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Microméga

Physique - Chimie

T le S enseignement spécifique

Livre du professeur

Stanislas A

Lycée Parc Chabrières, Oullins

et

Jean-François L M

École normale supérieure de Lyon

Estelle B

Lycée Victor Hugo, Besançon

Romain B

Lycée Victor Hugo, Besançon

Pascal B

Lycée Charles Baudelaire, Cran-Gevrier

Karine RAGANTI

Lycée La Martinière Monplaisir, Lyon

Laure-Lise C

École normale supérieure de Lyon

Patrick C

Lycée Aux Lazaristes, Lyon

Didier C

Lycée Parc Chabrières, Oullins

Christophe E

Lycée Charles Baudelaire, Cran-Gevrier

Ghislain G

Lycée Jean Vilar, Villeneuve-lez-Avignon

Myrtille G

Lycée Prins Henrik, Copenhague, Danemark

Claudine G

Lycée Marcel Sembat, Vénissieux

Michel P

Lycée Parc Chabrières, Oullins

Sarah R

Lycée A. de St Exupéry, Lyon et lycée J. Perrin, Lyon

Mélanie R

Lycée René Char, Avignon

Claude T

Lycée Frédéric Faÿs, Villeurbanne

Anna V M S

École normale supérieure de Paris

HATIER, Paris, 2012 - ISBN 978-2-218- 95395-8

" Sous réserve des exceptions légales, toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, faite, par quelque procédé

que ce soit, sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit, est illicite et constitue une contrefaçon sanctionnée par

le Code de la Propriété Intellectuelle. Le CFC est le seul habilité à délivrer des autorisations de reproduction par reprographie,

sous réserve en cas d'utilisation aux fins de vente, de location, de publicité ou de promotion de l'accord de l'auteur ou des

ayants droit. »

Conception maquette: Graphismes

Édition: Marilyn Maisongrosse et Marion Jammet

Mise en page et schémas: STDI-Graphismes

Sommaire

Avant-propos 5

Chapitre d'introduction 11

Partie 1 ONDES ET MATIÈRE

Chapitre 1 21

Chapitre 2 31

Chapitre 3 41

Chapitre 4 55

Partie 2 LOIS ET MODÈLES

Chapitre 5 la mécanique classique 67

Chapitre 6 un champ uniforme 81

Chapitre 7 mouvements de satellites 95

Chapitre 8 107

Chapitre 9 temps 119

Chapitre 10 127

Chapitre 11 133

Chapitre 12 molécules 147

Chapitre 13 165

Chapitre 14 177

Chapitre 15 191

Chapitre 16 la physique quantique 201

Partie 3 DÉFIS DU

e

SIÈCLE

Chapitre 17 chimie durable 209

Chapitre 18 217

Chapitre 19 231

Chapitre 20 243

Chapitre 21 numériques 257

Chapitre 22 l'information 273

Épreuve expérimentale de bac 283

Exercices de bac de synthèse 291

Avant-propos5

Avant-propos

Ce livre du professeur a pour vocation d'accompagner l'enseignant dans son usage du

d'enseignement spécifique de Terminale S. L'essentiel est constitué des réponses aux questions posées, que

ce soit dans les exercices qui ne sont pas déjà corrigés dans le manuel élève, ou dans les activités documen-

taires ou expérimentales. Cet ouvrage d'accompagnement contient également de nombreux commentaires,

de diverses natures : explication des interprétations du programme, justification des choix effectués dans

le manuel, compléments d'ordre pédagogique, scientifique ou technique.

L'aide apportée par ces commentaires permet à l'enseignant de trouver des fils directeurs dans chaque

chapitre, de savoir sur quoi il faut insister et de tirer le meilleur parti des activités proposées dans le livre.

Ce livre du professeur reprend le découpage en chapitres du manuel élèves.

Pour chaque chapitre, une introduction générale donne le contexte du chapitre et les choix pédagogiques.

Suivent les corrigés des activités avec, à chaque fois, un paragraphe introductif, la correspondance avec le

programme et les corrigés. Viennent ensuite les corrigés des exercices.

