Cette partie s’inscrit dans la continuité de l’étude des signaux sonores effectuée en classe de
seconde puis de celle des ondes mécaniques, en particulier périodiques, abordée en classe
de première. Ces études ont permis d’une part d'illustrer la variété des domaines
d’application et d’autre part de donner du sens aux grandeurs caractéristiques des ondes et
à la double périodicité spatiale et temporelle dans le cas des ondes périodiques. Tout en
continuant à exploiter la diversité des champs d’application (télécommunications, santé,
astronomie, géophysique, biophysique, acoustique, lecture optique, interférométrie,vélocimétrie, etc.), il s’agit dans cette partie d’enrichir la modélisation des ondes en
caractérisant les phénomènes qui leur sont propres : diffraction, interférences, effet Doppler.
Même si certains de ces phénomènes peuvent échapper à l’observation directe, le recours à
l’instrumentation et à la mesure permet de mener de nombreuses expériences pour illustrer
ou tester les modèles. Il s’agit donc d’interpréter des observations courantes en distinguant
bien le ou les phénomènes en jeu et en portant une attention particulière aux conditions de
leur manifestation. Pour l’étude de la diffraction et des interférences, on se limite au cas des
ondes progressives sinusoïdales.
Notions abordées en classe de première (enseignement de spécialité et enseignement
scientifique) :
Onde mécanique progressive périodique, célérité, retard, ondes sinusoïdales, période,
longueur d’onde, relation entre période, longueur d’onde et célérité, son pur, son composé,
puissance par unité de surface d’une onde sonore, fréquence fondamentale, note, gamme,
signal analogique, numérisation.
Notions abordées en première :Onde mécanique progressive périodique, célérité, retard, ondes sinusoïdales, période,
longueur d’onde, relation entre période, longueur d’onde et célérité, son pur, son composé,
puissance par unité de surface d’une onde sonore, fréquence fondamentale, note, gamme,
signal analogique, numérisation.
Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
Savoirs :Intensité sonore, intensité
sonore de référence, niveau
d’intensité sonore.
Atténuation (en dB). | Savoir-faireExploiter l'expression donnant le niveau d’intensité sonore
d’un signal.
Illustrer l'atténuation géométrique et l'atténuation par
absorption.
Capacité mathématique : Utiliser la fonction logarithme
décimal et sa fonction réciproque. |
Savoirs :Diffraction d’une onde par une
ouverture : conditions
d'observation et
caractéristiques.
Angle caractéristique de
diffraction. | Savoir-faireCaractériser le phénomène de diffraction dans des
situations variées et en citer des conséquences concrètes.
Exploiter la relation exprimant l’angle caractéristique de
diffraction en fonction de la longueur d'onde et de la taille de
l'ouverture.
Illustrer et caractériser qualitativement le phénomène de
diffraction dans des situations variées.
Exploiter la relation donnant l’angle caractéristique de
diffraction dans le cas d’une onde lumineuse diffractée par
une fente rectangulaire en utilisant éventuellement un
logiciel de traitement d'image. |
Savoirs :Interférences de deux ondes,
conditions d'observation.
Interférences constructives,
Interférences destructives. | Savoir-faireCaractériser le phénomène d’interférences de deux ondes
et en citer des conséquences concrètes.
Établir les conditions d’interférences constructives et
destructives de deux ondes issues de deux sources
ponctuelles en phase dans le cas d'un milieu de propagation
homogène.
Tester les conditions d’interférences constructives ou
destructives à la surface de l’eau dans le cas de deux ondes
issues de deux sources ponctuelles en phase. |
Savoirs :Interférences de deux ondes
lumineuses, différence de
chemin optique, conditions
d’interférences constructives ou
destructives. | Savoir-fairePrévoir les lieux d’interférences constructives et les lieux
d’interférences destructives dans le cas des trous d’Young,
l’expression linéarisée de la différence de chemin optique
étant donnée. Établir l’expression de l’interfrange.
Exploiter l’expression donnée de l'interfrange dans le cas des interférences de deux ondes lumineuses, en utilisant
éventuellement un logiciel de traitement d'image.
Capacité numérique : Représenter, à l’aide d’un langage
de programmation, la somme de deux signaux sinusoïdaux
périodiques synchrones en faisant varier la phase à l'origine
de l'un des deux. |
Savoirs :Effet Doppler.
Décalage Doppler. | Savoir-faireDécrire et interpréter qualitativement les observations
correspondant à une manifestation de l’effet Doppler.
Établir l’expression du décalage Doppler dans le cas d’un
observateur fixe, d’un émetteur mobile et dans une
configuration à une dimension.
Exploiter l’expression du décalage Doppler dans des
situations variées utilisant des ondes acoustiques ou des
ondes électromagnétiques.
Exploiter l’expression du décalage Doppler en acoustique
pour déterminer une vitesse. |
2. Former des images, décrire la lumière par un flux de photonsPrésentation :Cette partie prolonge les notions abordées en classe de première par l’étude des images
formées par un dispositif associant deux lentilles convergentes : la lunette astronomique. La
description de l’effet photoélectrique permet d’introduire le caractère particulaire de la
lumière et conduit à effectuer un bilan énergétique.
