Ressources pour le programme d'enseignement scientifique
Une sélection de ressources du site CultureSciences-Physique pour le programme d'Enseignement scientifique de la classe de première :
1. Une longue histoire de la matière
La diversité de la matière dans l’Univers se décrit à partir d’un petit nombre de particules élémentaires dont l’organisation conduit à la formation d’unités de plus en plus complexes, depuis le Big Bang jusqu’au développement de la vie.
La connaissance de l’Univers oblige à observer et décrire à toutes les échelles de taille, d’espace et de temps. La compréhension de l’Univers convoque des disciplines complémentaires et des approches multiples. Celle-ci est évolutive ; des théories sont proposées dans un contexte historique et scientifique précis ; elles peuvent être discutées, amendées et même réfutées dans le cadre d’une démarche scientifique. Dans la complexification croissante de la matière, l’apparition de la vie est un évènement marquant. La singularité du vivant et donc la distinction entre le vivant et le non-vivant est d’importance fondamentale.
1.1 Un niveau d'organisation : les éléments chimiques
Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue ? Aborder cette question nécessite de s’intéresser aux noyaux atomiques et à leurs transformations. Cela fournit l’occasion d’introduire un modèle mathématique d’évolution discrète.
- De l'origine de la lumière à la lumière des origines : l'aventure du boson de Higgs, une conférence de Yves Sirois, 2015. - Spectroscopie, une vidéo de La Physique animée, 2019. - Série de 5 articles consécutifs sur Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016), de Bernard Ille, 2016. - Le modèle standard et au-delà : voyage au coeur de la matière, une conférence de Christophe Grosjean, 2012. - Une video du CNRS sur Formation de l'univers : le grand calcul , (9 min13). Pour les notions de chimie, vous pouvez consulter les ressources proposées par le site ENS/DGESCO CultureSciences Chimie. |
1.2 Des édifices ordonnés : les cristaux
L’organisation moléculaire étant déjà connue, ce thème aborde une autre forme d’organisation de la matière : l’état cristallin qui revêt une importance majeure, tant pour la connaissance de la nature — minéraux et roches, squelettes, etc. — que pour ses applications techniques. La compréhension de cette organisation fournit l’occasion de développer des compétences de représentation dans l’espace.
1.3 Une structure complexe : la cellule vivante
Dans le monde, la matière s’organise en structure d’ordre supérieur à l’échelle moléculaire. Cette partie du programme se fixe comme objectif de montrer les caractéristiques essentielles de la vie par rapport au non-vivant.
- Un quizz sur les ordres de grandeur : les petites échelles, par Delphine Chareyron, 2015. - Les outils pour observer le nanomonde, un article de Antoine Bérut et David Lopes Cardoso, 2014. - À la découverte des nanosciences en 3 questions à Pascale Chenevier, un article de Pascale Chenevier, 2013. - Lien vers un dossier du CEA sur Les microscopes. - Lien vers une vidéo du CNRS sur I2TEM, plus qu’un microscope. Pour les notions de biologie, vous pouvez consulter les ressources proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Vie. |
2. Le soleil, notre source d'énergie
La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil. Les variations géographiques et calendaires de la quantité d’énergie reçue conditionnent la température de surface de la Terre et déterminent climats et saisons. L’énergie transférée par le Soleil est indispensable au monde vivant. En effet, elle est à l’origine de plusieurs fonctions biologiques et de nombreuses sources d’énergie utilisables par l’être humain.
Cette partie permet de comprendre que la quantité d’énergie solaire qui est finalement reçue et absorbée à la surface du globe terrestre dépend de nombreux paramètres. La transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique par la photosynthèse est à l’origine des échanges d’énergie qui existent entre de nombreux êtres vivants, dont l’être humain, et leur environnement. La photosynthèse des temps passés est à l’origine des combustibles fossiles utilisés dans le temps présent. Leur usage massif depuis la révolution industrielle, et donc sur une période très courte au regard de la durée des périodes géologiques qui ont été nécessaires pour constituer ces énergies fossiles, constitue une part importante du déséquilibre contemporain qui existe entre la fixation du dioxyde de carbone atmosphérique et son rejet. L’un des enjeux des sources d’énergie renouvelables est d’utiliser de l’énergie solaire actuelle et non pas des sources d’énergie fossiles. Les sources d’énergie renouvelables liées à l’énergie solaire sont diversifiées et ne contribuent pas au réchauffement climatique.
2.1 Le rayonnement solaire - 2.2 Le bilan radiatif terrestre
Le Soleil transmet à la Terre de l’énergie par rayonnement électromagnétique. La Terre reçoit le rayonnement solaire et émet elle-même un rayonnement. Le bilan radiatif conditionne le milieu de vie. La compréhension de cet équilibre en classe de première permettra d’aborder sa perturbation par l’humanité en classe terminale.
