensité du courant; étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique).
Énergie emmagasinée dans un condensateur.
Continuité de la tension aux bornes du condensateur.
Connaître la représentation symbolique d’un condensateur.
2 - Cas du dipôle RL
2.1 La bobine
Description sommaire d’une bobine, symbole.
Tension aux bornes d’une bobine en convention récepteur :
u=ri+Ldi/dt
Inductance : son unité le henry (H).
2.2 Dipôle RL
Réponse en courant d’une bobine à un échelon de tension : étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique)
Énergie emmagasinée dans une bobine.
Continuité de l’intensité du courant dans un circuit qui contient une bobine.
3 - Oscillations libres dans un circuit RLC série
Décharge oscillante d’un condensateur dans une bobine.
Influence de l’amortissement : régimes périodique, pseudo-périodique, apériodique.
Période propre et pseudo-période.
Interprétation énergétique : transfert d’énergie entre le condensateur et la bobine, effet Joule.
Résolution analytique dans le cas d’un amortissement négligeable.
Expression de la période propre T0 = 2 π√LC
Entretien des oscillations.
Illustration : une application des circuits électriques oscillants : les horloges
D - Évolution temporelle des systèmes mécaniques (5 TP - 22 HCE)
1 - La mécanique de Newton
Lien qualitatif entre ΣFext et ∆vG (rappels)
Comparaison de ∆vG correspondant à des intervalles de temps égaux pour des forces de valeurs différentes (résultat de l’activité)
Introduction de ∆vG /∆t
Accélération : aG= lim∆t → 0 (∆vG / ∆t) = dvG/dt ;
vecteur accélération (direction, sens, valeur).
Rôle de la masse.
Deuxième loi de Newton appliquée au centre d’inertie.
Importance du choix du référentiel dans l’étude du mouvement du centre d’inertie d’un solide : référentiels galiléens.
Troisième loi de Newton : loi des actions réciproques (rappel).
2 - Étude de cas
2.1 Chute verticale d’un solide
Force de pesanteur, notion de champ de pesanteur uniforme.
- Chute verticale avec frottement
Application de la deuxième loi de Newton à un mouvement de chute verticale : forces appliquées au solide (poids, poussée d’Archimède, force de frottement fluide); équation différentielle du mouvement; résolution par une méthode numérique itérative, régime initial et régime asymptotique (dit “permanent”), vitesse limite ; notion de temps caractéristique.
- Chute verticale libre
Mouvement rectiligne uniformément accéléré; accélération indépendante de la masse de l’objet. Résolution analytique de l’équation différentielle du mouvement; importance des conditions initiales.
2.2 Mouvements plans
- Mouvement de projectiles dans un champ de pesanteur uniforme
Application de la deuxième loi de Newton au mouvement du centre d’inertie d’un projectile dans un champ de pesanteur uniforme dans le cas où les frottements peuvent être négligés.
Équations horaires paramétriques.
Équation de la trajectoire.
Importance des conditions initiales.
- Satellites et planètes
Lois de Kepler (trajectoire circulaire ou elliptique).
Référentiels héliocentrique et géocentrique.
Étude d’un mouvement circulaire uniforme; vitesse, vecteur accélération; accélération normale.
Enoncé de la loi de gravitation universelle pour des corps dont la répartition des masses est à symétrie sphérique et la distance grande devant leur taille (rappel).
Application de la deuxième loi de Newton au centre d’inertie d’un satellite ou d’une planète : force centripète, accélération radiale, modélisation du mouvement des centres d’inertie des satellites et des planètes par un mouvement circulaire et uniforme, applications (période de révolution, vitesse, altitude, satellite géostationnaire).
Interprétation qualitative de l’impesanteur dans le cas d’un satellite en mouvement circulaire uniforme.
3 - Systèmes oscillants
3.1 Présentation de divers systèmes oscillants mécaniques
Pendule pesant, pendule simple et système solide-ressort en oscillation libre : position d’équilibre, écart à l’équilibre, abscisse angulaire, amplitude, amortissement (régime pseudo-périodique, régime apériodique), pseudo-période et isochronisme des petites oscillations, période propre.
Expression de la période propre d’un pendule simple : justification de la forme de l’expression par analyse dimensionnelle.
Illustration : une application du pendule : les horloges
3.2 Le dispositif solide-ressort
Force de rappel exercée par un ressort.
Étude dynamique du système “solide” : choix du référentiel, bilan des forces, application de la 2ième loi de Newton, équation différentielle, solution analytique dans le cas d’un frottement nul.
Période propre.
3.3 Le phénomène de résonance
Présentation expérimentale du phénomène : excitateur, résonateur, amplitude et période des oscillations, influence de l’amortissement.
Exemples de résonances mécaniques.
4 - Aspects énergétiques
Travail élémentaire d’une force.
Travail d’une force extérieure appliquée à l’extrémité d’un ressort, l’autre extrémité étant fixe.
Énergie potentielle élastique du ressort.
Énergie mécanique du système solide-ressort.
Énergie mécanique d’un projectile dans un champ de pesanteur uniforme.
5 - L’atome et la mécanique de Newton : ouverture au monde quantique
Illustrations : Des ressources au sujet de la physique quantique.
Limites de la mécanique de Newton
Quantification des échanges d’énergie.
Quantification des niveaux d’énergie d’un atome, d'une molécule, d’un noyau.
Application aux spectres, constante de Planck, ∆E = h ν.
E - L’évolution temporelle des systèmes et la mesure du temps (2 HCE)
Illustrations : Des ressources au sujet du temps et sa mesure.
• Comment mesurer une durée?
- À partir d’une décroissance radioactive (âge de la Terre, âge de peintures rupestres…)
- À partir de phénomènes périodiques
. oscillateur électrique entretenu (oscillateur LC)
. mouvements des astres
. rotation de la Terre
. horloges à balancier
. horloges atomiques : définition de la seconde.
• Mesurer une durée pour déterminer une longueur
- À partir de la propagation d’une onde mécanique (télémètre ultrasonore, échographie, sonar…)
- À partir de la propagation d’une onde lumineuse (télémétrie laser, distance Terre-Lune…)
- Le mètre défini à partir de la seconde et de la célérité de la lumière
- Le mètre et le pendule battant la seconde
- Histoire de la mesure des longitudes
• Mesurer une durée pour déterminer une vitesse
- Mesure de la célérité du son
- Mesure de la célérité de la lumière