"Sciences expérimentales"

PREMIERE SCIENTIFIQUE (S): OPTION DU 1ER GROUPE
 
 

1- PHYSIQUE
 

HORAIRES: 30 heures en classes dédoublées réparties en deux unités de 15 heures chacune.

OBJECTIFS

Dans l'organisation prévue, le contenu de l'option n'est pas exigible pour quelque orientation que ce soit. Elle constitue pour la première fois, un espace de liberté dans la formation a assurer: professeurs et élèves y trouvent l'occasion de développer des activités qui étaient, jusqu'a présent, difficilement développées en sections scientifiques faute de temps : travail de groupe, travaux expérimentaux, visites et travail en laboratoire éventuellement.

Cet enseignement doit donc aider a rendre les élèves plus autonomes, plus curieux, plus impliqués dans les activités offertes. Cette nouvelle approche offre particulièrement la possibillté de former les élèves a la démarche scientifique tout en leur apportant de nouvelles connaissances.

Tout en favorisant la méthode expérimentale, la rigueur, l'apprentissage des lois physiques et l'approche théorique, le cours et les activités doivent être ouverts sur l'extérieur. Il s'agit de montrer que la physique permet de comprendre l'univers certes, mais de montrer également qu'elle est a la base de toutes les techniques. La technologie se nourrit des découvertes fondamentales (transistor, laser) et donc évolue dans le sens des meilleures performances. A l'inverse les lois physiques sont immuables dans leur domaine d'adéquation (la mécanique de Newton est contenue dans la mécanique relativiste).

Une loi physique vue sous l'angle pratique sera nécessairement renforcée et la discipline valorisée.

Ces objectifs seront atteints si les moyens matériels d'une part et les motivations des élèves de l'autre le permettent. C'est pourquoi il a paru souhaitable de proposer un menu de quatre unités dans lequel le choix sera effectué en fonction des possibilités et de l'intéret des élèves. Cette latitude permet également de changer le contenu d'une année à l'autre.

Les deux premières unités se situent dans la continuité du tronc commun. Les deux autres sont des ouvertures vers d'autres domaines de la physique, optique ou électronique.

Les finalités des thèmes retenus dans ces unités variables d'un thème à l'autre, peuvent être classées comme suit:
1 - Acquisition de connaissances sur un sujet déja abordé ou sur un sujet nouveau.
2 - Exploitation de la méthode expérimentale : induction des lois, introduction ou affinement des concepts, modélisation.
3 - Réflexion philosophique et (ou) historique.
4 - Activité de recherche sur documents.
5 - Réflexion sur la relation physique-technique au travers de rétude d'objets techniques.
6 - Ouverture sur les professions de la recherche ou les métiers d'ingénieur.

RECOMMANDATIONS

Deux unités sont à choisir parmi les quatre proposées.

Les concepts et lois indiqués au début de chaque unité constituent les exigences de celle-ci

 Les menus d'applications sont volontairement excessifs: il appartient au professeur de choisir et de limiter le contenu en fonction des moyens matériels et de la composition des groupes d'élèves. Le professeur a toute liberté pour organiser l'enseignement sous forme d'expériences, de cours ou de TP ou autres activités déja mentionnées. Les élèves seront amenés à manipuler le plus souvent possible. ( y compris dans les expériences de cours )
 
 

UNITE U1 : Observateurs et mouvement (15h).

Trajectoire d'un mobile vue dans deux référentiels différents.
Exemples simples: tapis roulant, roulement (roue).
Composition des vitesses pour des référentiels en translation.
Effet Doppler-Fizeau : cas des ondes sonores et des ondes lumineuses.

Menu d'applications sur U1:

I - Vélocimètres optiques ( à image de grille. vélocimètre laser), cinémomètres, vélocimètre à ultrasons.
2- Spectres des étoiles et des galaxies : dêclage vers le rouge.
Expansion dé runivers.
3- Mouvements apparents dans le système solaire et mouvements réels. Historique : du géocentrisme à l'héliocentrisme.
4- L'automobile : roulement, patinage, distance d'arrêt.

