Commission LAGARRIGUE
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-PROJET DE COMMENTAIRES
AUX PROGRAMMES DE SCIENCES PHYSIQUES (CLASSE DE SECONDE)
l - PHYSIQUE
A - MECANIQUE
Le programme de mécanique, conçu pour une classe de Seconde commune, a un libellé volontairement succinct. Ceci doit faciliter son expose a des niveaux très différents, permettant ainsi aux professeurs une adaptation de leur enseignement aux aptitudes de leurs élèves.
Pour certains de ces élèves, éprouvant des difficult és dans l'utilisation de l'appareil mathématique, on pourra se contenter de l'aspect qualitatif des phénomènes, ce qui constitue déjà un e initiation non négligeable à la métaode d'analys e des faits expérimen-taux utilisée en Sciences Physiques; d'autres auront besoin en outre de la traduction de l'analyse précédente en langage mathématique. Pour chacune des notions introduites, ces deux de vue devront r ester toujours présents à l'e sprit des professeurs.
Les objectifs
Les objectifs à att eindre restent modestes :
- Reprendre, pour les et les compléter, les noti ons de masse et de force déjà dans l'enseignement dispens é dans le Premier Cycle, en s'appuyant à la fois sur des notions simpl es de dynamique expérimental e ayant comme point de départ le principe de l'inertie, et sur des notions de statique du solide.
- Dégager la notion de quantité de mouvement et vérifier s a conservation dans certains cas.
- Appliquer, en les précisant, les notions de force et d e moment d'une force par rapport à un axe fixe, à des exempl es simples de statique.
L'ordre d es rubriqu e s du programme n' est null ement impératif e t l e prof es s eur a toute lib ert é pour conc evoir et adopt er un e pro-g r e ss io n d e so n e ns e i pro-gn e me n t , qui lui paraîtra l a meill eure e t la mi eux ad a .pt ée au prof.il int ell ectuel d e sa Clas s e ; l e même profe s s eur s e ra s a n s do u te amené à a do p t e r p lusi eurs types d e progres si on s ' i l ens e i -gne à des cl a s s e s d e profil t r ès dif fér ent.
Comm e n t a i r e s d e s c ha p i t r e s
1 . 1 Sa ns d ét ail s inutil e s, on fera r éfl échir, à l'aid e d 'e x e mp le s va r i é s , s u r l e ca rac tè re r elatif du mouvement, s u r la n é cessité d e p réc is e r d an s qu el r epère d' e spa ce on l' étudi e, sur l ' exist enc e d'hor-loge s . Dans l a s u i te , l' étud e d e s mouvement s s e fera dans d e s repère s to r re s t r e s , con s i dé ré s comme g a l i lé e n s ( on é v i t e r a de prononc er c e t erme e t on n e sou lè v e r a aucun e difficult é au s u j e t de la v alidité d e s l ois de l a Mé c anique dans c es repères).
1 . 2 En ut i l isan t d es e xe mp l es famili er s : d éplac eme nt d e di x pa s ver s l e n ord e st, v oyage s d'un e ville à ' une autre par di v ers i t i né -r a i -r f' s , t-ra v e-r s é e d ' un ca-r-refou-r, on int-rodui-ra l e ve cteu-r d épla c eme n t, e t à c e pr opo s, on r appell era ( comp te t e nu d e s co nn a issances ac qui s e s c n ma t h é ma t i q u es) l e s principal e s propriét és du vecteur. On insist era s u r l' addition v e ct orielle, sur la multipl ic ation par nombre, donc s u r l a divi si on par un nombr e (produit l'inverse du nombr e). Ce s o pé ra t i o n s pourront être sur la r eprésentation intrinsèque, ou e n c o r e en utili sant les coord onné es du vect eur.
1. 3 Qn é v i te r a de parler d e "diagramme des espac e s", s ourc e d e c on f u s i o n s . Le s' obtient e n f ormant le quoti ent du v ec t e u r déplac ement MM' par l'intervalle d e t emps mis p our passer d e M e n M', lor sque c e t intervall e de temps d evi ent suffisamment petit. Son c a r a c t è re v e ct oriel résult e d e sa filiation à partir du v ecteur d é pl a c e me n t . On f era observer que, si l e ve ct eur vites s e e s t c o ns tan t , l e mouvement e s t r ectiligne e t uniforme, mais que le v e ct eur vari e l orsque s on ori entation varie, même si son modul e n e c han ge pas.
2.1 L'étude e x p é r i me n t a le qui suit é t a n t réalisée à partir d'un co r p s s o l i d e ( ou d e plusieurs), il sera d'abord indispensable de dé-fini r l e mod èl e du c o r p s solide (indéformabl e par dédé-finition), de mon t r e r l e s limite s de ce modèle et, dans le cas de plusieurs s o l i des , d e d é l i mi t e r l e "sy stème" étudié.
Ce qu'on appell e l e principe d'inerti e surprend l e débutan t e t lui paraît e n contradiction avec les - obs ervations courant es. Un o b jec t i f ess e nti el du programme e s t d'amener l'élève à n e plus com-me t tre la faut e co n s i s t a n t à croire qu'il faut une forc e pour
main-te n i r co ns t a n t e une vimain-tess e (ve ct eur vimain-tess e). En utilisant un e tabl e à cous s i n d'air ou tout autre di spositif permettant l' étude e x pér i -me n t a l e d ' u n mouve-ment dan s un plan horiz ontal sans frotte-ment s, on p ou r ra mettre e n év i d e n ce à b f oi s le principe de l'inerti e e t la n o\i on de c entre d ' i n e r t ie d ' u n so l i d e . On p eut d'abord lanc er un s o L de de façon qu'il ait un mouv ement d e translation r ectiligne, pui s e n s u i t e de faço n qu elconque. L' expérienc e relève alors un r ésultat p ou r l e moins s u r pr e n a n t : dan s c e dernier cas, un s eul de ses points, q u i se r a Eppel é l e c e n t r e d'in erti e, rest e animé d'un mouv ement recti-ligne e t uniforme.
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-2 . -2 La n o ti on d e mass e e s t d éjà connue de s él èves qui ont appris ·à me surer l e r apport d e d eux masses avec un e balanc e. On montrera que
c e r app ort a uss i e n dynamique, par e xe mp le à l' aid e de l' ex-pé r ie n ce s u i v a n t e : a p rès avoir r ep éré les c en tre s d'inertie G1 e t G2 d e deux so l i de s , on l e s accolè d e diverses façons pour form er chaque fo i s un sol i de uniqu e . L' expérience montre que l e centre d'int ertie G du s oli d e compos i te es t t oujours s u r G1 G2, e nt re G1 et G2 , e t que l e
GG1 es t co ns tant e t égal à
GG2 m1
Le b a ryc en t r e d e d eux p oint s es t é t ud i é e n math émat i qu e s ; c e t te montre que G es t l e b aryc entre de G1 e t G2 a ff ectés d e s c o e f f i c ie n t s p o s i tif s m1 e t m2 . Si l e ni v e au d e la class e et l e t emps d is p onible l e p ermetten t, o n p eut é ven tue l lemen t r etrouver l e c e n t r e de ma s s e d ' un s o l ide s i mple en l e dé termi nan t comme baryc en tre, l e s co nsid é ra t i o ns d e s ymé t r ie é ve ntue l le n' étant pas oubliée s ; on p eu t a uss i l e co n s i dére r comme do nn é p ar l ' e xpéri e n ce ayant mi s c e p oint e n é v i de n c e .
On p eut éven tuell ement fa i re aussi a l l us ion à d e s e xemp l e s à l 'échel le as t r onomi que ou atomi que: étoil e s dou b le s , molécul e di atomi que.
