Physique Chimie

Objectifs du programme de spécialité physique-chimie en Première

En Première de la voie générale, les élèves qui suivent l’enseignement de spécialité de physique-chimie expriment leur goût des sciences et font le choix d’acquérir les modes de raisonnement inhérents à une formation par les sciences expérimentales. Ils se projettent ainsi dans un parcours qui leur ouvre la voie des études supérieures relevant des domaines des sciences expérimentales, de la médecine, de la technologie, de l’ingénierie, de l’informatique, des mathématiques…
Le programme de physique-chimie de Première s’inscrit dans la continuité de celui de Seconde, en promouvant la pratique expérimentale et l’activité de modélisation et en proposant une approche concrète et contextualisée des concepts et phénomènes étudiés. La démarche de modélisation y occupe donc une place centrale pour former les élèves à établir un lien entre le «monde» des objets, des expériences, des faits et celui des modèles et des théories. Aussi, l’enseignement proposé s’attache-t-il à poursuivre l’acquisition des principaux éléments constitutifs de cette démarche.

Compétences associées au programme de spécialité physique-chimie en Première

Pendant son apprentissage de la spécialité Physique-Chimie, l’élève de Première est amené à développer certaines compétences liées à la démarche scientifique. Ces compétences sont illustrées par plusieurs exemples de capacités :

  • Énoncer une problématique
  • Rechercher et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée
  • Représenter la situation par un schéma
  • Formuler des hypothèses
  • Proposer une stratégie de résolution
  • Planifier des tâches
  • Évaluer des ordres de grandeur
  • Choisir un modèle ou des lois pertinentes
  • Choisir, élaborer, justifier un protocole
  • Faire des prévisions à l’aide d’un modèle
  • Procéder à des analogies
  • Mettre en œuvre les étapes d’une démarche
  • Utiliser un modèle
  • Effectuer des procédures courantes (calculs, représentations, collectes de données, etc.)
  • Mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles de sécurité
  • Faire preuve d’esprit critique, procéder à des tests de vraisemblance
  • Identifier des sources d’erreur, estimer une incertitude, comparer à une valeur de référence
  • Confronter un modèle à des résultats expérimentaux
  • Proposer d’éventuelles améliorations de la démarche ou du modèle

À l’écrit comme à l’oral :  

  • présenter une démarche de manière argumentée, synthétique et cohérente
  • utiliser un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentation appropriés
  • échanger entre paire

Organisation du programme de spécialité physique-chimie de Première

Le programme de spécialité physique-chimie en Première s’organise à partir des 4 thèmes étudiés au collège et en Seconde :

  • Constitution et transformations de la matière
  • Mouvement et interactions
  • L’énergie : conversions et transferts
  • Ondes et signaux

Les thèmes ci-dessus s’appuient sur des situations de la vie quotidienne pour permettre une compréhension de notions clés, liées à la physique-chimie mais aussi à d’autres disciplines scientifiques :

  • Notions transversales (modèles, variations et bilans, réponse à une action…).
  • Notions liées aux valeurs des grandeurs (ordres de grandeur, mesures et incertitudes, unités…).
  • Dispositifs expérimentaux et numériques (capteurs, instruments de mesure, microcontrôleurs…).
  • Notions mathématiques (situations de proportionnalité, grandeurs quotient, puissances de dix, fonctions, vecteurs…).
  • Notions en lien avec les sciences numériques (programmation, simulation…)

Constitution et transformations de la matière

Cette partie particulièrement riche en termes de contenu, permet d’étudier la transformation d’un système et la modélisation microscopique de la matière, tout en fournissant une première approche de la chimie organique. Elle s’organise de la manière suivante :

Suivi de l’évolution d’un système, siège d’une transformation

  • Détermination de la composition du système initial à l’aide de grandeurs physiques
  • Suivi et modélisation de l’évolution d’un système chimique
  • Détermination d’une quantité de matière grâce à une transformation chimique

De la structure des entités aux propriétés physiques de la matière

  • De la structure à la polarité d’une entité
  • De la structure des entités à la cohésion et à la solubilité/miscibilité d’espèces chimiques

Capacités associées

  • Établir le schéma de Lewis de molécules et d’ions mono ou polyatomiques, à partir du tableau périodique.
  • Interpréter la géométrie d’une entité à partir de son schéma de Lewis.
  • Utiliser des modèles moléculaires ou des logiciels de représentation moléculaire pour visualiser la géométrie d’une entité.