Commentaires sur le menu U1 et les aoulications

Cette unité a pour objet d'approfondir la notion de mouvement. cela à partir d'exemples familiers. Il importe donc d'éviter tout formalisme excessif et prématuré. il s'agit d'apporter une compréhension sur le fond concernant d'une part la relativité du mouvement. d'autre part la composition des mouvements.
On montre d'abord la relativité du mouvement dans diverses situations simples. il convient de bien prendre en compte le fait que cette idée n'est pas une évidence première et constitue un réel obstacle. Cet obstacle vient en grande partie de ce que cette relativité cinématique ne se retrouve pas en dynamique où les causes des mouvements sont identiflées.
L'idée que la trajectoire observée dépend du mouvement de l'observateur par rapport aux objets est illustrée à partir d'exemples simples. L'analyse peut alors etre poussée plus loin. Par exemple. le mouvement cycloïdal d'un point appartenant à une roue qui roule sans glisser peut ètre analysé de façon qualitative en indiquant l'allure de la trajectoire. Il est également instructif de faire construire la trajectoire d'une planète vue de la terre en supposant. par exemple. une trajectoire circulaire dans le référentiel héliocentrique.
La composition des vitesses est analysée d'abord en termes de composition des mouvements. L'exemple élémentaire du tapis roulant permet à cet égard une approche directe et quantitative de la composition des mouvements d'où découle naturellement la loi de composition des vitesses. On peut ensuite éventuellement généraliser cette règle en considérant à nouveau le cas du roulement sans glissement d'une roue où l'on compose les mouvements de translation et de rotation. L'addition vectorielle des vitesses est à rapprocher de la forme de la trajectoire. On fait ainsi comprendre l'idée qui surprend toujours les néophytes que la vitesse du point de contact par rapport au sol est nulle. la vitesse de rotation propre annulant en ce point la vitesse de translation de l'ensemble. Le cas du glissement peut etre analysé à propos du patinage des roues. De toute cette étude doit émerger l'idée fondamentale d'un référentiel pour décrire un mouvement donné.
L'effet Doppler-Fiezau est expliqué comme une conséquence du mouvement relatif de la source émettrice et de l'observateur. On considère l'émission par la source de signaux très brefs émis à intervalles de temps égaux et on calcule les intervalles de temps à la réception. Une première approche utilisant les représentations graphiques est commode pour montrer l'augmentation de l'intervalle de temps à la réception lorsque la source s'éloigne de l'observateur et l'effet inverse si la source se rapproche. Une telle étude s'inscrit bien dans le cadre d'une familiarisation avec la notion de mouvement relatif. On généralise ensuite au cas de signaux périodiques, ondes sonores et lumiére. Dans le cas de la lumière on ne soulève pas le problème de la prise en compte de la relativité einsteinenne. L'astrophysique constitue un domaine d'application privilégié et on explique le principe de la détennination de la vitesse radiale des étoiles. On peut également analyser la détermination de la vitesse de la lumière par Rômer. C'est aussi l'occasion d'insister à ce propos sur la généralité voire l'universalité des lois physiques. Il est néanmoins également intéressant de revenir sur terre en expliquant les principes de la vélocimétrie laser ou de la vélocimétrie à ultra sons.
 

UNITE U2 : Fluides et locomotion 15h

1) Compressibilité des gaz et des liquides. LOI des gaz parfaits, modèle cinétique (température). Compressions et détentes.
2) Hydrostatique
3) Capillarité. Viscosité, perte de charge.
Ecoulements turbulents: Cx

Menu d'applications sur U2:
 - Moteur à explosion : Le cycle à quatre temps, le cycle à deux temps. Carburation, allumage. Volant inertiel, boite de vitesse. Rendement. Problèmes
liés à l'environnement : bruit. pollution. Problèmes liés à la sécurité routière.
2- Turbomachines

