Catégorie : Approfondir

La spectroscopie RMN

Posted on by Cédric Lémery

En TS, vous voilà perdu avec les spectres RMN ? Pas de panique, voyons un peu ce qu’il faudra en retenir :

Je sais relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l’aide de tables de données ou de logiciels.
Je sais identifier les protons équivalents et relier la multiplicité du signal au nombre de voisins.

Grande nouveauté du Bac 2013, la spectroscopie RMN sera donc surtout utilisée dans les sujets pour déterminer si un échantillon contient une molécule de formule donnée. Voyons un peu de quoi il s’agit.

Vue d’un laboratoire ayant une unité RMN

RMN signifie Resonance Magnétique Nucléaire. Le principe consiste à soumettre un échantillon à un très fort champ magnétique ce qui permet d’aligner le spin des noyaux d’atome d’hydrogène. Ce champ est produit par des supraconducteurs. Cette technique est donc coûteuse et « massive ».

En « titillant » ces noyaux à l’aide d’un champ magnétique perpendiculaire au premier et ayant la bonne fréquence, ceux-ci vont réagir en produisant un signal qui sera analysé par un ordinateur :

Principe de la RMN
IRM complète d’un corps humain

C’est un peu comme si en tapant sur les noyaux d’hydrogène et en analysant leur réponse, ceux-ci nous donnait des informations sur leur environnement. La méthode fait penser aux cheminots de l’ancien temps qui frappaient les roues des wagon pour vérifier que tout allait bien. Pour comprendre comment fonctionne la RMN, on peut voir cette animation java, expliquée ici (en anglais avec un accent danois).

Cette méthode n’est pas qu’utilisée en chimie, elle permet d’obtenir de beaux clichés de l’intérieur du corps sans avoir à l’ouvrir (ce qui est assez pratique vous en conviendrez). En médecine, on n’appelle pas ça la RMN mais IRM. On a remplacé le N de nucléaire par le I de imagerie. C’est exactement la même chose mais ça fait un peu moins peur aux patients…

Pour le bac, il faut être capable d’interpréter un spectre RMN. Il n’est pas demandé de comprendre le principe, je ne m’étendrais donc pas sur ce sujet. Un spectre RMN en chimie ressemble à ça :

Spectre RMN du toluène. On observe 2 pics pour 8 protons.

En abscisse, c’est le déplacement chimique. On n’a pas besoin, en terminale, de savoir à quoi ça correspond. Il faut juste retenir que le zéro est à droite (oui, je sais encore une bizarrerie, comme pour les spectres IR) et que s’il y a un pic en zéro on ne s’en occupe pas. Ce qu’il va falloir analyser ce sont les autres pics. Ceux-ci correspondent à certains noyaux d’atomes d’hydrogène de la molécule. Leur position dans le spectre nous renseigne sur le groupe d’atomes, donc la fonction :

Les différentes zones dans lesquels résonnent les protons. Permet de déterminer les fonctions présentes dans l’échantillon.

Comme un noyau d’hydrogène est simplement un proton, on parle plutôt de protons en RMN que d’hydrogène. Sur le spectre du toluène ci-dessus, on remarque 2 pics alors que la molécule présente 8 protons (3 sur le groupe méthyl et 5 sur le cycle aromatique). Ceci vient du fait que des protons équivalents résonnent de la même façon. Voici une première règle qu’il va falloir retenir :

Dans un spectre RMN, les protons équivalents, c’est à dire ceux qui ont le même environnement chimique, ont la même valeur de déplacement chimique

Ainsi, les protons sont tous cachés dans les pics et il ne suffit pas d’identifier un pic pour savoir à combien de protons il correspond. Pour résoudre cette énigme, les chimistes utilisent la courbe d’intégration. Kézako que ce truc ? Il s’agit d’une courbe qui en x prend comme valeur la somme de toutes les valeurs du spectre précédant x. Dans notre cas où le spectre est une suite de pics, la courbe d’intégration est nulle avant le premier pic puis garde la valeur du premier pic jusqu’au second, etc. Elle forme donc un palier comme on peut le voir ci-dessous :

Spectre RMN du 2,2 diméthylpropanol. On identifie 3 groupes de protons équivalents.

