Introduction et rappels, enseignement scientifique classe de terminale

I. Introduction et rappels, enseignement scientifique classe de terminale

1) Caractéristiques d’une  onde électromagnétique

Une onde électromagnétique est une perturbation locale des champs électrique   et magnétique  qui se propage de proche en proche à la vitesse de c=300000km/s dans le vide.

Exercice Un faisceau laser, en 1969, fut envoyé vers un miroir disposé sur la Lune. Il mit 2,56 secondes pour revenir depuis la Lune. Quelle est la distance Terre-Lune ?  Réponse La lumière parcourt deux fois la distance Terre-Lune On a alors la relation v=2.d/t. On en déduit la distance d=(v.t)/2 L’application numérique donne d=(300000.2,56)/2=384000km

2)  Célérité, longueur d’onde et spectre visible La longueur d’onde λ(m) pour une onde est la distance qui sépare deux maximums consécutifs de cette onde. La période T(s) d’une onde est la durée d’une oscillation de cette onde. La fréquence ν(Hz) ( ou F) de cette onde est le nombre d’oscillations par seconde qu’elle effectue .

·         La relation qui lie la
période T avec la fréquence ν est :      T=1/
ν

·         Une onde parcourt la distance λ pendant la durée T, sa célérité, c,
est donc :

 c= λ/T ou  c= λ. ν

Exercice :
La bande visible des ondes électromagnétique par un œil humain se nomme la lumière, sa longueur d’onde est comprise entre λmini =400nm et λMaxi= 800nm. Déterminer les fréquences minimale :   νmini  et maximale : νMaxi correspondantes. 

On a la relation c= λ. ν , on en déduit ν= c / λ
L’application numérique donne
 νmini ==c/ λMaxi=3.108/8.10-7=3,75.1014Hz
 νMaxi== c/ λmini =3.108/4.10-7=7,5.1014Hz

II. Les lois de l’électricité

1) Représentations de dipôles usuels

 Les différents composants essentiels d’un circuit électrique sont représentés par les symboles suivants :

2)  Les différents composants essentiels d’un circuit électrique sont représentés par les symboles suivants :

a. Convention récepteur 

Pour mesurer une tension U(V), on branche un voltmètre en dérivation. On mesure alors une différence de potentielle entre deux points (A et B). Cette tension mesurée, est symbolisée par une flèche avec le symbole de la tension électrique : U ou UAB . Le sens de la flèche du courant électrique I est toujours opposé à celui de celle de la tension électrique U. (La borne V du voltmètre correspond à la pointe de la flèche, la borne COM à sa base).

b. Convention générateur  

La convention générateur s’applique à un générateur qui délivre un courant électrique, les flèches de la tension électrique et du courant électrique sont dans le même sens.

c. Un dipôle particulier : la résistance 

Pour une résistance R(Ω) la tension électrique U(V) est proportionnelle au courant électrique I(A) qui la traverse. Cette particularité se retrouve par une caractéristique courant-tension qui forme une droite qui passe par l’origine et la relation : U=R.I

Exercice

Quelle est la valeur de la résistance dont la caractéristique est représentée ci-contre :

Graphiquement au point A pour U=20V on a I=0,04A
On en déduit R=U/I=500Ω

d. Caractéristique et point de fonctionnement

Les   caractéristiques d’un dipôle générateur et d’un dipôle récepteur permettent de déterminer le point de fonctionnement, P , lorsqu’ils sont branchés l’un sur l’autre. Soit on obtient la tension à leurs bornes et le courant qui les traverse grâce au point d’intersection des deux caractéristiques.

Exercices

Quels sont les valeurs du courant électrique qui traverse le générateur et la résistance et quelle est la valeur de la tension à leurs bornes ?

Graphiquement
Uf=6V  et If=20mA

 

3)      Les lois de
l’électricité

a) la loi des mailles

Dans un montage en série la sommes des tensions aux bornes des
dipôles récepteurs est égale à celle aux bornes du générateur.
Cette loi est celle de l’additivité des tensions (vue en
quatrième). On peut également obtenir le même
résultat par la loi des mailles (vue en seconde) : La somme
des tensions algébriques des tensions le long d’une maille qui doit être
nulle.

Loi d’additivité des
tensions 

La tension aux bornes du générateur U est égale à la somme des tensions aux bornes des
dipôles du circuit U₁ et U₂  :

                                    U=U₁+U₂

·         Loi des mailles

Dans la maille, ou boucle
ci-dessus, on choisit un sens de rotation arbitraire. Toutes les flèches
de tensions rencontrées lors du parcours de la maille qui sont dans le
sens de rotation sont comptées comme positives et toutes celles
rencontrées dans le sens contraire de rotation sont comptées
comme négatives. La somme algébrique de toutes les tensions rencontrées
est nulle

soit : -U+U₁+U₂=0      et  on retrouve la relation : U=U₁+U₂

b) la loi des nœuds

Dans un montage en dérivation la sommes des courants
électriques des différentes branches correspond au courant
électrique dans la branche principale, cette loi est la loi d’additivité
des courants électriques (vue en quatrième). Elle correspond
à la loi des nœuds (vue en seconde) : La sommes des
courants électriques qui parviennent à un nœud est
égale à la somme de ceux qui en repartent.