2.3 De la conversion biologique de l’énergie solaire par la photosynthèse à l’énergie nécessaire à tous les êtres vivants
L’utilisation par la photosynthèse d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la planète fournit l’énergie nécessaire à l’ensemble des êtres vivants (à l’exception de certains milieux très spécifiques non évoqués dans ce programme).
- Photosynthèse naturelle, une conférence de Fabrice Rappaport, 2012. - Photosynthèse artificielle : approche moléculaire bio-inspirée, une conférence de Leibl Winfried, 2012. - Le processus photosynthétique, une conférence de Pierre Joliot, 2015. - Sociétés non humaines : champignons et énergie, une conférence de Philippe Silar, 2012. Pour les notions de biologie, vous pouvez consulter les ressources proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Vie. |
2.4 Une diversité de sources d’énergie utilisables par l’Humanité
Une partie des sources d’énergie disponibles sur Terre ont pour origine le rayonnement solaire ; elles sont disponibles sous la forme de stocks et de flux, peuvent être, comme les combustibles fossiles, non renouvelables à l’échelle des temps de l’humanité ou, comme la biomasse, renouvelables.
- Les chiffres de l'énergie : réserves et ressources en énergie et matières premières non énergétiques, un article de Delphine Chareyron, Hélène Horsin-Molinaro et Bernard Multon, 2020. - Hydrocarbures de roche mère : nouvelles ressources, nouveaux impacts, une conférence de Jacques Thibieroz, 2014. - Comparaisons des différentes formes d'énergie, un article de Roger Balian, 2009. - Ressources énergétiques et énergie électrique, un article de Hélène Horsin-Molinaro et Bernard Multon, 2018, sur le site CultureSciences de l'Ingénieur. - Matières premières et énergie dans le contexte de la transition énergétique, une conférence de Olivier Vidal, 2021. |
3. La Terre, un astre singulier
La Terre, singulière parmi un nombre gigantesque de planètes, est un objet d’étude ancien. Les évidences apparentes et les récits non scientifiques ont d’abord conduit à de premières représentations sur son origine et sa place dans l’Univers. La compréhension scientifique de sa forme, de son âge et de son mouvement résulte d’un long cheminement de la pensée scientifique.
La connaissance des caractéristiques de la Terre (rayon terrestre, forme et âge) s’est construite sur un temps très long, donnant lieu à plusieurs controverses. L’évolution des observations, des outils mathématiques et techniques a permis d’aboutir à un résultat stabilisé. Cette partie du programme donne l’occasion de distinguer un savoir scientifique d’une croyance.
3.1 La forme de la Terre
L’environnement « plat » à notre échelle de perception cache la forme réelle de la Terre, dont la compréhension résulte d’une longue réflexion. Au-delà de la dimension historique et culturelle, la mise en œuvre de différentes méthodes de calcul de longueurs à la surface de la Terre permet de développer des compétences mathématiques de calcul et de représentation et invite à exercer un esprit critique sur les différents résultats obtenus, les approximations réalisées et les limites d’un modèle.
- La Terre est ronde ! Ératosthène et la mesure du rayon terrestre, un article de Hugues Chabot et Cyril Langlois, 2018. - Les mesures de méridien vont-elles confirmer la théorie de Newton ?, un article de Hugues Chabot et Yves Gomas, 2018. - La Terre ellipsoïde ? Les mesures de la gravité au XVIIIe siècle, un article de Hugues Chabot et Cyril Langlois, 2018. - Clairaut et sa bande, l'expédition de Clairaut et Maupertuis en Laponie, un article de Hugues Chabot et Yves Gomas, 2018. - La Terre tourne... Le gyroscope de Foucault, un article de Hugues Chabot et Yves Gomas, 2018.. Pour les notions de sciences de la Terre, vous pouvez consulter les ressources, proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Terre. |
3.2 L'histoire de l'âge de la Terre
L’âge de la Terre est d’un ordre de grandeur sans rapport avec la vie humaine. Sa compréhension progressive met en œuvre des arguments variés.
- L'histoire de l'âge de la Terre, un article de Pierre Thomas, 2020. Pour les notions de sciences de la Terre, vous pouvez consulter les ressources, proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Terre. |
3.3 La Terre dans l'Univers
Le mouvement de la Terre dans l’Univers a été l’objet de célèbres et violentes controverses. L’étude de quelques aspects de ces débats permet de comprendre la difficulté de la construction du savoir scientifique au sein d'une société.
