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Livre du professeur

ENSEIGNEMENT SPÉCIFIQUE ENSEIGNEMENT DE SPÉCIALITÉ

Sous la direction de

Mathieu Ruffenach, Thierry Cariat, Valérie Mora

Jennifer Bonnin

Nicolas Courbaize

Magali Darzac

Pierre Fabre

Christophe Feuvrie

Sébastien Firmin

Bastien Gravière

Olivier Krygiel

Guillaume Lozé

Adeline Marois

Sylvie Mellet

Dominique Mercier

Nicolas Nowak

Itala Riahi

Laurent Roure-Atger

Stéphane Serrano

Laurent Toix

Gaël Toussaint

Walter Vassiaux

Cédric Vial

ENSEIGNEMENT SPÉCIFIQUE

Partie 1 Ondes et matière

1 Rayonnements dans l"Univers ....................... 6

2 Ondes dans la matière .............................. 12

3 Caractéristiques des ondes .......................... 20

4 Propriétés des ondes ................................ 25

5 Spectres UV-visible et infrarouge .................... 33

6 Spectres RMN du proton ............................ 38

En route vers le Bac ....................................... 45 Évaluation des compétences expérimentales ............... 48

Partie 2 Temps, mouvement et évolution

1 Mouvements et quantité de mouvement ............ 49

2 Champ de force et mouvement ..................... 56

3 Mouvement dans l"espace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4 Travail d"une force .................................. 73

5 Transferts énergétiques ............................. 82

6 Temps et relativité restreinte ........................ 92

7 Cinétique chimique ................................. 98

En route vers le Bac ....................................... 106 Évaluation des compétences expérimentales ............... 110 Partie 3 Structure et transformation de la matière

1 Conformations des molécules ....................... 111

2 Chiralité ............................................ 116

3 Les réactions en chimie organique .................. 123

4 Déplacements d"électrons en chimie organique ..... 129

5 Acides et bases ..................................... 136

6 Réactions acido-basiques ........................... 144

En route vers le Bac ....................................... 151 Évaluation des compétences expérimentales ................ 154

Partie 4 Énergie, matière et rayonnement

1 Transferts thermiques ............................... 155

2 Énergie interne ..................................... 162

3 Transferts quantiques d"énergie ..................... 168

4 Dualité onde-particule .............................. 172

En route vers le Bac .......................................... 177 Évaluation des compétences expérimentales ................ 180

Partie 5 Les déTs du XXI

e siècle

1 Enjeux énergétiques ................................ 181

2 Chimie et respect de l"environnement ............... 186

3 Contrôle de la qualité par dosage .................... 192

4 Stratégie de la synthèse organique .................. 199

5 Chaîne de transmissions d"informations ............. 206

6 Numérisation d"un signal ............................ 213

7 Images numériques et stockage optique ............ 221

En route vers le Bac .......................................... 227 Évaluation des compétences expérimentales ............... 230

Compléments

Sciences et histoire des arts .............................. 231 Culture scientiTque ...................................... 234

ENsEiGNEMENT dE sPÉCiAliTÉ

Thème 1 L"eau

1 Eau et environnement .............................. 236

2 Eau et ressources ................................... 243

3 Eau et énergie ...................................... 253

Thème 2 Son et musique

1 Instruments de musique ............................ 259

2 Émetteurs et récepteurs sonores .................... 266

3 Son et architecture .................................. 276

Thème 3 Matériaux

1 Cycle de vie ......................................... 283

2 Structure et propriétés des conducteurs ............. 288

3 Membranes, adhésifs et tensioactifs ................. 297

4 Nouveaux matériaux ................................ 304

© BORDAS / SEJER (2012)

ISBN : 978-2-04-732977-1

Enseignement

spécifique

6Spéciπ que - Partie 1 Ondes et matière

Enseignement spécifi que, p. 12 T magnétique. Il est donc nécessaire d'utiliser un détec- teur sensible à ces phénomènes. L"activité 3 propose de visualiser un rayonnement infra- rouge en utilisant un détecteur adapté.