3 .1 e t 3 .2 Le vec teu r quanti t é de mouveme nt d'un so li de e s t
p
= mYG,
c.:.-l u i d'un sy st ème d e deux solide s es til'
= +P2
=m1
ïf
G1 + m2 VG2 . L'une de s expér ie n ce s suivant es se rvi r a d ' i nt roduc -t ion à ce t te d éfiniti on e t permettra d e pré s ent er la l oi d e con se r v a ti on de la quantit é d e mou vemen t d'un système is ol é d e d eux so l i -des .a) Su r un banc ou une tab le à c ou s s i n d 'air, l'étude de l' ex-plosion d ' un sol i d e initialement a u r epos en d eux autre s so l i de s s ou s l' a cti on d'un c omp r i mé qu i se dét end brusquement mon-t re r a que l e s v i mon-te sses 1G1 e t V"G 2 a c qu i se s par les c entres d'inerti e sa t is fo n t à
b ) Aprè s avoir r epere les c entres d 'inertie G1 et G2 de deux so l ides , l ' étude expérimentale d e leurs trajectoire s l o r s qu e ceux-c i so nt e n interaction (par e x e mp l e : liaison par un élastique, cho c, so l i de s portant des aimants) permet que :
P
=P1
+P2
= m1 %1 + m2V
G2 e s t un vecteu r constant. L'applica ti on d e ce s expériences à la propulsion de s fus é es es t immédiate .Le profe s s eur gardera prés ent à l' esprit , e t p ourra é ven t ue l -l emen t f aire r ema r quer, s 'i-l -le juge uti -le, -l e fait que c ette -l oi pré s ent e d eux aspect s que l'on r etrouve très fréque mment e n ph y s i qu e
l ' a spe c t " c on s e rvati on" d e l a quant it é de mouve me n t sous la f orme
--ou p
l 'as pect " é chang e", l ' i nt eract i on mé c anique se tradu i san t ic i p a r un é c hange de quantit é d e mouvement : .
3.3
e t 4 . 1 On o bse rve r ar emen t dan s la prati qu e un mouvement r e c tili gn e e t unif orme du c ent re d ' i ne r t ie d '.un sol i d e. Par exe mp le , un pal e t gl is s a n t s u r un pl a n h ori zontal ral entit e t s'arrê t e. On p ou r r a r appel er a uss i que l e s planèt es, l e s s at ellit e s nature l s ou art ifi c iels d écrivent d e s tra j e ct oire s courbes .Dan s l e s e x p é r ien ce s a) e t b) décrit e s c i dessus , cont rai -r eme n t à l a quantit é d e mouv ement t otal e, la quantit é d e mouveme nt d e c haqu e so lide var ie . ·Ce s e x p é r i e n c e s s eront d onc utili s é e s p our in-t r odu i re les noin-t i o ns d ' a cin-ti on méc anique e in-t d 'inin-t eracin-ti on .
D' u ne mani ère g én é ral e , l o r squ'un s olid e n' e st s oumis à a uc une ac tio n e x t é r i e u re , o n admet t r a que s on v ect eur quanti té de mouve men t
p
n e var ie I n v er s ement , s i ce v e c teu r quantité d e mouv e me n tp
vari e, c' e s t parc e qu e l e so li de es t soumis à d ese x t é r i e u r e s . On est donc c ondui t à asso c ie r l a d u vecteur qu a nt ité d e mouv ement à c es actions , c ' est-à- dire à l ' exi st enc e de fo rces , i nt r od u isan t a in s i qualitati vem e nt c et t e n o ti on .
Mai s i l impo r te d e r app e l er qu 'il arrive que la quan t ité d e mou v eme nt d 'un s ys tème n e v ari e p a s, bi e n qu'il soit s oumi s à des ac t ion s e x té r ieu re s , parc e qu ' i l y a comp e nsa ti o n ent r e c es acti ons . C ' e st l e cas e n par t i cul i er d ' un s ys tème p o s é sur l a tabl e à cous si n d ' a i r . Un t e l système mo d é l i s e un s ys tème i s o l é p our l e s e x pé r i e n c e s que n ou s fais ons .
S ' i l es t n é c e s s aire d e l a pré cis er, l a n otion d e s o l ide ou d e s ys tè me i sol é p our ra ê t r e a f finée de proche e n pro che à p artir d e l 'i ntr oducti on d e la not ion d e fo rce . Cell e -ci a yant é té progres sive-ment dégagé e , un s ys tème s e ra d i t isol é lorsqu' aucune ac t i on exté rie u re ne s 'ex e rce s u r lui (c e qu i e s t plus r est rictif que s i la s omme des fo rces qu i s ' exerc ent es t null e par com p ens ation) .
Le profe s s eur pourra indiquer que l 'unit é d e forc e , l e n e wt on , es t d éfinie à parti r d e s l oi s dynamiques r é g i s s a n t la varia-tion d e l a quantit é d e mouveme nt. L ' usa g e d'un dyn amomètre é t a l on né pe r met t ra pa r l a s u i te l a me sure d 'une f orc e qu e lconque , e t e n pa r t i-c ul i e r l a v érifi i-c ati on d e l a proportionnalit é du poids e t d e la mas s e.
Le p ro f esseu r n otera qu e t out é n on cé , e t , a f o r t io r i , tout e é t u d e quan ti tativ e de l a r elation ent re l e s forc e s a p p l iquées à un s o l i d e e t la v ari ation a u cours du t emp s d e sa quantit é d e mouvement , s on t exc l ues d u programme. Il es t d 'ai l l e u rs bon d e r appel er à cett e o c c as ion qu e cet te r el a ti on n e sau ra i t e n a ucune f açon con s t i t ue r un e dé f i n it i on du c once p t de forc e .
Il ne s e r a i t p a s conforme à l ' esp r it du pro gramm e de t rai te r s é pa r éme n t u n chapit r e s u r l e s fo rc e s , d é ma r c h e qui n e sau r a i t ê t re que d ogmat i q u e. C ' e s t l ' e x amen de s i t ua t i o n s ph y sique s s imp l es qui pr é ci s e ra p eu à p eu l a n o ti on de fo rc e p t s a r eprés e nta t i on math éma-t i qn e . On v e r r eéma-t d o nc n a n s l e s c ommen-:;ai r es d e c e p ara graph e, no n p a s ma t i è re d 'un c ou r s à fa i r e , mai s q u e l que s c on sid érations préc i s ant l' e sprit dan s l e quel l a n otion de forc e doit 8tre manipulée .
Le c on ce p t d ' a cti on mécan i que e s t un as p e c t particuli er d u c o n ce pt f a mi l i e r d ' a c t i on , l e quel s u p pos e t ouj ours un a u teu r e t u n r e c e v e ur : a ctLon e x c r cée pa r A sur B . Les actio ns mé c anique s s on t l e s ac t i o n s s us c e p t i b l e s d e pro duire d e s e f fet s mécaniques , c 'e s t -à-d i re -à-d e s s u r l e mou v ement ct la fo rm e du r e c e v e u r B, e t e l le s s o n t s u b divi séo s ''' ' 1 f' on ct i on de l a n at u r e des phénomènes physiqu e s mi s e n j eu ( act ion s d e c on t a c t ou à d i s t a n ce , a c t ion s é l e c t r i que s , d e gr a v i t a t i o n , • • • ) .
