SCIENCES PHYSIQUES

1
SCIENCES PHYSIQUES

• TERMINALE S
• 2002

2
Fournir aux élèves une représentation cohérente
des sciences physiques et leur faire assimiler
les grands principes gouvernant lévolution des
systèmes.Acquérir un double regard,
macroscopique et microscopique, sur le
comportement de la matière observations et
mesures à notre échelle, modélisation
macroscopique et microscopique pour rendre rendre
compte des phénomènes observés.Aborder sa
dimension sociale et culturelle importance dans
la vie quotidienne, importance économique, image
des sciences physiques dans la société...Approch
er quelques éléments dhistoire des
sciences.Favoriser l orientation vers des
filières scientifiques, en développant le
nécessaire questionnement de l élève et la
pratique expérimentale.
Les objectifs de l enseignement des sciences
physiques et chimiques au lycée
3
Le fil directeur  lévolution temporelle des
systèmes 
Le programme de Physique en terminale

• Thème  ondes  étude de la propagation dune
  onde mécanique introduction du modèle
  ondulatoire de la lumière
• Thème  matière  exploration de systèmes très
  variés noyaux atomiques, systèmes électriques,
  systèmes mécaniques.

4
Le programme de Physique cohérence verticale

• En classe de seconde grandeurs physiques et leur
  mesure
• Distances, temps, masse .
• Double regard microscopique-macroscopique
• 1ère analyse de la cause du mouvement force de
  gravitation, principe dinertie
• En classe de 1ère S
• Les interactions fondamentales et notion de force
  .
• Effet des forces sur le mouvement première
  approche de la 2ème loi de Newton

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En Terminale S

• Évolution temporelle des systèmes taux de
  variation dune grandeur caractéristique
• Formaliser les lois dévolution
• Pratiquer la démarche scientifique
• expérimenter,
• modéliser,
• confronter modèle et expérience.

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Physique
Enseignement Obligatoire
7
TP dintroduction

• Objectif
• Introduire lévolution temporelle des systèmes.
• Comment ?
• Présenter des situations variées conduisant les
  élèves à identifier les grandeurs pertinentes
  pour lévolution dun système et les temps
  caractéristiques.
• Exemples

• Flash dun appareil jetable
• Saut à lélastique
• Vase de Tantale

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Tableau Sa construction peut être poursuivie
tout au long de lannée.
Évolution temporelle
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Partie A  Propagation dune onde  ondes
progressives (2 TP 9 HCE)

• Quest ce quune onde ?
• Comment la caractériser ?
• Quelles grandeurs physiques lui associe-t-on ?
• le formalisme est réduit au minimum,
• en particulier y f(x,t) nest pas au
  programme.
• Le modèle ondulatoire de la lumière est mis en
  place à partir dune similitude de comportement 
  
• la diffraction

10
(No Transcript)
11
Idées directrices de cette étude

• Travail sur la cuve à ondes et enregistrements
  vidéo étudiés image par image

• Etude des principales propriétés et notions
  relatives aux ondes mécaniques
• Analogies pour les sons et la lumière

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La démarche proposée

• Le questionnement et la problématisation
• Un questionnement peut précéder lobservation
•  Si lon fait ceci ou cela, A VOTRE AVIS,
• que va-t-on observer , et pourquoi ? 
• Lobservation conduit à une problématisation et
  peut donner lieu à des hypothèses.
• Le double mouvement de lactivité scientifique
  est privilégié
• Confrontation des prédictions dun modèle
  théorique à des résultats expérimentaux
• Utilisation des résultats expérimentaux pour
  affiner un modèle théorique

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Quest-ce qui distingue une onde du mouvement
dun mobile ?

• Quelques questions étudiées
• Comment se déplace la surface de leau au passage
  dune onde?
• Quarrive-t-il lorsque deux ondes se rencontrent
  ?
• Quelle est la forme de londe produite par une
  pierre qui ricoche sur leau ?
• Onde mécanique déformation dun milieu qui se
  transmet de proche en proche (pas forcément
  périodique ni sinusoïdale).

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Quest-ce qui distingue une onde du mouvement
dun mobile ?

• LE MOUVEMENT DUN MOBILE
• se décrit à laide dune trajectoire,
• correspond à un transport de matière
• est ralenti par les frottements avec le milieu
  matériel 
• un mobile se déplace plus facilement dans le vide
  que dans un gaz et plus facilement dans un gaz
  que dans un liquide  le mouvement dans les
  solides est impossible,
• est modifié par un choc avec un autre mobile
• se fait à une vitesse qui dépend des conditions
  initiales
• seffectue à une vitesse qui lui est propre.

