PROGRAMME DE PHYSIQUE DE TERMINALE S

Interactions et vibrations : de l'atome à l'étoile

I.CHAMPS ET INTERACTIONS DANS L'UNIVERS

1. Champs et interactions
1.1. Interaction gravitationnelle.
1.1.1. Des lois empiriques de Kepler à la modélisation de Newton; la loi de gravitation universelle. Aspects historiques (Ptolémée, Copernic, Tycho-Brahé et Kepler, Galilée)
1.1.2. Champ de gravitation, champ de pesanteur à la surface d'un corps céleste : exemples de la Terre et de la Lune.
1.2 Interactions électromagnétiques.
1.2.1. Loi de Coulomb. Analogies et différences avec la loi de gravitation. Ordres de grandeur.
1.2.2. Notion de champ électrique. Illustration expérimentale.
1.2.3. Notion de champ magnétique. Expériences illustrant l'existence d'interactions électromagnétiques. Champ du solénoïde
2 Lois de la dynamique
2.1.Centre d'inertie. Rappel du principe d'inertie (1ère loi de Newton ). Importance du référentiel.
2.2. Variation du vecteur vitesse vG. Vecteur accélération aG. Relation fondamentale de la dynamique (2ème loi de Newton). Théorème du centre d'inertie. Rappel de la loi des actions réciproques (3ème loi de Newton ).
2.3. Théorème de l'énergie cinétique. Travail reçu par un solide en translation soumis à une force constante. Puissance.
3.Applications
3.1. Chute d'un solide dans le champ de pesanteur uniforme, plan incliné.
3.2. Mouvement des satellites, mouvement des planètes du système solaire dans l'approximation du mouvement circulaire uniforme.
3.3. Actions d'un champ électrique et/ou d'un champ magnétique sur un faisceau de particules dans certains dispositifs : oscilloscope, poste de télévision, accélérateurs de particules, microscope électronique.
3.3.1. Action d'un champ électrique uniforme sur une particule chargée.
3.3.2. Action d'un champ magnétique sur une particule chargée : force de Lorentz: . Cas particulier du champ uniforme.

Activités support

Analyse de documents historiques.
Vérification de la relation fondamentale de la dynamique à partir de documents chronophotographiques.
Analyse de mouvements à partir de capteurs.
Traitement informatique des résultats, modélisation (exemple: chute libre et chute dans l'air).
Les mouvements des planètes.
Mise en évidence expérimentale des lignes de champ électrique et des lignes de champ magnétique.
Détection d'un champ magnétique par une aiguille aimantée, mesure de son intensité à l'aide de la sonde de Hall.
Champ uniforme des bobines de Helmoltz.
Action d'un champ E et d'un champ B sur un faisceau d'électrons.
Etude de documents sur le champ magnétique terrestre et ses effets sur les particules cosmiques.
Simulation informatique du mouvement des particules dans des champs.
Etude de documents sur le champ magnétique solaire.
Etude de documents sur les accélérateurs de particules.
Visite préparée et commentée d'un accélérateur, d'un observatoire, d'un laboratoire équipé d'un microscope électronique

II. SYSTEMES OSCILLANTS

1.Présentation des systèmes oscillants
1.1. Illustration expérimentale de la diversité et de la complexité des phénomènes oscillants.
1.2. Propriétés caractéristiques: grandeurs physiques concernées ; période, fréquence ; analyse quantitative de la mise en oscillation et de l'évolution du système à l'aide de la loi de conservation de l'énergie.
2.Oscillateurs mécaniques
2.1. Analyse expérimentale des échanges énergétiques. Energie cinétique, énergie potentielle. Cas particuliers du pendule élastique et du pendule simple. Introduction de l'expression de la période par analyse dimensionnelle.
2.2. Oscillateur amorti entretien des oscillations (ex: horloge).
2.3. Analyse qualitative du phénomène d'oscillation forcées et de résonance.