Le s e f f e t s n e s o n t d ' a i l l e u rs pa s n é c e s s a ireme n t
( on p eu t pOQs s er s a n c e ff e t s u r u n mur ) d ' u ne part pa r c e que l ' a c tion cO!l [,r ,. '".' a l a nc ét' p ar dt ;1.Utr e s a c t i ons , e t d'autr e par t parce
n.'l; (' 1 ' 0 f ;\, t ri " d<if o r ma t io n , qu i e n t ou t e rigu.eur <ex i s t e , e st par f oi s strictc mcnt r,é g l ig('a b l e . La s ta t i qu e e s t l' ?t u d e d es s i t u a t io n s plu s pa.r-tLcu.ltèr e s où l ' eff '?t s u r l e mou v emen t e st nul e t o ù don c n e s u bs i s
4UP J' c f fr::' : . sur l a. fo r me ., Lr-qu c I ust n égl igé da n s l e cm de s s o l i de s . Le s ac t i on s mé can i que s so n t dés i gnées sous l e n om gén é ra l d e fo rc es . Un p re mi e r a s p e c t , g l obal e t quan t i ta ti f , d e l e u r r e pré s en-t a en-t ion maen-th é maen-ti qu e e s en-t c ons en-t i en-t u é pa r l e v e c en-t e u r fo r ce
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as s o c ié à u n e ac t i on q u i d onne l a me sure g lobal e d e l ' a cti on à l a f oi s dans so n a s p e c tFt
me sur 6 à e t d a n s s o n as pe ct s e n s . Le ve c te u r f orc e d e p e san t eur e st é ga l à mg, l e v ecteur fo r ce ex e r c é pa r un fil e s t pa r al l è le au fil, l e v e ct eur force exe r cé par un r e s sort est parallè le à so n a l Lon g nme nt Il-<J et lui e s t proport ionne l . .Dn a s p ec t p l u s fou i llé e t plus g é ométr iqu e d e l a r epré s e n-t a n-t i on d' une f orc e c o n s is n-t e à pré ci s er l e li eu où e l le s 'ex e rc e s u r l e r e c eveur B (l o c a l is a t i on s pa t iale) . Dan s c e rta i n s c a s parti cul i er s, l a f or c e s ' e xe r c e s u r u n e p et i t e z one d e B ass i mi l ée à un pe int l, qu i d e c e f a i t e s t a p p e lé p oin t de l a for c e : contact p on c-t u el , f orc e e x e rcé e p ar u n fi l ou un r e s s orc-t, par une l o c omoc-ti v e s u r un t r a i n d e wa g on s , et c •.• Dans un t e l l a f o r c e s e t rou v e to tal e -ment r epr 4 s e nt é e p a r l e v e c t eur li é ( l ,
F) ,
e t il s e r a souha i t a bl e de la r epr é SEn t er s u r l e s sc héma s par une fl è che d 'o r igi ne l qui vi suali s e à l a f oi s l e p oi n t où e l l e s ' e x e r c e e t l e v e c t e u r ( l i b re) qui l a me s u r e .Dans l e s autr e s c as , l 'action mécanique e s t plu s ou moins di s pe r sée dan s B e t ne p oss è d e donc p as un p o i n t d' application unique f o rce s d e c on t a c t quand l e con t a ct a li eu le l ong d ' une courb e ou une s u r f a c e , fo r c e s de pe s ant eur, etc •• • Pour illustrer l a diff érenc e, d i s ons p ar e x e mp l e que, s i on c ass e u n s o l i de e n d eux, chaque morc e au au r a un poids et tombe ra e n c h u t e libre , a l o rs que d an s l ' e x emp l e du t r a i n c i - des s us , si on libè r e l ' a tt a c h e en t r e d e ux wa g on s , s eul p artira, s o u s l' a c ti on d e Ja for c e ex e r c é e par l a loc omo tive , l e tr onçon qui lui es t a t t a c h é .
Lo r s que le s forc e s s ont d isséminées . d es indi cation s s u r l e ur di spe rs i on s eront donné e s. mai s e l le s n o d éboucheront é v i d e m-me nt s u r aucune f o rma l isati o n mathéma ti que e t se l im i te r on t à d es p.v i d e n c e s .
Da n s l a rubri qu e "statique" du pré s ent pro gra mme , l 'accent s u r l' a s p e ct loc a lis ation d e s for c e s e st n éc e s s aire e n s ta t i qu e , à p ro pos part d e l a p ropri ét é de s d ro i t e s d ' a c t i o n des f orc es c o n f ondu e s ou c o n c ou ran tes e t coplanai res dans l e cas de l ' équi -lib re d ' un so l i de sous l ' effe t de d eux ou t ro is fo rces , e t à p ro p o s d ' a u t r e p a rt , de l a n o t ion d e moment d 'une fo rce pa r r app ort à un axe e t d e so n utili s ati on dan s l ' équilibre d ' un so lid e mob il e au t o u r d 'un axe f i x e. Ces n otions e t propri é t é s s eron t d' ab ord e nvi s a gée s dans l e c a s d e force s ayant c hacune un poi nt d ' a p p l ica t i o n , et e l le s s e ron t ét endue s e n s u i te a u c as où l es seu les f orc e s d issémi nées sont l e s f orc e s d e p e s ant eur . L ' expé r i e nce mont re r a a lo rs que l e s lois l é ga g é e s dan s l e c a s pr éc é d en t r e s t en t val a bl e s . l e s fo r ces de p
esan-t e u r é esan-t a n esan-t é qu i v a l e n esan-tes à u n e f orc e a pp l i qu ée a u c ent re de ma s se G. Ce c i autori s era par la sui te tout e s l es conventi on s t el l es que " le po id s es t a p p l i qu é e n G" , mais on a u ra to utefois b i en s o i n d e r e s-trei nd re ce t t e e x p ressi on a u cas d ' un sol ide .
4 . 3
Le s éléments d e s t a ti que du sol id e qui figur ent dans l e p r ogr a mme ont pour obj e ctif principal l' é t u d e d e l 'équ i l i b re d 'un co r ps sol i de s o umis à plusi eurs f orc e s. Ce tte parti e ess entiel le du prog r amme, à l a q u el l e une large fra cti on du t emp s d i s p o n i b le d oi t cons acrée, sera presque enti èrement trait é e sous forme d ' exe r -c i-c e s . Le s not ions d e système mat éri el e t d e q u i ne doivent pas être confondue s. se r on t alor s c ons t a mment utilisées. Sans qu'il soit que stion de f aire à ce s u jet u n déve l o p p e me n t d ogma -t iqu e que lc on que , l e profe ss eur d evra pr ofi-t er de -t ou -t e s l e s oc casions qu i s 'offriront à lui pour l es dégage r prog r e s sivement . La so l u t i on d·' un pro b l ème ou l'in t erprétati on d ' une expé r ience d evron t tou jours c omme n c e r par le cho ix et l a d élimitati on pré c i s e du s y s tème étud ié . e t pass eron t par l' a n a l y s e d e s on é t a t et d es act i ons mécan iques qui s 'exe rcen t s u r lui : f o r ces l o c ali s é e s , ou d isséminée s . forc es de c ontact , san s oub li er l e s f orc e s d e f rot te men t .En
s e limitant à des e x erci c e s pouv ant se ramener au cas d'un ens embl e de forces coplanaires. on appliqu8ra l es deux r é s u l t a t s f ond ament aux:l I!
= Ô (projection s u r d eux axes) . e t : somme de s mome n t s des fo rces par r a pport à un axe pe rpendi culai re a u plan et passant e n un point A d u plan j u d i c ie u s e me n t choi si : LMA=
O. On c ons ta te ra l e fai t que compos er ou décompos er d es forc e s es t u n a rt i -f ic e de cal c u l n 'ayant aucune r é alit é phys ique , e t qui p eut même ê t re d a nge reu x s u r le p l a n p édag ogi qu e .B - ELECTROCINETI QUE ET ELECTRONIQUE EXPERIMENTALES.
Nous propo son s. dan s c e projet de programme, un e étude ph énoménologique du c ou ran t é lect r i qu e e t d e s propri été s d es conduc t e u rs . Cett e é t u de d oit être f ait e principal emen t so us f orme d e t r a -vaux prati qu es au cou rs d e s quel s l e s é lève s devron t se f amiliari s e r a v e c l e s a p pare i ls d e me sure s é le c t r i qu e s , l es o rd r es d e g r a n d e u r des i n t e n si t é s et te ns i on s . l e s propri é t é s des ci r c ui ts , l a cons t ruc t i o n et l ' i nte rpré tat i o n d e s g raph i ques t radu isant c es propri étés , sans
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-e x c l u r -e l a formu lat i o n mathéma t iqu -e d-e cas s impl -es. Il -e st -es s-e n t i-e l q ue ce tte é t u d e s e conc rétis e pa r l a r é ali s a ti o n, ou , à dé f a ut , . l ' analy s e de d isposit ifs prati que s et qu ' u n v o lume h o rai re suf fi s ant s o it d o nc co n s a c ré à l a deux i ème par ti e.