La « hauteur de marche » correspond donc au nombre de protons qui se cachent dans le pic. Ici, il y a 1 proton dans la fonction alcool, 2 dans CH2 et 9 dans des groupements méthyl CH3. On pourra s’amuser avec les spectres présentés dans le paragraphe Signal strength de cette page. En cliquant sur les pics, on voit apparaître les courbes d’intégration correspondantes.

Si les choses pouvaient s’arrêter là, ce serait bien mais il y a encore une petite chose qu’il faut connaître à propos des spectres RMN : la notion de multiplicité du signal. Sur le spectre de l’éthanol ci-dessous,

RMN obtenue avec l’éthanol HO-CH2-CH3

on observe que les pics sont constitués en fait de plusieurs pics : un singulet (un seul pic) puis un quadruplet (4 pics) et enfin un triplet (3 pics). Cela vient de l’influence des différents protons les uns sur les autres. Prenons le quadruplet du milieu. Il est due aux deux protons rattachés au carbone du milieu (HO-CH2-CH3). Pourquoi n’observe-t-on pas simplement un grand pics ? Tout simplement parce que les protons portés par les carbones voisins ont une influence sur ces deux protons. Ainsi, les 3 protons qui sont portés par le carbone du groupement méthyl (HO-CH2-CH3) vont éclater ce pic en 4 pics. Pour ces protons qui « voient » les 2 protons du milieu, le pic est éclaté en 3 pics. C’est la règle des (n+1)-uplet :

un proton ou un groupe de protons équivalents ayant n protons voisins équivalents donne un signal constitué de (n+1) pics.

Quand on dit voisins, on veut dire portés par un carbone voisin de celui qui porte le proton considéré. Ok, mais alors pourquoi le proton porté par l’oxygène de la fonction alcool (HO-CH2-CH3) n’est pas un 2+1-uplet, c’est à dire un triplet ? Il a bien 2 protons voisins, non ? Oui, ils semblent avoir deux voisins… mais non car

les protons des groupes OH, COOH et NH ne peuvent se coupler avec les autres.

C’est bizarre ce truc. Oui mais c’est comme ça. Et il va falloir le retenir.

Ouf ! Nous avonc vu tout ce qu’il faut retenir pour traiter les spectres RMN pour le bac 2013. Il va falloir maintenant mettre tout ça en pratique avec des exercices. Il ne vous sera pas demandé de trouver la formule d’une molécule inconnue à partir d’un spectre RMN, c’est bien trop compliqué mais de relier une molécule à son spectre RMN. Comment faire ? Voici la méthode :

  1. Repérer les protons équivalents
  2. Repérer les groupes de signaux du spectre
  3. Utiliser les sauts de la courbe d’intégration pour faire le lien entre le spectre et la molécule
  4. Exploiter la multiplicité des signaux pour confirmer ou corriger l’attribution des signaux
  5. Exploiter une table de donnée

Bon courage !

La nomenclature en chimie organique pour le bac 2013

Posted on by Cédric Lémery

Un petit point sur la nomenclature de chimie organique. En fouillant un peu dans mon blog, j’ai retrouvé un vieil article sur la nomenclature (de 2007, on est vite vieux sur internet !), il n’est plus tout à fait à jour pour le bac version 2013 et je vais tenter de le dépoussiérer un peu. Pour ce dernier, deux compétences exigibles du programme correspondent à ce thème :

Je sais associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcools, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide.

Je connais les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes.

Il y a donc beaucoup de choses à savoir et un petit récapitulatif ne peut pas faire de mal. Les règles importantes sont mises en exergue. Les ramifications sont notées de la manière suivante :

 CH3-CH-CH2-CH3
.         |
.        CH3		  CH3-CH(CH3)-CH2-CH3

Construire le nom : exemple des alcanes

Pour donner un nom à un alcane, on commence par compter le nombre de carbone de la chaîne carbonnée qui a le plus de carbone (si l’alcane est ramifié) et on lui donne comme nom en fonction du nombre de carbone :

methane (pour 1 carbone), éthane (2), propane (3), butane (4), pentane (5), hexane (6), heptane (7), octane (8), nonane (9), decane (10).