·         Loi d’additivité des
courants électriques

le courant dans la branche principale( celle
qui contient le générateur) est égal à la somme des
courants dans les branches dérivées Soit I=I₁+I₂

·         Loi des nœuds  

Le courant qui arrive au nœud A est I, les courants qui en repartent sont I₁et I₂ , on en déduit que : I=I₁+I₂

Exercice

Déterminer la valeur de la
résistance R si  U₂=5V
E=10V et i₁=i₂=50mA  

On applique la loi des mailles :
E-U₁-U₂=0. Soit U₁=E-U₂=5V
On applique la loi des nœuds en A : I=I₁+I₂ On en déduit : I=100mA
On applique la loi d’ohm U₁=R.I
On en déduit :  R=U1/I=5/0,1=50 Ω

III. Les réactions
chimiques

1.       Quelques espèces
chimiques

Nom	Diazote	Dioxygène	Dioxyde de carbone	Méthane	Ozone	Dioxyde de soufre	Protoxyde d’azote	Fer
Formule	N2	O2	CO2	CH4	O3	SO2	N20	Fe

2.       Réaction
d’oxydation

Lors d’une réaction d’oxydation un
réactif perd des électrons au profit d’un oxydant comme
l’oxygène, exemple de l’oxydation du fer pour former l’oxyde ferrique
soit de la rouille

4 Fe +3O₂→2Fe₂O₃

Exercice

Le métal fer réagit avec le
dioxygène pour former aussi  de la
magnétite Fe₃O₄ donner l’équation bilan

3 Fe(s) +2O_2(g) →Fe3O_4(s)

3.       Réaction de
combustion

Une combustion (qui est  également une réaction
d’oxydation) est  la réaction d’un
combustible avec  un comburant,  elle se fait généralement  avec le dioxygène de l’air et forme en
général de l’eau et du dioxyde de carbone

Exercice

Le méthane (le combustible)
réagit avec le dioxygène ( le comburant)   pour former de l’eau et du dioxyde de
carbone, en dégageant une importante quantité de chaleur  donner l’équation bilan  de cette réaction chimique

CH_4(g)+2O_2(g)→ CO_2(g)+2H₂O_(g)

 

IV. Energie et puissance

1. L’énergie

a. définition

L’énergie est la capacité d’un
système à produire du mouvement ou  de la chaleur ou de la lumière ou de
modifier un état. Son unité standard est le Joule(J).

b.       Les formes d’énergies

• L’énergie cinétique qui
  provient du mouvement d’un objet
• L’énergie potentielle qui
  provient de l’altitude d’un objet.
• L’énergie chimique due aux
  liaisons entre les atomes des  molécules.
• L’énergie nucléaire provient
  des liaisons entre les nucléons des atomes.
• L’énergie thermique due
  à l’agitation des molécules et atomes.
• L’énergie radiative due aux
  rayonnements électromagnétiques.

c.        Les sources d’énergie 

• Les sources d’énergies
  fossiles (pétrole, charbon et gaz) viennent de la décomposition
  d’êtres vivants.
• La source d’énergie
  éolienne provient de l’énergie cinétique du vent.
• La source d’énergie de la
  géothermie provient de à l’énergie thermique du sous-sol
  terrestre.
• La source d’énergie
  nucléaire provient des noyaux radioactifs.

d.      Les conversions
d’énergies

Un convertisseur transforme une forme
d’énergie en une autre forme d’énergie, lors de cette conversion
l’énergie globale se conserve. On définit :

• L’énergie absorbée
  comme celle qui entre dans le convertisseur.
• L’énergie utile comme
  l’énergie que distribue le convertisseur.
• L’énergie perdue est l’énergie
  thermique dissipée par le convertisseur 
• Le rendement d’un convertisseur
  est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie absorbée

 Exercice

On a donné ci-contre le schéma de la conversion
d’énergie effectuée par une lampe à incandescence, donner
son rendement

Par définition
 r=E_utile/E_absorbée
L’application numérique donne :
r=10/100(x100)=10%

e.       Les transferts d’énergie
thermique

On peut transférer de l’énergie
thermique par conduction, par convection et par rayonnement

  La
puissance

a) définition

La puissance P(W) est l’énergie E(J) transférée par unité de temps,
t(s). On en déduit la relation :

P=E/t  ou   E=P.t

Il existe une autre unité plus usuelle
de puissance comme le kW  et d’énergie comme le  kW.h

Exercice

Une lampe de 300W fonctionne pendant 20
minutes quelle énergie consomme-t-elle en joule et en kilowattheure ?

On applique la relation E=P.t avec P=500W et t=
20.60=1200s
On obtient E(J)= 600000J
Pour obtenir E(kW.h) on applique la relation
EkW.h)=E(J)/3,6.106 on obtient alors E(kW.h)=0,167kW.h
On peut utiliser une autre méthode : avec
P=0,5kW  et t=1/3h , on retrouve alors la même valeur.

 

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