• LA PROPAGATION DUNE ONDE
• se fait, à partir dune source, dans toutes les
  directions possibles
• ne correspond pas à un transport de matière.
• ne subit pas d amortissement de sa célérité par
  le milieu matériel de propagation 
• une onde mécanique ne se propage pas dans le
  vide  elle se propage plus vite dans les
  liquides que dans les gaz et fréquemment plus
  vite dans les solides que dans les liquides,
• conserve ses caractéristiques après la rencontre
  avec dautres ondes
• se fait à une célérité qui ne dépend pas du
  mouvement de la source,
• se fait à une célérité qui dépend essentiellement
  du milieu de propagation.

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De quoi dépend la célérité dune onde mécanique ?

• La célérité augmente avec la rigidité du milieu.
• Elle diminue lorsque linertie du milieu augmente.

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Comment étudier expérimentalement la propagation
dondes périodiques ?

• Objectif différencier périodes spatiale et
  temporelle
• Méthode avec logiciel de pointage ou caméscope
• Mesure de l en arrêt sur image
• Mesure de T on compte le temps de passage de 10
  crêtes en un point.
• Mesure de v on suit la propagation des ondes
  périodiques image par image.

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Résultats

• Mesures
• - l 0,027 m
• T 0,092 s
• v 0,295 ms-1
• v.T 0,027 m

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Reprise de lexpérience avec les ultrasons

• Selon vous, quelles vont être les allures des
  deux courbes que lon va observer sur lécran ?
  Sur une feuille de papier, dessinez soigneusement
  ces deux courbes. Que représentent-elles ?
• Si, sans toucher au détecteur DA, on déplace
  lentement le détecteur DB dans le sens de la
  flèche cest-à-dire en léloignant de lémetteur,
  que va-t-on observer, à votre avis, sur lécran
  de loscilloscope et pourquoi ?

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Deux propriétés caractéristiques des ondes

• Diffraction

• Dispersion
• On montre que V dépend de T

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Peut-on modéliser la lumière par une onde ?

• Diffraction
• Diffraction dun faisceau LASER

• Dispersion

• Anticipation
• Si lon place, un filtre vert entre la source de
  lumière blanche et le prisme, que verra-t-on sur
  lécran ?

• Constat ?

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Quelques précisions

• La notion de fréquence est réservée aux ondes
  sinusoïdales .
• La notion de phase est hors programme (on lui
  préfère celle de retard t )
• Une célérité est représentée par v (c désigne la
  célérité de la lumière dans le vide)

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Partie B. Transformations nucléaires (2 TP 7HCE
)

• Un triple objectif 
• 1. Aborder quelques notions concernant la
  structure des noyaux atomiques à partir de
  lobservation expérimentale de leur instabilité.
• 2. Connaître quelques ordres de grandeurs
  concernant la radioactivité naturelle et
  comprendre quelle peut être utilisée pour la
  datation.
• 3. Comprendre que la conversion masse-énergie
  peut être à lorigine de la production dénergie
  utilisable.
•     

23
(No Transcript)
24
Commentaires

• Le thème de la radioactivité propose une
  convergence thématique entre la physique, les
  mathématiques et les sciences de la terre.
• Étude statistique dune série de mesures
• moyenne , variance, écart type
• Équations différentielles du type y l . y
• La fonction exponentielle et sa réciproque
  logarithme
• Datation des objets et roches 14C / 12C ,
• 40K / 40Ar , 87Rb / 87Sr
• Le terme période radioactive est évitée au profit
  de lexpression demi-vie.

