Bulletin officiel n^o 25 du 22 juin 2023 · Première générale

L’enseignement scientifique en première, côté physique-chimie

Quatre thèmes partagés entre physique-chimie et SVT, un projet expérimental commun. Pour chaque sous-thème : les savoirs et savoir-faire exigibles du programme 2023, les activités correspondantes du manuel Hatier, et ce qui a changé depuis le programme de 2019 sur lequel ce manuel a été écrit.

4thèmes

9sous-thèmes PC ou partagés

12 hde projet expérimental

1 hpar semaine côté PC

Horaire

2 h par semaine pour tous les élèves de première générale, partagées entre un professeur de physique-chimie et un professeur de SVT : soit 1 h + 1 h toute l’année, soit 2 h en alternance par période.

Les élèves sans spécialité mathématiques ont en plus 1 h 30 de mathématiques intégrées, assurées par un professeur de mathématiques.

Évaluation

Pas d’épreuve terminale : contrôle continu, coefficient 3 en première et 3 en terminale. Une seule moyenne d’enseignement scientifique au bulletin, à construire avec le collègue de SVT.

Pour les élèves en mathématiques intégrées, les notes de mathématiques comptent pour 40 % de la moyenne annuelle de première.

Programme

Le programme en vigueur est celui du BO du 22 juin 2023. Il demande de traiter les contenus d’au moins trois des quatre thèmes, plus le projet expérimental et numérique d’une douzaine d’heures.

Le manuel Hatier (édition 2019) suit le programme de 2019 : les écarts sont signalés sous-thème par sous-thème.

Thème 1

Une longue histoire de la matière

La diversité de la matière dans l’Univers se décrit à partir d’un petit nombre de particules élémentaires, dont l’organisation conduit à des unités de plus en plus complexes, du Big Bang à l’apparition de la vie. Le thème fait observer et décrire à toutes les échelles, et montre qu’une théorie se propose, se discute, s’amende et parfois se réfute.

Ce que vise le thème

Observer et décrire à toutes les échelles de taille, d’espace et de temps ; comprendre que la connaissance de l’Univers convoque plusieurs disciplines et qu’elle évolue ; situer l’apparition de la vie comme un évènement marquant et distinguer vivant et non-vivant.

Côté physique-chimie

1.1 Les éléments chimiques : nucléosynthèse, abondances, radioactivité, demi-vie, datation. 1.2 Les cristaux : du chlorure de sodium à la maille, propriétés macroscopiques, solides amorphes.

Côté SVT

1.2 Les cristaux, versant minéraux, roches et structures cristallines du vivant. 1.3 La cellule vivante : théorie cellulaire, échelles, membrane plasmique, échanges.

1.1

Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

PC Hatier · chapitre 1 · p. 22

Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue ? La question mène aux noyaux atomiques et à leurs transformations, et fournit l’occasion d’introduire un modèle mathématique d’évolution discrète. Dans sa proposition de progression, le manuel place ce chapitre du côté SVT : c’est pourtant le sous-thème le plus « physique » du thème, à répartir avec le collègue.

Savoirs

Les noyaux des atomes de la centaine d’éléments chimiques stables résultent de réactions nucléaires qui se produisent au sein des étoiles à partir de l’hydrogène initial.
La matière connue de l’Univers est formée principalement d’hydrogène et d’hélium ; la Terre surtout d’oxygène, d’hydrogène, de fer, de silicium et de magnésium ; les êtres vivants de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote.
Certains noyaux sont instables et se désintègrent (radioactivité). L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est aléatoire.
La demi-vie d’un noyau radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique se soit désintégrée. Elle est caractéristique du noyau considéré.