Le po int d e vue é n e r g é t i qu e ne f era pa s l'ob j e t d ' une é t u d<;> s ys t é ma t i qu e . La notio n que l e s é lè ves ont d e l a pui s s anc e à l e ur e n t rée e n se c ond e p our r a ê t re u t i li s é e par l e pro f e s œur s 'i l l e d é sire .
Le p rogramme d ' é l e ctrici t é -élect ron ique comp r e nd 2 part ies l - Pré s e n ta t i o n du cou r ant é l e c t r i qu e e t d es d e ux g rande u r s é lec t r ique s intensit é e t t e ns io n e t é t u d e d es c ara c t é ristiques int en-s i t é - t ension de di ff é r ents d i p ô l es . Lo in de se l imi t e r à l ' étude de s conduct e u rs ohmi qu e s on a d o p t e r a un e appro c h e plus géné ra le en utili s ant des élément s s emi -condu cteu r s de faço n à ne p a s se cantonner a u x se u le s Lois cl a s s i qu e s é t u d ié e s tradi tionn e ll eme n t.
I I - Etude d 'a p pl i cat io ns . Cett e de r n ière pa rti e consti t ue à l a
foi .s un c hamp ct ' applica tion d e s n o t i o n s f onda me n t ale s du pro gramme e t
UD ', ouve rture v e rs l es mu l t i p l es r é alisations fondées s u r l ' é l e c
tro-ni que. Le s e xe mp l e s qui se ront donnés mo ntre r o n t l a r i c h e s s e et l ' i n t é rê t du d o ma i n e e x p l o i t a b le .
N. B. : Même si , pour d e s rais ons d ' o rganisat ion , i l s ' a vè re nécessai re d e fra c tionne r l ' étud e d e l ' él e c tri c i t é, il es t indis pensabl e de t r a it e r a u moins l e d ébut de la part i e con join t e ment a vec l e déb u t du c ou r s de c h i mi e .
Premiè r e pa rtie
1 . On mont re ra l ' e xistenc e d e faisceaux d ' é l ect rons sans che r che r à e n i n t erpr ét e r l a fo rm a t i o n . On mettra en é v idence l eur sensibi lité à d es a c t io ns é l e c t r i qu e s et
2 . La c omparaison de l'acti o n d ' un a imant s u r un faisce a u d' él e c-t ron s e c-t sur u ne parc-t i e mobi le d ' un c i r c ui c-t mé c-t alliqu e s uggè re que l e c ou ra n t é l e c t r i qu e s ' in te r prè te comme d épl a c eme n t d e p or t eurs de cha r ges . On af f i r mera que , dan s u n co n du c te u r mét all i qu e, l e s port eurs mobi l e s son t de s é lec t rons . Une e x p é r i e n c e ut i l i s an t un é le c t r o l y te c ont enan t de s ion s col oré s f ournira un exempl e d' au tr e s p ort eurs de c ha rges (voir introducti on: li ai son avec le c ours d e c h i mi e ) . La c on du c t i o n dan s le s se mi -co n ducteu r s (existenc e d e d eux typ e s de por-t e ur s) n e se ra qu'év oqué e.
Po u r l e courant cont inu , l ' i n te ns i té du cou rant se ra dé fi n ie p a r l e d éb it d es charges à travers une s e c t i on d u co nduc teu r ; o n a d me t t r a que sa me sure est donn é e par l'indi c a ti on d ' un a mpè remè t re .
On donnera les unités correspondantes, le coulomb et l'ampère, ainsi que les ordres de grandeur des intensités usuelles et la valeur de la charge de l'électron. On sera amené, lorsque le besoin s'en fera senbr, à compter algébriquement l'intensité dans un élément AB. Au cours d'une séance de travaux pratiques, on fera vérifier que, le long d'un circuit non bifurqué, l'intensité du courant est la On habituera les élèves à utiliser dans les meilleurœconditions un ampèremètre à plusieurs calibres. On fera vérifier expérimentalement l'additivité des intensités dans des circuits dérivés en courant continu.
). La valeur algébrique de la tension continue entre deux points A et B, pris dans cet ordre, sera définie et mesurée par l'indication d'un oscilloscope, puis on passera aux mesures pratiques à l'aide d'un voltmètre électronique et d'un voltmètre magnétoélectrique.
Elle sera notée UAB ou u. On fera vérifier expérimenta-lement les relations
ICA? 11
BA
Pour illustrer la notion de tension, on pourra utiliser (avec prudence) l'analogie hydraulique ou alimenter une lampe à incan-d e e c e n c e entre un point fixe et un point variable incan-d'un pont à filou
d'lm rhéostat potentiométrique.
4.
L'existence des courants alternatifs sera suggérée s?it par l'action d'un aimant permanent sur le filament d'une lampe à incan-descence (filament de carbone) soit en manoeuvrant un petit alternateur (alternateur de bicyclette ou appareil à cadre tournant du C.E.M.S.) relié à un ampèremètre à zéro central, soit par tout autre moyen.L'oscilloscope sera utilisé pour montrer l'existence de tensions alternatives (et si possible pas seulement de tensions sinu-soïdales).
5.
Au cours de séances de T.P. on fera tracer les caractéris-tiques de dip81es. On sera amené à représenter tant8t u = feu),tantôt u = g(i). Les élèves sauront passer, quand le besoin
s'en fait sentir, d'une représentation à l'autre.
Bien entendu, ces caractéristiques seront limitées, les limites physiques étant indiquées par le professeur ou calculées par les élèves au début de la séance d'étude d'un composant. Les élèves connaissent l'existence des fusibles, mais il peut être intéressant que le professeur procède à la destruction d'un composant en le faisant fonctionner en dehors des limites normales d'utilisation. Toutes les recommandations relatives aux tracés et à l'utilisation des graphiques en physique seront données.
Pour évite r u n e r épéti t i on fastidieus e du même typ e d ' exe r -cice , s ' i l paraIt n éc e s saire que t ous l e s é lè ves é t u d i e n t l a r é si stanc e mé tal lique , i l n 'es t p a s ind is pensabl e que t ous é t u dien t l a V. D.R . e t l es t r o i s t y pes d e d i ode s ( g erma n ium, s i l ici um , Ze ne r ) : o n p eu t c o nce vo i r u n e séanc e d e T . P . où l e t i ers d e l a c lasse é t u d ie u n e diod e Ge , u n ti ers u n e diod e Si e t un t i ers u n e diode Ze n e r , l a f in de l a séan ce ou l e cou r s s u i vant perme t t a n t d e s i gnale r l e s a nalo g i es e t l es d i f fé re n c e s e n t r e l es d i v e rs es cou r b e s .
On s e ra amené à me n t i on n e r l e s isolant s ( résistanc e p r atiqu e -ment infini e ) e t l es court s -ci rcuits ( r ési s t anc e p ratique -ment null e) .
Le 4èm e a l i néa qui t r a it e d ' app lications e s t r i c h e e t on n e p e u t prétendr e l ' épui s er ; il f audra choi s i r . Dan s l e c as d' une a s s oc i a· tio n de d i p ô l es pa s si f s (e n s éri e ou e n par a l l è l e) on pourra, e n
p a rtant d e la carac té ris t iqu e d e cha c u n , co n s truire g raphiqu ement la caract é ri st i que d e l ' e ns e mbl e e t la v érifi e r e x p é r i men t a le men t . On men t i on ne r a l e s l o i s d' as so cia tion d es d i pô l e s à c ara ct é r i s t i qu e l inéai r e (R
=
R1+
R2+. 0.
e t G=
G1 + G2 +. 00).
6a . La pa r t i e exp é rimenta l e consi st e à t rac e r l a carac té r is tiqu e d ' un d i pô le ac t i f d ont l a pola ri t é es t ou n ' e st pa s d onné e . Il est r e c omma n d é d e r é a l i s er un premi er t racé a v ec d e s a pp a re i ls à z é ro cen t ra l , au cou r s d'une s é a n ce c o l le cti ve , pui s d e f a ire trouve r la caracté r is t i que d ' un 2è me di pô l e pa r l e s é lè ves (l e 1er d ipôl e é tan t r éal i s é pa r e xemp l e à l' ai d e d' une p il e e t d ' une r é s i s t a nc e e n s é rie , l e 2èm e pa r une pil e e t deu x r é si s t a n ces f o r mant u n monta g e pot en tio -mé tri q u e ). Ev en t ue l leme n t , on r e p r endra u n e é t u de a na lo gu e en r empl a-çan t l e s r ésis t a nces par d es d ipô l e s p a s sif s no n liné a ire s.
