Connaissances et savoir faire en terminale S physique /chimie

Ondes et signaux
1. Caractériser les phénomènes ondulatoires
Présentation :

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-faire Exploiter 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-faire Caractériser 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-faire Caractériser 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-faire Prévoir 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-faire Décrire 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 photons
Présentation :

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-faire Représenter 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-faire Décrire 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-faire Citer 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 électrique
Présentation :

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-faire Relier l’intensité d’un courant électrique au débit de charges.
Savoirs : Comportement capacitif.	Savoir-faire Identifier 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-faire Citer 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-faire Établir 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-faire Expliquer 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.