A priori, pour le bac, on devrait pouvoir s’arrêter à 8 atomes de carbone.

Dans le cas où l’alcane est ramifié, on rajoute avant le nom de la molécule : méthyl, éthyl, propyl, etc… selon le nombre d’atomes de carbone de la branche, précédé du numéro de l’atome de carbone qui porte la ramification.

Il faut commencer à numéroter de sorte à obtenir les plus petits nombres possibles

par exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3. Il y a 5 atomes de carbones sur la chaîne la plus longue c’est donc un pentane. Il y a une ramification avec un atome de carbone (méthyl) porté par le carbone n° 2 (on part de gauche pour avoir le plus petit nombre possible). Le nom de la molécule est donc 2-méthylpentane

Autre exemple : CH3-CH(CH3)-CH2-CH(C2H5)-CH2-CH3. Il y a 6 atomes sur la chaîne la plus longue : c’est un hexane. Il y a 2 ramifications, l’une avec 1 atome de carbone (méthyl) et l’autre avec 2 atomes (éthyl). Le nom complet est donc : 4-éthyl-2-méthylhexane

Lorsqu’il y a plusieurs ramifications, on les classe par ordre alphabétique.

Lorsqu’il n’y a pas d’ambiguité sur la position de la ramification, on ne précise pas sa position. Exemple : dans le cas du méthylpropane, le groupement méthyl est forcément sur le carbone du milieu.

Exercice : les molécules suivantes sont mal nommées, corriger le nom : 2-méthylbutane, 3 propylpropane, éthylpropane

Les groupes caractéristiques

Un groupe caractéristique est un ensemble d’atomes composé :

  • soit d’atomes autres que des carbones et des hydrogènes
  • soit de liaisons doubles ou triples

Voici les différentes familles de molécules que l’on rencontre au lycée (où R, R’ et R » représentent des groupement alkyle, c’est à dire ne contenant que des atomes de carbone et d’hydrogène) :

Groupe
caractéristique		 Famille Nomenclature : suffixe ou préfixe Exemple
C=C Alcène -ène Propène
R-OH Alcool -ol 2-méthylpentan-1-ol
R-CH=O Aldéhydes -al 3-méthylbutanal
R-CO-R’ Cétone -one 2-éthylpentan-3-one
R-COOH Acide carboxylique acide …-oïque Acide butanoïque
R-COO-R’ Ester …-oate de …-yle Pentanoate d’éthyle
R-N(R »)-R’ Amine -amine propan-2-amine, N-éthyl-butan-1-amine, N-méthyl-N-éthyl-propan-2-amine
 R-CO-N(R »)-R’  Amide  -amide N-éthyl-3-méthylpentanamide

Les règles de nomenclature de ces familles sont issues de celles des alcanes pour le nom des molécules et pour les ramifications. On rajoute les règles suivantes :

La chaîne carbonée principale doit contenir la fonction principale qui donne le nom à la molécule

On indique la position de la fonction avant le suffixe de la fonction

Ex : CH3-CH2-CH=CH-CH3 est le pentan-2-ène.

La fonction principale doit avoir le plus petit numéro possible

Ainsi, pour les aldéhydes et les acides carboxyliques, l’atome portant la fonction a toujours le numéro 1.

Exemple : CH3-CH2-CH(COOH)-CH2-CH2-CH3 est l’acide 2-éthyl-pentanoïque alors que la chaîne la plus longue contient 6 atomes de carbone mais ne contient pas la fonction principale.

Pour les amines et les amides, les groupements alkyles portés par l’azote sont ajoutés avant la chaîne principale précédé de N.

Exemple pour les amines : CH3-CH2-CH(CH3)-N(CH3)-C2H5 se nomme la N-éthyl-N-méthyl-1-méthylpropanamine.

Exemple pour les amides : CH3-CH2-CH2-CO-NH-CH3 se nomme la N-méthylbutanamide.

A titre d’exercice, on pourra s’entraîner à écrire la formule semi-développée des exemples du tableau.

Propriétés des ondes : que faut-il retenir ?

Posted on by Cédric Lémery

Après les caractéristiques des ondes, voyons ce qu’il faut retenir des propriétés des ondes pour avoir son bac.