à partir de la rentrée 2012

Le manuel d'enseignement spécifique est en tout point conforme au nouveau pro-

gramme défini dans le Bulletin officiel de l'Éducation nationale du 13 octobre 2011. L'ordre en est globale-

ment respecté, ainsi que le découpage en parties , , .

Ce programme, s'inscrivant dans la continuité du programme de Première S, comporte néanmoins quelques

nouveautés.

Il contient, dans une annexe qui précède les contenus du programme proprement dits, une liste de com-

pétences expérimentales relatives aux incertitudes de mesure. Nous avons estimé qu'ainsi mises en avant,

ces compétences nécessitaient un traitement spécial.

Il contient de nombreuses compétences libellées " Extraire et exploiter des informations sur... ». Ces

compétences font suite à celles de Première S qui étaient rédigées différemment : " Recueillir et exploiter

des informations sur... ».

La différence tient probablement au fait que, dans un contexte d'examen, le recueil d'informations ne se

fait qu'avec des documents déjà fournis, donc requiert que le candidat ait des compétences pour en extraire

de l'information.

Enfin, l'enseignement spécifique de physique-chimie de Terminale S occupe cinq heures hebdomadaires

et non plus trois comme en Seconde et Première S ; le contenu est donc considérablement accru, de par

toutes ses composantes : l'aspect documentaire, mais aussi l'aspect calculatoire (notamment dans la partie

mécanique) et l'aspect conceptuel (RMN, mécanismes en chimie organique...). Le maître mot de ce programme nous a semblé être l'autonomie de l'élève. Le manuel est ainsi conçu avec cette idée d'autonomie et d'acquisition de méthodes.

6Avant-propos

Découpage en chapitres du manuel

Le découpage du manuel respecte globalement l'ordre du programme. Certains de nos choix peuvent ne pas

aller de soi et méritent d'être explicités. Les compétences expérimentales relatives à l'annexe sont mises en avant dans le

programme officiel. Aussi nous a-t-il paru nécessaire de les traiter dans un chapitre à part, plutôt que de les

restreindre à quelques fiches-méthodes. En effet, le programme se place clairement dans une

compréhension des bases de la métrologie, ce qui nous a incité à expliquer les notions élémentaires liées aux

incertitudes dans un cours, et pas seulement à enseigner la méthode des calculs d'incertitudes. Ce chapitre

est structuré comme les autres : activités, cours, essentiel, tests, exercice résolu et exercices d'application

directe. Il peut donc faire l'objet d'un enseignement à part entière, comme préalable aux autres chapitres.

Les connaissances requises sont celles des années précédentes. Toutefois, il est également conçu pour être

utilisé au fil du traitement des autres chapitres, comme une fiche-méthode. L'activité 1 peut constituer un

complément aux activités du chapitre 1, l'activité 2 peut être traitée avec l'un des chapitres de chimie des

solutions (14, 18 ou 19). L'enseignant peut même envisager de faire travailler l'élève en autonomie avec ce

chapitre pour, ensuite, faire appel ponctuellement aux compétences qui y sont développées.

Le chapitre 1 regroupe les aspects documentaires sur les ondes et les particules, ainsi que la relation entre

retard, distance et célérité : il constitue ainsi une introduction simple à cette partie sur les ondes. Dans

un souci de progressivité (notamment calculatoire), les notions un peu plus élaborées ne sont introduites

qu'au chapitre 2 : fréquence et longueur d'onde pour les ondes périodiques, analyse spectrale d'un son

musical, niveau sonore. Le chapitre 3 regroupe les propriétés des ondes (diffraction, interférences, effet

Doppler) pour lesquelles peu de compétences calculatoires sont requises, mais plusieurs compétences

expérimentales le sont. Le chapitre 4 d'analyse spectrale (UV-visible, IR et RMN) est résolument axé sur la

chimie organique. Bien que dans la partie , il apporte cependant des éléments liés à la compréhen-

sion des principes de chaque spectroscopie, même si l'approche théorique reste superficielle.

Cette partie est vaste et disparate du point de vue des contenus. Un gros bloc de mécanique, associé à

de la cinétique chimique, suivi de chimie organique, de chimie des acides et bases, de thermodynamique

et de physique quantique. Le manuel juxtapose donc les chapitres dans l'ordre du programme, hormis en

mécanique, pour laquelle le découpage choisi permet une progressivité dans l'enseignement.

