Programme détaillé de Physique — 4ème année du Nouveau Secondaire

PROGRAMME DÉTAILLE DE PHYSIQUE DE LA QUATRIÈME ANNÉE DU SECONDAIRE THÈMES COMPÉTENCES CONTENUS ACTIVITÉS Accélération § L’enseignant insistera sur le caractère vectoriel de l’accélération et de la vitesse. Equations de la trajectoire : § L’apprenant aura à partir des vitesses moyennes à construire le - Mouvement rectiligne vecteur accélération. Décrire les - Mouvement circulaire § Ensuite il décompose de ce vecteur en accélération normale et caractéristiques d’un - Mouvement sur un plan incliné tangentielle tout en étudiant le cas d’un mouvement circulaire mouvement uniforme. § L’enseignant utilisera les résultats du produit scalaire pour savoir les qualités du mouvement : rectiligne uniforme, uniformément accéléré, etc. • Mouvements des projectiles ; § L’enseignant peut faire des expériences simples mettant en relation - Mouvement dans le champ de le temps et la trajectoire du mouvement : Expérimenter la chute pesanteur - sur la chute libre libre - Mouvement des satellites et - sur un plan incliné des planètes On souligne l’importance des satellites artificiels dans les domaines • Lois de Kepler liés à la communication. • Oscillateur harmonique : § L’apprenant peut fabriquer un pendule permettant de faire des - Système bloc ressort expériences pour déterminer la période et mettre en évidence - Pendule simple l’influence de l’amplitude par exemple comme élément fondamental • Energie mécanique d’un lié à la période. système oscillant § L’enseignant insistera sur la conservation de l’énergie mécanique pour un système libre peu amorti c'est-à-dire avec des forces de frottement négligeables. Oscillateur mécanique entretenu § L’enseignant peut mettre en évidence diverses formes § Résonance d’oscillateurs entretenus : comme la balançoire entretenue par son § Bande passante utilisateur ou par une autre personne. Des analogies des systèmes électriques en régime forcé seront mises à profit pour mieux saisir le phénomène de résonance. § Même si l’étude se portera sur les systèmes bloc ressort et Modélisation d’un système oscillant : pendule simple, en se servant de la forme des équations Equation différentielle : différentielles l’apprenant notera que les systèmes oscillants - Bloc ressort électriques ou mécanique fonctionnent de la même façon. - Pendule simple Cependant chaque système possède des grandeurs caractéristiques. § L’enseignant vérifiera la solution de l’équation différentielle à  partir des dérivées pour faire apparaitre l’identité. § L’enseignant proposera aux apprenants de réaliser des séances Energie mécanique d’un système : d’activités expérimentales permettant de mettre en évidence les Analyser les énergies § Energie cinétique de énergies cinétique et potentielle. cinétique et potentielle translation d’un solide § Effet d’une force sur § L’apprenant aura à démontrer que l’énergie transférée au moment l’énergie cinétique d’un d’un choc entre un solide et un obstacle croit : système a) avec la hauteur de chute du solide ; § Energie potentielle b) avec la vitesse du solide ; § de pesanteur c) avec la masse du solide. § d’élasticité Il conclura que l’énergie cinétique du système entier a pour expression : § de torsion 1 § d’oscillation d’un pendule Ec = å in miV 2 ou encore Ec = mV 2 2 § Travail d’une force constante avec m = la masse du système. en translation Travail et § A l’aide d’expérience et de documents, l’élève étudiera l’effet d’une énergie force sur l’énergie cinétique d’un système pour comprendre que : a) La composante de F parallèle au vecteur vitesse V modifie l’énergie cinétique du système ; b) La composante de F perpendiculaire au vecteur vitesse V modifie la trajectoire du système. § L’apprenant mettra en évidence l’énergie potentielle de pesanteur à l’aide de la chute libre, l’énergie potentielle élastique à partir d’un ressort, l’énergie potentielle de torsion par un solide soumis à l’action d’un fil d’acier et l’énergie potentielle d’oscillation à l’aide d’un pendule. § L’enseignant demandera à l’apprenant d’étudier le travail d’une force en translation pour conclure que la variation d’énergie mécanique d’un système est égale au travail de la force F.  Expérimenter une corde § L’enseignant fera ressortir les différentes types d’ondes ; onde traversée par une onde Onde mécanique : mécanique et onde électromagnétique ; stationnaire - Classification - Ondes transversales et ondes longitudinales - Equation d’onde - Leur mode et leur milieu de propagation. § L’enseignant fera remarquer à partir des expériences avec une corde la propagation de l’onde en tant que déplacement d’énergie et non de matière Ondes • Onde stationnaire : § L’enseignant fera remarquer que les propriétés s’appliquent - Réflexion généralement pour toutes les ondes. - Réfraction § Ainsi à partir de l’étude de la bande passante des stations de radio - Interférence de la république l’apprenant aura à mettre l’accent sur le respect des fréquences assignées pour éviter le phénomène d’interférence. • Résonateur à