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VUIBERT

Réussir son entrée en Prépa - PHYSIQUE•CHIMIE

Prépas scienti?ques

SOMMAIRE

Les auteurs

Yann Lozier

est professeur en classe préparatoire PCSI au lycée Frédéric Mistral en Avignon.

Olivier Levasseur

est enseignant dans le secondaire au lycée Montmajour en Arles. Il intervient également à l'Université de Nîmes. , des ouvrages pour faire la différence. Le Bac en poche, vous vous apprêtez à entrer en classe préparatoire ?

Cet ouvrage

passerelle pour bien débuter sa première année de prépa est la clé d'une rentrée et d'une première année de classe préparatoire réussies

Il propose :

• Des conseils et des méthodes de travail pour bien intégrer " l'esprit prépa » ; • De revoir ses acquis et réviser les notions essentielles du programme de lycée ;

Des encar

ts " Objectifs Prépa » pour s'immerger dans le programme deVpremière année ; Des

Vrai/Faux pour tester ses connaissances ;

Plus de 75 e

xercices et problèmes corrigés de difUculté progressive pourVs'entraîner efUcacement. Réussir son entrée en Prépa - PHYSIQUE • CHIMIE

MPSI • PCSI • PTSI • BCPST

L'ouvrage indispensable pour assurer sa rentrée ! www..fr

ISBN : 978-2-311-4�0574-3

I. Méthode

II. Tout ce qu'il faut savoir pour réussir. Physique Mécanique. 1. Mécanique newtonienne - 2. Mécanique des fluides - 3. Mécanique céleste - 4. Relativité restreinte - 5. Travail et échanges énergétiques

Physique des ondes.

6. Les ondes - 7. Diffraction

et interférences - 8. La lumière - 9. La radioactivité Pour aller plus loin. 10. Transmission et stockage de l'information - 11. Mécanique quantique III. Tout ce qu'il faut savoir pour réussir. Chimie

Constitution de la matière. 12. Atomistique -

13. Liaisons et polarité - 14. La mole

Géométrie des molécules.

15. Structure

dans l'espace - 16. Stéréo-isomérieChimie des solutions. 17. Mise en solution - 18. Réaction chimique et tableau d'avancement - 19. Réaction acido-basique - 20. L'oxydoréductionAnalyse en chimie. 21. Les dosages - 22. Spectrophotométrie - 23. Spectroscopie IR et RMN - 24. La cinétiqueChimie organique. 25. Les familles chimiques - 26. Réactivité en chimie organique - 27. Stratégie en synthèse organique

IV. ProblèmesVUIBERT

Réussir son entrée en prépa

L'es sentiel du cours de lycée à maVˆtriser et des passerelles vers la prépa Des objectifs pour réussir sa rentrée et sa 1 re année

Des Vrai/Faux pour tester ses connaissances

Des exercices corrigés pour s'entraVˆner

Des problèmes pour aller plus loin

PHYSIQUE CHIMIE

T le

S prépas scientiVques

MPSI • PCSI • PTSI • BCPST

Yann Lozier

Olivier Levasseur

Une passerelle

vers la pre pa

Réussir son entrée en prépa

T le

S prépas scientiVques

MPSI • PCSI • PTSI • BCPST

Paul Milan

Une passerelle

vers la pre pa ! Également disponibleCouverture_ENTREE EN PREPA_PHYCHI-9782311405743.indd 2-304/04/2018 14:24

VUIBERT

Réussir son entrée en prépa

Yann Lozier • Olivier Levasseur

PHYSIQUE CHIMIE

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MPSI • PCSI • PTSI • BCPST

Liminaires PREPA_PHYCHI-9782311405743.indd 103/04/2018 17:11 Photo de couverture : Close up of laboratory microscope/18percentgrey©AdobeStock Pages de parties : kim©AdobeStock, seabreeze001©AdobeStock, sandstoneps©AdobeStock, hallucion_7©AdobeStock Maquette et mise en page : Sébastien Mengin / Édilibre

Couverture et liminaires

: Les PAOistes

ISBN : 978-2-311-40574-3

La loi du 11 mars 1957 n'autorisant aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part, que les " copies ou reproductions