Note valables pour toutes les Fiches « capacités exigibles » : les capacités attendues sont en italique et en gras. Les capacités expérimentales sont simplement en italique. Ces dernières ne seront pas systématiquement commentées.

Je sais réaliser l’analyse spectrale d’un son musical et l’exploiter pour en caractériser la hauteur et le timbre.

L’analyse spectrale d’un son musical se réalise à l’aide d’un système d’acquisition et un logiciel permettant d’en faire l’analyse de Fourrier. On obtient ce genre de figure (en haut le signal temporel, en bas, le spectre – cliquer dessus pour l’avoir en grand) :

Dans les deux cas, la hauteur de la note jouée est la valeur du fondamental, ici 660 Hz. Le timbre correspond au nombre et à l’amplitude des harmoniques (les fréquences qui sont des multiples du fondamental)

Je sais que l’importance du phénomène de diffraction est liée au rapport de la longueur d’onde aux dimensions de l’ouverture ou de l’obstacle.

Le phénomène de diffraction intervient lorsqu’une onde rencontre une ouverture ou un obstacle dont la taille est de l’ordre de la longueur d’onde. Notons a cette dimension (largeur de la fente ou taille caractéristique de l’obstacle). Les ondes se diffractent lorsque a est de l’ordre de ?.
Pour la lumière visible, ? est compris entre 400 et 800 nm. Ainsi, le caractère ondulatoire de la lumière ne peut être mis en évidence que lorsque la lumière rencontre des obstacles ou des fentes de l’ordre du ?m ce qui n’est pas courant dans la vie de tous les jours.

Je connais et sais exploiter la relation ?= ?/a.

Dans une expérience de diffraction :

DiffractionLumiere

L’angle ? est l’angle de déviation correspondant à la tache principale. Cet angle ne dépend que de la largeur de la fente a et de la longueur d’onde de la radiation incidente ? suivant la relation ?=?/a.
Dans cette relation, ? et a sont en mètre et ? en radians.

Je reconnais les situations physiques où il est pertinent de prendre en compte le phénomène de diffraction.

Comme il a été dit ci-dessus, le phénomène de diffraction intervient lorsqu’une onde périodique rencontre un obstacle dont la taille caractéristique est de l’ordre de la longueur d’onde. Ainsi, l’entrée d’un port peut diffracter les vagues si l’espacement entre les vagues est de l’ordre de l’entrée du port; les bâtiments d’une ville, une vallée de montagne peuvent diffracter les ondes radio dont la longueur d’onde est supérieur à la dizaine de mètre pour les bâtiments et centaine de mètre pour la vallée de montagne; la lumière d’un lecteur laser est diffractée par l’ouverture du laser car celle-ci est de l’ordre de la longueur d’onde du laser.

Je sais étudier ou utiliser le phénomène de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.

Dans l’expérience décrite ci-dessus, on peut écrire tan?=(l/2)/L = l/2L.

En faisant l’approximation tan ? ? ? et en utilisant la relation précédente, on peut écrire ?/a=l/2L ce qui nous permet de déterminer a si ? est connu ou ? si a est connu.

En guise d’entraînement, on pourra faire les 2 sujets suivant disponible sur labolycee.org : La lumière est un onde – métropole 2003 et caractère ondulatoire de la lumière – Amérique 2009 qui bien que datant d’avant la réforme 2012 reste en accord avec les capacités exigible du bac 2013.

Je connais et sais exploiter les conditions d’interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiques.

Imaginons un point M sur lequel arrive les perturbations émises par deux sources S1 et S2 cohérentes (de même fréquence et ayant la même stabilité temporelle). Ces deux perturbations arrivant au point M s’additionnant, le mouvement de M va être une combinaison des deux perturbations.