Commentaires sur le menu U2 et les applications
 

A-MenuU2

La première partie concerne les propriétés "élastiques" des gaz. Les liquides sont mentionnés afin de comparer les ordres de grandeurs (on peut indiquer également l'ordre de grandeur de la compressibilité des solides). La loi des gaz parfaits est introduite sous la forme PV = nRT (il est superflu de parler de différentes lois de Boyle, Mariotte ou Gay Lussac: par contre, ces différents physiciens seront évoqués dans le contexte historique).
L'expérience montre que les compressions s'accompagnent d'échauffement: elles sont pratiquement adiabatiques. La compression et la détente adiabatique sont expliquées grâce au modèle cinétique du gaz parfait: la compression fournit un travail et donc augmente l'énergie. donc T croit pour ce système thermiquement isolé.
La relation PVg  = cste est donnée (tout en indiquant que l'on sait l'obtenir par la théorie). Elle est utilisée pour calculer des températures en fin de compression (application moteur diesel) ou en fin de détente.

La seconde partie concerne l'application de l'hydrostatique à des problèmes de physiologie: pression artérielle, technique de perfusion, plongée sous marine, adaptation de certains animaux (girafe, serpents). On peut également analyser des expériences faciles à réaliser comme la fontaine de Héron parfois présentée comme un paradoxe.
La troisième partie est un premier contact avec la mécanique des fluides. Les phénomènes de capillarité sont étudiés au travers d'expériences simples (loi de Jurin ou ascension d'un liquide dans un dièdre, loi de Laplace : bulles). La viscosité est abordée également au travers d'expériences simples : débit et perte de charge pour un tube cylindrique, chute d'une bille dans des liquides de différentes viscosité : mouvement uniforme. On peut utiliser la loi de Stokes.
Remarque: Qu'il s'agisse des loi PVg  = RT ou PV = Cste ou de la loi de Stokes, il est recommandé d'expliquer aux élèves que ces lois ne sont pas seulement empiriques et peuvent être établies à partir de modèles simples.
De même, on peut dire que la théorie de la lubrification qui lait intervenir la viscosité n'est pas du niveau de la classe.
Pour ce qui est des écoulements turbulents, seule la transition écoulement laminaire -écoulement turbulent est mise en évidence. La trainée peut être mesurée (C ) si une soufflerie (même rudimentaire) peut être utilisée et la loi Cx = Cste (soit F = V2) déterminée dans le domaine où elle s'applique.

UNITB U3 : Rayonnement et couleur ( 15h)

Température du Soleil.

Spectre continu. Corps noir :loi de Stéfan. Température de couleur.
Spectre de raies et de bandes. Emission et absorption.
Spectre du laser.
Les domaines des ondes électromagnétiques.
 

Menu d'applications sur U3:

1 - Phénomènes optiques dans l'atmosphère : arc en ciel, mirages, rayon vert, halo, gloire. Effet de serre. Observation de la terre et de l'espace.
2 - Couleur: synthèses additive et soustractive. Photographie couleur, Télévision, couleur. Physiologie de l'oeil.
3- Physique et médecine.
Diagnostics : radiographie X (tomographie. scanner), émission Infrarouge (rnammographie), scintigraphie,"Doppler" et échographie ultrasonore.
Traitements : radiothérapie, chauffage par micro-ondes ("radar"). le laser en chirurgie (odontologie. ophtalmologie etc).
 

Commentairesle menu U3 et les applications

Cette unité doit conduire à une première approche des aspects suivants du spectre électromagnétique:
- Etendue, domaines de fréquences
- Lien entre phénomènes physiques et nature des spectres auxquels ils donnent lieu:
continu (puissance émise, longueur d'onde qui maximise la densité spectrale. température de couleur):
raies ou bandes ("cartes d'identité" en spectroscopie atomique ou moléculaire); monochromatique (1aser);
domaine hertzien:
hautes énergies.

Les effets optiques, imageurs, thérapeutiques donnent lieu à un large éventail d'applications, parmi lesquels il faut évidemment choisir:

- Phénomènes optiques dans l'atmosphère
On souligne l'intervention de l'oeil dans l'analyse de phénomènes tels que l'arc en ciel (pourquoi un arc, pourquoi cet ordre des couleurs ?) et dans celui des mirages (nécessité d'analyser le trajet d'un pinceau lumineux, et non seulement d'un "rayon").
L'effet de serre est utilement analysé en termes de régime permanent: alors, il ne "rentre pas plus d'énergie qu'il n'en sort", comme on l'entend souvent dire.