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S'adresser au Centre français d'exploitation du droit de copie : 20 rue des Grands Augustins, F-75006 Paris. Tél. : 01 44 07 47 70

© Vuibert - mai 2018 - 5 allée de la 2

e

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Pessoles & D. Violeau

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Tabledes matières

Avant-propos. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .5 I. Méthode. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 7 Méthodologie detravail . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 9

1. L'entréeenclassepr éparatoir eaux grandesécoles9- 2.Q uefaireune foisl'annéedé-

marrée?11- 3.C ommentgérerla massedetrav ail? 13- 4.La vieen classepr épa17 II. Toutcequ'il fautsavoir pourréussir -Physique . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .21 Chapitre1. Mécanique Newtonienne. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 23 fondamentales27 Chapitre2. Mécanique des�uides . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 29

1. Dé�nitiondebase 29- 2.P ressionetliquide30- 3.P ressionetsport31

Chapitre3. Mécanique céleste. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .32

1. Propulsionetquantitéde mouvement 32- 2.M ouvementdescorpscélestes33- 3.Les

lois deK epler35 Chapitre4. Relativité restreinte. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 37

1. Lespostulats d'E instein37- 2.La relativité dutemps37- 3.La mesure dutemps39

Chapitre5. Travailet échangesénergétiques . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .40

1. Travaild'uneforce 40- 2.T ransfertsénergétiques43- 3.É nergieinterne44

-Exercices47 -Corrigés52 Chapitre6. Les Ondes. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 61

1. Ondesetpr opagation61- 2.O ndesprogressiv essinusoïdales62- 3.Les ondesso-

nores63 Chapitre7. Diffractionet interférences . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .65

1. Lephénomène dediffr action65- 2.P hénomèned'interfér ence66

Chapitre8. La lumière. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 70

1. Comportementetcaractér istiques70- 2.O ptiquegéométrique73

Chapitre9. La radioactivité. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .76

1. Dé�nitions76- 2.La décroissance radioactive77- 3.R adioactivitéeténergie 79

-Exercices81 -Corrigés85 1

Tabledes matières

Chapitre10. Transmissionet stockagede l'information. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 91

1. Numérisationdel'infor mation91- 2.P rocédésphysiquesdetransmission 93

Chapitre11. Mécanique quantique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 95

1. Lathéor ieducorpsnoir 95- 2.D ualitéonde-particule96- 3.T ransfertsquantiques

d'énergie97- 4.Le laser98 -Exercices99 -Corrigés101 III. Toutcequ'il fautsavoir pourréussir .Chimie. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 103 Chapitre12. Atomistique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 105

1. Constitution105- 2.C aractéristiques105

Chapitre13. Liaisons etpolarité . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 108

1. Liaisonco valente108- 2.É lectronégativité108- 3.P olarisationd'uneliaison110-

4. Moléculeetgéométr ie110

Chapitre14. La mole. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .111

1. Dé�nition111

-Exercices113 -Corrigés115 Chapitre15. Structuredans l'espace. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .119

1. ReprésentationdeLewis119- 2.R eprésentationdesmolécules120- 3.G éométriedes

molécules121- 4.C ohésiondessolides122 Chapitre16. Stéréo-isomérie. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 124

1. Représentationtridimensionnelle124- 2.S téréo-isomère125

-Exercices130 -Corrigés132 Chapitre17. Mise ensolution . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .135

1. Dé�nitiondebase 135- 2.Les concentrations 135- 3.R éalisationexpérimentale136

- 4.C asparticulierdes solutionsioniques137 Chapitre18. Réaction chimiqueet tableaud'avancement . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .139

1. Réactionchimique139- 2.T ableaud'avancement 140

Chapitre19. Réaction acido-basique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .142

1. Dé�nitions142- 2.R éactionacido-basique143- 3.G randeursetcaractéristiques 143

- 4.F orcedesacidesetdes bases144- 5.S olutiontampon145 Chapitre20. L'oxydoréduction. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .146

1. Dé�nitions146- 2.R éactiond'oxy doréduction147- 3.É quationderéaction 147-

4. Lespiles 148

-Exercices150 -Corrigés154 Chapitre21. Les dosages. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 161 2

Tabledes matières

Chapitre22. Spectrophotométrie. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .165