SITUATION 3

Les détecteurs astronomiques ne sont pas installés sur des satellites pour être plus proche des objets célestes à observer. L"altitude des satellites reste en effet très faible par rapport aux distances des astres qui nous entourent. L"utilisation d"observatoires spatiaux s"explique par la nécessité de s"affranchir des contraintes posées par l"atmosphère terrestre : absorption de rayonnement, poussières, turbulence, etc. L"activité 4 permet de mettre en évidence expérimen- talement l"absorption de rayonnement.

Différents rayonnements p. 14

1. a. Une onde peut être représentée par une vague à

la surface de l"eau (cf. figure ci-dessous). Les compétences à acquérir dans la séquence

1. Connaître des sources de rayonnement et leur

utilisation.

2. Comprendre la détection d'un rayonnement.

3. Analyser les conséquences de l'absorption de

rayonnements par l"atmosphère terrestre.

Évaluation diagnostique p. 12

SITUATION 1

La lumière visible est une petite partie de l'ensemble des rayonnements électromagnétiques que l"on ren- contre dans l"Univers. Les rayonnements se trouvant avant 380 nm sont appelés infrarouges et ceux situés au-delà de 780 nm font partie des ultraviolets. L"activité 1 présente le spectre électromagnétique dans son ensemble et montre l"intérêt des observa- tions dans les différents domaines de rayonnements. L"activité 2 montre comment il est possible de déduire des propriétés des sources à partir des rayonnements qu"elles émettent.

SITUATION 2

La lumière visible peut être détectée par notre oeil qui n"est sensible qu"à cette catégorie de rayonnement. Les autres rayonnements électromagnétiques se mani- festent par des variations des champs électrique et

Le programme

Notions et contenusCompétences attendues

Rayonnements dans l"Univers

-Absorption de rayonnements par l"atmosphère terrestre. -Détecteurs d'ondes (électromagnétiques) et de particules (photons, particules élémentaires ou non). -Extraire et exploiter des informations sur l"absorption de rayon- nements par l"atmosphère terrestre et ses conséquences sur l"observation des sources de rayonnements dans l"Univers. -Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet. -Extraire et exploiter des informations sur : -Pratiquer une démarche expérimentale mettant en oeuvre un capteur ou un dispositif de détection.

7Spéciπque - Séquence 1 Rayonnements dans l"UniversSéquence 1 Rayonnements dans l"Univers

b. Lorsqu"un signal sonore est émis, les diodes initia- lement éteintes s"illuminent sur l"écran de l"ordinateur auquel est relié la webcam. L"observation directe de l"émetteur ne permet pas de voir ce phénomène.

3. a. Un rayonnement est monochromatique quand

sa longueur d"onde ne prend qu"une seule valeur. La courbe de la figure 2 montre un pic marqué, ce qui cor- respond à un rayonnement quasi monochromatique. b. Le pic est centré sur une longueur d"onde de valeur

900 nm.

4. a. La longueur d'onde d'émission des diodes n'ap-

partient pas au domaine de sensibilité du luxmètre. Cet instrument ne sera donc pas sensible à ce rayon- nement. b. L"expérience confirme la réponse précédente.

5. a. Un capteur ne peut pas détecter tous les rayonne-

ments. Il n"est sensible qu"à un intervalle donné de lon- gueur d"onde appelé : " intervalle de sensibilité spec- trale ». b. Le choix d"un capteur est essentiel lors de la détec- tion des rayonnements. Il est nécessaire de choisir un capteur, donc l"intervalle de sensibilité correspond aux types de rayonnement à observer.

Lunettes de soleil p. 17

En utilisant une lampe à vapeur de mercure dont le spectre présente une raie d"émission à 404 nm (UV proche). On obtient les spectres suivants :

Fig. AFig. B

Fig. C

b. La longueur d"onde, notée , est la distance sépa- rant deux positions identiques (cf. figure ci-dessus).

2. a. Les noms des différents domaines sont : radio,

infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma. b. aHBNNB b9 cVMUSBWJPMFU dWJTJCMF e : f : radio.

3. L"oeil humain est sensible aux rayonnements visibles,

ce qui correspond à une très faible portion du spectre électromagnétique. La majeure partie de ces rayonne- ments n"est donc pas détectée par notre oeil.