Cet te é t u de mettra e n é v i de n ce d es r é g i on s de f a ibl e c ou r b u re à l' i n t é r i e ur desqu e l l e s la caracté ris tiqu e peut ê t re r eprés e nt é e par un e r ela ti o n a f f i ne .
On p ourra montre r qu e l es é l e c t r o l y s e u r s n'on t p a s de p ola -r i t é i n t -r i n s è qu e, mais que ce l l e - ci -r é s ul t e du s ens de pa s s a ge du c ou r a n t qui l e s t rave rs e .
6 b . On p ourra signaler l es cas l i mi t e s de s ou r ce s d e te ns i on ou d e c ourant idéal e s .
6 c . La r e cherche du p oint d e f onctionnemen t d' un e assoc ia t i on de d eux d i pô les s' effe c tuera graphi qu ement d an s l e cas g é n é r a l e t p ar l e calc u l dan s l e s ca s f avorabl e s (c a rac té r is t iqu e s r e c t ili gne s ).
Comp t e t enu du fait qu ' on n ' é tud i e pa s s y s téma t i quemen t l a p u i s s a n c e é le c t r i que , i l n' e st p a s tou jou rs f ac i l e d e pré c i s er la foncti on , g éné rat e u r ou r é c ept eur, d 'un di p ô l e faisant part i e d 'un ci rcui t. Pa r c ont r e c ette distinction s e ra fa ite dans ce r tai n s cas simpl e s .
N. B. : Un ou plusieurs exe rcices simp les d ' a s s ocia ti o n de plu s i e ur s d i p ôles mon t r eron t l ' équival enc e des deux sc hémas , sé r i e e t parall èl e , l 'int é rêt du premi er quan d on a des élémen ts e n sér ie e t l ' i n t érê t du s econd quand on a des é lémen ts e n parall èl e.
D' a u tre p art, un exe rc ice T.P. i n t ére s s ant c on si s t e à r é ali-se r un r é s e au de di p ôle s li néai res e t e n l' al i me nt a n t e n t r e deux p o in t s a r b i t rai re s à trac er l a carac té r is t i qu e de ce r é s e a u pu is à t r ouver l e sché ma sé r ie et l e s c h é ma parall èl e. Dans c e rtai n s cas s i mp le s on p ourra i n te r pré te r l e s r ésultat s pa r le calcul .
De ux ième parti e
a) Cet te part ie du programme do it p e rme tt re d' appl iquer l e s . étu d e s pré c é d en t e s à d e s r é al i s ati ons prat i que s. Le c ho ix d e c e l l es-ci ti end ra com p t e d e s du pro f e s s eur, d e s dem andes é v entuel les d es é l è v e s , et d e s d i s p o n i b i l i tés e n ma t éri el.
On r é ali s era un monta g e qui donn e ra l'occa si on d 'intro d u i r e à la fois l a no t io n d e dipôl e comma nd é p ar un s ignal e xtéri eur
( électr iqu e , lumineux , th ermique ) et ce ll e d ' amplification : par e xemp le , l e mont a g e par t out ou ri en d ' un é c l a i r a g e command é par un e photo ré s istanc e . .
b ) Su r c et exe mp l e apparattront ; - un c a p t e ur ,
- un d is posi t i f é l ec t ron ique ,
- un t ran s d uc te u r d e so r tie (lamp e ) .
On a ains i c on s t i t ué une chatn e à
3
é l é me n t s qu i donnel 'exe mp l e d' un e st ruc t u re fond amentale qu ' on r etrouve dans d e no mbreu s e s a p plica t i o ns cou r a n t e s .
I l s e ra alo rs int ére s s a nt d' étudi er c e r t a i n e s d e ces r éal i s at i ons e n s e limitan t à l' a n aly se d e s fo nct i o ns s uc c essi vemen t mi s e s e n œuvre d ans l e s principal e s parti e s d e l a c ha îne. Exemp les
(au cho ix ) : p o st e de radi o; é l e c t r o ph on e ; dis p os i t i fs de sé c u r i t é , de t é léco mmand e , de mesur e, etc •••
II CHI MI E
Dans un e preml ere a p p roche s yst éma t ique de l a chimi e , i l c onvi e n t d e f a mili ariser l es é lè ves ave c l' a spe ct mi cro s c op i qu e de l a matiè re et a vec s on prolong emen t vers l e s phénomènes chimi que s les p lus immédiat ement a c c e s s i b les .
Il e s t ess entiel que l es él èves acquièrent un savoir faire e x p é r i me n t a l , un 's a v oi r r egarder e t obs erver, un s avoir r éfléchir p ro p res .à l a c h i mie . Il e s t non moins important que les é lèv es mémo -r i s e n t un ce -rtai n nomb-re d è connaissanc es e t d e f ait s p-ré ci s, sque le tte n é c essai r e à un e progression co r re c te , s an s qu e l' on v er s e p our
a u t a n t dans l 'excè s invers e qui consi sterait e n un catalogue sura -bon dan t d e f aits chimiques.
Premi è r e par ti e S t ruc t u re de l a mati ère e t r é a c tions chim i gues .
a) Le p ro fesse u r d e d onner à ce t te p arti e du cou rs un caract è re a uss i con c re t que pos sibl e . La d esc ripti on d e la st ruc
-ture é lec t ronique d e s é lémen ts r epo s era s u r d es noti ons s i mp les de r épa r titi on d es é le c t r on s e n " c ouc h e s", ce t t e r épartiti on é tant me née d e p a ir avec l a pré s e nt a t ion de la c lass ificat ion p éri odi qu e. Le s noti ons de s ous -0ouche e t de s p i n sont entièr e ment ho rs program-me . Au c ou r s d e l' a n n é e, e t c haque f oi s que l' oc c a si on s ' en p ré s en-t era , l a p rés enen-ta en-t ion d e s f aien-t s c h i mi ques p erme en-t en-tra d e monen-trer que l e co r t ège él e ctronique ex t e r ne conditionne p ou r l' es s enti el l e s p r o pr ié t és c h i mi qu es e t physique s.
On p ourra u tilis er l e modèl e d e tabl e au p éri odi que à 18 c ol on ne s pré c oni s é p ar l' Uni o n i nt ernati on al e de Ch i mie Pure et App l iqu é e .
La no t i on d'i so t opi e se ra introduit e tout e n é tan t limit é e à so n st ric t mi nimum; mai s on pas d'insister s u r l e fait que l e s i s o t ope s d'un même é lémen t ont même s propri é t és c h i miqu es .
Afin d ' évi t er d e s d ével oppements exce ss i fs , l a Commis si o n s ouha i t e que l ' on n' entre p a s dans l es d étail s d e questi ons tr op dé l i -c at es . Ain si, p our n e parl er que d es liaison s -coval ent e s , e t d an s l ' es p r it d ' une premi ère approch e q u a l i ta t i ve on indiquera l eurs carac -t é r i s -t i que s géomé -t r ique s ( d is -tances , a n g les des l i ai s ons ) da n s l e cas de que lqu es mol é cul e s, par exemp le :
HZ '
C1 2 , HCl, HZO, NH3 , CH4 ' C2H6, CO2, e tc ••• On se b ornera à exp 11 que r c ette lia1s on par une mi s e e n commun d' él e ctrons réalis ant une ac c umu la t i on d e c harge s n é g ative s dans l ' e spac e int ernucl éaire. Il e s t tout à f ait hors d e que s ti on d e pa r le r d u c a rac tè re io nique parti el d es liaisons .
Il semb le que l e c o n ce p t d e mélange s e t d e corps purs œ ra plus ais ément comp r i s d e s é lèves s ' i l e s t exp osé dan s un premi er stade à l' o c c a s i on des es pèce s chimique s mol éculaires .
