1. Constitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique

L’objectif de cette partie est d’aborder les deux échelles de description de la matière qui vont rendre compte de ses propriétés physiques et chimiques. Les concepts d’espèce et d’entité chimique introduits au collège sont ainsi enrichis.

L’espèce chimique est au centre de la description macroscopique de la matière et permet de définir et de caractériser les corps purs et les mélanges, dont les solutions aqueuses. Une approche quantitative est abordée avec la notion de composition d’un mélange et de concentration (en g∙L⁻¹) d’un soluté dans une solution aqueuse.

Au niveau atomique, la description des entités chimiques est complétée par les ordres de grandeur de taille et de masse de l’atome et du noyau et par le modèle du cortège électronique pour les trois premières lignes de la classification périodique. La stabilité des gaz nobles, associée à leur configuration électronique, permet de rendre compte de l’existence d’ions monoatomiques et de molécules. En seconde, les schémas de Lewis sont fournis et interprétés. Le changement d’échelle entre les niveaux macroscopique et microscopique conduit à une première approche de la quantité de matière (en moles) dans un échantillon de matière en utilisant la constante d’Avogadro (en mol^-1), une mole contenant exactement 6,022 140 76 ×10²³ entités élémentaires. Une place essentielle est accordée à la modélisation, que ce soit au niveau macroscopique ou au niveau microscopique, à partir de systèmes réels choisis dans les domaines de l’alimentation, de l’environnement, de la santé, des matériaux, etc.

Notions étudiées au collège (cycle 4)

Échelle macroscopique : espèce chimique, corps purs, mélanges, composition de l’air, masse volumique, propriétés des changements d’état ; solutions : solubilité, miscibilité. Échelle microscopique : molécules, atomes et ions, constituants de l’atome (noyau et électrons) et du noyau (neutrons et protons), formule chimique d’une molécule, formules O₂, H₂, N₂, H₂O, CO₂.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

A) Description et caractérisation de la matière à l’échelle macroscopique

Corps purs et mélanges au quotidien.

Espèce chimique, corps pur, mélanges d’espèces chimiques, mélanges homogènes et hétérogènes.

Identification d’espèces chimiques dans un échantillon de matière par des mesures physiques ou des tests chimiques.

Composition massique d’un mélange.

Composition volumique de l’air.

Citer des exemples courants de corps purs et de mélanges homogènes et hétérogènes.

Identifier, à partir de valeurs de référence, une espèce chimique par ses températures de changement d’état, sa masse volumique ou par des tests chimiques. Citer des tests chimiques courants de présence d’eau, de dihydrogène, de dioxygène, de dioxyde de carbone.

Citer la valeur de la masse volumique de l’eau liquide et la comparer à celles d’autres corps purs et mélanges. Distinguer un mélange d’un corps pur à partir de données expérimentales (ressource).

Mesurer une température de changement d’état, déterminer la masse volumique d’un échantillon, réaliser une chromatographie sur couche mince, mettre en œuvre des tests chimiques, pour identifier une espèce chimique et, le cas échéant, qualifier l’échantillon de mélange.

Citer la composition approchée de l’air et l’ordre de grandeur de la valeur de sa masse volumique. Établir la composition d’un échantillon à partir de données expérimentales.

Mesurer des volumes et des masses pour estimer la composition de mélanges.

Capacité mathématique : utiliser les pourcentages et les fractions.

Les solutions aqueuses, un exemple de mélange.

Solvant, soluté. Concentration (en g∙L⁻¹), concentration maximale d’un soluté.

Dosage par étalonnage.

Identifier le soluté et le solvant à partir de la composition ou du mode opératoire de préparation d’une solution. Distinguer la masse volumique d’un échantillon et la concentration d’un soluté au sein d’une solution.

Déterminer la valeur de la concentration d’un soluté (en g∙L⁻¹) à partir du mode opératoire de préparation d’une solution par dissolution ou par dilution.

Mesurer des volumes et des masses pour estimer l’incertitude liée à la verrerie ; choisir et utiliser la verrerie adaptée pour préparer une solution par dissolution ou par dilution.

Déterminer la valeur d’une concentration et d’une concentration maximale à partir de résultats expérimentaux.

Déterminer la valeur d’une concentration à l’aide d’une gamme d’étalonnage (échelle de teinte ou mesure de masse volumique).

Capacité mathématique : utiliser une grandeur quotient pour déterminer le numérateur ou le dénominateur

B) Modélisation de la matière à l’échelle microscopique

Du macroscopique au microscopique, de l’espèce chimique à l’entité.