Propriétés physico-chimiques, synthèses et combustions d’espèces chimiques organiques

  • Structure des entités organiques
  • Synthèses d’espèces chimiques organiques
  • Conversion de l’énergie stockée dans la matière organique

Capacités associées

  • Identifier, à partir d’une formule semi-développée, les groupes caractéristiques associés aux familles de composés : alcool, aldéhyde, cétone et acide carboxylique
  • Justifier le nom associé à la formule semi-développée de molécules simples possédant un seul groupe caractéristique et inversement.
  • Exploiter, à partir de valeurs de référence, un spectre d’absorption infrarouge
  • Identifier, dans un protocole, les étapes de transformation des réactifs, d’isolement, de purification et d’analyse (identification, pureté) du produit synthétisé. Justifier, à partir des propriétés physico-chimiques des réactifs et produits, le choix de méthodes d’isolement, de purification ou d’analyse.
  • Déterminer, à partir d’un protocole et de données expérimentales, le rendement d’une synthèse.
  • Schématiser des dispositifs expérimentaux des étapes d’une synthèse et les légender.
  • Écrire l’équation de réaction de combustion complète d’un alcane et d’un alcool.
  • Estimer l’énergie molaire de réaction pour une transformation en phase gazeuse à partir de la donnée des énergies des liaisons.
  • Mettre en œuvre une expérience pour estimer le pouvoir calorifique d’un combustible.
  • Citer des applications usuelles qui mettent en œuvre des combustions et les risques associés.

Mouvement et interactions

La mécanique représente un enseignement particulièrement intéressant pour l’élève en termes d’observation et d’expérience, mais aussi d’un point de vue conceptuel et méthodologique.
Cette partie s’organise en 3 segments principaux :

  • Interactions fondamentales et introduction à la notion de champ
  • Description d’un fluide au repos
  • Mouvement d’un système

Capacités associées

  • Mettre en œuvre un dispositif permettant d’illustrer l’interaction électrostatique.
  • Utiliser un dispositif permettant de repérer la direction du champ électrique.
  • Mesurer une pression dans un gaz et dans un liquide.
  • Mettre en œuvre un dispositif expérimental permettant de collecter des données sur un mouvement (vidéo, chronophotographie…).

L’énergie : conversions et transferts

Dans cette partie, l’élève de première étudie en détails les phénomènes électriques et mécaniques, cette deuxième partie s’inscrivant directement dans le prolongement du thème “Mouvement et interactions” :

  • Aspects énergétiques des phénomènes électriques
  • Aspects énergétiques des phénomènes mécaniques

Capacités associées

  • Relier intensité d’un courant continu et débit de charges.
  • Expliquer quelques conséquences pratiques de la présence d’une résistance dans le modèle d’une source réelle de tension continue.
  • Citer quelques ordres de grandeur de puissances fournies ou consommées par des dispositifs courants.
  • Définir le rendement d’un convertisseur.
  • Évaluer le rendement d’un dispositif.
  • Utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un système modélisé par un point matériel.
  • Énoncer et exploiter le théorème de l’énergie cinétique.
  • Établir et utiliser l’expression de l’énergie potentielle de pesanteur pour un système au voisinage de la surface de la Terre.
  • Calculer le travail d’une force de frottement d’intensité constante dans le cas d’une trajectoire rectiligne.
  • Identifier des situations de conservation et de non conservation de l’énergie mécanique.
  • Exploiter la conservation de l’énergie mécanique dans des cas simples : chute libre en l’absence de frottement, oscillations d’un pendule en l’absence de frottement, etc.
  • Utiliser la variation de l’énergie mécanique pour déterminer le travail des forces non conservatives.
  • Capacité numérique : Utiliser un langage de programmation pour effectuer le bilan énergétique d’un système en mouvement.
  • Capacité mathématique : Utiliser le produit scalaire de deux vecteurs.