fréquence § Muni d’un stroboscope l’enseignant fera observer à l’aide d’une multiples corde la position presque statique de cette dernière corde sous • Expérience de Melde d’une onde stationnaire. • Comportement d’une bobine • Un solénoïde est un fil conducteur qu'on roule sur lui même. Un peu dans un circuit comme un ressort. Dans cette forme particulière, le champ Réaliser un électro- magnétique prend la forme de celui d'un aimant droit, quand on y aimant. • Fonctionnement d’un moteur fait passer un courant. électrique, générateur, radio, Comment peut-on augmenter la puissance du champ magnétique télévision, magnétophone, produit par le solénoïde ? magnétoscope, disque dur, microscope électronique, etc. • Quel électro-aimant est le plus fort dans ce groupe? Pourquoi ? Electricité - Magnétisme • Loi de Laplace et ses Expérimenter les forces applications • Soit un conducteur rigide l relié à une source de tension grâce à de Laplace des conducteurs souples et placés dans un champ magnétique: • Instruments de mesure 1. Si le conducteur n’est pas traversé par un courant. Que se Concevoir un passe-t-il ? ampèremètre (ou un 2. Si le courant traverse le conducteur de A vers B. comment se voltmètre) déplacera le conducteur? Et si tu inverses. Comment le conducteur déviera-t-il ? 3. Si tu inverses le sens du champ magnétique mais pas le sens du courant. Dans quel sens s’exercera la force? 4. Si tu inverses le sens du courant et du champ d’induction magnétique. Quel sera alors le sens de la force? • Si on remue un aimant devant une bobine, non alimentée, on observe une tension à ses bornes. Dans quel cas observe-t-on une force électromotrice ? Dans quel cas la f.é.m. est nulle ? • Induction électromagnétique • Expérience 1 • Applications de l’induction Relie une bobine à un milliampèremètre. Approche de la bobine un électromagnétique aimant fixe. Qu’observes-tu durant le déplacement? Eloigne l’aimant de la bobine toujours fixe. Qu’observes-tu? Maintiens l’aimant fixe et déplace l’aimant. Qu’observes-tu ? Expliquer le • Auto induction fonctionnement des • Expérience 2. générateurs de grande Fais varier à l’aide d’un rhéostat l’intensité du courant électrique puissance, dynamos et dans une bobine fixe (inducteur) placée au voisinage d’une autre surtout alternateurs, et bobine fixe (induit) reliée à un milliampèremètre. Qu’observes-tu ? transformateurs. Explique scientifiquement. Concevoir un • Expérience 3. transformateur Reprends l’expérience 1 et intéresses-toi au sens du courant induit. électrique Approche le pôle nord de l’aimant d’une face de la bobine. Décris ce que tu observes. Eloigne le pôle nord de l’aimant de cette même face. Décris ce que tu observes. Conclus. • On ne dispose généralement que de la tension du secteur, dont les valeurs les plus courantes sont comprises entre 110 et 240 V, mais pour les appareils électroniques, les tensions nécessaires ont  souvent une valeur différente. Comment peut-on s’assurer précisément de la transformation de la tension du secteur de façon à obtenir les tensions d'alimentation des différents circuits ? • Fais tourner devant une bobine branchée aux plaques d’un oscillographe, un aimant droit. Qu’observes-tu ? Explique. Utiliser un • Condensateurs condensateur • Association de condensateurs • Il est déconseillé de toucher les circuits d’un téléviseur même s’il en série, en parallèle est hors tension. Pourquoi ? • Pourquoi les techniciens de l’EDH interdisent aux gens de toucher à un fil de haute tension même lorsqu’il est coupé ? • Place deux condensateurs en série. Détermine la capacité résultante du circuit. Et s’ils étaient en parallèle ? Détermine toutes les caractéristiques du circuit.  • Utilise un multimètre pour mesurer la différence de potentiel et • Courants variables – Dipôles l’intensité du courant dans une prise d’électricité domestique. S’il Améliorer la qualité RC, RL – Circuits RLC s’agit d’un courant qui varie, comment peux-tu trouver une valeur d'un signal en utilisant fixe pour la tension et l’intensité ? Qu’as-tu donc mesuré ? des circuits RLC Explique. Conclus. • Pour représenter un courant alternatif à un instant donné, il est nécessaire de faire usage de la représentation vectorielle. Dans cette représentation, nous partons sur le principe qu'une oscillation complète représente un cercle complet, soit 3600. Par conséquent, l'instant de départ est 00, l'instant t/2 1800, et ainsi de suite. Exprime l'oscillation à un instant t précis • Connecte un condensateur sur une source alternative. Que se passe-t-il ? Et si le circuit comporte une résistance en série? Connecte un condensateur sur une source alternative. Que se passe-t-il ? Et si le circuit comporte une résistance en parallèle? • Connecte une bobine sur une source alternative. Que se passe-t-il ? Et si le circuit comporte une résistance en série?  