Dorénavant, l'élève arrive en Terminale S en sachant peu de choses en mécanique. Les connaissances de

Seconde sont déjà loin ; celles de Première S portaient uniquement sur l'énergie. L'élève doit donc entrer

dans un formalisme nécessitant une grande rigueur calculatoire, sans y être préparé. Entre toutes, cette

partie du programme est celle qui prépare le plus l'élève à l'enseignement supérieur en physique-chimie.

Pour prendre en compte ces spécificités, nous avons accordé une large place à ces chapitres de mécanique,

d'où un découpage en six chapitres. Le chapitre 5 pose les bases de cinématique et de dynamique et

comporte des exercices qui n'empiètent pas sur les contenus des deux chapitres suivants. Ce chapitre 5 est

volontairement développé, davantage peut-être que ce que nécessiterait la lecture stricte du programme :

il donne ainsi de la matière à l'enseignant désireux de travailler, de manière approfondie, les bases de la

mécanique, que ce soit à l'aide d'activités expérimentales ou documentaires, ou à l'aide d'exercices de tous

niveaux. Les deux chapitres suivants sont conçus comme des applications du chapitre 5. Le chapitre 6

traite de manière détaillée des mouvements dans un champ uniforme. Le chapitre 7 regroupe propulsion à

réaction, mouvement circulaire d'un satellite et lois de Kepler. Ces trois chapitres constituent un bloc que

l'enseignant peut choisir de découper autrement.

Avant-propos7

Les deux chapitres suivants regroupent les aspects énergétiques. Là encore, deux temps sont distingués :

les bases de l'énergétique pour le chapitre 8, n'empiétant pas sur le chapitre 9, où ces bases sont appli-

quées à l'étude des oscillateurs. Ce chapitre 9 contient également tout ce qui est relatif à la mesure du

temps classique et constitue ainsi un préalable au chapitre suivant. Le chapitre 10 clôt cette série de

chapitres de mécanique par la notion de relativité du temps.

Les chapitres 11 à 16 respectent strictement l'ordre du programme et proposent des contenus largement

indépendants. Certains introduisent des notions nouvelles pour la Terminale, comme la stéréochimie au cha-

pitre 12, avec la chiralité, la stéréoisomérie, etc. et les mécanismes réactionnels au chapitre 13, incluant

l'utilisation des flèches courbes pour désigner les formations et les ruptures de liaisons. Agir

La partie est également disparate du point de vue des contenus. Nous avons choisi là encore de respec-

ter globalement l'ordre du programme, tout en garantissant une progressivité dans la difficulté.

Le chapitre 17 regroupe des questions d'enjeux énergétiques, en lien avec le chapitre 15 et les connais-

sances de Première S par rapport auxquels il n'apporte pas de nouvelles notions, mais en utilise de nom-

breuses dans le contexte de la chimie durable.

Une large place, dans le manuel, est accordée aux chapitres 18 et 19, relatifs aux dosages par étalonnage

et par titrage qui, pourtant, n'occupent que quelques lignes dans le programme. Les compétences exigibles

sont essentiellement expérimentales, mais sous-tendent des connaissances nombreuses, notamment ce qui

concerne l'équivalence d'un titrage. Ces notions faisaient l'objet, dans les anciens programmes, d'une grosse

part des années de Première S et Terminale S et les difficultés des élèves relatives à ces notions sont bien

connues. Aussi les contenus de ces deux chapitres donnent-ils suffisamment de matière à l'enseignant pour

prendre en compte les besoins des élèves. Mais il peut également les regrouper.

Le chapitre 20 traite de synthèses organiques, et ouvre la porte à des notions aussi nouvelles et délicates

que la sélectivité d'un réactif ou la stratégie de synthèse mettant en jeu des groupes protecteurs.