Savoir-faire

Produire et analyser différentes représentations graphiques de l’abondance des éléments chimiques (proportions) dans l’Univers, la Terre, les êtres vivants.
L’équation d’une réaction nucléaire stellaire étant fournie, reconnaître si celle-ci relève d’une fusion ou d’une fission.
Calculer le nombre de noyaux restants au bout de n demi-vies.
Utiliser une représentation graphique pour déterminer une demi-vie.
Utiliser une décroissance radioactive pour une datation.
Expliquer l’utilisation de noyaux radioactifs dans un contexte médical. Nouveau 2023
Citer quelques précautions inhérentes à l’utilisation de substances radioactives. Nouveau 2023

Liens avec les mathématiques

Tableaux croisés et représentations de données ; calcul algébrique ; phénomènes aléatoires ; lectures graphiques (résolution d’équations et d’inéquations, images et antécédents) ; suites géométriques à termes strictement positifs, décroissance exponentielle.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 Les éléments chimiques dans l’Univers p. 24
Act. 2 La radioactivité p. 26
Act. 3 La datation par la radioactivité p. 28

Mémoriser l’essentiel p. 30 · S’exercer p. 32

À compléter

Le manuel ne traite ni l’usage médical des noyaux radioactifs (imagerie, radiothérapie) ni les précautions de radioprotection : deux attendus ajoutés en 2023, à apporter par un document.

1.2

Des édifices ordonnés : les cristaux

PC + SVT Hatier · chapitre 2 · p. 36

L’organisation moléculaire étant connue, on aborde une autre forme d’organisation de la matière : l’état cristallin, majeur pour la connaissance de la nature (minéraux, roches, squelettes) comme pour ses applications techniques. Répartition usuelle : la structure cristalline côté PC, les minéraux, les roches et les cristaux du vivant côté SVT.

Savoirs

Le chlorure de sodium solide (présent dans les roches ou issu de l’évaporation de l’eau de mer) est constitué d’un empilement régulier d’ions : c’est l’état cristallin. Plus généralement, la structure microscopique d’un cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, notamment la masse volumique.
Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures. Les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline. Une roche est formée de l’association de cristaux d’un même minéral ou de plusieurs minéraux.
Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul, etc.).
Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidification très rapide d’une lave.

Savoir-faire

Utiliser une représentation en trois dimensions informatisée du cristal de chlorure de sodium.
Relier l’organisation de la maille au niveau microscopique à la structure du cristal au niveau macroscopique.
Distinguer, en matière d’échelle et d’organisation spatiale, atome ou molécule, maille, cristal, minéral, roche.
Identifier des structures cristallines sur un échantillon ou une image.
Identifier des structures cristallines chez les êtres vivants. Nouveau 2023
Mettre en relation la structure amorphe ou cristalline d’une roche et les conditions de son refroidissement.

Liens avec les mathématiques

Représentation dans l’espace, perspective cavalière ; grandeurs et mesures ; grands nombres, petits nombres, puissances de 10.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 L’organisation de la matière dans les solides p. 38
Act. 2 Décrire et caractériser les solides cristallins p. 40 À alléger
Act. 3 Les roches, associations de minéraux p. 42
Act. 4 Les roches : structure et conditions de formation p. 44

Mémoriser l’essentiel p. 46 · S’exercer p. 48

À ajuster

Les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées, la compacité et le calcul de masse volumique à partir de la maille ne sont plus exigibles : de l’Act. 2, garder le passage de la maille au cristal et le lien qualitatif avec la masse volumique.

1.3

Une structure complexe : la cellule vivante

SVT Hatier · chapitre 3 · p. 54

Contenu

Théorie cellulaire et invention du microscope ; ordres de grandeur de l’atome à l’organisme ; la cellule comme milieu réactionnel aqueux séparé par la membrane plasmique ; échanges avec l’environnement ; statut des virus ; molécules exogènes et dysfonctionnements. Activités du manuel p. 56, 58 et 60.

Point de contact avec la PC

La chaîne d’échelles atome, molécule, organite, cellule, organisme prolonge celle du sous-thème 1.2 (atome, maille, cristal, minéral, roche) ; en 2023, le programme a retiré la description moléculaire de la membrane (bicouche, parties hydrophile et lipophile).

Thème 2

Le Soleil, notre source d’énergie

La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil. Les variations géographiques et calendaires de l’énergie reçue conditionnent la température de surface, les climats et les saisons ; cette énergie est indispensable au vivant et à l’origine de nombreuses sources d’énergie utilisables par l’être humain. Le bilan radiatif construit ici sera perturbé, en terminale, par les activités humaines.