Maitriser la structure Structure et cohésion du noyau de du noyau d’un atome l’atome § L’enseignant demandera à l’apprenant de revoir ses notes pour § Structure de l’atome présenter la structure de l’atome et du noyau étudiée en classe (rappel); antérieure. § Structure du noyau - Description et composition ; § L’apprenant étudiera les différentes énergies mises en jeu lors de la - Stabilité, Instabilité et formation d’un noyau et les réactions entre noyaux afin de citer la Dimension ; fameuse formule d’Einstein E = Mc2 et de comprendre que les § Noyau et Energie ; réactions nucléaires peuvent produire des noyaux sortant des § Cohésion nucléaire ; différents noyaux initiaux. § Energie nucléaire ; Radioactivité du noyau § L’élève consultera des documents ou ira sur internet afin de savoir § Les phénomènes radioactifs ; comment identifier la nature de la radioactivité des noyaux en § Vallée de stabilité des appliquant la loi de conservation de Soddy et les résultats obtenus noyaux ; après les réactions nucléaires. Il saura aussi que les noyaux fils Développer la § La loi de conservation de obtenus sont en général dans un état excité c'est-à-dire à un niveau radioactivité du noyau Soddy ; d'énergie élevé. Ils deviennent stable en évacuant cette énergie § Les radioactivités α, β-, β+ et excédentaire. la désexcitation § Loi de la décroissance § L’apprenant aura à analyser la loi de la décroissance radioactive et à Radioactivité radioactive ; étudier les phénomènes de la fission et de la fusion nucléaire. § La fission et la fusion nucléaire. Rappel sur les trois lois de la § L’apprenant aura à revoir ses notes et à présenter un rappel sur les Mécanique de Newton. trois lois de Newton. Evaluer la mécanique de § L’apprenant fera la comparaison, par des calculs appropriés, entre la Newton Les limites de la MECANIQUE DE force de gravitation et la force électrostatique auxquelles l’électron NEWTON et le proton d’un atome d’hydrogène sont soumis pour comprendre que la force de gravitation est négligeable par rapport à la force - Les interactions électrostatique. gravitationnelle et électrique ; § L’enseignant animera une séance de réflexions et de débats avec les - L’addition des vitesses ; élèves, en utilisant des documents, pour expliquer pourquoi la - Les limites de la Mécanique mécanique de Newton a-t-elle des limites. de Newton NB : Il conclura qu’à la limite de la mécanique de Newton, On utilise de nouvelles lois : celle de la mécanique quantique et celle de la théorie de la relativité.  Relativité restreinte d’Einstein Analyser les postulats • Biographie d’Einstein § L’apprenant sera amené à réfléchir sur les déclarations suivantes d’Einstein • Les postulats d’Einstein de deux observateurs : « Quand un objet s’éloigne de nous, sa taille - L’hypothèse de l’éther ; diminue » et « Les hommes, les animaux, les pierres et les véhicules - Interféromètre : Définition – grandissent en s’approchant et deviennent énormes quand ils sont Fonctionnement ; sur nous. » afin de déterminer qui a raison des deux. - L’expérience de Michelson – Morley ; § L’élève analysera l’affirmation d’un homme qui déclare qu’un long bus L’hypothèse de la est passé devant lui à 8h35 pendant qu’il était debout sur le Contraction ; trottoir. L’enseignant guidera l’analyse de l’élève pour en faire sortir - La Covariance ; que l’avant du bus est passé devant l’homme à une heure précise - Enoncé des deux postulats différente de celle où l’arrière du bus est passé. d’Einstein - Définition de : Evénement – § L’apprenant, accompagné d’un camarade, fera l’expérience de mesure Observateur – Référentiel ; du temps. Il mesurera le temps pris par son camarade sur son vélo - Synchronisation des se déplaçant très vite pour parcourir la distance d’un arbre à un horloges ; autre afin de comparer sa mesure avec celle de son camarade qui - La relativité de la prendra au même moment sur son vélo, la mesure du temps pris pour simultanéité ; faire le même parcours. Relativité • Les conséquences de la Il sera étonné de constater qu’avec des chronomètres très sensibles relativité restreinte que les mesures ne sont identiques, aussi petite que soit la différence. - La dilation du temps ; - La contraction des § L’apprenant cherchera à savoir ce qui se passe lorsqu'un électron Examiner les longueurs ; entre en collision avec un positron (ou positon).+ conséquences de la - L’effet Doppler en relativité ; Il comprendra que les deux particules disparaissent complètement relativité restreinte - Le paradoxe des jumeaux ; et toute leur masse se transforme en rayonnement - La transformation de électromagnétique et que le phénomène inverse, la matérialisation Lorentz ; de l'énergie par création de paires, est également possible. Il saura - L’addition relativiste des alors que la notion véritablement invariante au cours des vitesses ; transformations physiques n'est pas la masse mais l'énergie qui se - La quantité de mouvement et manifeste successivement sous différentes formes. l’énergie ; - L’équivalence masse – § L’apprenant, à travers des documents et/ou sur Internet, fera des énergie ; recherches sur la relativité restreinte d’Einstein afin d’énoncer les - La relativité et autres postulats d’Einstein et de trouver les conséquences qui en découlent.