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MATH-PHYSIQUE  nécessité dune approche
concertée
Programme de mathématiques
Contenus Modalités de mise en oeuvre Commentaires
Probabilités 1ère S
Espérance, variance, écart type pour loi de probabilité Éclairage entre loi de probabilité et distributions de fréquences Loi des grands nombres  les distributions de fréquences sur des séries de taille n se rapprochent de P loi de probabilité quand n devient grand
Lois de probabilité Terminale S
Loi binomiale Application à la désintégration radioactive  loi exponentielle de désintégration des noyaux Ce paragraphe est une application de ce qui aura été fait en début dannée sur lexponentielle et le calcul intégral
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Intérêt pour la physique
La désintégration dun noyau est de nature probabiliste donc obéit à une loi de durée de vie sans vieillissement  Létude physique se fera sur une population de noyaux (T.P. CRAB) La loi régissant la population est de type binomial car obéit au critère probabiliste individuel, doublé de lindépendance entre noyaux
Programme de mathématiques Fonction exponentielle
Contenus Modalités de mise en oeuvre Commentaires
Terminale S Introduction à la fonction exponentielle Étude de léquation f k.f Étude pouvant être motivée par lexemple de la radioactivité en physique On construira avec la méthode dEuler des représentations graphiques approchées de f avec des pas de plus en plus petits Ce travail sera fait très tôt dans lannée. Il fournira un premier contact avec léquation différentielle. La méthode dEuler fait apparaître une suite géométrique.
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Comment interpréter létrange comportement dun
échantillon de matière radioactive ?

• Deux séquences peuvent être proposées
• 1.Caractère aléatoire du phénomène de
  désintégration
• Analyse dune série de comptages de la
  désintégration du césium 137 (CRAB)
• Montrer que chaque noyau a une certaine
  probabilité de se désintégrer pendant une durée
  donnée
• 2.Modélisation de lévolution dune population de
  noyaux au cours du temps
• Courbe de décroissance radioactive du radon 222
  (a,t1/2 3,8 j) ou du radon 220 (a, t1/2 56
  s)
• Loi macroscopique de décroissance radioactive,
  son caractère déterministe
• Méthode dEuler appliquée à la radioactivité

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1.Caractère aléatoire de la désintégration

• On indique aux élèves
• une transformation radioactive se produit quand
  un noyau se transforme spontanément, lévénement
  peut être détecté par un compteur.
• Une source radioactive simple est constituée par
  un échantillon de matière contenant un nombre N
  très grand de noyaux radioactif identiques.
• On présente aux élèves le dispositif CRAB
• un compteur de type Geiger capable de détecter
  des b et g
• (le nombre affiché est proportionnel au nombre de
  noyaux désintégrés pendant la durée de comptage),
• une source césium 137 émettrice b et g
• des écrans de plomb qui absorbent une partie des
  g et tous les b.

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Questionnement possible

• Chaque groupe délèves va venir mesurer le
  nombres n dévènements détectés par le compteur
  pendant une durée Dt 5,0 s, dans les mêmes
  conditions expérimentales. On appelle x le
  nombres de mesures effectuées.
• a. On isole dans un premier temps la source loin
  du détecteur entre les écrans en plomb. Que
  peut-on prévoir pour la valeur de n ? Pourquoi ?
• b. La source est placée à 4 cm du compteur (un
  écran intercalé). Que peut-on prévoir de la
  comparaison des x mesures de n réalisée ?
  Pourquoi ?

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• a. On peut penser que les élèves proposeront
• n 0 en supposant que les écrans sont
  parfaitement efficaces en oubliant de tenir
  compte de la radioactivité due aux autres sources
  naturelles.
• b. On peut penser que la majorité des élèves va
  prévoir que les résultats seront comparables aux
  incertitudes de mesure près, puisque les
  conditions expérimentales sont identiques.

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Réalisation des mesures et exploitation à laide
dun tableur grapheur
32
Questions possibles

• Peut-on prévoir exactement le résultat dun
  comptage radioactif ?
• Comment expliquer la dispersion des résultats ?
• Comment évolue la moyenne et lécart type de la
  série de comptage en fonction de x ?

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Points à retenir

• Une transformation radioactive est un phénomène
  aléatoire.
• Un noyau meurt sans vieillir.
• La désintégration dun noyau naffecte pas celle
  dun noyau voisin.

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Modélisation de lévolution du nombre N de noyaux
restant en fonction du temps

• Réalisation dune simulation du type tirage sans
  remise
• On lance N0 dés, on retire tous ceux qui sont
  tombés sur la face 6.
• On note le nombre N de dés restant restant à t
  Dt.
• On recommence ainsi en reprenant les dés restant.
  
• Cette simulation peut être réalisée avec une
  calculatrice ou un tableur.
• On peut amener les élèves à établir la relation
• DN - l.N. Dt

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2.a Courbe de décroissance radioactive

• Issu de la désintégration du radium 226 présent
  dans la croûte terrestre, le radon (gaz) 222 a
  une demi-vie 222 t1/2 3,8 j (émetteur a).
• Un autre isotope le radon 220 (émetteur a) a
  une demi-vie t1/2 56 s
• Le deuxième isotope permet de tracer
   A  f(t)
• Les taux de radioactivité sont exprimés en Bq/m3.