Ce que vise le thème

Comprendre que l’énergie solaire reçue et absorbée à la surface du globe dépend de nombreux paramètres ; relier la photosynthèse aux échanges d’énergie entre les êtres vivants et à l’origine des combustibles fossiles ; distinguer sources d’énergie renouvelables et non renouvelables.

Côté physique-chimie

2.1 Le rayonnement solaire : fusion, corps noir, lois de Wien et de Stefan, puissance reçue selon l’heure, la saison et la latitude. 2.2 Le bilan radiatif : albédo, effet de serre, équilibre dynamique. 2.4 Sources d’énergie, pouvoirs calorifiques (partagé).

Côté SVT

2.3 Photosynthèse, alimentation et équilibre alimentaire. 2.4 Combustibles fossiles et biomasse (partagé). Le manuel isole encore un chapitre « bilan thermique du corps humain » (ch. 7) qui n’est plus un sous-thème en 2023.

2.1

Le rayonnement solaire

PC Hatier · chapitre 4 · p. 72

Le Soleil transmet à la Terre de l’énergie par rayonnement électromagnétique. Toutes les analyses spectrales se font à partir de représentations graphiques ; la loi de Wien et la relation entre kelvin et degré Celsius sont fournies.

Savoirs

L’énergie dégagée par les réactions de fusion de l’hydrogène dans les étoiles les maintient à une température très élevée. Du fait de l’équivalence masse-énergie (relation d’Einstein), ces réactions s’accompagnent d’une diminution de la masse solaire au cours du temps.
Comme tous les corps matériels, les étoiles émettent des ondes électromagnétiques et perdent de l’énergie par rayonnement. Le spectre du rayonnement émis par la surface (modélisé par un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile.
Spectre d’un corps noir : la longueur d’onde d’émission maximale est inversement proportionnelle à la température (loi de Wien) ; la puissance émise par unité de surface est proportionnelle à la puissance quatrième de la température (loi de Stefan). Stefan : nouveau 2023
La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. La puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend donc de l’heure (variation journalière), du moment de l’année (variation saisonnière) et de la latitude (zonation climatique).

Savoir-faire

À partir d’une représentation graphique du spectre d’émission du corps noir à une température donnée, déterminer la longueur d’onde d’émission maximale.
Appliquer la loi de Wien pour déterminer la température de surface d’un objet assimilé à un corps noir à partir de la longueur d’onde d’émission maximale.
Sur un schéma, identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale.
Analyser, interpréter et représenter graphiquement des données de températures ; calculer des moyennes temporelles de températures.
Étudier des effets liés à l’exposition des êtres humains au rayonnement solaire. Nouveau 2023

Liens avec les mathématiques

Grandeurs quotients, grandeurs et mesures, calcul algébrique, résolution d’équations ; représentation graphique ; proportionnalité ; calcul sur les puissances ; nombres relatifs ; calcul de moyennes ; géométrie.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 La température du Soleil p. 74
Act. 2 La mesure de la puissance radiative du Soleil p. 76
Act. 3 La variation de la puissance radiative reçue sur Terre p. 77
Act. 4 La source d’énergie du Soleil p. 78 Calcul non exigible

Mémoriser l’essentiel p. 80 · S’exercer p. 82

À ajuster

Le calcul de la masse solaire convertie chaque seconde (Act. 4) n’est plus un attendu : le garder en ouverture. Ajouter la loi de Stefan et un document sur les effets du rayonnement solaire sur la santé (UV, protection).

2.2

Le bilan radiatif terrestre

PC + SVT Hatier · chapitre 5 · p. 86

La Terre reçoit le rayonnement solaire et émet elle-même un rayonnement ; le bilan conditionne le milieu de vie. L’objectif est qualitatif : comprendre comment le bilan énergétique fixe la température moyenne. Le manuel confie les Act. 1 et 2 à la PC, les Act. 3 et 4 à la SVT ; l’ensemble peut aussi rester côté PC.