1. Substancescolorées 165- 2.P rincipedelaspectrophotométr ie166- 3.Dosage spec-

trophotométrique167 Chapitre23. SpectroscopieIR etRMN . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 170 du proton172 Chapitre24. La cinétique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 175

1. Tempscaractér istique175- 2.F acteurscinétiques176- 3.C atalyseur176

-Exercices178 -Corrigés183 Chapitre25. Les familleschimiques . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .191 - 10.Les polymères 196 Chapitre26. Réactivité enchimie organique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .198

1. Modi�cationsenchimie organique 198- 2.M écanismeréactionnel199- 3.G randes

classes der éaction200 Chapitre27. Stratégie ensynthèse organique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 202

1. Lar éaction202- 2.Les montages202- 3.Chimie ver te206

-Exercices207 -Corrigés212 IV. Problèmes. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 215 Problèmes. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 217

Corrigés

221 3

Avant-propos

La premièreannéedeclasse prépar atoire scienti�quepeut êtredéstabilisantepourles élèves.Denouv ellesnotionssontà apprendr e,mais ilest surtout indispensabledemaî- triserpar faitementcellesacquisesau lycée.Cetouvr agedePhysique-Chimie assure une passerelleef�cace entre leprogramme duly céeetceluidesclassespr éparatoir esscienti- �ques. dans debonnes conditions. Touslessujets abordéssontcompr éhensiblespar desélèv es voulantappr ofondiretcompléterleur culture scienti�que. L'ouvrageaideaussi àconsolider sesméthodes detrav ail. Ilest composéde vingt-septchapitr es(or ganisésen parties)suivisd 'exercicesdeniv eaux de dif�cultépr ogressifsetdeproblèmes donnésen prépa. Le contenu,dont l'objectif estdepermettr eune assimilationoptimale desnotions,est organiséde lamanièr esuiv ante: • Unepartie"Toutcequ'ilfautsavoirenPhysique»quirevientsurdesgrandsthèmes du programmedelycée commela mécaniqueoulesondes avec uneouv ertur ev ers des thèmesdu progr ammedeprépacommela mécaniquequantique ouletraite- ment del 'informationetdessignaux. • Unepartie "Toutce qu'ilfautsavoiren Chimie» quitraite, quantà elle,dela consti- tution dela matière ,desmolécules,dela chimieor ganiqueouencore dela chimie des solutions. en mêlantr appelsdecours, encarts variés, méthodesetexercices corrigés. • Unedernièr epartie"Pr oblèmes»proposer ade s'immergerdanslar éalitédu pro- grammede classepr éparatoir eavecdessujetspluscomplexesà traiter.

L'ouvrageaété conçucomme unoutil der évisionagr éablepour l'élèv e. Desrubr iques,

visuels. •:À retenirrevientsur lesnotions etles dé�nitionsessentielles dupr o- gramme.Celles qu'ilfautmaîtr iserparcoeur. •:Objectif Prépa- J'approfondis permetuneprojectiondirectedansle programmedepr épa.U navant-goûtdes exigencesdepremièr eannée. • D'autresrubriques ,Remarques,Attention, Méthode,Exemple, viennent enrichir les rappelsdecours etdonnent desastuces pourmieux comprendr eet réussir .

Bonnelectur e!5

I. Méthode

Méthodologie detravail

ÉVousalle zentreren classepréparatoir eaux grandes écoles(CPGE)?Vousvous posez des questions surv oscapacitésder éussite, surle niveaudedif�culté,sur l'or ganisationdu travail.Nous allonstentericide vous apporter tousles conseilsqui permettentd'entr e- prendreplusser einementces deuxannéesdefor mationépr ouvantes maisterr iblement dans lemonde professionnel.

1. L'entréeenclasse préparatoire auxgrandes écoles

1.1. Présentationgénérale

ÉLes CPGE,qu 'ellessoientscienti�ques(comme celav anous intéresser danscet ouvrage), littérairesouéconomiques ,font l'objetdenombr eusesidées préconçues.C ertains s'ac- cordentà dire quelaquantitéde trav ailà fournir estcolossale ,quelescoursv ontà toute vitesse,que lespr ofesseurssont sévèreset nese soucientpasdeleursétudiants, queles notes sontfor cémentmauvaises, mêmepourlesmeilleursélèves dely céeou encore que

les mauvaisélèves sontparfoishumiliés .C esidéessontpasséistes etenaucuncas lere�et

sont trèsattentifset àl 'écoutede leursétudiants ,lacamarader ieest forte entremembres d'unemême classeet avec beaucoupde motivationetd 'investissement, onpeut trèsbien, et réussir,etbienvivr eses deuxannées .