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• Un distributeur proposera
• un kit de prélèvement du radon 222 dans la terre,
• Une fiole de radon 220,
• un dispositif de comptage pour la radioactivité
  a,
• un logiciel dexploitation.
• Remarque la source du CRAB nest plus conforme
  aux nouvelles réglementations.

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2.b Méthode dEuler

• A défaut de ce matériel, le second TP peut être
  loccasion de
• présenter la méthode dEuler si les élèves ne
  lont pas étudiée en 1ère
• Méthode d'Euler (1)
• Méthode d'Euler (2)
• Méthode d'Euler (3)
• de lappliquer à la décroissance radioactive à
  laide dun tableur,
• de montrer quil sagit dune loi dévolution
  exponentielle.

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La méthode dEuler

• Une méthode approchée de résolution déquation
  différentielle
• y f(t, y)
• sur un intervalle ? t0  t0 ?t?.
• exemple dN/dt -l.N

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Principe

• Pour cela, on subdivise cette durée ?t en N
  intervalles de t0 à tN de durée égale tn1 tn
  p appelés pas.
• La fonction solution y(t) est assimilée à une
  fonction affine Y(t) par morceaux.
• On assimile la courbe de la fonction solution sur
  lintervalle ?tn , tn1? avec sa tangente au
  point de coordonnées tn.

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Principe

• Y(tn1) Y(tn) p ? y(tn ) avec y(tn) f(t,
  y)
• N(tn1) N(tn) (dN/dt)tn.p
• donc Y(tn1) Y(tn) p ? f(t, y(tn))
• N(tn1) N(tn) - l.N tn .p
• Partant de y0 y(t0) (condition initiale) et
  ayant défini p on peut alors calculer y(tn) par
  itération.
• Les calculs successifs peuvent être réalisés à
  laide dun tableur.

41
(No Transcript)
42
Graphique et influence du pas
t n
t n1
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2.c Des poussières radioactives dans lair

• Filiation de la famille de luranium 238
• 238U g g 222Rn
• 222Rn g 218Po (a 3,8 j)
• 218Po g 214Pb (a 3,0 min)
• 214Pb g 214Bi (b- 27 min)
• 214Bi g 214Po (b- 20 min)
• c hyp présence de poussières renfermant les
  deux derniers radioéléments.

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Radioactivité dans notre environnement

• Un disque découpé dans un filtre à café et coincé
  dans un tuyau daspirateur en fonctionnement
  pendant une ½ heure contient des radioéléments
  émetteurs b-.
• Une courbe de décroissance peut être obtenue à
  laide du CRAB.
• On montre ainsi lomniprésence de la
  radioactivité dans notre environnement.
• Inconvénient mélange de deux radioéléments

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Étude des désintégrations beta et gamma du Césium
137Simulation numérique
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Partie C. Évolution des systèmes électriques (3
TP - 10HCE)

• Etude des phénomènes associés à des courants
  variables
• Evolution temporelle dune intensité i(t) ou
  dune tension u(t) et détermination dune durée
  caractéristique (dipôles RC, RL, RLC série)
• Equation différentielle et résolution analytique

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(No Transcript)
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Quelques commentaires

• Le phénomène dinduction et la notion
  dauto-induction ne sont plus au programme.
• Létude du dipôle RLC en régime sinusoïdal forcé
  nest plus au programme.
• Eviter les tensions créneaux pour létude
  expérimentale de la réponse dun circuit RC ou RL
  à un échelon de tension
• oscilloscope à mémoire ou carte dacquisition.
• Décharge d'un condensateur dans R ou dans RL
• Oscillations électriques libres - Influence de L
  et C
• Oscillations électriques libres

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Un exemple dactivité charge du condensateur

• Intensité comme débit de charge
• Définition de l'intensité du courant quantité
  de charge qui traverse une section de conducteur
  par unité de temps par unité de temps.
• q(t) I.t q0 si I Cte
• q(t2)  q(t1)  i.(t2 - t1) ou q n1 qn i.Dt
  
• donc i(t) dq/dt

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2. Comportement dun condensateur prévision
qualitative

• On propose aux élèves la situation théorique
  suivante
• La relation q C.uc a déjà été introduite.
• Le condensateur est supposé initialement non
  chargé.
• Questions possibles
• que va-t-il se produire à la fermeture du
  circuit ?
• comment varie la charge du condensateur (donc la
  tension à ses bornes) au cours du temps ?
• Les réponses peuvent être agrémentées de
  graphiques.