Savoirs

La proportion de la puissance totale émise par le Soleil et atteignant la Terre est déterminée par son rayon et sa distance au Soleil. Une fraction de cette puissance, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est diffusée vers l’espace ; le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans.
La surface terrestre émet un rayonnement infrarouge dont la puissance par unité de surface augmente avec la température. Une partie est absorbée par l’atmosphère, qui émet elle-même un rayonnement infrarouge vers l’espace et vers la surface terrestre (effet de serre).
La puissance reçue par la surface terrestre en un lieu est la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère ; ces deux puissances sont du même ordre de grandeur.
Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint lorsque la surface reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’elle émet : la température moyenne est alors constante.

Savoir-faire

Calculer la proportion de la puissance émise par le Soleil qui atteint la Terre.
L’albédo terrestre étant donné, déterminer la puissance totale reçue par la surface terrestre de la part du Soleil.
Commenter la courbe d’absorption de l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde.
Représenter sur un schéma les différents rayonnements reçus et émis par le sol.
Expliquer qualitativement l’influence des différents facteurs (albédo, effet de serre) sur la température terrestre moyenne.

Liens avec les mathématiques

Géométrie : calculs d’aires ; proportionnalité ; lectures graphiques ; grandeurs et mesures.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 Le Soleil, la source d’énergie de la Terre p. 88
Act. 2 La planète Terre face au rayonnement solaire p. 90
Act. 3 Rayonnements absorbés et émis par la surface terrestre p. 92
Act. 4 Le bilan radiatif de la Terre p. 94

Mémoriser l’essentiel p. 96 · S’exercer p. 98

État

Contenu pratiquement inchangé entre 2019 et 2023 : le chapitre est utilisable tel quel.

2.3

De la conversion biologique de l’énergie solaire par la photosynthèse à l’énergie nécessaire à tous les êtres vivants

SVT Hatier · chapitres 6 et 7 · p. 104 et 118

Contenu

Photosynthèse et importance planétaire ; les molécules organiques transformées pour libérer l’énergie nécessaire aux êtres vivants ; alimentation, apports énergétiques et équilibre alimentaire, déséquilibres et santé. Le sous-thème 2023 fusionne l’ancienne photosynthèse (ch. 6) et une partie de l’ancien bilan thermique du corps humain (ch. 7).

Point de contact avec la PC

Le savoir-faire « utiliser des données quantitatives sur l’apport énergétique d’aliments dans un bilan d’énergie » est un bilan de puissances, proche des Act. 2 et 3 du ch. 7 (p. 122 et 124). La fossilisation de la matière organique (ch. 6, Act. 3, p. 110) est passée au sous-thème 2.4.

2.4

Une diversité de sources d’énergie utilisables par l’Humanité

PC + SVT Absent du manuel (édition 2019)

Sous-thème créé en 2023. Une partie des sources d’énergie disponibles sur Terre ont pour origine le rayonnement solaire ; elles existent sous forme de stocks et de flux, renouvelables ou non à l’échelle des temps de l’humanité. Il prépare directement le thème « Le futur des énergies » de terminale.

Savoirs

De nombreuses sources ou flux d’énergie sont directement ou indirectement issus de l’énergie radiative transférée par le Soleil. La comparaison entre la durée de formation d’une source d’énergie et la durée prévisible de son épuisement du fait de son exploitation permet de distinguer une source renouvelable d’une source non renouvelable.
Les combustibles fossiles se sont formés à partir de la matière organique produite par photosynthèse, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années.
La biomasse est constituée de matière organique utilisable comme source d’énergie ; l’énergie en est principalement obtenue par combustion ou par fermentation.

Savoir-faire

Citer quelques sources d’énergie renouvelables et non renouvelables.
Étudier des atouts et des limites liés à l’utilisation de sources d’énergie renouvelables et non renouvelables.
À partir de l’étude d’un combustible fossile ou d’une roche, débattre de l’origine (biologique ou non) des matériaux analysés.
Comparer différents pouvoirs calorifiques par unité de masse suivant la nature de la biomasse.