Sa ns qu'il soit question d e fai re d e s exposés systématiqu e s s u r la sé p a r a t i on d e s e s pè ce s chimiques présent es dans un mélang e, on ne n é gli g era p a s d e sou li gne r l'int érêt des changements d' état p our l a sé para t ion des c o r ps purs, e n prenant de préférence c omme exe mp le la d isti lla t ion f rac t i onnée .
Les changements d'état d'un corps pur permettront une in-troduction de la notion de température liée à l'agitationfuermique -notion qui est vue aussi à propos de la loi des gaz parfaits. Ils pourront permettre également d'introduire la notion d'ordre dans les structures cristallisées. L'état solide pourra alors être caractérisé comme une architecture triplement périodique d'atomes, de molécules ou d'ions. Sans tentative de mémorisation, différentes structures pour-ront être présentées sous forme de modèles aux élèves à simple titre d'illustrations (par exemple: C02 solide, diamant, NaCl, structures métalliques, etc ••• ).
b) La Mole
La mole sera présentée comme l'unité de la grandeur "quantité de matière" et il faudra ha-bi tuer les élèves à raisonner en nombre de moles et non en unités de masse. A ce propos, la commission rappelle à titre de documentation la résolution adoptée en 1971 par la 14ème Conférence Générale des Poids et Mesures (C.G.P.M.).
"La 14ème C.G.P.M.
considérant les avis de l'Union Internationale de Physique Pure et Appliquée, l'Union Internationale de Chimie Pure e t Appliquée et de l'Organisation Internationale de Normalisation concernant le besoin de définir une unité de quantité de matière, décide:
1° La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12 ; son symbole est mol.
2° Lorsqu'on emploie la mole, les entités élémentaires d o i v e n t spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d'autres particules ou des groupements spécifiés de telles particules.
3° La mole est une unité de base du Système International d'Unités".
La réaction chimique
Le professeur présentera des exemples de réactions aussi varlees que possible et en nombre suffisant, non pas dans l'intention d'accumuler des connaissances à mémoriser par les élèves, mais pour étayer sur des bases descriptives suffisamment développées les notions concernant la réaction chimique traitées dans le programme,
Il introduira de manièr e exclusivement qualitative aussi bien la réaction incomplète que la réaction totale, qui n'est qu'un cas particulier de la précédente. Les différentes possibilités d e limitation pourront être évoqu ées : réacti on particulièrement lente et interrompue p ar l'expérimentateur, ou réactions concurrentes, ou réactions équili-brées.
Il fera constater les manifestations énergétiques de la r éaction, ce qui permettra d'introduire le vocabulaire exothermique, athermique, endothermique.
On p our ra a u s s i s i gna le r la no t ion d e v i t es s e ' d e r éa c ti on, sans p o u v oir y i ns ist e r . Une e x pé r ie n c e f a cil e à r é ali s er e t à obse r v e r p our r a ê t r e f a i t e ( par exemp le , l a p r é c ipitat i on d u souf re e n mil i eu ac i d e , à p a r t i r d'une sol u t ion d e thi o sulfat e de s o d i um uti l i s é e à d ive rses c o nc e n t r a t i ons ou l a r éa cti on d e r é du c t i o n de l ' i on par l 'ion HS0
3
Des réac ti on s e x p los i ves se r ont pré s en t é e s comm e cas parti -c u l ie rs d e r é a -cti on s t r è s r api d e s.
L' influ e n c e d e l a t e mpé ra t u re s u r la v i t e s s e d e s r é a c t i o n s se r a é g a l e me n t ment i onné e , a i n s i que ce l l e d e s c a ta l yseu rs ( réacti ons conc u r r e n tes) e t d e la lumi è r e .
Pour guider l e p ro fesseu r dans son c hoix , e t san s qu'i l so i t qu esti on de v oulo i r imp o s er une progr e s si on , l es e xe mp le s s u i v a nt s so n t p r op o s és qu i mo n tr e n t l a r éa c tivit é des d ifférent s é tats d e l a ma t ière.
1° r é a ctions n e f ai s an t int ervenir que d e s g a z : s y n t h ès e du c h lo rure d ' h y d ro g è n e par comb u s t io n de l ' h y dr o g è n e dan s l e c h l o re r é ali s é e a vec un c ha l umeau ou t out dis po s iti f a na lo gue , c omb us ti on s de s h ydr o c a r b u re s , é qu i l i b re d e d i s s oc iation de N2 0 4 '
A ce prop o s d e r é a c t i on s e n t r e gaz , on mont r era l ' in t é rê t d u v o l ume mo lai re e t son uti li s ati on d a ns l e s r ai s onne me n t s quant ita-tifs . On s i gnale r a l a l o i d ' Avogad ro e t on d éfini r a la d en s it é r ela t i v e d e s ga z .
2 ° r é a c ti on s f ai s an t int erv e n ir a u moin s un gaz : s ynth èse de l ' e au, comb us t i on s du sou f re e t du car b o n e ( on signal e ra l' e xi s t e n c e d e s di e t t r i o x y de d e s ou f re , d e s mono e t d i oxyde d e c a r b on e ) r é a c t i on d u sou f r e e t d e l' h y d r o g è n e, c ombu s tion d 'un métal dan s l ' ox y g è n e, r é a c t i o n d e l'hydro g ène s u r l' ox y d e d e c u i v re
(rr ) ,
a dd iti on de c h lo r e s u r l' éthyl è n e , équili bre d e d i s s o c i ati on de PBr5
•
3 ° r é a cti on s n e f a i s ant intervenir a ucun gaz : r é a cti on du z inc o u du f e r a v ec l e s ouf r e , alumi n othermie , é qu i l i b re e nt re l e s i ons
( Cu( H2 0) 6) 2 + e t ( Cu Cl4 ) 2- e n so l u t ion aqu eus e.
Dans t ous l e s c as , on f e ra r emarquer l a conse r vati on d es é léme n ts e n na t u re e t e n quan ti t é .
A pr opo s de l a r é acti on c h i mi qu e , on f e ra r emar quer l a conse rva t i on d e l a natur e de s é lémen ts .
A propo s d e s é qu a t i on s chi mi que s u t i li s é e s pour r eprés e nt er l e s r é a c t i on s, on insi s t e r a s u r l e s p oints s u ivan ts :
1° Le s é qu a t i o n s tradui s ent d es b i lan s qui con c e r nent l e s mol e s •
2° Les équations-bilan écrites ne prétendent pas traduire des mécanismes réels; le mécanisme d'une réactioh chimique est, le plus :Jouvent, très complexe. A ce propos, une mise en garde est à faire en ce qui concerne l'utilisation abusive des modèles moléculaires pour "visualiser" une réaction chimique: il ne fau t pas donner
l'idée fausse de pseudo-mécanismes.
c) L'étude de la chimie impose que soient utilisées à plusieurs reprises des notions de physique. Ces notions seront approfondies plus tard: température, pression, loi des gaz parfaits et énergie en classe de Première.
Lors de l'étude de ces questions, il faudra tenir compte des acquisitions antérieures: acquisitions "scolaires" dans le premier cycle technologie, sciences naturelles et biologiques, •• ) et acquisitions plus ou moins spontanées dues à l'environnement: le professeur ne doit pas s'interdire de prononcer les mots que l'élève entendra ou prononcera dans la vie courante ; il se contentera pour cela des définitions usuelles qui se préciseront peu à peu. C'est en particulier le cas de la température, de la pression et de l'éner-gie.
D'une manière générale, on s'attachera à suivre strictement le système d'unités. Cependant on pourra utiliser quelques unités d'usage courant, plus à l'élève.
1° Pour la température, ce sera d'abord le degré Celsius; par la suite, la compressibilité des gaz permettra de dégager une première notion de température absolue. La définition provisoire sera déduite de la relation des gaz parfaits; PV = nRT. Il sera bon, dès lors, d'évaluer la température en Kelvin (symbole K).