ÉUnpr emierpointrassur ant: sivotredossierest sélectionnéet quev ousêtespris,c 'estdéjà bonsigne.Celasigni�e quelesenseignantsexpér imentésde prépaontinspecté votr edossier etqu 'illeursemblepossible quev ousr éussissiez.

ÉAinsi, lalégende despr épaspeut fairepeurmais sila montagneparaîtgr andeelle n'en restepas moinssur montable. Tropdetrav ail,lescoursquivont très vite:quelsconseilspour biens 'ensortir?

1.2. Lesconseils pourbien démarrerson année

et lesenseignants vont démarrerl'année dèslapremièr eheurede cours. Il seraconsidéré

que l'ensembledesconnaissances duly céesont acquiseset surtout,maîtrisées .Le pre- que durantl'été .S'assurerquel 'onsaitencoremanipulerdes équationsmathématiques , résoudrequelquesexer cicestr èsimportantset classiquesdephysiqueet dechimie.V ous pourrezalorsaffr onterv otreformation dèsledépart.

ÉLe deuxièmeconseil estde semettr eau trav ailtoutdesuite .Les enseignantsvousdon-neront,dès lepr emierjour ,desdirectiv espourtrav aillerintelligemment, ilfautdonclessaisir immédiatementet lesappliquer toutde suite, sansattendr een sedisantque" pourle moment,ça va !».Sivousprene zunpeude retard,v ousserezvitedébor dé. 9

Réussir sonentrée enprépa -Physique/Chimie ÉL'avantagec'est qu'unefoisle rythmepris etles méthodescorr ectementappliquées, iln'y le passagedes épreuv esécritesdesconcoursdes grandesécoles, or, cesfameux concours

se passentde mi-avril à�nmai.Les courss 'arrêtent généralement deuxà trois semaines

avantle débutdes épreuv espour laisserauxétudiantsletempsde réviser l'ensemble des connaissances depr emièreetdeuxièmeannée.

ÉAinsi, siv ousfaiteslecompte ,le progr ammededeuxièmeannée estbouclé auxalentoursde �nmars ,débutavril. Votr eformationen CPGEnedure�nalementpas deuxannéescomplètes maisplutôt uneannée etdemie .V ousv oyez, vousvene zdegagnerunedemie

écriteset unr etouren classepourvous entraîner àl 'épreuv eorale�nale (sivousav ez été

admissible àl 'écrit).

ÉUnedes grandes clésdelar éussiteest depar venir àfairela chasseau tempsnon uti-lisé.C'est souvent compliquépourdesbons élèves dusecondair equi pouvaient s'accor-der beaucoupde tempslibr e(pour lesloisirsouautr e)mais ilfaut sortir radicalement dumondelycéen(partiedecartes,soiréesensemaine,grandepratiquesportive,�âner).Vousnedevezpasvousleurrer,lesCPGEdemandentunvraisacri�ceetbeaucoupd'énergie,demotivationet detemps .N ousyreviendr onsplustard maisil seraitintelligentdemettre àpro�tle tempsper dudans lestransports parexemple .

ÉIlne fautcependant pasabandonner tousses loisirs: lapr épav ousdemander aune forte implicationdansletravailqu'onnepeutmaintenirquesil'onsaits'attribuerdesmomentsde plaisiret dedétente .I lfautsimplementr éduirecetemps etle ritualiser suruneduréebrève.Adieule sporttousles deuxsoirs dansunclubet lew eek-enden journée maispour -quoi pasune séancepar semaine? Pr évoirdesor tiravecsesamistouslessamedi après- midi pours 'aérer.Ceseravital pourtenirsurla durée,il nefaut doncpas quecela dispa-raissesous peinede nepas allerjusqu 'aubout. LesCPGE demandentdes sacri�cesmaisn'obligentpas àune vied 'ermite retir édumonde.