Ainsi, si les deux ondes arrivant sont en phase, les perturbations vont s’additionner et le mouvement du point M aura une amplitude 2 fois plus élevée :

© 2006 An original idea and a realization of the ASTROLab of Mont-Mégantic National Park

Si les deux ondes sont en opposition de phase, elles vont s’annuler :

© 2006 An original idea and a realization of the ASTROLab of Mont-Mégantic National Park

Ainsi, les conditions pour que les interférences soient constructives sont que les ondes arrivant soient en phase, autrement dit que la différence de marche, |S1M-S2M| (S2H sur le schéma ci-dessous) , soit un multiple de la longueur d’onde, ?. Comment ça vous ne comprenez pas pourquoi ? Mais si, souvenez-vous, la longueur d’onde est la distance minimale pour que deux points soit en phase. Ainsi, si la distance que doit parcourir l’onde partant de S2 pour arriver à M est plus longue d’un multiple de la longueur d’onde que la distance que l’onde parcourt pour aller de S1 à M, les ondes arrivant en M de S1 et S2 sont en phases.

Pour que les interférences soient destructives, il faut que les ondes arrivant en M soient en opposition de phase. Autrement dit que la différence de marche soit un multiple impair de ?/2 : ?/2, 3?/2, 5?/2… En effet, si deux ondes sont en phase lorsque la différence de marche est un multiple de ?, elles sont forcément en opposition de phase avec ?/2.

Bon je sais c’est un peu compliqué, mais en fait il n’y a pas grand chose à tirer et à comprendre de tout ça. Il suffit d’avoir retenu la règle et de savoir faire le calcul d’une différence de marche. Ensuite, on divise cette différence de marche par ?/2. On obtient quelque chose de pair ? c’est constructif, impaire ? destructif. Voilà, c’est tout.

Je sais étudier quantitativement le phénomène d’interférence dans le cas des ondes lumineuses.

Il s’agit d’étudier un dispositif du type fentes d’Young (cliquer dessus pour voir l’animation). Le genre de chose qu’on vous fera mesurer c’est l’interfrange, c’est à dire la distance entre 2 zones d’ombres ou 2 zones claires. On la note généralement i et elle est proportionnel à la distance D à l’écran, à la longueur d’onde et inversement proportionnel à la distance entre les fentes, b. Ce qui donne une formule à ne pas connaître par coeur mais bien souvent à retrouver expérimentalement : i=?.D/b

Je sais mesurer une vitesse en utilisant l’effet Doppler.

Je sais exploiter l’expression du décalage Doppler de la fréquence dans le cas des faibles vitesses.

L’effet Doppler c’est la modification de la fréquence perçue lorsqu’une source est en mouvement. Demandez à votre petit frère (ou neveu ou n’importe quel gnome d’école primaire) de vous faire le bruit d’une voiture qui passe. Voilà, ça c’est l’effet Doppler.

L’expression de la vitesse est la suivante : vE=v.|fE-fR|/fR où vE est la vitesse de déplacement de la source, fE, la fréquence d’émission de la source, fR la fréquence perçue par le récepteur immobile et v la vitesse de propagation de l’onde.

Prenons un exemple historique : Des musiciens à bord d’un train joue un La 440. D’autres musiciens postés au bord de la voie entendent un La# (466 Hz). Ainsi, dans la formule précédente, nous prendrons : v=340 m/s (vitesse de propagation du son dans l’air), fE=440 Hz et fR=466 Hz. Nous trouvons vE=340.(466-440)/466 )= 19 m/s soit 68 km/h. Le train se déplace à 68 km/h.

Je sais utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d’images pour illustrer l’utilisation de l’effet Doppler comme moyen d’investigation en astrophysique.

Mais l’effet Doppler n’est pas utilisé que pour déterminer la vitesse des trains – à vrai dire il est surtout utilisé pour déterminer la vitesse des voitures dans les radars automatiques- il est aussi utilisé en astrophysique pour voir à quelle vitesse les étoiles se déplacent par rapport à nous. Comme l’illustre le schéma ci-dessous :

Comme longueur d’onde et la fréquence sont reliées (c=?.f) on comprend qu’à un décalage en fréquence correspond un décalage en longueur d’onde. Si un objet s’éloigne de la terre, la fréquence devient de plus en plus petite (en s’éloignant une voiture semble émettre un son de plus en plus bas) ce qui correspond à un décalage du spectre vers les grandes longueurs d’ondes. Ainsi, le spectre d’un élément chimique sera décalé vers le rouge par rapport à celui qu’on mesure sur terre. Dans le cas contraire (si l’objet se rapproche), sa fréquence augmente, donc sa longueur d’onde diminue et il y a un décalage vers le bleu.