Activités support

Présentation d'oscillateurs simples et complexes : pendule, oscillateur électrique, vase de Tantale, oscillations hydrodynamiques ( oscillations de sillage type Bénard-von- Karman), acoustiques (instruments de musique), biologiques (cardiaques, populations animales), chimiques (réaction de Belousov-Zhabotinski), oscillateur paramétrique (balançoire, botafumeiro de Saint-Jacques-de-Compostelle), etc.
Enregistrement et traitement de données sur ordinateur concernant : le mouvement d'un oscillateur mécanique sur table à coussin d'air, celui d'un pendule en oscillations quelconques.

3. Oscillateurs électriques
3.1. Etude expérimentale du condensateur. Relation intensité-tension, Dipôle RC.
3.2. Etude expérimentale d'une bobine ; Relation intensité-tension. Dipôle RL.
3.2.1. Phénomène d'induction. Loi de Lenz. Applications.
3.2.2. Phénomène d'auto-induction
3.3. Etude expérimentale des oscillations libres d'un dipôle RLC. Echanges énergétiques et dissipation d'énergie. Introduction de l'expression de la période du circuit LC par analyse dimensionnelle. Entretien des oscillations (montage avec AO ou transistor)
3.4. Oscillateur électrique en régime force. Analyse expérimentale de la résonance.

Activités support

Etude à l'oscilloscope de la réponse d'un dipôle (RC,RLC) à un échelon de tension.
Régimes transitoires observés à l'ordinateur utilisé en saisie de données ou à l'oscilloscope à mémoire.
Courbe de résonance d'intensité d'un dipôle RLC. Oscillateur utilisant un AO.
Fréquence de résonance d'un quartz.
Exemples de signaux d'horloge générés par d'autres oscillateurs électriques.

4.Modèles

4.1. Un même formalisme pour de nombreux oscillateurs. Oscillations sinusoïdales libres, établissement de lléquation différentielle.
4.1.1. Oscillateur mécanique linéaire : application de la relation de la dynamique au cas du ressort linéaire horizontal.
4.1.2. Oscillateur électrique linéaire : application de la loi, des tensions au dipôle LC.
4.2. Oscillations entretenues. Apport d'énergie (réaction positive) et limitation de l'amplitude (non-linéarité). Retour sur les exemples étudiés : horloge mécanique, oscillateur électrique, effet Larsen.

Activités support

Etude à l'ordinateur de l'équation de Van der Pol : un modèle (oscillateur RLC entretenu) pour l'introduction aux effets non linéaires

III. LUMIERES VISIBLES ET INVISIBLES

1. Lumière, modèle ondulatoire
1.1.Limite du modèle du rayon lumineux. Existence du phénomène de diffraction.
1.2. Interférences en lumière monochromatique.Présentation expérimentale du phénomène d'interférences lumineuses. Rappels sur la propagation d'une onde: principe des interférences lumineuses.
1.3. Le domaine des ondes électromagnétiques, des rayons gama aux ondes radio.
2.Lumière: onde ou corpuscule ?
2.1.Le photon. Quantification de l'énergie lumineuse.
2.2. Spectres de raies et niveaux d'énergie de l'atome.
2.2.1 Spectre d'émission et d'absorption : cartes d'identité des atomes.
2.2.2. Niveaux d'énergie de l'atome et bilans énergétiques lors d'une émission ou d'une absorption.
3. Une source de lumière cohérente : le laser, un oscillateur à fréquence optique.
3.1. Propriétés spécifiques : monochromaticité, puissance, directivité. Exemples d'applications industrielles et médicales.
3.2. Description élémentaire du principe du laser, cavité résonante, oscillations entretenues.

Activités support

Expériences de diffraction et d'interférences avec un laser.
Eventuellement expériences d'interférences sonores ou ultrasonores.
Mesure relative d'une longueur d'onde par spectroscopie ou par interférométrie.
Réalisation et observation de spectres. Etude du spectre d'une étoile.
Etude documentaire sur l'atome de Bohr.