Programme Ts Phch

. Une première analyse de la cause du mouvement des objets a permis d’introduire le principe de l’inertie, dont l’utilisation heuristique est illustrée dans le cas de la gravitation. En classe de première S, l’interrogation sur la nature des forces qui lient la matière se prolonge par l’introduction de l’interaction entre charges électriques et la mention de l’interaction entre nucléons. La mise en place de la dynamique est poursuivie par une écriture plus formelle de la relation entre le changement de la vitesse d’un objet et la résultante des forces s’exerçant sur lui. L’élève poursuit la construction du concept de force en s’interrogeant sur la notion de travail et sur les changements que ce travail permet de réaliser : changer l’énergie cinétique d’un mobile, changer son énergie potentielle d’interaction avec la Terre, changer la température d’un corps. En classe de terminale est mise en place une compréhension plus fine de l’évolution des systèmes, en étudiant celle-ci quantitativement, tant sur le plan expérimental que théorique. Sur le plan expérimental, observer une évolution c’est mesurer le taux de variation de certaines grandeurs physiques. Qu’il s’agisse de la propagation d’une perturbation dans un milieu, du taux de désintégration d’un noyau radioactif, de l’établissement du courant dans un circuit électrique, du mouvement d’un mobile ou d’un satellite, c’est à des taux de variation que l’on s’intéresse. L’accélération d’un mobile, notion nouvelle pour les élèves dans le cours de physique, est également un taux de variation, si on la comprend comme la vitesse de la vitesse. On s’interrogera sur les paramètres qui pilotent ces évolutions. Du point de vue théorique, un taux de variation instantané est représenté par une dérivée, notion introduite dans le cours de mathématiques en classe de première S. Etudier les variations temporelles nécessite d’introduire la variable temps dans le formalisme. Le temps, disait Henri Poincaré s’interrogeant sur sa nature, est défini de sorte que les équations de la mécanique soient aussi simples que possible. S’interroger sur les paramètres qui influent sur la dérivée d’une grandeur physique, c’est chercher à établir une équation différentielle. La résoudre permet d’anticiper l’évolution d’un système. La mise en place d’une méthode numérique itérative permet de mieux ancrer l’idée du déterminisme et de la causalité : l’état d’un système à un instant donné dépend de son état aux instants antérieurs et des actions qui s’exercent sur lui. Ainsi, au cours de leur dernière année de lycée, les élèves ont pour la première fois la possibilité de toucher du doigt le double mouvement de l’activité scientifique dans le domaine de la physique : confronter les prédictions d’un modèle théorique à des résultats expérimentaux, utiliser des résultats expérimentaux pour affiner un modèle théorique. La variété des systèmes abordés au cours de l’année ne doit donc pas faire perdre le fil directeur du programme : l’évolution des systèmes physiques. C’est ce qui permet de cadrer les différents sujets abordés et d’en préciser les limites. Parmi les thèmes abordés dans l’enseignement obligatoire, certains relèvent de ce qu’il est convenu d’appeler la matière, d’autres relèvent de la catégorie ondes. Ces catégories ont certes leurs limites (puisqu’on traite notamment des ondes matérielles), mais leur pertinence se justifie notamment par les difficultés conceptuelles spécifiques rencontrées par les élèves. Le thème “Ondes” traite des ondes mécaniques et introduit le modèle ondulatoire de la lumière (partie A). Le thème “Matière” explore des systèmes très variés : noyaux atomiques (partie B), systèmes électriques (partie C), systèmes mécaniques (partie D). Les ondes mécaniques sont introduites expérimentalement par le phénomène de propagation sans transport de matière d’une perturbation dans un milieu initialement à l’équilibre. Divers montages expérimentaux permettent de mettre en évidence qu’à cette propagation est associé un transport d’énergie, qui s’effectue également sans transport de matière. L’analyse de la propagation de proche en proche d’une perturbation dans un milieu à une dimension lorsque l’amortissement est négligeable conduit à la notion de retard : la perturbation en un point de l’espace à un instant donné est la même que ce qu’elle était en un autre point à un instant antérieur. Les notions de longueur d’onde et de fréquence sont introduites dans le cadre plus particulier des ondes progressives périodiques sinusoïdales. Le phénomène de diffraction, introduit dans le cas des ondes mécaniques et observé également avec la lumière, permet de modéliser cette dernière, tout du moins pour une partie de ses manifestations, comme une onde.

