Physique-chimie Terminale générale

Le programme de physique-chimie en Terminale générale représente une étape majeure dans la formation scientifique des élèves, consolidant les bases acquises et les spécialisant dans des domaines d'application avancés. Dans cette dernière année de lycée, les élèves approfondissent des concepts théoriques et pratiques clés, se préparant ainsi aux exigences de l'enseignement supérieur dans des domaines aussi variés que les sciences de l'ingénieur, la médecine, l'informatique ou les sciences de la Terre.

L'accent est mis sur la modélisation et la contextualisation scientifique, permettant aux élèves de relier les observations empiriques aux théories fondamentales. Cette approche rend possible une compréhension fine des mécanismes de la nature, allant des transformations chimiques aux interactions de forces en passant par les propriétés des ondes et des signaux. La formation proposée vise non seulement l'acquisition de savoirs techniques, mais aussi le développement de compétences analytiques, expérimentales et critiques, indispensables pour évoluer dans les filières scientifiques d'excellence.

Le programme s'articule autour de quatre grands thèmes qui se répondent et permettent une approche intégrée de la physique et de la chimie : Constitution et transformations de la matière, Mouvement et interactions, L'énergie : conversions et transferts, et Ondes et signaux. Cette structure thématique favorise l'application des concepts dans des contextes quotidiens et professionnels, comme la santé, l'environnement, ou encore la technologie numérique.

Thème 1 : Constitution et transformations de la matière

Structure de la matière et quantification

• Modèle quantique de l'atome : Les élèves explorent les limites du modèle de Bohr et introduisent les notions de niveaux d'énergie quantifiés, de sous-couches électroniques, et de probabilités de présence des électrons dans les orbitales atomiques. Ils étudient la structure fine de l'atome en intégrant les effets de spin, posant ainsi les bases pour une compréhension de la mécanique quantique appliquée à la chimie.
• Énergie d'ionisation et affinité électronique : Étude de l'énergie nécessaire pour arracher un électron d'un atome et de l'énergie libérée lorsque celui-ci capture un électron. Les élèves relient ces notions aux tendances périodiques, en analysant les différences entre éléments et leur comportement dans les liaisons chimiques.

Transformations chimiques et équilibres

• Loi d'action de masse et constantes d'équilibre : Les élèves découvrent la relation entre les concentrations à l'équilibre d'un système chimique et les constantes d'équilibre. Ce thème intègre des applications pratiques pour comprendre la composition des solutions à l'équilibre et les facteurs qui influencent cet équilibre.
• Acides et bases, pH et solutions tampons : La notion d'acide-base est approfondie avec le concept de constante d'acidité (Ka) et les solutions tampons, indispensables dans le domaine biomédical pour maintenir le pH du sang et des tissus. Les élèves réalisent des titrages et des dosages pour maîtriser les calculs de pH en présence d'acides ou de bases faibles.

Oxydo-réduction et applications

• Équations d'oxydo-réduction et pile électrochimique : Introduction des potentiels standard d'oxydoréduction et leur application dans les piles galvanique et électrolytiques. Les élèves apprennent à écrire des demi-équations et à prévoir les réactions d'oxydoréduction en fonction des potentiels, avec des applications aux batteries et à l'énergie renouvelable.

Thème 2 : Mouvements et interactions

Cinématique avancée et trajectoires

• Mouvement dans un champ de forces : Les élèves étudient les mouvements dans le champ de pesanteur terrestre et les mouvements circulaires, en incluant les forces centrifuge et centripète. Cette partie du programme est étroitement liée aux applications en mécanique céleste et en physique des systèmes orbitaux.
• Loi de la gravitation universelle : Exploration quantitative de la loi de la gravitation de Newton, avec une introduction aux notions de champ gravitationnel et de potentiel gravitationnel. Les élèves modélisent les trajectoires de satellites et de planètes pour comprendre les dynamiques astrophysiques.

Forces et principes de la dynamique

• Deuxième et troisième lois de Newton : Application des lois de la dynamique aux systèmes en interaction, en introduisant des systèmes à plusieurs corps pour analyser les forces d'interaction.
• Équilibre statique et dynamique : Étude des conditions d'équilibre d'un solide soumis à plusieurs forces, avec des exemples dans les domaines de l'architecture et de l'ingénierie structurelle.

Thème 3 : L'énergie : conversions et transferts

Travail et énergie dans les systèmes mécaniques

• Travail d'une force et théorème de l'énergie cinétique : Étude de l'influence du travail des forces sur l'énergie cinétique d'un système, avec des applications à des systèmes mécaniques complexes. Ce thème aborde la notion de conservation de l'énergie et les dissociations entre forces conservatives et dissipatives.
• Énergie potentielle et forces conservatrices : Analyse de l'énergie potentielle dans les systèmes sous l'influence de la gravité ou des forces électrostatiques, et introduction aux applications en physique des matériaux.

Énergie thermique et thermodynamique

• Premier principe de la thermodynamique : Les élèves apprennent à quantifier l'énergie interne, les échanges de chaleur et les travaux réalisés par un système. Ce thème introduit également les cycles thermodynamiques et leurs applications dans les machines thermiques.
• Enthalpie et transformations thermochimiques : Exploration des concepts d'enthalpie de réaction et de chaleur de formation, essentiels pour calculer les échanges d'énergie dans les transformations chimiques.

Conversion et rendement énergétique

• Rendement des dispositifs énergétiques : Les élèves calculent le rendement des dispositifs énergétiques, tels que les moteurs thermiques et les panneaux solaires, et découvrent l'importance de l'optimisation énergétique pour minimiser les pertes d'énergie.

Thème 4 : Ondes et signaux

Propagation et caractéristiques des ondes

• Ondes mécaniques et ondes électromagnétiques : Étude des différentes catégories d'ondes, de leur propagation dans divers milieux et de leurs propriétés physiques, telles que la fréquence, la période et la longueur d'onde. Ce thème intègre les notions de diffraction et d'interférence pour les ondes lumineuses.
• Modèle ondulatoire de la lumière et applications : Introduction au modèle ondulatoire pour expliquer les phénomènes optiques avancés, tels que la diffraction et les interférences, et application de ces concepts dans les domaines des télécommunications et de la médecine.

Ondes stationnaires et acoustique

• Phénomènes d'interférence et de résonance : Étude des ondes stationnaires dans les instruments de musique et dans les dispositifs acoustiques. Les élèves apprennent à modéliser des résonances pour comprendre les propriétés des objets vibrants et leur impact sur la qualité sonore.
• Applications en médecine et ingénierie sonore : Application des ondes sonores dans des technologies modernes comme l'imagerie par ultrasons, essentielle dans le domaine médical, et l'ingénierie acoustique.

Signal électrique et modulation

• Ondes porteuses et modulation de signal : Introduction aux principes de la modulation d'amplitude (AM) et de fréquence (FM) pour le codage des informations dans les ondes électromagnétiques. Les élèves apprennent comment ces techniques sont utilisées pour transmettre des données dans les systèmes de communication modernes.
• Numérisation et transmission des signaux : Étude des techniques de conversion analogique-numérique et numérique-analogique, qui constituent la base des systèmes de transmission d'information dans les réseaux et les télécommunications.