ÉIlen va demêmepourles amitiéset lesr elationsamour eusesnaissantes .Les classespr é-passontunlieudedéveloppementpersonneletdegrandinvestissement.Onyliesouvent

de grandeshistoires amicalesouamoureuses dontil nefaut passepriv er. Vous allez jus- tement passerbeaucoup detemps enpr ésencedes étudiantsde votreclasse ,v ousser ez tous confrontésauxmêmes problématiques etv ouslevivre ztous avecquelquesdif�cul- tés.C elacréefor cémentunlientr èsfortet durable ,ce quiestprécieux. ÉNepar tezpasbilleentête ,sans ré�échir env ousdisantsimplementque vous allez"tr a-

vaillerplus ».Celane veutrien dire ,ilfautr é�échirauxbonsmo yensd'améliorerson ef�-

cacité dansle trav ail.Cesansquoi,v ousrisquez dene pastenir surladurée .Ilfautfaire des choix,s 'imposerunehiérar chiedans letravailàeffectuer .Cher cherses pointsfortset nantes commeles mathématiques, laphysique,la chimieou lessciencesdel 'ingénieur dans lesquellesv ousallezav oirunnombre importantd'heur esde cours.Mais vousaure z aussi l'étudeobligatoire d'unelangueviv anteetdescours defr ançais.Ces deuxmatièr es, parfoissous-considér éesparlesétudiants ,peuv entjustement faireuneimmense diffé- renceentr elescandidatsaux concours.

ÉCequi estcer tainc 'estque,quel quesoitvotr eniveau,en comparaison dutr avail fourniau lycée,ilfaudra ampli�erv otreplagehor aire detravailpersonnel.

10

Méthodologie

2. Quefair eunefoisl'année démarrée?

2.1. L'organisationdutravail

ÉCequi estcapital c'est dese teniràjoursans rien laisserde côté: siquelque chosen 'est le savoirestsouv entcumulatif. Ilnefaut doncr iennégligersouspeine dene plusr éussir à comprendrecequise diten classe. Comme ditplus haut,on vousdemandera unbon niveaudans toutesles matières !V ousnepouvezdonc pasvousoffr irle luxedenepas comprendre.

ÉEnphysique eten chimie, denombr eusesnotionsviennentse combinerpour pouvoirmener àson terme larésolutiond 'unexer cice.Par -dessuscesnotions, viennentsesuper-poserlesmathématiquesetvotrecapacitéàréaliserunouplusieurscalculs.Ildevientalors

nécessaired 'abord,d'apprendre soncoursparcoeurencequiconcer neles loiset lesdé�- nitions.

ÉMé�ancepour celleset ceuxd 'entre vous quipréfèrentcompr endreunedé�nition etl 'ex-primerav ecsonpropr ev ocabulaire.Parfois ,unmotutiliséàlaplaced 'unautrecréeuneimprécisiondans ladé�nition etce quev ousdevr ez garder entêtec'est que"cequiestà peuprèsjusteesttotalementfaux!».LarigueuresttropgrandeenCPGEpoursepermettredes approximationsdelangage.

ÉUnefois celafait, cesont lesfor mulesde baseque vous devezconnaîtr e. Une formule nes'apprendpassi simplementque ça.V ousdev ez savoir comments'enchaînentles lettres

(par exemple" Pégalmfoisg») maiscela estloin desuf�r e. Il fautsavoiravecpr écision ce quev eulentdirechacune deslettresde lafor muleet en�nleurunitédans lesystème légal. Apprendreuneformuledemande doncun travailtr iple: l'enchaînement deslettr es, grandeur(c 'estlecaspour denombr eusesfor mulesav ecL,D,d,V,h, etc.).

ÉEn�nviennent lesdémonstr ationsqu 'ilfautcomprendr eetsavoir refair e.Onpeut,tr èssouvent,êtr etentédeles apprendr epar coeur, ligneparligne,égalitéapr èségalité .Celaconsisteraità mettre decôtésacapacité àr aisonneret lar é�exionspontanée tantnéces- sairenotamment lorsdes khôlles. Ce qu'ilfaut,c 'estretenirle pointdedépart, lesastuces de calculsimpor tantesetla�nalité dela démonstration. Vos capacitésmathématiques

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