Ondes et signaux

Ce thème aborde les différents types d’ondes en introduisant la double périodicité et la notion de longueur d’onde, qui peuvent s’appliquer à de nombreux domaines (médecine, musique, audiométrie…). Sont étudiées également les relations algébriques relatives à la formation d’une image et les deux modèles de la lumière. Cette partie est structurée de la manière suivante :

  • Ondes mécaniques
  • La lumière : images et couleurs, modèles ondulatoire et particulaire
    – Images et couleurs
    – Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière

Capacités associées

  • Exploiter les relations de conjugaison et de grandissement fournies pour déterminer la position et la taille de l’image d’un objet-plan réel.
  • Déterminer les caractéristiques de l’image d’un objet-plan réel formée par une lentille mince convergente.
  • Utiliser le théorème de Thalès. Utiliser des grandeurs algébriques.
  • Choisir le modèle de la synthèse additive ou celui de la synthèse soustractive selon la situation à interpréter.
  • Interpréter la couleur perçue d’un objet à partir de celle de la lumière incidente ainsi que des phénomènes d’absorption, de diffusion et de transmission.
  • Prévoir le résultat de la superposition de lumières colorées et l’effet d’un ou plusieurs filtres colorés sur une lumière incidente.
  • Utiliser une échelle de fréquences ou de longueurs d’onde pour identifier un domaine spectral.
  • Citer l’ordre de grandeur des fréquences ou des longueurs d’onde des ondes électromagnétiques utilisées dans divers domaines d’application (imagerie médicale, optique visible, signaux wifi, micro-ondes…).
  • Utiliser l’expression donnant l’énergie d’un photon.

Le programme très complet de la spécialité physique-chimie en Première entre dans la continuité de l’enseignement de Seconde, et prépare les élèves à un niveau de difficulté supplémentaire en Terminale, pour ceux qui choisiront de poursuivre cette spécialité. En choisissant la physique-chimie, les élèves de Première développent leur goût pour les sciences, acquièrent des modes de raisonnement propres à une formation par les sciences expérimentales, et se préparent à des études supérieures dans des domaines tels que la médecine, l’ingénierie, la technologie…

Analyse du programme de physique-chimie de Première

Tout comme le programme de Seconde, la refonte du lycée laisse place à une restructuration complète quant à l’agencement du programme de Première en physique-chimie. Par son organisation également séquentielle autour de plusieurs thèmes d’étude (Constitution et analyse de la matière ; Mouvement et interactions ; L’énergie : conversion et transfert ; Ondes et signaux) ; le contenu du programme de Première spécialité s’inscrit dans la continuité de celui de Seconde. De plus, la plupart des notions traitées s’appuient sur des savoirs et compétences dont les fondements ont été enseignés pendant l’année de Seconde. Réussir sa spécialité nécessitera par conséquent des bases de Seconde solides (on visera une moyenne planchée à 12/20 durant l’année de Seconde pour pouvoir appréhender la classe de Première sereinement).
On constate également un programme plus exigeant ; faisant écho aux diverses enquêtes alarmantes sur le niveau actuel des élèves français en sciences ; niveau qui n’a cessé de chuter depuis la dernière réforme du lycée. Ainsi des «compétences mathématiques» apparaissent au sein des capacités exigibles, dont nous savons que certaines d’entre elles (utilisation des vecteurs, produit scalaire, trigonométrie) posent généralement des difficultés.
Toutefois le nombre d’heures d’enseignement augmentant (4H au lieu de 3H) ; on s’attend à ce que l’élévation du niveau d’exigence soit moins difficile à absorber que pour la nouvelle classe de Seconde.
On note l’introduction de compétences numériques (initiation à un langage de programme, utilisation de microcontrôleur en activité expérimentale) qui vont certainement changer la physionomie des travaux de laboratoire tels qu’ils sont effectués actuellement.

Bilan du programme de physique-chimie en classe de Première

  • Un programme de Première plus complet dans la diversité des thèmes traités et avec des «capacités mathématiques» clairement identifiées.
  • Beaucoup moins de modifications, à la fois dans les notions et dans l’esprit, que pour le niveau Seconde.
  • La partie «Énergie» est grandement enrichie (travail d’une force et théorème de l’énergie cinétique).
  • Une introduction à la statique des fluides.
  • La maîtrise des outils mathématiques fondamentaux (vecteurs, trigonométrie, calculs en chimie…) sera davantage encore l’un des marqueurs de réussite de la classe de Première.
  • Un programme de Première globalement plus exigeant mais dont l’augmentation du volume horaire semble permettre une répartition raisonnable des efforts.
  • De nombreuses notions descendent du niveau Terminale («ondes mécaniques» et «titrages» notamment) de l’ancien programme ; laissant penser que le nouveau programme de Terminale comportera des notions de l’actuel programme de math sup.