Liens avec les mathématiques

Grandeurs et mesures, grandeurs quotients ; puissances de 10 ; pourcentages.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Appui ch. 6, Act. 3 : La fossilisation de la matière organique végétale p. 110
Appui rabat VI : quelques ordres de grandeur

À construire

Pas d’activité dédiée dans l’édition 2019. Côté PC, le pouvoir calorifique par unité de masse (combustion comparée de biomasses, calorimétrie simple) et le vocabulaire de l’énergie (source, ressource, stock, flux) sont les entrées naturelles ; les ressources eduscol « Stocks et flux d’énergie » et « L’énergie nucléaire » (terminale) fournissent les documents.

Thème 3

La Terre, un astre singulier

Les évidences apparentes et les récits non scientifiques ont d’abord fourni des représentations de la Terre ; la compréhension scientifique de sa forme, de son âge et de son mouvement résulte d’un long cheminement, jalonné de controverses. C’est le thème où l’on distingue le mieux un savoir scientifique d’une croyance.

Ce que vise le thème

Montrer que les caractéristiques de la Terre (rayon, forme, âge) se sont construites sur un temps très long, que l’évolution des observations, des outils mathématiques et techniques a permis d’aboutir à un résultat stabilisé, et donner l’occasion de distinguer savoir scientifique et croyance.

Côté physique-chimie

3.1 La forme de la Terre : Ératosthène, triangulation, rayon terrestre, distance à l’horizon, coordonnées et grands cercles, avec beaucoup de mathématiques. 3.3 Géocentrisme et héliocentrisme, mouvements et phases de la Lune, zone d’habitabilité et exoplanètes (partagé).

Côté SVT

3.2 L’histoire de l’âge de la Terre. 3.3 Répartition de l’eau douce et ressources hydriques (partagé, ajouté en 2023).

3.1

La forme de la Terre

PC Hatier · chapitre 8 · p. 136

L’environnement « plat » à notre échelle cache la forme réelle de la Terre. Au-delà de l’histoire, la mise en œuvre de plusieurs méthodes de calcul de longueurs à la surface de la Terre développe des compétences de calcul et de représentation, et invite à un regard critique sur les approximations et les limites d’un modèle.

Savoirs

Dès l’Antiquité, des observations de différentes natures ont permis de conclure que la Terre était sphérique, alors même que, localement, elle apparaît plane dans la plupart des expériences quotidiennes.
Historiquement, des méthodes géométriques ont permis de calculer la longueur d’un méridien à partir de mesures d’angles ou de longueurs : méthode d’Ératosthène et principe de triangulation plane de Delambre et Méchain.
On repère un point à la surface de la Terre par deux coordonnées angulaires, sa latitude et sa longitude, et par son altitude par rapport à un niveau de référence.
Le plus court chemin entre deux points à la surface de la Terre, assimilée à une sphère parfaite, est l’arc du grand cercle qui les relie.

Savoir-faire

Donner des preuves de la rotondité de la Terre de l’Antiquité à nos jours. Nouveau 2023
Calculer la longueur du méridien terrestre par la méthode d’Ératosthène.
Expliquer la méthode de triangulation utilisée par Delambre et Méchain. Allégé
Calculer le rayon de la Terre à partir de la longueur du méridien.
Calculer la distance à l’horizon à partir du rayon de la Terre. Nouveau 2023
Utiliser un système d’information géographique pour comparer les longueurs de différents chemins reliant deux points à la surface de la Terre.

Liens avec les mathématiques

Calcul algébrique ; géométrie du cercle, du triangle et de la sphère ; théorème de Pythagore ; grandeurs quotients.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 La forme de la Terre dans l’Antiquité p. 138
Act. 2 La mesure par triangulation p. 140 Va plus loin que l’attendu
Act. 3 Se repérer sur le globe terrestre p. 142
Act. 4 Le chemin le plus court à la surface de la Terre p. 143

Mémoriser l’essentiel p. 144 · S’exercer p. 146

À compléter

La distance à l’horizon (Pythagore) et les preuves modernes de la rotondité (photos satellites, vols long-courriers, éclipses) manquent au manuel ; la triangulation, elle, n’a plus besoin de calcul avec la loi des sinus.