- La structure du Monde - Du cosmos des mythologies au géocentrisme (1/3), un article de Vincent Deparis, 2017. - La structure du Monde - Du géocentrisme à l'héliocentrisme (2/3), un article de Vincent Deparis, 2017. - La structure du Monde - La nouvelle astronomie (3/3), un article de Vincent Deparis, 2017. - La Lune : mouvements et éclipses, un article de Gabrielle Bonnet, 2003. - Quelle est la forme de la trajectoire de la Lune dans le référentiel héliocentrique ?, un article de Delphine Chareyron, Nicolas Taberlet et Charles-Henri Eyraud, 2015. - Animation : les phases de la Lune, un article de Gabrielle Bonnet, 2003. Pour les notions de sciences de la Terre, vous pouvez consulter les ressources, proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Terre. |
4. Son, musique et audition
L’être humain perçoit le monde à l’aide de signaux, porteurs d’information, dont certains sont de nature sonore. De l’Antiquité jusqu’à nos jours, il a combiné les sons de manière harmonieuse pour en faire un art, la musique. L’informatique permet aujourd’hui de numériser les sons et la musique. Enfin, la compréhension des mécanismes auditifs s’inscrit dans une perspective d’éducation à la santé.
Cette partie est l’occasion de mettre l’accent sur certaines spécificités du son et de l’audition humaine : la régularité lorsqu’il devient musique, la non-linéarité de la sensation par rapport à la stimulation, la complexité au moment de sa numérisation et de son stockage. L’étude du système auditif humain permet d’éclairer l’élève sur le fonctionnement de l’oreille et les risques inhérents à une exposition excessive au bruit. Cette partie peut ouvrir sur le son en tant qu’outil d’investigation de la matière et de l’environnement ainsi que comme moyen de communication entre les êtres vivants.
4.1 Son et musique
La banalité du son dans l’environnement cache une réalité physique précise.
- Différentes sortes de décibels, un article de Gabrielle Bonnet, 2005. - Représentation spectrale d'un signal, un article de Valérie Vidal, 2013. - La physique animée : Représentation spectrale, une vidéo de Olivier Granier, Delphine Chareyron et Nicolas Taberlet, 2016. |
4.2 Le son, une information à coder
Le son, vibration de l’air, peut être enregistré sur un support informatique. Les techniques numériques ont mis en évidence un nouveau type de relations entre les sciences et les sons, le processus de numérisation dérivant lui-même de théories mathématiques et informatiques.
- Numérisation d'un signal acoustique : effet de la quantification (partie 1), un article de Delphine Chareyron, 2013. - Numérisation d'un signal acoustique : effet de la fréquence d'échantillonnage (partie 2), un article de Delphine Chareyron, 2013. - De l'intérêt de passer dans le monde numérique, un article de Mathilde Glénat et Delphine Chareyron, 2012. - Principe du passage de l'analogique au numérique, un article de Mathilde Glénat et Delphine Chareyron, 2012. - Comment convertir un signal analogique en signal numérique au laboratoire, un article de Mathilde Glénat et Delphine Chareyron, 2012. - La physique animée - Conversion analogique-numérique : l'échantillonnage temporel, une vidéo de Olivier Granier, Delphine Chareyron et Nicolas Tabrelet, 2016. - La physique animée - Conversion analogique-numérique : la quantification, une vidéo de Olivier Granier, Delphine Chareyron et Nicolas Tabrelet, 2016. - Less is more : représentations parcimonieuses des sons musicaux, une conférence de Laurent Daudet, 2009. - Extrait de la conférence « De l'acoustique à la perception : la psychoacoustique » sur Le codage MP3, de Nicolas Grimault, 2014. |
4.3 Entendre et protéger son audition
L’air qui vibre n’est musique que parce que notre oreille l’entend et que notre cerveau la perçoit comme telle. Mais l’excès de sons, même s’il est musical, , peut être à l’origine d’une altération de la fonction auditive. Protéger son audition est un enjeu majeur pour la santé.
- Audition humaine, un article de Gabrielle Bonnet, 2005. - La psychoacoustique : de l'analyse des scènes auditives à l'illusion sonore, une conférence de Nicolas Grimault, 2017. - Propagation des sons, un article de Delphine Chareyron, Olivier Granier et Nicolas Taberlet, 2019.
Pour les notions de biologie, vous pouvez consulter les ressources proposées par le site ENS/DGESCO Planet-Vie. |
5. Projet expérimental et numérique
Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique expérimentale, de l’utilisation de matériels (capteurs et logiciels) ou de données expérimentales mises à disposition par des scientifiques à l’analyse critique des résultats.
- Le tennis, c'est de la balle !, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2020. - Développement d'un dispositif pour étudier le gel d'une bulle de savon, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2022. - Observations de l'effet Leidenfrost, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2024. - Onde sonore sur film de savon, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2019. - Des gouttes qui sèchent ou qui gèlent - De la couronne à l'accolade, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2022. - Détermination expérimentale de la capacité thermique massique et de l'enthalpie massique de vaporisation de l'eau, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2020. - En cas de surchauffe il faut évacuer !, un travail réalisé dans le cadre des Olympiades de physique, 2020. - Ressources qui utilisent des microcontrôleurs Arduino. |