Espèces moléculaires, espèces ioniques, électroneutralité de la matière au niveau macroscopique.

Entités chimiques : molécules, atomes, ions.

Définir une espèce chimique comme une collection d’un nombre très élevé d’entités identiques.

Exploiter l’électroneutralité de la matière pour associer des espèces ioniques et citer des formules de composés ioniques.

Utiliser le terme adapté parmi molécule, atome, anion et cation pour qualifier une entité chimique à partir d’une formule chimique donnée.

Le noyau de l’atome, siège de sa masse et de son identité.

Numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle : _Z^AX et/ou ^AX.

Élément chimique.

Masse et charge électrique d’un électron, d’un proton et d’un neutron, charge électrique élémentaire.

Citer l’ordre de grandeur de la valeur de la taille d’un atome.

Comparer la taille et la masse d’un atome et de son noyau.

Établir l’écriture conventionnelle d’un noyau à partir de sa composition et inversement.

Capacités mathématiques : effectuer le quotient de deux grandeurs pour les comparer. Utiliser les opérations sur les puissances de 10. Exprimer les valeurs des grandeurs en écriture scientifique.

Le cortège électronique de l’atome définit ses propriétés chimiques.

Configuration électronique (1s, 2s, 2p, 3s, 3p) d’un atome à l’état fondamental et position dans le tableau périodique (blocs s et p).

Électrons de valence.

Familles chimiques.

Déterminer la position de l’élément dans le tableau périodique à partir de la donnée de la configuration électronique de l’atome à l’état fondamental.

Déterminer les électrons de valence d’un atome (Z ≤ 18) à partir de sa configuration électronique à l’état fondamental ou de sa position dans le tableau périodique.

À partir du tableau périodique, identifier des éléments ayant des propriétés chimiques communes et identifier la famille des gaz nobles.

Vers des entités plus stables chimiquement.

Gaz nobles et configurations électroniques associées.

Ions monoatomiques.

Molécules.

Modèle de Lewis de la liaison de valence, schéma de Lewis, doublets liants et non-liants.

Approche de l’énergie de liaison.

Établir le lien entre stabilité chimique et configuration électronique de valence d’un gaz noble. ressource

Déterminer la charge électrique d’ions monoatomiques courants à partir du tableau périodique. ressource

Nommer les ions : H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, F^-; écrire leur formule à partir de leur nom.

Décrire et exploiter le schéma de Lewis d’une molécule pour justifier la stabilisation de cette entité par rapport aux atomes isolés (Z ≤ 18) ressource.

Associer l’énergie d’une liaison entre deux atomes à l’énergie nécessaire pour rompre cette liaison.

Compter les entités dans un échantillon de matière.

Nombre d’entités dans un échantillon.

Quantité de matière (mol) dans un échantillon.

Constante d’Avogadro.

Déterminer la masse d’une entité à partir de sa formule brute et de la masse des atomes qui la composent. ressource

Déterminer le nombre d’entités et la quantité de matière d’une espèce dans une masse d’échantillon. ressource

2. Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergie

L’objectif de cette partie est d’identifier et de distinguer les trois types de transformation de la matière, de les modéliser par des réactions et d’écrire les équations ajustées en utilisant les lois de conservation appropriées. Une première approche des énergies mises en jeu lors de ces trois types de transformations permet de montrer que l’énergie transférée lors d’une transformation dépend des quantités de matière des espèces mises en jeu.

L’étude des transformations chimiques, entamée au collège, est complétée par les notions de stœchiométrie, d’espèce spectatrice et de réactif limitant. L’analyse de l’évolution d’un système pour modéliser sa transformation chimique par une réaction illustre une démarche de modélisation au niveau macroscopique. Elle nécessite de mettre en place une démarche expérimentale rigoureuse pour passer :

  - d’une description des modifications visibles

  - aux espèces chimiques, présentes dans l’état initial et qui ont réagi,

  - à celles, présentes dans l’état final et qui ont été formées,

  - et enfin à l’écriture d’une réaction rendant compte au mieux des changements observés au niveau macroscopique.

Pour que les transformations soient plus concrètes, des exemples provenant de la vie quotidienne sont proposés : combustions, corrosions, détartrage, synthèses d’arôme ou de parfum, etc.

Notions abordées au collège (cycle 4)

Transformations physiques : changement d’état, conservation de la masse, variation du volume, température de changement d’état.

Transformations chimiques : conservation de la masse, redistribution d’atomes, notion d’équation chimique, réactions entre espèces acides et basiques en solution, réactions d'une espèce acide sur un métal, mesure de pH.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

A) Transformation physique

Écriture symbolique d’un changement d’état.