3.2

L’histoire de l’âge de la Terre

SVT Hatier · chapitre 9 · p. 150

Contenu

Les arguments successifs de l’histoire des sciences : temps de refroidissement, empilements sédimentaires, évolution biologique, radioactivité ; l’âge de 4,57 milliards d’années fixé par les noyaux radioactifs des minéraux. Activités du manuel p. 152, 154 et 156.

Point de contact avec la PC

La datation radioactive du sous-thème 1.1 fournit l’argument décisif ; le refroidissement d’un corps (Buffon, Kelvin) est l’exemple de projet suggéré par le BO et se mesure avec un simple capteur de température.

3.3

La Terre dans l’Univers

PC + SVT Hatier · chapitre 10 · p. 164

Le mouvement de la Terre dans l’Univers a été l’objet de célèbres et violentes controverses. L’organisation du système solaire est déjà connue : l’accent porte sur la construction historique de ce savoir. En 2023, un troisième bloc s’ajoute sur l’eau liquide, l’habitabilité et les ressources hydriques.

Savoirs

Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil. Le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l’une des controverses majeures de l’histoire des sciences.
Observée dans un référentiel géocentrique, la Lune tourne autour de la Terre sur une trajectoire quasi circulaire ; son aspect varie au cours de ce mouvement (phases). La Lune tourne également sur elle-même et présente toujours la même face à la Terre.
La puissance lumineuse émise par le Soleil et la distance au Soleil, associées à la gravité de la Terre, permettent à la Terre de conserver de l’eau liquide à sa surface. Nouveau 2023
L’eau sur Terre est inégalement répartie dans l’espace et dans le temps ; seule une faible partie des réserves hydriques est directement potable. La gestion et la protection des ressources hydriques sont un enjeu pour l’humanité. Nouveau 2023

Savoir-faire

Interpréter des documents présentant des arguments historiques pour discuter la théorie héliocentrique.
Interpréter l’aspect de la Lune dans le ciel en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil.
Étudier des données actuelles sur les exoplanètes en lien avec la zone d’habitabilité. Nouveau 2023
Décrire la répartition de l’eau douce dans le monde. Nouveau 2023
Estimer le volume d’une réserve d’eau douce à partir de données fournies. Nouveau 2023

Liens avec les mathématiques

Rotation ; géométrie : cercle, sphère et disque ; proportionnalité ; grandeurs et mesures, puissances de 10, ordres de grandeur.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 Du géocentrisme à l’héliocentrisme p. 166
Act. 2 À la découverte des mouvements de la Lune p. 168

Mémoriser l’essentiel p. 170 · S’exercer p. 172

À construire

Le bloc eau, habitabilité et exoplanètes est absent du manuel. Répartition naturelle : exoplanètes et zone d’habitabilité côté PC (données de catalogues, distance et température), eau douce et ressources hydriques côté SVT.

Thème 4

Son, musique et audition

L’être humain perçoit le monde à l’aide de signaux porteurs d’information, dont certains sont sonores. Il a combiné les sons pour en faire un art, la musique ; l’informatique permet aujourd’hui de les numériser ; la compréhension des mécanismes auditifs relève de l’éducation à la santé. En 2023, le thème perd la construction mathématique des gammes et gagne la protection de l’audition.

Ce que vise le thème

Mettre l’accent sur quelques spécificités du son et de l’audition : la régularité lorsqu’il devient musique, la non-linéarité de la sensation par rapport à la stimulation, la complexité de sa numérisation et de son stockage ; éclairer le fonctionnement de l’oreille et les risques d’une exposition excessive au bruit.

Côté physique-chimie

4.1 Son et musique : son pur et composé, spectre, intensité et décibels, corde vibrante, octave et gamme. 4.2 Le son, une information à coder : échantillonnage, quantification, taille de fichier, compression, coût énergétique du numérique.

Côté SVT

4.3 Entendre et protéger son audition : oreille, cellules ciliées, seuils, effets des sons intenses, dispositifs de protection, avec une mesure de niveau sonore qui peut être faite en PC.