Cette partie se prête à des activités expérimentales variées et permet d'aborder de
nombreuses applications actuelles ou en développement : il concerne en effet aussi bien les
bases de l’optique instrumentale que les nombreux dispositifs permettant d’émettre ou de
capter des photons, en particulier pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique et
réciproquement. Cette partie fournit également l’opportunité d’évoquer le processus de
construction des connaissances scientifiques, en s'appuyant par exemple sur les débats
scientifiques historiques à propos de la nature de la lumière.
Notions abordées en première :Relation de conjugaison d’une lentille mince convergente, image réelle, image virtuelle,
relation entre longueur d'onde, célérité de la lumière et fréquence, le photon, énergie d’un
photon, bilan de puissance dans un circuit, rendement d’un convertisseur, rayonnement
solaire, loi de Wien, puissance radiative.
Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
A) Former des images |
Savoirs :Modèle optique d'une lunette
astronomique avec objectif et
oculaire convergents.
Grossissement. | Savoir-faireReprésenter le schéma d’une lunette afocale modélisée par
deux lentilles minces convergentes ; identifier l’objectif et
l’oculaire.
Représenter le faisceau émergent issu d'un point objet situé
« à l’infini » et traversant une lunette afocale.
Établir l’expression du grossissement d’une lunette afocale.
Exploiter les données caractéristiques d’une lunette
commerciale.
Réaliser une maquette de lunette astronomique ou utiliser
une lunette commerciale pour en déterminer le
grossissement.
Vérifier la position de l'image intermédiaire en la visualisant
sur un écran. |
B) Décrire la lumière par un flux de photons
Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
Savoirs :Le photon : énergie, vitesse,
masse.
Effet photoélectrique.
Travail d’extraction | Savoir-faireDécrire l’effet photoélectrique, ses caractéristiques et son
importance historique.
Interpréter qualitativement l’effet photoélectrique à l’aide du
modèle particulaire de la lumière.
Établir, par un bilan d'énergie, la relation entre l’énergie
cinétique des électrons et la fréquence.
Expliquer qualitativement le fonctionnement d’une cellule
photoélectrique. |
Savoirs :Absorption et émission de
photons.
Enjeux énergétiques :
rendement d’une cellule
photovoltaïque. | Savoir-faireCiter quelques applications actuelles mettant en jeu
l’interaction photon-matière (capteurs de lumière, cellules
photovoltaïques, diodes électroluminescentes,
spectroscopies UV-visible et IR, etc.).
Déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque. |
3. Étudier la dynamique d’un système électriquePrésentation :Cette partie s’intéresse au comportement capacitif de certains dipôles et étudie le circuit RC
comme modèle de ce comportement. Elle permet d’introduire les notions de régime
transitoire, de régime stationnaire et de temps caractéristique, et de modéliser un
phénomène par une équation différentielle.
Les capteurs sont présents dans de nombreux secteurs : dans le domaine de l’électronique,
les MEMS (systèmes micro-électromécaniques) dont certains sont de type capacitif comme
les capteurs d’accélération, dans la technologie des écrans tactiles, dans des dispositifs
permettant de contrôler et de réguler les consommations d’énergie, dans le domaine de
l’agroalimentaire ou de la chimie avec par exemple des capteurs de proximité (contrôle du
remplissage de cuves), dans les objets dits « connectés » où ils sont associés à d'autres
capteurs.
En biologie, ce modèle permet de rendre compte, par analogie, du comportement de
systèmes complexes.
La mise en œuvre expérimentale de cette partie du programme est l’occasion d’utiliser des
multimètres, des microcontrôleurs associés à des capteurs, des cartes d’acquisition, des
oscilloscopes, etc.
Notions abordées en première :Lien entre intensité d’un courant continu et débit de charges, modèle d’une source réelle de
tension continue, puissance, énergie, bilan de puissance dans un circuit, effet Joule,
rendement d’un convertisseur.
Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
Savoirs :en régime variable.Intensité d’un courant électrique | Savoir-faireRelier l’intensité d’un courant électrique au débit de charges. |
Savoirs :Comportement capacitif. | Savoir-faireIdentifier des situations variées où il y a accumulation de
charges de signes opposés sur des surfaces en regard. |
Savoirs :Modèle du condensateur.
Relation entre charge et
tension ;
capacité d’un condensateur. | Savoir-faireCiter des ordres de grandeur de valeurs de capacités
usuelles.
Identifier et tester le comportement capacitif d'un dipôle.
Illustrer qualitativement, par exemple à l'aide d'un
microcontrôleur, d’un multimètre ou d'une carte
d'acquisition, l'effet de la géométrie d'un condensateur sur la
valeur de sa capacité. |
Savoirs :Modèle du circuit RC série :
charge d’un condensateur par
une source idéale de tension,
décharge d’un condensateur,
temps caractéristique. | Savoir-faireÉtablir et résoudre l'équation différentielle vérifiée par la
tension aux bornes d’un condensateur dans le cas de sa
charge par une source idéale de tension et dans le cas de
sa décharge. |
Savoirs :Capteurs capacitifs. | Savoir-faireExpliquer le principe de fonctionnement de quelques
capteurs capacitifs.
Étudier la réponse d’un dispositif modélisé par un dipôle RC.
Déterminer le temps caractéristique d'un dipôle RC à l’aide
d’un microcontrôleur, d’une carte d’acquisition ou d’un
oscilloscope.
Capacité mathématique : Résoudre une équation
différentielle linéaire du premier ordre à coefficients
constants avec un second membre constant. |