Programme Physique BAC S

Introduction à l'évolution temporelle des systèmes

Propagation d'une onde ; ondes progressives

Les ondes mécaniques progressives

- Introduction
A partir des exemples donnés en activité dégager la définition suivante d'une onde mécanique : " on appelle onde mécanique le phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu sans transport de matière ".
Célérité.
Ondes longitudinales, transversales.
Ondes sonores comme ondes longitudinales de compression-dilatation.
Propriétés générales des ondes :
une onde se propage, à partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes.
la perturbation se transmet de proche en proche ; transfert d'énergie sans transfert de matière.
la vitesse de propagation d'une onde est une propriété du milieu.
deux ondes peuvent se croiser sans se perturber.
- Onde progressive à une dimension
Notion d'onde progressive à une dimension. Notion de retard : la perturbation au point M à l'instant t est celle qui existait auparavant en un point M à l'instant étant le retard et la célérité (pour les milieux non dispersifs).

Ondes progressives mécaniques périodiques

Notion d'onde progressive périodique.
Périodicité temporelle, période ; périodicité spatiale.
Onde progressive sinusoïdale, période, fréquence, longueur d'onde ; relation La diffraction dans le cas d'ondes progressives sinusoïdales : mise en évidence expérimentale. Influence de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé.
La dispersion : mise en évidence de la fréquence sur la célérité de l'onde à la surface de l'eau ; notion de milieu dispersif.

La lumière, modèle ondulatoire

Observation expérimentale de la diffraction en lumière monochromatique et en lumière blanche (irisation).
Propagation de la lumière dans le vide. Modèle ondulatoire de la lumière : célérité, longueur d'onde dans le vide, fréquence, .
Influence de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé ; écart angulaire du faisceau diffracté par une fente ou un fil rectilignes de la largeur a :
Lumière monochromatique, lumière polychromatique ; fréquence et couleur. Propagation de la lumière dans les milieux transparents ; indice du milieu.
Mise en évidence du phénomène de dispersion de la lumière blanche par un prisme : l'indice d'un milieu transparent dépend de la fréquence de la lumière.

Transformations nucléaires

Décroissance radioactive

- Stabilité et instabilité des noyaux
Composition ; isotopie ; notation
Diagramme (N, Z)
- La radioactivité
La radioactivité émission.
Lois de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons.
- Loi de décroissance
ÿvolution de la population moyenne d'un ensemble de noyaux radioactifs
Importance de l'activité  ; le becquerel.
Constance de temps Demi-vie
Application à la datation

Noyaux, masse, énergie

- ÿquivalence masse-énergie
Défaut de masse ; énergie de liaison  ; unités : eV, keV, MeV.
ÿnergie de liaison par nucléon. ÿquivalence masse-énergie. Courbe d'Aston
- Fission et fusion
Exploitation de la courbe d'Aston ; domaines de la fission et de la fusion.
- Bilan de masse et d'énergie d'une réaction nucléaire
Exemples pour la radioactivité, pour la fission et la fusion.
Existence de conditions à réaliser pour obtenir l'amorçage de réactions de fission et de fusion.

ÿvolution des systèmes électriques

Cas d'un dipôle RC
- Le condensateur
Description sommaire, symbole.
Charges des armatures.
Intensité : débit des charges.
Algébrisation en convention récepteur i, u, q.
Relation charge-intensité pour un condensateur charge du condensateur en convention récepteur.
Relation charge-tension q=Cu ; capacité, son unité de farad (F). - Dipôle RC
Réponse d'un dipôle RC à un échelon de tension : tension aux bornes du condensateur, intensité du courant ; étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique).
ÿnergie emmagasinée dans un condensateur. Continuité de la tension aux bornes du condensateur.
Connaître la représentation symbolique d'un condensateur.

Cas du dipôle RL- La bobine
Description sommaire d'une bobine, symbole.
Tension aux bornes d'une bobine en convention récepteur :

Inductane : son unité le henry (H).
- Dipôle RL
Réponse en courant d'une bobine à un échelon de tension : étude expérimentale et étude théorique (résolution analytique).
ÿnergie emmagasinée dans une bobine. Continuité de l'intensité du courant dans un circuit qui contient une bobine.