Enfin, un bloc de deux chapitres, 21 et 22, traite de la transmission et du stockage des informations. Nous

avons regroupé tout ce qui concerne la transmission dans le chapitre 22, pour garder en chapitre 21 les

notions fondamentales de signaux analogiques ou numériques, de leur conversion, du cas particulier des

images numériques et des aspects liés au stockage. Le bloc figurant à la fin de cette partie ne fait pas l'objet, dans le manuel d'enseigne- ment spécifique , d'un chapitre à part entière. Nous avons choisi de le traiter au fil de

l'ensemble des chapitres, notamment à travers des derniers exercices de chaque chapitre, en faisant appel

aux compétences de rédaction de synthèse de documents. Nous avons conçu ces exercices et leurs corrigés

autour de l'utilisation de mots-clés que l'élève devra utiliser de façon pertinente. La fiche-méthode n° 14

fournit des outils pour exploiter au mieux ses connaissances dans le cadre de ce type d'évaluation nouvelle

annoncée pour le Bac. Le préambule du programme précise que le découpage en parties , , , n'est pas

contraignant, et que l'enseignement peut être articulé de diverses manières. Nous avons conçu le

Microméga pour qu'il soit adapté à des usages variés. L'enseignant ne devra pas hésiter à se l'approprier

pour organiser sa propre progression.

Il pourra, par exemple, regrouper les chapitres 8, 9, 15 et 17 pour faire un bloc balayant les différents

aspects énergétiques figurant au programme. Il pourra rapprocher le chapitre 16 (laser et dualité onde-

particule) des chapitres 1, 2, 3 et 4 traitant des ondes. Il pourra regrouper également les chapitres 14, 18

et 19 en début d'année, attendu que les compétences de chimie des solutions (notamment les titrages)

sont nécessaires au traitement d'une partie de l'enseignement de spécialité.

8Avant-propos

Il pourra choisir de traiter en début d'année la partie conversion analogique-numérique du chapitre 21,

considérant qu'elle permet de comprendre le fonctionnement des systèmes d'acquisition utilisés par la suite.

Ces exemples ne sont qu'un aperçu des différentes possibilités qu'offrent non seulement le programme, mais

aussi le manuel, conçu comme un outil souple et modulable. Le programme utilise à cinq reprises la notion

de fil rouge pour désigner cette liberté laissée à l'enseignant de créer des liens privilégiés entre certains

chapitres en associant les chapitres à sa guise. Chaque chapitre est conçu de la même manière.

Pour démarrer le chapitre, des tests de prérequis sont proposés pour être traités en totale autonomie par

l'élève : ils sont intégralement corrigés en fin de manuel, de manière détaillée lorsque cela s'avère néces-

saire. L'enseignant pourra encourager les élèves à s'en saisir. Ils regroupent des tests purement mathéma-

tiques et des tests de physique-chimie. La mise en avant des compétences mathématiques est le signal,

pour l'élève, que la physique et la chimie ne peuvent être dissociées d'un aspect calculatoire, même

minimaliste. Les Objectifs du chapitre regroupent les compétences relatives au chapitre.

Les Activités permettent toutes des usages divers. À l'enseignant de les intégrer dans son enseignement.

Toutes sont sur le même modèle : un objectif affiché relativement au programme, le contenu proprement

dit et, en marge, un bloc Aides et méthodes rédigé pour aider un élève travaillant en autonomie. Elles sont

de deux types:

-les Activités documentaires sont diverses, tant sur leur type que sur leur usage. Certaines sont conçues

pour être traitées avant le cours, d'autres pour être traitées en application, d'autres pour remplacer

le cours. Certaines peuvent être traitées à la maison en autonomie par l'élève, alors que d'autres

nécessitent une réflexion collective en classe. Certaines, repérées par le logo Analyse d"expérience,

constituent une alternative aux travaux pratiques, par exemple lorsque les manipulations sont dange-

reuses ou requièrent du matériel coûteux. Certaines, repérées par le logo Histoire des Sciences, peuvent

constituer un prolongement culturel en interaction avec d'autres disciplines.

-les Activités expérimentales varient, en durée et en usage. Notre volonté a été d'en proposer aussi

souvent que possible, y compris parfois lorsque le programme n'en sollicite pas. Elles sont conçues de

manière à requérir le moins possible de matériel spécifique et coûteux. Des blocs Protocole sont net-

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