- La couleur est l'occasion d'un abord par une triple entrée: physique (1es spectres), perceptif (non univocité de la correspondance spectre-sensation), et éventuellement colorimétrique, voire artistique.
Les synthèses additives et soustractives sont introduites en développant les idées amorcées en classe de quatrième. Le rôle essentiel de la perception doit être souligné:
intervention du traitement intégré des informations par l'ensemble rétine-cerveau. On peut aboutir à une analyse du procédé de quadrichromie (photocopie couleur. synthèse soustractive) et de la télévision couleur ou de la palette graphique de l'ordinateur (synthèse additive).

- Les applications médicales se traitent en distinguant les aspects énergétique (laser) et imageur (radio simple, ou scanner).
 

UNITZ U4 : Conception et réalisation en électronique
Utilisation raisonnée des lois de l'électricité et des connaissances antérieures dans le but d'aboutir à une réalisation en électronique.

Exemples donnés à titre purement indicatif:
Eléments d'opto électronique (fibres optiques).
Allumage classique et électronique dans le moteur à explosion.
Flash en photographie.
Stroboscope électronique.

Commentaires sur le menu U4 et les applications

Cette unité doit permettre à chaque élève de concevoir et de réaliser effectivement un montage. modeste peut être mais qui fonctionne et présente un intérêt pratique.
Il s'agit de mettre en oeuvre les lois physiques par le biais d'une illustration instructive, attrayante et moderne. Le professeur doit prendre en compte le goût des élèves et exploiter autant que possible les ressources de l'établissement et de l'environnement.
L'étude préalable à la réalisation du montage peut souvent être divisée en trois parties:

1) Le phénomène physique typique central associé au but du montage
Ce phénomène physique peut concerner le capteur en amont ( capteur de température, de lumière, de son, de déplacement etc ) ou la sortie aval ( son d'un instrument de musique électronique, démarrage d'un moteur ...), c'est aussi l'occasion de revenir sur certains phénomènes vus dans le tronc commun. Par exemple. la réalisation d'un petit stroboscope électronique utilisant une DEL "superlumineuse" permet de reprendre l'étude des phénomènes vibratoires, la mise au point d'un téléphone optique permet de revenir sur le son et la lumière, de nombreux montages utilisent les ultrasons. l'émission infrarouge et mettent en oeuvre des objet intéressants ( fibres, photorécepteurs, électrets...).

2) Mise en forme du signal
C'est une manière intéressante de mettre en oeuvre de l'électronique de faible puissance et d'utiliser des composants déjà rencontrés et aussi des composants nouveaux. Il est souhaitable d'habituer les élèves à la recherche du composant adéquat en utilisant des documentations techniques: cette démarche est également très formatrice par la compréhension du vocabulaire utilisé . Les problèmes doivent donc être clairement posés et les développements techniques réduits à ce qui parait indispensable.

3) Etage de puissance
Cela est nécessaire si on veut que l'effet produit ne se limite pas à la simple lecture d'un appareil de mesure. C'est aussi l'occasion de montrer l'application du principe de conservation de l'énergie et de calculer un rendement. Par exemple. la simple comparaison des différentes façons de réaliser une alimentation continue réglable est très révélatrice des problèmes qui se posent.
En 15h, il parait possible de faire manipuler lès élèves dans des conditions convenables et de les motiver réellement par ce type d'activité. La réalisation proprement dite ne devrait pas dépasser environ deux ou trois séances de deux heures chacune ( fabrication éventuelle du circuit imprimé, câblage, montage, réglages...). Les problèmes de sécurité ne doivent pas être négligés en particulier dans les montages élévateùrs de tension, le professeur se réservant les cas pouvant présenter des dangers pour les élèves!

On peut noter pour résumer que l'activité proposée est distincte de l'enseignement de technologie par la réflexion qu'elle implique sur les lois physiques et par la manipulation qui s'apparente ici plus à la réalisation d'un montage effectué par un physicien expérimentateur qu'à la réalisation d'un objet technique (exemple : le stroboscope).