Oscillations libres dans un circuit RLC sérieDécharge oscillante d'un condensateur dans une bobine.
Influence de l'amortissement : régimes périodique, pseudo-périodique, apériodique.
Interprétation énergétique : transfert d'énergie entre le condensateur et la bobine, effet Joule. Résolution analytique dans le cas d'un amortissement négligeable.
Expression de la période propre
Entretien des oscillations.

ÿvolution temporelle des systèmes mécaniques

La mécanique de Newton
Lien qualitatif entre (rappels). Comparaison de correspondant à des intervalles de temps égaux pour des forces de valeurs différentes (résultat de l'activité).
Introduction de
Accélération :  ; vecteur accélération (direction, sens, valeur). Rôle de la masse.
Deuxième loi de Newton appliquée au centre d'inertie.
Importance du choix du référentiel dans l'étude du mouvement du centre d'inertie d'un solide : référentiels galiléens.
Troisième loi de Newton : loi des actions réciproques (rappel).

ÿtude de cas- Chute verticale d'un solide
Force de pesanteur, notion de champ de pesanteur uniforme.
- Chute verticale avec frottement
Application de la deuxième loi de Newton à un mouvement de chute verticale : forces appliquées au solide (poids, poussée d'Archimède, force de frottement fluide) ; équation différentielle du mouvement ; résolution par une méthode numérique itérative, régime initial et régime asymptotique (dit " permanent "), vitesse limite ; notion de temps caractéristique.
- Chute verticale libre
Mouvement rectiligne uniformément accéléré ; accélération indépendante de la masse et de l'objet. Résolution analytique de l'équation différentielle du mouvement ; importance des conditions initiales. - Mouvements plans.
- Mouvement de projectiles dans un champ de pesanteur uniforme
Application de la deuxième loi de Newton au mouvement du centre d'inertie d'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme dans le cas où les frottements peuvent être négligés.
ÿquations horaires paramétriques. ÿquation de la trajectoire. Importance des conditions initiales.
- Satellites et planètes
Lois de Kepler (trajectoire circulaire ou elliptique). Référentiels héliocentrique et géocentrique.
ÿtude d'un mouvement circulaire uniforme ; vitesse, vecteur accélération ; accélération normale. ÿnoncé de la loi de gravitation universelle pour des corps dont la répartition des masse est à symétrie sphérique et la distance grande devant leur taille (rappel).
Application de la deuxième loi de Newton au centre d'inertie d'un satellite ou d'une planète : force centripète, accélération radiale, modélisation du mouvement des centres d'inertie des satellites et des planètes par un mouvement circulaire et uniforme, applications (période de révolution, vitesse, altitude, satellite géostationnaire). Interprétation qualitative de l'impesanteur dans le cas d'un satellite en mouvement circulaire uniforme.

Systèmes oscillants- Présentation de divers systèmes oscillants mécaniques
Pendule pesant, pendule simple et système solide-ressort en oscillation libre : position d'équilibre, écart à l'équilibre, abscisse angulaire, amplitude, amortissement (régime pseudo-périodique, régime apériodique), pseudo-période et isochronisme des petites oscillations, période propre.
Expression de la période propre d'un pendule simple : justification de la forme de l'expression par analyse dimensionnelle.
- Le dispositif solide-ressort
Force de rappel exercée par un ressort.
ÿtude dynamique du système " solide " : choix du référentiel, bilan de forces, application de la 2^ème loi de Newton, équation différentielle, solution analytique dans le cas d'un frottement nul. Période propre. - Le phénomène de résonance
Présentation expérimentale du phénomène : excitateur, résonateur, amplitude et période des oscillations, influence de l'amortissement. Exemples de résonances mécaniques.

Aspects énergétiques
Travail élémentaire d'une force. Travail d'une force extérieure appliquée à l'extrémité d'un ressort, l'autre extrémité étant fixe.
ÿnergie potentielle élastique du ressort.
ÿnergie mécanique du système solide-ressort.
ÿnergie mécanique d'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme.