Modélisation microscopique d’un changement d’état.

Transformations physiques endothermiques et exothermiques.

Énergie de changement d’état et applications.

Citer des exemples de changements d’état physique de la vie courante et dans l’environnement.

Établir l’écriture d’une équation pour un changement d’état.

Distinguer fusion et dissolution. ressource

Identifier le sens du transfert thermique lors d’un changement d’état et le relier au terme exothermique ou endothermique.

Exploiter la relation entre l’énergie transférée lors d’un changement d’état et l’énergie massique de changement d’état de l’espèce.

Relier l’énergie échangée à la masse de l’espèce qui change d’état.

B) Transformation chimique

Modélisation macroscopique d’une transformation par une réaction chimique.

Écriture symbolique d’une réaction chimique.

Notion d’espèce spectatrice.

Stœchiométrie, réactif limitant.

Transformations chimiques endothermiques et exothermiques.

Modéliser, à partir de données expérimentales, une transformation par une réaction, établir l’équation de réaction associée et l’ajuster.

ressource 1  ressource 2

Identifier le réactif limitant à partir des quantités de matière des réactifs et de l'équation de réaction.

Déterminer le réactif limitant lors d’une transformation chimique totale, à partir de l’identification des espèces chimiques dans l’état final. ressource

Modéliser, par l’écriture d’une équation de réaction, la combustion du carbone et du méthane ressource, la corrosion d’un métal par un acide ressource, l’action d’un acide sur le calcaire, l’action de l’acide chlorhydrique sur l’hydroxyde de sodium.

Mesurer une variation de température pour déterminer le caractère endothermique ou exothermique d’une transformation chimique et étudier l’influence de la masse du réactif limitant.

Capacité mathématique : utiliser la proportionnalité.

Synthèse d’une espèce chimique présente dans la nature.

Établir, à partir de données expérimentales, qu’une espèce chimique synthétisée au laboratoire peut être identique à une espèce chimique synthétisée dans la nature.

Réaliser le schéma légendé d’un montage à reflux et d’une chromatographie sur couche mince. ressource

Mettre en œuvre un montage à reflux pour synthétiser une espèce chimique présente dans la nature. Mettre en œuvre une chromatographie sur couche mince pour comparer une espèce synthétisée et une espèce extraite de la nature.

C) Transformation nucléaire

Isotopes.

Noyaux stables et instables.

Écriture symbolique d’une réaction nucléaire.

Application à la conversion d’énergie : Soleil, centrales nucléaires.

Identifier des isotopes.

Établir, à partir des noyaux père et fils, l’équation de la réaction nucléaire associée.

Relier l’énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire à des réactions nucléaires.

Identifier la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir de sa description ou d’une écriture symbolique modélisant la transformation.

ressource 1  ressource 2  ressource 3

La mécanique est un domaine très riche du point de vue de l’observation et de l’expérience, mais aussi du point de vue conceptuel et méthodologique. Elle permet d’illustrer de façon pertinente la démarche de modélisation. Deux caractéristiques inhérentes à l’apprentissage de la mécanique méritent d’être soulignées :

  - d’une part l’omniprésence des situations de mouvement qui a permis d’ancrer chez les élèves des raisonnements spontanés, souvent opératoires mais erronés et donc à déconstruire ;

  - d’autre part la nécessaire maîtrise de savoirs et savoir-faire d’ordre mathématique qui conditionne l’accès aux finalités et concepts propres à la mécanique.

Ce thème prépare la mise en place du principe fondamental de la dynamique ; il s’agit en effet de construire un lien précis entre force appliquée et variation de la vitesse. Si la rédaction du programme est volontairement centrée sur les notions et méthodes, les contextes d'étude ou d’application sont nombreux et variés : transports, aéronautique, exploration spatiale, biophysique, sport, géophysique, planétologie, astrophysique ou encore histoire des sciences. Lors des activités expérimentales, il est possible d’utiliser les outils courants de captation et de traitement d'images mais également les capteurs présents dans les smartphones. L'activité de simulation peut également être mise à profit pour étudier un système en mouvement, ce qui fournit l’occasion de développer des capacités de programmation. Au-delà des finalités propres à la mécanique, ce domaine permet d'aborder l'évolution temporelle des systèmes, quels qu'ils soient. Ainsi, la mise en place des bilans est-elle un objectif important d’une formation pour et par la physique-chimie, en ce qu'elle construit des compétences directement réutilisables dans d’autres disciplines (économie, écologie, etc.).