51
3. Comportement dun condensateur analyse

• E fixé donc charge du condensateur donc uc
  augmente donc

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4. Dernière étape possible la simulation

• L'intérêt ici est de pouvoir ensuite en faire une
  étude par application d'une boucle de calcul
• Animation circuit RC
• Établissement du courant dans une bobine
  inductive

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Partie D. Évolution temporelle des systèmes
mécaniques (5 TP - 22 HCE)

• Continuité avec la seconde et la première S 
• Cette partie constitue laboutissement de
  lenseignement de mécanique commencé en
  seconde par létude des  grandeurs , poursuivi
  en première par létude des  interactions . En
  Terminale, on étudie les  effets des
  interactions sur lévolution des systèmes .

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La démarche de modélisation

• On part de situations réelles quon étudie
  expérimentalement
• Mouvement dans un fluide
• Oscillations dun solide
• On construit ensuite le modèle...
• Force de frottement
• Oscillateur harmonique, pendule simple
• ...auquel on applique la théorie
• Equation différentielle, résolution, période

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Une méthode détude le traitement dimages vidéo

• Avec une Webcam ou un caméscope enregistrement
  du mouvement
• Avec un logiciel de pointage repérage des
  positions
• Avec un tableur traitement des données
• Modélisation des frottements
• Résolution de léquation différentielle (méthode
  itérative dEuler)

56
Chute dans lair repérage des coordonnées
Vidéo
57
Chute dans un fluide traitement

• Demande de prévision de la courbe v f(t)
• Constat

• Recherche de la valeur des grandeurs
  caractéristiques

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Principe de la modélisation des frottements

• Diagramme objet-interactions

• Deuxième loi de Newton

59
Hypothèses sur la modélisation des frottements

• Première hypothèse f k.v

• Deuxième hypothèse f k.v²

60
T.P. détude de la chute dun solide dans un
fluide Logiciel Avimeca Chute de 4 ballons de
baudruche
61
Latome et la mécanique de Newton ouverture au
monde quantique

• Résultats

• Les expériences de Franck et Hertz (1914)

62
Que devient un atome excité ?

• Réflexion à partir du spectre démission de
  latome dhélium

63
 
64
Partie E. Lévolution temporelle des systèmes et
la mesure du temps (2 HCE)

• Cette partie est considérée comme une révision
  de fin dannée, autour de la mesure du temps.
  Elle ne comporte aucune connaissance théorique
  nouvelle ni nouvelle compétence exigible.
• Chaque exemple est présenté sous forme
  dactivité ou dexercice.
• Exemples 
• Comment mesurer une durée ?
• Mesurer une durée pour déterminer une longueur
• Mesurer une durée pour déterminer une vitesse.

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(No Transcript)
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La mesure du temps

• Récapitulation des connaissances acquises autour
  de la mesure du temps
• Comment mesurer une durée?
• À partir d une décroissance radioactive
• à partir d un phénomène périodique
• Mesurer une durée pour déterminer une longueur
• A partir de la propagation d une onde
• Le mètre défini à partir de la seconde
• Histoire de la mesure des longitudes
• Mesurer une durée pour déterminer une vitesse

67
(No Transcript)
68
Le système international dunitésBIPM.org
Unités de base Liens entre les unités du SI et
les constantes fondamentales Unités
dérivés Préfixes Bref historique du SI Brochure
du SI Conversion des unités
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Physique
Enseignement de spécialité
70
Lenseignement de spécialité un
approfondissement de lenseignement obligatoire

• Produire des images, observer.
• Produire des sons, écouter.
• Produire des signaux, communiquer.

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Produire des images, observer (5TP)

• Suite de lenseignement de 1ère S
• Formation dune image
• Quelques instruments doptique
• Le microscope,
• la lunette astronomique,
• le télescope de Newton.

72
 
73
Image donnée par un miroir sphérique
74
Produire des sons,écouter (5TP)

• Approfondissement du chapitre sur les ondes
• Les instruments de musique
• Modes de vibration
• dune corde
• dune colonne d air.
• Interprétation ondulatoire
• Acoustique musicale et physique des sons

75
 
76
Produire des signaux communiquer (4TP)

• Les ondes électromagnétiques et la transmission
  des informations
• La modulation damplitude
• Réalisation dun dispositif récepteur radio en MA

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(No Transcript)
78
Bonnes vacances