L'atome et la mécanique de Newton : ouverture au monde quantique
Limites de la mécanique de Newton.
Quantification des échanges d'énergie.
Quantification des niveaux d'énergie d'un atome, d'une molécule, d'un noyau.
Application aux spectres, constante de Planck,

L'évolution temporelle des systèmes et la mesure du temps

Produire des images, observer

Produire des sons, écouter

Production d'un son par un instrument de musique
Système mécanique vibrant associé à un système assurant le couplage avec l'air :
?illustration par un système simple
cas de quelques instruments réels.

Modes de vibrations
- Vibration d'une corde tendue entre deux points fixesMise en évidence des modes propres de vibration par excitation sinusoïdale : mode fondamental, harmoniques ; quantification de leurs fréquences. N'uds et ventres de vibration.
Oscillations libres d'une corde pincée ou frappée : interprétation du son émis par la superposition de ces modes.
- Vibration d'une colonne d'air
Mise en évidence des modes propres de vibration par excitation sinusoïdale.
Modèle simplifié d'excitation d'une colonne d'air par une anche ou un biseau : sélection des fréquences émises par la longueur de la colonne d'air.

Interprétation ondulatoire
- Réflexion sur un obstacle fixe uniqueObservation de la réflexion d'une onde progressive sur un obstacle fixe ; interprétation qualitative de la forme de l'onde réfléchie.
Cas d'une onde progressive sinusoïdale incidente.
Onde stationnaire : superposition de l'onde incidente sinusoïdale et de l'onde réfléchie sur un obstacle fixe. - Réflexions sur deux obstacles fixes : quantification des modes observés.Onde progressive de forme quelconque entre deux obstacles fixes : caractère périodique imposé par la distance L'entre les deux points fixes et la célérité la période étant
Onde stationnaire entre deux obstacles fixes : quantification des modes ; relation  ; justification des fréquences propres
- Transposition à une colonne d'air excitée par un haut-parleurObservation qualitative du phénomène.

Acoustique musicale et physique des sons
Domaine de fréquences audibles ; sensibilité de l'oreille.
Hauteur d'un son et fréquence fondamentale ; timbre : importance des harmoniques et de leurs transitoires d'attaque et d'extinction. Intensité sonore, intensité de référence : Niveau sonore : le décibel acoustique,
Gammes : octave, gamme tempérée.

Produire des signaux, communiquer

Les ondes électromagnétiques, support de choix pour transmettre des informations
- Transmission des informations
A travers divers exemples montrer que la transmission simultanée de plusieurs informations nécessite un " canal " affecté à chacune d'elles. Intérêt de l'utilisation d'une onde : transport à grande distance d'un signal, contenant l'information sans transport de matière mais avec transport d'énergie. - Les ondes électromagnétiquesPropagation d'une onde électromagnétique dans le vide et dans de nombreux milieux matériels Classement des ondes électromagnétiques selon la fréquence et la longueur d'onde dans le vide. Rôle d'une antenne émettrice (création d'une onde électromagnétique), d'une antenne réceptrice (obtention d'un signal électrique à partir d'une onde électromagnétique). - Modulation d'une tension sinusoïdaleInformation et modulation.
Expression mathématique d'une tension sinusoïdale :
.
Paramètres pouvant être modulés : amplitude, fréquence et/ou phase.

Modulation d'amplitude
- Principe de la modulation d'amplitudeTension modulée en amplitude : tension dont l'amplitude est fonction affine de la tension modulante.
Un exemple de réalisation d'une modulation d'amplitude.
Notion de surmodulation.
Choix de la fréquence du signal à moduler en fonction des fréquences caractéristiques du signal modulant.
- Principe de la démodulation d'amplitudeFonctions à réaliser pour démoduler une tension modulée en amplitude.
Vérification expérimentale :
de la détection d'enveloppe réalisée par l'ensemble constitué de la diode et du montage RC parallèle.
de l'élimination de la composante continue par un filtre passe-haut RC.
Restitution du signal modulant.

Réalisation d'un dispositif permettant de recevoir une émission radio en modulation d'amplitudeLe dipôle bobine condensateur montés en parallèle : étude expérimentale ; modélisation par un circuit LC parallèle.
Association de ce dipôle et d'une antenne pour la réception d'un signal modulé en amplitude. Réalisation d'un récepteur radio en modulation d'amplitude.