2° On évaluera une pression en hauteur du liquide qui se trouve dans le manomètre: on utilisera le mm de ,mercure. Dans le cas où on dispose d'un manomètre gradué en bar ou en pascal, on pourra parler de ces unités mais on ne cherchera pas à en donner une définition rigoureuse.
3° Pour l'énergie, le problème est plus simple car il n'est guère besoin de valeur numérique : on pourra se contenter de noter la
variation de température provoquée par la réaction chimique considérée. On signalera que cet effet thermique, donc énergétique, est une carac-téristique des réactions chimiques; on n'oubliera pas d'en parler dans les cas importants (dissolutions), même lorsque par le jeu de compensations cet effet est sensiblement nul par pour la dis-solution du chlorure de sodium.
4° Il ne sera pas nécessaire à ce niveau de donner la valeur numérique de la constante
R
des gaz parfaits puisqu'on utilisera essentiellement la forme PV Po Vo;;
T To
59
-Lo rs de l 'étude de l a compre ssi b i li t é et d e la dilatati on d es ga z , i l p eut paraître souhaitabl e que l ! on n' a b andonne pas c omp lè
-temen t l a propre ment d i t e p e ndant un mois .
- Le profe s s eur p ourra a lo r s mener d e f ro n t l 'é t u de d e la réac t io n chimi que , ou d es so l u t ion s i oni que s, e t l ' é tud e des g a z ;
- r l peu t a ussi f ra c t io nn e r ce t t e é t ude e t l ' i n s érer dans u n e progre s si on. Par e x e mp le , on p eut a bo r d e r la loi d e Boyl e-Mari o t t e po ur é taye r l a s truc t u r e mol é culaire d ' u n ga z ( r .a) . La tempé rature inte rv i e nd ra à p ropos du volume mol ai r e e t du bilan v o l umique d 'une r é a c ti o n c h i mi qu e ( r . b) .
La l o i de Boyle - Mar io tte p eu t être é tab li e simp leme nt sans s' y att a r d e r : qu elque s e x p é r ie n ces simp les(pomp e à b ic yc l e tte , s e r i n gue ••• ) et me s u res s i mples (vo lumes: V, 2 V,
3
V ; pressi on s P,p/2 , p/ 3)
pe rme t te n t de mon trer que l a pre ssion d' un gaz et son v olume so n t d e u x grandeur s proporti onn e ll e s.r l n' e st pa s rouha ita b l e d ' u t i l is e r les appareil s tradi t i on-n e l s qui on-né cess i teon-n t u on-n e maon-n ipul at i oon-n d é l ica te e t d oon-nt l e s me s ur e s s e f on t pa r diff é re nc e a vec l a pre s s i on a t mos phé rique .
- On montrera par l' expéri e n ce qu e la l o i de v ari ati on du prod u it PV a vec l a tempé ra t u re es t ind épend ant e de la n a t ure du gaz ( oxygè n e , azo t e, hydrog ène, di o xyd e d e c a r bone ••• ). Un e v é r i f i c a t i on e x pé r i me n t a l e à p re s s io n constante es t fa cil e à r é a lis er.
On p ourra d è s lors gé né r a l ise r à un mélang e de gaz et p o s er PV = [ n i RT.
On r emarquera d'aill eurs que c eci e s t s u p po s é i mplicit ement lors qu ' on é t u d i e la compre s s i b i l i té des gaz a v e c l ' air.
Pour co n c l u r e cett e premi ère parti e, s oul ignon s qu'il n e f aut p a s d écou rage r l e s é l è ves pa r u n trav a il r ébarb atif et s té r De . On é v i te r a de f aire a p p re nd r e "par cœu r " d es r ela t i ons num ériques e nt r e le s uni t é s l e s plu s d i v er s e s. L'utili s a ti on d ' un aide - mémo i re r é alisé pa r l e s é l è v es es t c on s eill é e. Cet ai d e - mémoi r e p eut c ont enir d e s r en s ei gn e men t s di v er s ( t empé r a tures de c h a ngeme n t d' é t a t, f ormul e s chim iqu e s ••• ) ; il p ourrai t ê t re utili s é p ar l' élève l ors d ' u n
c o n t r ôle d e c on n ai s sanc e s.
Deuxièm e p art i e : l e s ions e t l e s sol utions a queuses i onigues. Ec r i t u re d e s c omp osés chimi que s : l a Commi ssion souhai te que s oit u nifi é e l ' é criture d e s comp osés c h i miques dans l eurs div ers états .
1° Compos és chi miques à l ' éta t s o l i de .
Lorsqu'un composé chimique est dit ionique, la liaison chimique est en réalité rarement parfaitement ionique. Pour éviter tout risque d'erreur, la formule ne doit pas prétendre représenter la nature de la liaison. On écrira donc un e formule stoechiométrique.
Exemples: Na Cl, Cu 0, Fe S.
2° Composés ioniques dissous ou fondus.
Il est bien entendu que l'étude des solutions est stri ctement limitée aux solutions aqueuses.
La solution ou, plus généralement, le liquide sont carac-térisés par une distribution désordonnée des ions ; on écrira les différents ions comme des individus chimiques distincts et mélangés.
Exemple : un e solution aqueuse de chlorure de sodium sera représentée par la formule Na+ + Cl- ; il en est de même pour le chlorure de sodium fondu. Une écriture du type Na+, Cl- , ne doil pas être utilisée Puisqu'un ion en solution aqueuse ost toujours
hydraté, on peut signaler ce phénomène par l'écriture ; on peut a u s s i ne pas la signaler par souci de simplification si c'est nécessaire: ex pmple : Na a q ou Na+ • On s'attachera à distinguer cette association de l' eyistence de composés définis tel ion qui est lui-même solvaté. Dans un même souci de simplification, on écrira Cu2+ •
Le libellé du programme ne constitue pas un e progresion imposée par la Commission, mais l'énoncé_des notions dont l'acqui-sition ou la compréhension est indispensable.
a) En relation avec le cours d'électricité, il est bon
d'illustrer la nature du courant électrique dans une solution et la structure de cette solution, par des expériences de migration d'ions
Lorsque l'on présenteml'élcctrolyse du chlorure de sodium fondu, les élèves auront peut-être déjà eu l'occasion d'observer d'autres électrolyses. Mais alors seul un bilan aura été présenté à l'exclusion de toute interprétation. L'électrolyse du chlorure oc sodium fondu permettra d'écrire le bilan électronique à chaque élec-trodeo On pourra également réaliser celle du chlorure stanneUX
dissous dans l'eau, particulièrement spectaculaire. Quant à l'élec-trolyse du cnbrure de sodium dissous dans l'eau,qu'il faut abordl·r à cause de son importance industrielle, on en limitera l'étude à la seule description expérimentale.
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-On i n sist era s u r l ' effet th e rmiqu e a s s oci é a u x di s s oluti ons . Ce t e f fe t es t l a traducti on masc r o s c opique d ' u ne r é a c t i o n chi mi qu e
( ce rt a i Ds d i r o n t un e r é a c ti on physique . mai s où est l a limi t e
?) .
Cet e f fe t . r é sult e d e p l us ieu r s éc h a nges d ' é ne rgie (é ne rgi e r é t i c ulair e d.u c r is t a l , s olla ta ti on pl u s ou moin s bie n défi nie d e s i on s dispe rsés ) . Le b ilan p eut ê t re de si gn e d i f fé re n t . On p eut l'illustre r par l es so l u tian s d e : - Na 2 S2 03
- Na OH - NaCL r e fr oi d i s s e ment éc h a u f fe me n t bilan à p eu p rè s nul .Ce ci donne ra l' o c c a si on d e sou ligne r l a diff é r enc e qui ex is te e n t re un ion dans l e c o r p s p ur c ristal l is é e t l e mê me i on d an s l a s o l u tio n aque use .
Le rôle d u s o l v a n t , et plus géné ra lement de t out e e spè c e c h i mi que s us ce p t i b l e de réag i r av e c un ion est mi s s i mp lemen t e n é v i d e n c e pa r la c ou leu r d e l ' i o n dan s c e r t a i n s c as r e marqua b l e s . A ce t é g a r d , l e c a s d u c uivr e es t pa rti c u l iè rement s i gni f icatif pui s -que la co u le u r de l a soluti on a-queus e d e s u lfat e de c u i v re ( r r ) n 'e st p a s l a même qu e ce l l e du s u l fa t e d e c u i v r e (r r) c ri s tal lisé anhy d r e ( b l a n c ) , e t qu ' e l le dé pend a us s i d es aut res i on s ou mo l é c ul e s pré sent s (compa re r l e s c ou l e u r s d e so l u t io ns d e sul fa t e de c u i v re auxquell es o n ajout e soi t de l 'acid e c h lo r h yd r i qu e plus ou moins c onc ent r é , s o i t d e l ' a mm oni aqu e ) .
b) Les t e st s d 'id entifi cati on d 'un i on compo rt ent e n par ti culi er l a c ou le u r , l a p r é cipitati on , l a r e d i s s o lu t i o n du pré c ipité ••.
De n ombr e ux e xemp l es p euv en t ê t re c h o i s i s. On p eu t d 'ail le u r s e n vi s a ge r de trait e r l a pa r tie b ) a près l a parti e c) afi n d e d is pose r d 'au t r e s e x e mp l e s . On p eut a uss i e nv isa g e r d es s é a n ces d 'analy s e qua l itative .
A ti t r e d ' exemp l e, s i gna l ons un e l i s t e d ' i on s qu 'on p our r a carac té r i se r p ar l e s t est s hab itue ls
CI - , S0 4 2- , P0
43-, S2- , C03
2-Ag+ , Ba 2 + , Fe 2 + Fe 3+ , Cu 2 + , Zn 2 + , AI 3+, Pb 2 + •
On p ourra d i f f é re nc ie D d eux précipit é s bl anc s t el s que Zn(O H)2 e t AI( OH)3 à l' aide d'un troi si ème réactif, l' ammoniaque, q ui donne u n comp le xe so l ub le a v ec le zi n c. On p ourra également e n v isage r dans un T.P. d e fi n d 'année par exemp le , l' i d enti fi c a ti on d e s quat re i ons Fe3+, Cu 2 + , Zn 2+ , A13+ mi s dan s u n e même so l u t i on , p a r tra i t e me nt a v ec l'ammoni aque, puis l a sou de .
Bi en d 'au t res ex pé r ienc es p euv en t être r é al i s é e s •
c) Po u r l e s so l u t ions é t ud iées , r elati v ement le pH e st dé f i n i p ar la r elation
Il es t dé t e r mi né par un pH-m ètre o u un papi er ind i c a t eur de pH. On n e cherche pa s à élucider l e principe d e de ces appar eil s. On p eut c epend ant f aire r emarqu er que l ' i n di cati on du pH-mètre e s t lue sur un voltmètre.
Dans l e ca s d e l'acid e c h lo rhy d r i que , on vé r i f ie ra que p our l e s so l u t ions d e c onc entrati ons r e spectives 10- 2, 10- 3 et p eut être 10-4 mol e par litre, lœ pH s on t 2, 3 e t 4, la s o l u t i on étan t to ta lement i o nis é e. Pour l a s o l u t i on de co n cen t ra t ion 0 , 1 mole p ar l i tre, l'indi c at i on du pH-m ètre e st s u p é rieu re à 1. On e n pr o f i t era p our a t t i r e r l'att en ti on s u r l e c aractère limi te de ce rtain es l o i s qui c e s se n t d' être v érifi ée s l orsque la ma ti èr e es t suff isammen t c onde ns é e pour que d es interacti ons se manif e sten t e n t re l e s co ns t i t uan ts di spers é s.
On admettra la vali dité d es indic ations donnée s par l e p h -m èt re ou le papi er indi c at eur, p our t out e so l u t ion aqueus e. En p art i culi er, on c on stat e que pour des s olutions d e sou d e , l e pH-mè tre d onne tou j ours d e s indication s. Il faut donc a dme t t re la pré senc e d ' io ns H) 0 + dan s c es so l u t io ns . Dan s l e c as d'une e a u pre sque pure e t a 2 5 ° C , : On p eut e n d é duire que p our l ' eau pure, à la t emp éra ture o r d i n a i r e :
( H
3
ot
= 10-7
mol e par litre.c e ci e s t interprét é par la réaction limité e qu'on app ell era plu s ta r d a u to p ro to l y se de l' eau
+ 0 H
-On aurait pu pré senter l es c h o ses e n diluant d e plus e n plu s un e solution acide pour montrer qu e l e pH tend v ers 7, pH d 'une e a u p ur e. Puis o n ajouterait d e la soude. Malheureus ement, il s emble qu'il y a i t là une difficult é expérimental e, c a r il es t trè s d i f f i ci le d ' a vo i r un e mu s u f f i s a mme n t pure pour f aire cette e x p é r ie nc e .
On n e limit era pas les mesur e s d e pH aux cas d e l a s oluti on chl orhydriqu e e t d e la solution 'd'hydroxyd e de s odium. La compa ra ison en t re l e pH d e l'eau pure et ceu x d e s o l u t i o n s usu ell e s ( jus de citron, vinaigr e, solutions ac étique s d e diff érent es conc entrati on s c onnue s, l ait, sol u t io n s de d étergents, sang, solutions d ' a mmoni a que d e dive r s e s c onc entrations co nnue s ) p ermettra de d éfinir l e s so l u t ions a cid e s co mme étant le s so l u t io n s de conc e n t r a t i on e n H30+ s u pé rieu re à 10-7 mol 1-1, a l or s que le s sol u t ions basiques so n t c ell e s qui
d onn ent un e co nce n t r a tio n e n H
30 + inféri eure à 10-7 mol 1-1,
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-De plus e n comparant d es s o l u t i o n s chlo rhyd rique e t a cé t i q ue d e même c onc ent ration , on mo n trera que d eux s u b s t a n c e s dit e s a c i des n 'augment ent pas d e l a même façon l a con c e nt rat ion e n H
30+ d e l' e a u pur e . De même d eux s ol utions d e soude et d 'ammoniaque de même c on c e n-tra tion n e dimi nuen t pa s de l a mêne f aç on l a conce n t ration e n H3 0+ de l' e au pu re . Ce s ex pé r ie n ces amèn e ro n t a i ns i à r enforc er l a no t io n de r é a c ti on s l i mi tées . Le but de ce paragraph e e s t d e b i en f a ire compre nd r e à l ' é lève que l e c a s de l a sol u t ion c h lo r h y d r i qu e ou c e l ui d e l a s o luti on d ' hyd roxyde de sodi um ne s on t qu e de s c as s i mp l es limi t es util i s és p our a morce r l' étude d u pH ; on n e lui ma sque ra pas ains i l a co mp l e x i t é d u probl ème é t ud ié ens u ite en p r emi ère e t te r minal e .
I n s i s t on s sur l e f a i t qu e t out e a p p roche théo r ique est s t r i c temen t ho rs programme à c e niveau qui do i t r e s t er qu a litatif e t ex périmen tal .
L' a cti o n d e la solut ion chl orhydrique sur l a solut io n d e s oude a p our ob je t d e mo ntrer a ux é l èves l a r é a cti on
H 0 +
3
Ce s e ra l' o c c a s i o n d e r ev e n ir s u r l e f a it que c ett e r éac t i on, e xt rêmement l i mit é e d ans (vo i r pH d e l' e au ), es t prat iquemen t t o t al e dans c e s ens . C 'est l a r a i s on p our laque l l e on pe ut l 'util ise r p our r é ali s er un d o s a g e, t e c h ni que à laque l l e o n f ami l i ari s era l e s é l è ve s .
On n'oubli era p a s d e me ttr e e n év idence l' effet t h e rm ique . Un e c onclu si on é v i de n t e à c e p ara graph e es t un r et ou r St lr l e s réac ti o n s limit é e s, parc e qu' elle s p euvent évoluer dans l e s de u x s en s : ce l a p ourra ê t re un e i n t r odu c t io n à l a noti on d ' é qu i l i b r e .