Notions étudiées au collège (cycle 4)

Vitesse (direction, sens, valeur), mouvements uniformes, rectilignes, circulaires, relativité des mouvements, interactions, forces, expression scalaire de la loi de gravitation universelle, force de pesanteur.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

A) Décrire un mouvement

Système.

Échelles caractéristiques d’un système.

Référentiel et relativité du mouvement.

Description du mouvement d’un système par celui d’un point.

Position. Trajectoire d’un point.

Vecteur déplacement d’un point.

Vecteur vitesse moyenne d'un point.

Vecteur vitesse d’un point.

Mouvement rectiligne.

Variation du vecteur vitesse.

Identifier les échelles temporelles et spatiales pertinentes de description d’un mouvement. Choisir un référentiel pour décrire le mouvement d’un système. Expliquer, dans le cas de la translation, l’influence du choix du référentiel sur la description du mouvement d’un système ressource.

Décrire le mouvement d’un système par celui d’un point et caractériser cette modélisation en termes de perte d’informations. Caractériser différentes trajectoires. ressource 1 ressource 2 ressource 3 ressource 4 ressource 5 ressource 6 ressource 7 ressource 8 ressource 9

Capacité numérique : représenter les positions successives d’un système modélisé par un point lors d’une évolution unidimensionnelle ou bidimensionnelle à l’aide d’un langage de programmation.

Définir le vecteur vitesse moyenne d’un point. Approcher le vecteur vitesse d'un point à l’aide du vecteur déplacement MM', où M et M′ sont les positions successives à des instants voisins séparés de Δt ; le représenter. ressource

Caractériser un mouvement rectiligne uniforme ou non uniforme.

Réaliser et exploiter une vidéo ou une chronophotographie d’un système en mouvement et représenter des vecteurs vitesse.

Capacité numérique : représenter des vecteurs vitesse d’un système modélisé par un point lors d’un mouvement à l’aide d’un langage de programmation.

Capacités mathématiques : représenter des vecteurs. Utiliser des grandeurs algébriques.

Réaliser et exploiter une vidéo ou une chronophotographie d’un système en mouvement à une dimension et représenter des vecteurs variation de vitesse.

Capacité numérique : représenter des vecteurs variation de vitesse d’un système modélisé par un point lors d’une évolution unidimensionnelle ou bidimensionnelle à l’aide d’un langage de programmation. ressource

Capacités mathématiques : sommer et soustraire des vecteurs.

B) Modéliser une action sur un système

Modélisation d’une action par une force.

Principe des actions réciproques (troisième loi de Newton).

Caractéristiques d’une force.

Exemples de forces :

  - force d’interaction gravitationnelle ;

  - poids ;

  - force exercée par un support.

Modéliser l’action d'un système extérieur sur le système étudié par une force. Représenter une force par un vecteur ayant une norme, une direction, un sens. ressource

Exploiter le principe des actions réciproques. ressource

Distinguer actions à distance et actions de contact.

Identifier les actions modélisées par des forces dont les expressions mathématiques sont connues a priori.

Utiliser l’expression vectorielle de la force d’interaction gravitationnelle. ressource

Utiliser l’expression vectorielle du poids d’un objet, approché par la force d’interaction gravitationnelle s’exerçant sur cet objet à la surface d’une planète.

Représenter qualitativement la force modélisant l’action d’un support dans des cas simples relevant de la statique.

C) Principe d’inertie

Modèle du point matériel.
Principe d’inertie.
Cas de situations d'immobilité et de mouvements rectilignes uniformes.

Variation entre deux instants voisins du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel et lien avec la somme des forces appliquées sur celui-ci. Application à des situations de chute libre à une dimension.

Exploiter le principe d’inertie ou sa contraposée pour en déduire des informations soit sur la nature du mouvement d’un système modélisé par un point matériel, soit sur les forces. ressource

Relier la variation entre deux instants voisins du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel à l’existence d’actions extérieures modélisées par des forces dont la somme est non nulle.

Relier la variation entre deux instants voisins du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel dans le cas d’un mouvement de chute libre à une dimension (avec ou sans vitesse initiale) au sens du vecteur poids exercé sur celui-ci. ressource

Réaliser et exploiter une vidéo ou une chronophotographie d’un système modélisé par un point matériel en mouvement pour relier les variations du vecteur vitesse et la somme des forces appliquées. ressource

1. Émission et perception d’un son

Notions étudiées au collège (cycle 4)

Vitesse de propagation. Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

Émission et propagation d'un signal sonore.

Vitesse de propagation d’un signal sonore.