4.1

Son et musique

PC Hatier · chapitres 11 et 12 · p. 180 et 194

La banalité du son dans l’environnement cache une réalité physique précise. Le sous-thème 2023 fusionne les anciens 4.1 « Le son, phénomène vibratoire » et 4.2 « La musique ou l’art de faire entendre les nombres », en ne gardant de la musique que l’intervalle, l’octave et la notion de gamme.

Savoirs

Un son pur est associé à un signal dépendant du temps de façon sinusoïdale. Un signal périodique de fréquence f se décompose en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences multiples entières de f : le son associé est un son composé ; f est la fréquence fondamentale, les autres fréquences sont les harmoniques.
La puissance par unité de surface transportée par une onde sonore est quantifiée par son intensité. Son niveau d’intensité sonore est exprimé en décibels selon une échelle logarithmique.
La corde tendue d’un instrument émet en vibrant un son composé dont la fréquence fondamentale ne dépend que de ses caractéristiques (longueur, tension, masse par unité de longueur). Dans les instruments à vent, un phénomène analogue se produit par vibration de l’air dans un tuyau.
En musique, un intervalle entre deux sons est défini par le rapport de leurs fréquences fondamentales. Deux sons dont les fréquences sont dans le rapport 2/1 correspondent à une même note, à deux hauteurs différentes : l’intervalle qui les sépare est une octave. Une gamme est une suite finie de notes réparties sur une octave.

Savoir-faire

Utiliser un logiciel permettant de visualiser le spectre d’un son.
Utiliser l’échelle logarithmique de niveau d’intensité sonore pour relier l’intensité sonore au niveau d’intensité sonore.
Relier qualitativement la fréquence fondamentale du signal émis aux caractéristiques d’une corde vibrante.
Identifier deux notes à l’octave à l’aide de leur spectre.

Liens avec les mathématiques

Représentations graphiques ; grandeurs quotients ; calcul algébrique ; fonctions trigonométriques ; puissances de 2.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Ch. 11 Le son, phénomène vibratoire p. 180
Act. 1 Deux types de son p. 182
Act. 2 Intensité sonore et niveau d’intensité sonore p. 184
Act. 3 Le son émis par une corde vibrante p. 186
Ch. 12 La musique ou l’art de faire entendre les nombres p. 194
Act. 1 L’octave, un intervalle de référence p. 196
Act. 2 La gamme de Pythagore p. 198 Hors programme 2023
Act. 3 Vers un découpage égal de l’octave p. 200 Hors programme 2023

Mémoriser p. 188 et 202 · S’exercer p. 190 et 204

À ajuster

Le chapitre 11 est entièrement utilisable. Du chapitre 12, seule l’Act. 1 reste exigible ; la gamme de Pythagore et le tempérament égal deviennent une simple ouverture d’histoire des sciences, ce qui libère deux séances.

4.2

Le son, une information à coder

PC Hatier · chapitre 13 · p. 208

Le son, vibration de l’air, peut être enregistré sur un support informatique. L’étude s’appuie sur la numérisation des images vue en SNT en seconde. C’était le sous-thème 4.3 dans le programme de 2019.

Savoirs

Pour numériser un son, on procède à la discrétisation du signal analogique sonore (échantillonnage et quantification). Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée et la quantification fine, plus la numérisation est fidèle, mais plus la taille du fichier audio est grande.
La compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission. Les techniques de compression spécifiques au son, dites « avec perte d’information », éliminent les informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible.
Une quantité énorme d’informations audio (et vidéo) est échangée, ce qui entraîne un développement important des capacités de stockage. Nouveau 2023

Savoir-faire

Justifier le choix des paramètres de numérisation d’un son.
Estimer la taille d’un fichier audio.
Calculer un taux de compression.
Comparer des caractéristiques de fichiers audio compressés.
Discuter de la problématique des échanges de fichiers numériques audio, mais aussi vidéo, d’un point de vue énergétique. Nouveau 2023

Liens avec les mathématiques

Grandeurs et mesures, puissances de 2 ; proportions, pourcentages.

Manuel Hatier 1^re (2019)

Act. 1 La numérisation d’un signal sonore p. 210
Act. 2 La compression de données numériques p. 212
Act. 3 Les enjeux de la numérisation p. 214 À orienter

Mémoriser l’essentiel p. 216 · S’exercer p. 218

À ajuster

Le critère d’échantillonnage « au moins le double de la fréquence du son » n’est plus un attendu. L’Act. 3 est à orienter vers l’angle énergétique des échanges audio et vidéo (streaming, stockage), ajouté en 2023.

4.3

Entendre et protéger son audition

SVT Hatier · chapitre 14 · p. 222

Contenu

Perception entre 20 et 20 000 Hz au-delà d’un seuil ; oreille externe, moyenne, interne ; cellules ciliées et message nerveux ; aires cérébrales ; nocivité au-delà de 80 dB selon l’intensité et la durée ; dégâts irréversibles ; mesures d’atténuation, protections individuelles et appareils auditifs. Activités du manuel p. 224 à 228.

Point de contact avec la PC

Le savoir-faire « mesurer le niveau d’intensité sonore perçu en fonction de la distance à la source, avec ou sans dispositif de protection » est une mesure de physique (sonomètre ou smartphone) qui prolonge directement le 4.1 ; à mutualiser avec la SVT.

Partie 5 · commune PC et SVT

Projet expérimental et numérique

Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit. Il confronte les élèves à une démarche expérimentale complète, de l’utilisation de capteurs et de logiciels, ou de données fournies par des scientifiques, jusqu’à l’analyse critique des résultats. C’est la seule partie du programme où le travail pratique en petits groupes est explicitement attendu.

Trois dimensions

Utilisation d’un capteur, éventuellement mis en œuvre en classe ; acquisition numérique de données ou utilisation de données expérimentales fournies par des scientifiques ; traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données. L’une ou l’autre peut dominer : l’accent est mis sur la démarche de projet.

Organisation

Une douzaine d’heures, contiguës ou réparties dans l’année, dans des conditions matérielles qui permettent un travail pratique effectif en petits groupes. Objet d’étude libre, en lien ou non avec le programme ; possible cadre de projet de classe ou d’établissement, ou de sciences participatives. Outils : capteur associé ou non à un microcontrôleur, tableur, environnement de programmation.

Dans le manuel

Projet clé en main 1 : la station météo, p. 240. Projet clé en main 2 : le check-up santé, p. 242. Fiches méthode : acquérir des données avec une carte de type Arduino, p. 244 ; utiliser une console ExAO, p. 248 ; utiliser un tableur, p. 250 ; utiliser Python, p. 252. Fiches maths p. 254 à 260.

Sujets suggérés par le BO qui se prêtent à un encadrement côté physique-chimie

PC + SVT

Mesure et capteurs

Étude du rayonnement solaire ; caméra thermique et champs de température (2.1).
Approche expérimentale de l’effet de serre, avec étude critique du modèle ; albédo et fonte des glaces au radiomètre (2.2).
Évaluer le pouvoir calorifique d’une substance ; optimiser le rendement d’une éolienne (2.4).
Refroidissement d’un corps (3.2) ; mesure de l’accélération de la pesanteur suivant la latitude, en sciences participatives (3.1).

Son et signal

La voix humaine : production et analyse ; comparer les sons émis par différents instruments (4.1).
Enregistrer des ultrasons de la nature ; identifier des espèces et des individus par leurs spectres sonores (4.1).
Numérisation d’un signal audio (4.2).
Utiliser les sons pour rompre les cristaux (1.2).

Données et simulation

Exploiter des données permettant la datation d’un échantillon ; simuler l’évolution d’une population de noyaux radioactifs (1.1).
Identifier les paramètres qui influencent la croissance d’un cristal (1.2).
Mesure d’une distance par triangulation (3.1) ; exploiter ou réaliser des observations astronomiques (3.3).
Rechercher des données sur un lien supposé entre la Lune et un fait biologique (3.3).