4. a. Ces zones sont le coeur de la galaxie et des étoiles

réparties en spirale autour, dont les contours sont cachés par les nuages de poussières. b. Sur la galaxie Andromède, les zones les plus chaudes sont situées au centre de la galaxie et en certains points dans le plan de la galaxie.

5. La " lumière invisible » est le nom donné aux rayon-

nements du spectre électromagnétique auxquels l"oeil n"est pas sensible.

Les sources de rayonnements p. 15

1. a. 19

2VMUSBWJPMFU

3WJTJCMF

4JOGSBSPVHF

5 : radio.

b. Dans le spectre représenté figure 1, un pic, noté b, apparaît dans le domaine visible. Cet astre peut donc

être observé.

2. a : rayonnement de freinage - interactions élec- trons/ions. c : rayonnement thermique - température élevée. d : rayonnement synchrotron - interaction électrons/ champ magnétique.

3. a. La courbe

a est située aux faibles longueurs d"onde. L"astre est donc entouré d"un nuage de par- ticules de haute densité. La courbe c est située dans une zone de longueur d"onde intermédiaire. L"astre a une température importante. La courbe d est située dans le domaine radio, la vitesse des électrons émis par l"astre et son champ magnétique sont importants. b. Le mot " supernova » est utilisé pour qualifier l"ex- plosion d"une vieille étoile qui éjecte brutalement de la matière. Sa luminosité augmente alors brutalement.

Casque sans fil p. 16

1. D"après les données techniques, la sensibilité de la

webcam s"étend jusqu"à 1 050 nm, soit dans le domaine infrarouge. Cet instrument pourra donc détecter les rayonnements envoyés par l"émetteur.

2. a. Il suffit de placer la webcam en face de l'émetteur

infrarouge et d"observer les diodes en façade.

8Spéciπque - Partie 1 Ondes et matière

3 1. L'arc-en-ciel comprend une infinité de couleurs,

et non sept, correspondant au spectre de la lumière blanche.

2. Il est possible d"obtenir un spectre de lumière blanche

en utilisant un prisme en verre.

3. a. Les rayonnements infrarouges se situent au-delà

de la partie rouge de l"arc-en-ciel, alors que les rayon- nements ultraviolets sont en deçà du violet. b. On parle de lumière invisible car ces rayonnements électromagnétiques sont de même nature que la lumière mais ne sont pas visibles par l"oeil humain. c. Ultraviolet : transmission par fibre optique, polymé- risation, stérilisation à froid, sérigraphie... Infrarouge : chauffage, cuisson, thermoformage des matières plastiques...

4 1. a. Le caractère long ou court des ondes fait réfé-

rence à la valeur de la longueur d"onde correspondante. b. La courbe rouge illustre l"évolution de la valeur de la longueur d"onde du domaine radio au domaine gamma. c. Les ondes les plus courtes correspondent au domaine gamma.

2. a. L"ordre de grandeur correspond à la puissance de

dix la plus proche du nombre considéré. b. Un intervalle de " 15 ordres de grandeur » correspond

à une étendue de 10

15 mètres. Cette valeur correspond

à la différence des deux valeurs, 10

3 m et 10 12 m, don- nées sur le schéma.

5 1. Les rayonnements X transportent davantage

d"énergie que les rayonnements visibles.

2. a. Le centre de la galaxie apparaît en rose/violet : il

émet donc essentiellement dans le domaine X.

b. Les sources les plus énergétiques se trouvent donc

à proximité du centre de la galaxie.

3. Afin de représenter les sources de rayonnements X,

invisibles pour l"oeil humain, on utilise des couleurs du domaine visible (ici, le rose et le violet). On parle donc de photographie en " fausses couleurs » car les rayon- nements invisibles sont colorés.

COMPÉTENCE 2 : Comprendre la détection d"un

rayonnement

6 1. b.

2. c.

8 1. a. Un photodétecteur est sensible aux rayonne-

ments électromagnétiques. b. On parle de convertisseur car il transforme une gran- deur physique en une grandeur de nature différente : ici, il s"agit d"une conversion de l"énergie transportéequotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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