Signal sonore périodique, fréquence et période.

Perception du son : lien entre fréquence et hauteur ; lien entre forme du signal et timbre ; lien qualitatif entre amplitude, intensité sonore et niveau d’intensité sonore. Échelle de niveaux d’intensité sonore.

Décrire le principe de l’émission d’un signal sonore par la mise en vibration d’un objet et l’intérêt de la présence d’une caisse de résonance.

Expliquer le rôle joué par le milieu matériel dans le phénomène de propagation d’un signal sonore. ressource

Citer une valeur approchée de la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées.
Mesurer la vitesse d’un signal sonore.

Définir et déterminer la période et la fréquence d’un signal sonore notamment à partir de sa représentation temporelle. ressource

Utiliser une chaîne de mesure pour obtenir des informations sur les vibrations d’un objet émettant un signal sonore. Mesurer la période et la fréquence d’un signal sonore périodique.

Utiliser un dispositif comportant un microcontrôleur pour produire un signal sonore.

Capacités mathématiques : identifier une fonction périodique et déterminer sa période.

Citer les domaines de fréquences des sons audibles, des infrasons et des ultrasons. ressource
Relier qualitativement la fréquence à la hauteur d’un son audible.
Relier qualitativement intensité sonore et niveau d’intensité sonore.
Exploiter une échelle de niveau d’intensité sonore et citer les dangers inhérents à l’exposition sonore.

Enregistrer et caractériser un son (hauteur, timbre, niveau d’intensité sonore, etc.) à l’aide d’un dispositif expérimental dédié, d’un smartphone, etc.

2. Vision et image

Notions étudiées au collège (cycle 4)

Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation. Modèle du rayon lumineux.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

Propagation rectiligne de la lumière.
Vitesse de propagation de la lumière dans le vide ou dans l’air.

Lumière blanche, lumière colorée. Spectres d’émission : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies.
Longueur d’onde dans le vide ou dans l’air.

Lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction. Indice optique d’un milieu matériel.

Dispersion de la lumière blanche par un prisme ou un réseau.

Lentilles, modèle de la lentille mince convergente : foyers, distance focale.
Image réelle d’un objet réel à travers une lentille mince convergente.
Grandissement.
L’oeil, modèle de l’oeil réduit.

Citer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées.

Caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud.
Caractériser un rayonnement monochromatique par sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air.
Exploiter un spectre de raies. ressource

Exploiter les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction.

Tester les lois de Snell-Descartes à partir d’une série de mesures et déterminer l’indice de réfraction d’un milieu. ressource

Décrire et expliquer qualitativement le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme.

Produire et exploiter des spectres d’émission obtenus à l’aide d’un système dispersif et d’un analyseur de spectre.

Caractériser les foyers d’une lentille mince convergente à l’aide du modèle du rayon lumineux.
Utiliser le modèle du rayon lumineux pour déterminer graphiquement la position, la taille et le sens de l’image réelle d’un objet-plan réel donnée par une lentille mince convergente. ressource
Définir et déterminer géométriquement un grandissement.
Modéliser l’oeil.

Produire et caractériser l’image réelle d’un objet-plan réel formée par une lentille mince convergente.

3. Signaux et capteurs

Notions étudiées au collège (cycle 4)

Circuits électriques, dipôles en série, dipôles en dérivation, boucle, unicité de l'intensité dans un circuit série, loi d'additivité des tensions, loi d'additivité des intensités, loi d'Ohm, règles de sécurité, énergie et puissance électriques.

Notions et contenus

Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

Loi des noeuds. Loi des mailles.

Caractéristique tension-courant d’un dipôle.
Résistance et systèmes à comportement de type ohmique.
Loi d’Ohm.

Capteurs électriques.

Représenter une tension sur un schéma.

Exploiter la loi des mailles et la loi des noeuds dans un circuit électrique comportant au plus deux mailles.

Mesurer une tension et une intensité.

Exploiter la caractéristique d’un dipôle électrique : point de fonctionnement, modélisation par une relation U = f(I) ou I = g(U).
Utiliser la loi d’Ohm.

Représenter et exploiter la caractéristique d’un dipôle.

Capacités numériques : représenter un nuage de points associé à la caractéristique d’un dipôle et modéliser la caractéristique de ce dipôle à l’aide d’un langage de programmation.

Citer des exemples de capteurs présents dans les objets de la vie quotidienne.

Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur électrique résistif. Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant la résistance d’un système avec une grandeur d’intérêt (température, pression, intensité lumineuse, etc.). Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur.