Sciences Physiques Et Chimiques En Laboratoire
Sciences physiques etchimiques en laboratoireClasse de première, voie technologique, sérieSTL, enseignement de spécialitéSciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL, classe depremière, voie technologique.
SommaireIntroduction générale3 Objectifs de formation3 Organisation des programmes3 Les compétences de la démarche scientifique4 Repères pour l’enseignement4 Mesure et incertitudes5Contenus disciplinaires7 Chimie et développement durable7 Image10 Instrumentation14 Ouverture vers le monde de la recherche ou de l’industrie etinitiation à la démarche de projet.17Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.2
Introduction générale Objectifs de formationDans la continuité de la classe de seconde générale et technologique, les programmes de physiquechimie des enseignements de spécialité de physique-chimie et mathématiques et de sciences physiqueset chimiques en laboratoire visent à former aux méthodes et démarches scientifiques en mettantparticulièrement en avant la pratique expérimentale et l'activité de modélisation. L'objectif est triple : donner une vision authentique de la physique et de la chimie ; permettre de poursuivre des études supérieures scientifiques et technologiques dans denombreux domaines ; transmettre une culture scientifique et ainsi permettre aux élèves de faire face aux évolutionsscientifiques et technologiques qu’ils rencontreront dans leurs activités professionnelles.Les élèves qui ont choisi l’enseignement de spécialité de sciences physiques et chimiques en laboratoireexpriment leur goût pour un enseignement scientifique qui prend appui sur la pratique expérimentaletelle qu’elle existe en laboratoire. La pratique expérimentale est donc centrale dans ce programme :l’objectif est de travailler l’analyse, la compréhension, la mise en œuvre et dans certains cas laconception de protocoles expérimentaux tout en développant les concepts liés aux notions physiques etchimiques qui leur sont associées. Dans ce cadre, les élèves sont formés à la maîtrise du gesteexpérimental, à l’utilisation des instruments de mesure et à l’estimation des incertitudes dans lecontexte des activités expérimentales. L’intégration des instruments de mesure dans des systèmes pluscomplexes conduit aussi à s’intéresser au traitement numérique des résultats de mesure, que ce soitpour valider l’utilisation d’un modèle, contrôler la qualité d’un produit ou réguler une grandeurphysique ou chimique dans un système technologique. Organisation des programmesCe programme est en continuité avec le programme de physique-chimie de la classe de secondegénérale et technologique dont il reprend les compétences de la démarche scientifique. Les thèmesretenus s’inscrivent en complémentarité avec le programme de physique-chimie et mathématiques decette classe de première STL. Le thème « Chimie et développement durable » aborde les synthèseschimiques et les analyses physico-chimiques en traitant systématiquement des règles de sécurité et del’impact environnemental. Le thème « Image » prend appui sur l’examen de l’appareil photographiquenumérique pour travailler les notions liées à la vision et à la synthèse des couleurs, et permet de faire lelien entre les caractéristiques d’une prise de vue (focale, ouverture et temps de pose) et lescaractéristiques de la photographie (angle et profondeur de champ) en exploitant le modèle de lalentille mince. Enfin, le thème « Instrumentation » s’intéresse à la conception et aux propriétés d’unechaîne de mesure et à son utilisation.Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.3
Une partie de l’horaire de cet enseignement est consacrée à la démarche de projet, l’objectif étant deles préparer, à partir d’études de cas ou de mini-projets, à construire des compétences qui leurpermettront de conduire un projet avec une plus grande autonomie en classe de terminale.Dans l’écriture des programmes, chaque thème comporte plusieurs parties : chacune d’elles présenteune introduction spécifique précisant les objectifs de formation. Cette introduction est complétée parun tableau en deux colonnes identifiant, d’une part, les notions et contenus abordés et, d’autre part, lescapacités exigibles, dont les capacités expérimentales, particulièrement importantes en série STL. Parailleurs, les capacités numériques associées aux notions et contenus sont mentionnées ; le langage deprogrammation conseillé est le langage Python. L’usage des microcontrôleurs peut aussi conduire àl’utilisation du langage de programmation dédié au système.L’organisation du programme n’impose pas la progression pédagogique qui relève de la libertépédagogique du professeur. Les compétences de la démarche scientifiqueLes compétences retenues pour caractériser la démarche scientifique visent à structurer la formation etl’évaluation des élèves. L’ordre de leur présentation ne préjuge en rien de celui dans lequel lescompétences seront mobilisées par l’élève dans le cadre d’activités. Quelques exemples de capacitésassociées précisent les contours de chaque compétence, l’ensemble n’ayant pas vocation à constituerun cadre rRéaliserValiderQuelques exemples de capacités associées Énoncer une problématique Rechercher et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée Représenter la situation par un schéma Formuler des hypothèsesProposer une stratégie de résolutionPlanifier des tâchesÉvaluer des ordres de grandeurChoisir un modèle ou des lois pertinentesChoisir, élaborer, justifier un protocoleFaire des prévisions à l'aide d'un modèleProcéder à des analogiesMettre en œuvre les étapes d’une démarcheUtiliser un modèleEffectuer des procédures courantes (calculs, représentations, collectes dedonnées etc.) Mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles desécurité Faire preuve d’esprit critique, procéder à des tests de vraisemblance Identifier des sources d’erreur, estimer une incertitude, comparer à une valeurde référenceSciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.4
Confronter un modèle à des résultats expérimentaux Proposer d’éventuelles améliorations de la démarche ou du modèleCommuniquerÀ l’écrit comme à l’oral : présenter une démarche de manière argumentée, synthétique et cohérente ;utiliser un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentationappropriés ; échanger entre pairs.Le niveau de maîtrise de ces compétences dépend de l’autonomie et de l’initiative requises dans lesactivités proposées aux élèves sur les notions et capacités exigibles du programme. La mise en œuvredes programmes est aussi l’occasion de développer le travail d’équipe et d’aborder avec les élèves desenjeux civiques mettant en jeu la responsabilité individuelle et collective, la sécurité pour soi et pourautrui, l’éducation à l’environnement et au développement durable. Repères pour l’enseignementDans le cadre de la mise en œuvre des programmes des enseignements de spécialité de sciencesphysiques et chimiques en laboratoire et de physique-chimie et mathématiques, l’approcheexpérimentale est essentielle ; elle permet l’acquisition de compétences propres et donne lieu à dessynthèses régulières pour structurer savoirs et savoir-faire, et pour les appliquer ensuite dans descontextes différents. Elle vise l’acquisition ou le renforcement de connaissances des lois et des modèlesphysiques et chimiques fondamentaux qui sont régulièrement confrontés à l’expérience. Elle formeaussi à la méthodologie de résolution de problèmes avec une entrée expérimentale. Chaque fois quecela est possible, une mise en perspective de ces savoirs avec l’histoire des sciences et l’actualitéscientifique est mise en œuvre.Le professeur est invité à privilégier la mise en activité des élèves pour construire leur autonomie etdévelopper le travail en équipe. Cette stratégie est essentielle lors de la formation des élèves à ladémarche de projet.Les évaluations, variées dans leurs formes et dans leurs objectifs, valorisent les compétences différentesde chaque élève. Une identification claire des attendus favorise l’autoévaluation des élèves. Uneattention particulière est portée au développement des compétences orales des élèves. Mesure et incertitudesLa pratique de laboratoire confronte les élèves à la conception, à la mise en œuvre et à l’analyse critiquede protocoles de mesures. Évaluer l’incertitude d’une mesure et caractériser la fiabilité et la validitéd’un protocole sont des éléments essentiels de la formation dans la série sciences et technologies delaboratoire. Ces notions sont transversales au programme de physique-chimie ; elles sont abordées enprenant appui sur le contenu de chacun des modules des enseignements de spécialité du programme duSciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.5
cycle terminal.En complément du programme de la classe de seconde générale et technologique, les programmes desenseignements de spécialité de la classe de première STL introduisent l’identification des sourcesd’erreurs ainsi que les notions de justesse et fidélité d’une mesure. L’approche statistique et l’évaluationde l’incertitude associée (type A) sont complétées par l’introduction de la notion de répétabilité.L’évaluation de type B d’une incertitude-type est abordée dans le cas d’une mesure effectuée avec uninstrument de mesure dont les caractéristiques sont données.La différence entre le résultat d’une mesure et la valeur de référence, si elle existe, est appréciée enl’évaluant en nombre d’incertitudes-types.Notions et contenuCapacités exigiblesSources d’erreurs.Identifier les principales sources d’erreurs lors d’unemesure.Variabilité de la mesure d’une grandeurphysique.Justesse et fidélité.Exploiter des séries de mesures indépendantes(histogramme, moyenne et écart-type) pour comparerplusieurs méthodes de mesure d’une grandeur physique,en termes de justesse et de fidélité.Dispersion des mesures, incertitude-typesur une série de mesures.Procéder à une évaluation de type A d’une incertitudetype.Incertitude-type sur une mesure unique.Procéder à une évaluation de type B d’une incertitudetype pour une source d’erreur en exploitant une relationfournie et/ou les notices constructeurs.Expression du résultat.Exprimer un résultat de mesure avec le nombre dechiffres significatifs adaptés et l’incertitude-typeassociée.Valeur de référence.Discuter de la validité d’un résultat en comparant ladifférence entre le résultat d’une mesure et la valeur deréférence d’une part et l’incertitude-type d’autre part.Capacités numériques :À l’aide d’un tableur ou d’un programme informatique : traiter des données expérimentales, représenter les histogrammes associés à desséries de mesures.Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.6
Contenus disciplinaires Chimie et développement durableSécurité et environnementLa chimie, science de la matière et de ses transformations, apporte des réponses aux défis que sepose l’humanité notamment en matière de gestion des ressources, dans une logique dedéveloppement durable. La connaissance toujours plus fine des propriétés des espèces chimiquesimplique une utilisation raisonnée de celles-ci dans le cadre de synthèses chimiques maîtrisées enmatière d’impact environnemental. Les travaux expérimentaux sont menés dans le respect constantdes règles de sécurité.Les capacités exigibles dans ce domaine « Sécurité et environnement » sont à travailler et à évaluertout au long de l’étude du thème « Chimie et développement durable ».Notions et contenusCapacités exigiblesRègles de sécurité aulaboratoire, équipement deprotection individuel (EPI). Connaître et appliquer les principales règles de sécurité auPictogrammes de sécurité,phrases H (hazardous) & P(precaution).laboratoire. Analyser et respecter les consignes de sécurité données dans unprotocole à l’aide des pictogrammes de sécurité, des phrases H&Pet des fiches de données de sécurité. Relever sur une FDS fournie les données relatives à la toxicité desFiches de données desécurité (FDS).espèces chimiques.Règlement CLP(classification, labelling andpackaging), stockage. Exploiter une étiquette conforme au règlement CLP pour en tirerRecyclage des substanceschimiques. Identifier et justifier le mode d’élimination d’une espèce chimiquePrincipes de la chimieverte, impactenvironnemental,économique et social. Appliquer les principes de la chimie verte pour choisir parmides informations sur les propriétés et le stockage d’une substancechimique.en se référant aux données de sécurité.différents procédés de synthèse ou d’analyse.Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.7
Synthèses chimiquesCette partie aborde les principales techniques de synthèse, de séparation et de purification, avec lescontrôles de pureté associés. Les réactions de la chimie organique mises en jeu sont supposéestotales et sont classées par type. La notion de réactif limitant est réinvestie pour déterminer lerendement d’une synthèse à partir des masses ou des volumes de réactifs. La notion d’hydrogènelabile est introduite en lien avec la notion de couple acide-base vue dans l’enseignement de spécialitéde physique-chimie et mathématiques.Notions et contenusCapacités exigiblesSynthèse d’un composéorganique. Choisir le matériel adapté pour prélever les réactifs nécessaires à unprotocole de synthèse donné. Justifier l’utilisation d’un montage à reflux et d’une ampoule decoulée.Capacités expérimentales : Prélever les réactifs pour une synthèse. Réaliser un montage à reflux ; utiliser une ampoule de coulée. Justifier le choix d’un solvant, pour extraire une espèce chimiqueExtraction, séparation etpurification.Distillation simple etrecristallisation.Contrôles de pureté,chromatographie surcouche mince (CCM).Rendement.d’un mélange réactionnel, à l’aide de données tabulées. Expliquer le principe d’une distillation simple. Expliquer le principe d’une recristallisation en justifiant le choix dusolvant utilisé.Capacités expérimentales : réaliser une distillation simple, unerecristallisation, une filtration, une filtration sous vide, une extractionpar solvant, un séchage. Expliquer le principe de la chromatographie sur couche mince. Commenter la pureté d’un produit à l’aide d’une observation(CCM).Capacités expérimentales : Effectuer une CCM et interpréter les chromatogrammes obtenus. Mesurer une température de fusion. Déterminer le réactif limitant d’une synthèse pour calculer lerendement en produit purifié en utilisant éventuellement untableau d’avancement.Réactions de synthèse. Déterminer le type d’une réaction (substitution, addition,Sites électrophiles etnucléophiles.élimination ou acide-base) à partir de l’examen de la structure desréactifs et des produits. Identifier les sites électrophiles et nucléophiles des différentsréactifs pour une synthèse donnée.Hydrogène labile. Identifier l’atome d’hydrogène labile dans les alcools et les acidescarboxyliques ; comparer leurs acidités en raisonnant sur lastabilisation des bases conjuguées par mésomérie.Formalisme des flèchescourbes pour représenter Représenter par des mouvements de doublets d’électrons leSciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.8
un mouvement de doubletd’électrons.Hydrogénation d’un alcène,d’un aldéhyde ou d’unecétone.Réactivité des alcools(élimination, substitution,propriétés acido-basiques).mécanisme d’une réaction d’un acide carboxylique avec l’ionhydroxyde ou un ion alcoolate. Écrire l’équation d’une réaction d’hydrogénation. Déterminer la formule des produits résultant de la déshydratationd’un alcool. Interpréter un mécanisme réactionnel fourni pour la transformationd’un alcool et écrire l’équation de la réaction correspondante. Repérer un catalyseur dans une transformation donnée.Capacité expérimentale : réaliser une synthèse à partir d’un alcool.Analyses physico-chimiquesIl s’agit de caractériser et de quantifier les espèces chimiques dans différents milieux et à desconcentrations parfois très faibles. Les techniques d’analyse, qualitatives et quantitatives, sont misesen œuvre et exploitées par les élèves. Les concepts liés à la mesure et aux incertitudes associées sontdéveloppés dans le cadre de ces techniques d’analyse. Les résultats des mesures sont exprimés avecun nombre adapté de chiffres significatifs.Notions et contenusCapacités exigiblesTests d’identification,témoin. Utiliser une banque de données pour exploiter les résultats d’uneanalyse qualitative d’ions.Capacité expérimentale : détecter la présence d’un ion, choisir untémoin pertinent pour effectuer une analyse qualitative.Propriétés physiquesd’espèces chimiques :températures dechangement d’état, massevolumique.Interaction rayonnementmatière.Spectroscopies UV-visible,IR.Dosages par étalonnagespectrophotométrique.Capacité expérimentale : évaluer la température d’un changementd’état et la masse volumique d’une espèce chimique. Relier la structure moléculaire au type de rayonnement absorbé :UV, visible ou IR. Relier la couleur perçue à la longueur d’onde du rayonnementabsorbé. Utiliser des banques de données pour identifier ou confirmer desstructures à partir de spectres. Connaître et utiliser la loi de Beer-Lambert et ses limites.Capacité expérimentale : concevoir et mettre en œuvre un protocolepour déterminer la concentration d’une solution à l’aide d’unegamme d’étalonnage.Capacité numérique : tracer et exploiter une courbe d’étalonnage àl’aide d’un tableur.Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL,classe de première, voie technologique.9
Dosages directs par titrage(l’équation de la réactionsupport étant donnée etsupposée totale). Définir l’équivalence lors d’un dosage. Déterminer les concentrations des espèces présentes dans lemilieu réactionnel au cours du dosage en utilisant éventuellementun tableau d’avancement. Déterminer la valeur de la concentration d’une solution inconnue. Déterminer le volume à l’équivalence en exploitant une courbe dedosage pH-métrique. Estimer une valeur approchée de pKa par analyse d’une courbe dedosage pH-métrique.Capacités expérimentales : Estimer la valeur du volume à l’équivalence. Réaliser un dosage par changement de couleur. Réaliser un dosage pH-métrique. Repérer une équivalence. Exploiter les incertitudes-types, obtenues par une évaluation detype A, pour comparer un dosage pH-métrique et un dosage avecindicateur coloré.Capacités numériques : tracer une courbe de dosage pH-métrique etdéterminer le volume à l’équivalence à l’aide d’un logiciel. ImageLa partie introductive de ce thème traite des aspects historiques de l’image et sensibilise les élèves audroit à l’image.Dans la partie « Image, couleur et vision », l’étude d’un modèle optique simple de l’œil permet deréinvestir les notions d’optique géométrique abordées en classe de seconde. La description de larétine en cellules photoréceptrices permet de préciser le rôle des cônes et bâtonnets dans la visionhumaine. La perception des couleurs est interprétée à l’aide des courbes d’absorption des cônes et lacouleur d’un objet est analysée en exploitant le modèle colorimétrique RVB. La présentation de lasynthèse des couleurs, additive pour les écrans ou soustractive pour l'impression en couleurs, accordeune large place à l’expérience et à l’utilisation d’outils de simulation numérique pour expliquer etdistinguer ces deux types de synthèse.La partie « Images photographiques » vise à consolider et à approfondir les notions d’optiquegéométriqu
Sciences physiques et chimiques en laboratoire, enseignement de spécialité STL, classe de première, voie technologique. 4 Une patie de l’hoaie de et enseignement est consacrée à la démahe de pojet, l’o jetif étant de les pépae, à pati d’études de as ou de mini -projets, à construire des compétences qui leur
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