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Le B.O. N° 4 30 AOÛT 2001

HORS-SÉRIE

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Le formalisme, dans cette partie, est réduit au minimum. Les ondes étant un phénomène certes familier mais que les élèves abordent pour la première fois comme phénomène physique, il importe surtout de se concentrer sur sa nature particulière, dont l’intérêt est lié à la possibilité de transporter de l’information et de l’énergie en faisant l’économie du transport de la matière. Dans l’étude de l’évolution des systèmes matériels - nucléaires, électriques et mécaniques - il s’agit, à travers l’exploitation et la formalisation d’expériences diverses, de donner un sens précis au déterminisme classique. On insiste notamment sur l’importance des conditions initiales : une loi d’évolution ne détermine le futur d’un système que si les conditions initiales sont précisées, mais la loi d’évolution ne dit rien des conditions initiales! Cette question prend un relief particulier lorsque l’on cherche à reconstituer le passé d’un système physique, comme en astrophysique : dans ce cas, l’état actuel fournit les conditions initiales, et l’application de la loi d’évolution permet de remonter le temps. Cette compréhension de l’évolution des systèmes (lois d’évolution + conditions initiales) est à la base de la physique moderne depuis trois siècles et a conditionné tous ses progrès. Du point de vue formel, l’objet mathématique qui décrit la façon dont les actions déterminent l’évolution d’un système est une équation différentielle. C’est un concept nouveau pour les élèves. Dans les équations qu’ils ont vues précédemment, il s’agit de trouver un nombre. Là, l’inconnue est une fonction. La notion d’équation différentielle est détaillée dans le cours de mathématiques, mais l’interaction physiquemathématique est ici cruciale pour les deux disciplines. Les mathématiques ne sont pas un outil pour la physique, elles en sont constitutives. Leur pertinence pour la description du monde physique peut être l’objet d’une interrogation permanente : comment la manipulation de symboles sur une feuille de papier permet-elle de mettre en place un monde abstrait qui se comporte de façon analogue au monde réel, processus-clef de notre compréhension de la nature et d’une action aux effets prévisibles? Le cadre théorique le plus achevé de ce programme de terminale S est la mécanique (partie D du programme). Les élèves ont été initiés au principe d’inertie en classe de seconde, à divers types de force en seconde et en première S. Au cours de ces deux années s’est précisée l’idée que ce n’est pas la vitesse qui est le signe d’une interaction entre un mobile et son environnement, mais le changement de la vitesse. En terminale, on introduit le taux de variation de la vitesse, et la formalisation des lois d’évolution peut ainsi être complète. La nouveauté réside dans la possibilité de calculer et prévoir l’évolution temporelle d’un système mécanique, une fois connues les forces en jeu et les conditions initiales. La méthode d’Euler pour la résolution d’une équation d’évolution du premier ordre est mise en œuvre. L’étude expérimentale du mouvement de projectiles dans le champ de pesanteur, d’objets divers dans des liquides, de systèmes oscillants mécaniques, ainsi que la connaissance du mouvement des satellites et des planètes montrent que tous ces mouvements peuvent être formalisés dans un même cadre théorique. L’étude des systèmes oscillants mécaniques permet d’introduire la notion de période propre d’oscillation d’un système et de résonance. Cette partie se termine par une ouverture au monde quantique. Quelques remarques simples suggèrent que la dynamique régissant les systèmes nucléaires, atomiques ou moléculaires doit être différente de la dynamique classique : l’identité des systèmes nucléaires ou atomiques (pourquoi tous les atomes d’hydrogène, par exemple, ont-ils strictement les mêmes propriétés?) comparée à la variété des systèmes planétaires (tous les systèmes planétaires sont différents) ; la taille des atomes, de l’ordre de quelques dixièmes de nanomètres. Dans la mécanique classique, rien ne permet de rendre compte de ces faits. Il ne s’agit pas, en classe terminale, d’aller au delà de ces interrogations, qui resteront provisoirement sans réponse. Ce sera toutefois l’occasion d’introduire la quantification des états d’énergie de l’atome et la quantification des échanges d’énergie qui en résulte : le monde quantique s’introduit ainsi par la constante