C’est cette méthode qui permet de mesurer le fait que plus les objets astronomiques sont loin de nous, plus ils s’éloignent vite de nous. Cela s’explique par l’expansion de l’univers dans sa globalité, c’est la théorie du Big Bang. Mais ceci est une autre histoire.

Ondes et particules : que faut-il en retenir ?

Posted on by Cédric Lémery

Le nouveau programme de terminale 2012 commence par un petit thème ondes et particules. Voyons ce qu’il faut retenir de ce chapitre pour passer le bac version 2013.

Note valables pour toutes les Fiches « capacités exigibles » : les capacités attendues sont en italique et en gras. Les capacités expérimentales sont simplement en italique. Ces dernières ne seront pas systématiquement commentées.

Je sais extraire et exploiter des informations sur l’absorption de rayonnements par l’atmosphère terrestre et ses conséquences sur l’observation des sources de rayonnements dans l’Univers.

Il faut être capable de comprendre des graphiques du genre :

source wikipedia

Sur lequel est représenté l’opacité de l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde du rayonnement. Ainsi, on voit que l’atmosphère ne laisse quasiment pas passer les rayonnements gamma, X et UV. Ainsi, nous sommes obligé d’envoyer des téléscopes en orbite au-dessus de l’atmosphère terrestre pour observer les sources spatiales de tels rayonnements. Au niveau du visible et du proche infrarouge, on peut faire les observations de la terre. Par contre, ça se gate franchement du côté de l’infrarouge et là encore, on utilise des télescopes spatiaux. Pour les micro-ondes et les ondes radio, pas de souci, on peut faire les observations de la surface du globe. Seul problème – récurent en astronomie- la pollution liée aux installations humaines. Ainsi, les radiotélescopes sont installés dans les désert loin de l’activité humaine pour ne pas être parasités. Enfin, les ondes radio de grandes longueurs d’onde sont bloquées (c’est d’ailleurs ce qu’on utilise en radio pour propager des ondes tout autour du globe, c’est comme ça qu’on peut écouter radio pékin à paris avec le poste radio de papy).

Je connais des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet

  • Des sources radio : toutes les babioles communicantes de notre environnement (téléphones sans fil, bornes wifi, antennes diverses et variées) mais il existe également des sources astronomiques. Les étoiles émettent dans ce domaine mais les plus impressionnants sont les pulsars, ce qui reste après une supernova, et les quasars, le centre des galaxies rayonnant un puissant signal radio. On suppose qu’il s’agit du rayonnement de trou noir supermassif.
  • Des sources infrarouge : tous les objets à température ambiante émettent un rayonnement infrarouge. Mais comme plus l’objet est chaud, plus il émet un rayonnement à courte longueur d’onde, les objets à 37°C émettent un rayonnement dans l’infrarouge moins profond que ceux à 20 °C. C’est comme cela que les militaires en opération peuvent voir la nuit, en utilisant des caméras calées sur le rayonnement infrarouge émis par les bêtes à sang chaud. C’est aussi comme cela que certains serpents détectent leurs proies. En astronomie, on observe les nuages de poussières et les étoiles en formation.
  • Des sources ultraviolet : Comme les objets à température ambiante émettent dans l’infrarouge, les objets très chauds émettent dans l’ultraviolet. C’est le cas des ampoules halogènes dont la température du filament en tungstène est chauffé à 3200 K. Pour protégé l’utilisateur, l’ampoule filtre les UV. C’est le cas également des étoiles, particulièrement de notre étoile, le soleil, et c’est la raison pour laquelle on met de la crème solaire à la plage pour empêcher les UV de pénétrer la peau.

Je sais extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière.

J’espère que vous savez faire… Pour cela, il n’y a pas d’autre moyens que de faire des exercices et de s’entraîner. Voyez par exemple les sujets tombés les années précédentes sur le son. Ils sont tous encore valables avec le nouveau programme.

Je connais et sais exploiter la relation liant le niveau d’intensité sonore à l’intensité sonore.

Ah, celle-là je suis sûr que vous aller l’adorer… Le niveau sonore L et l’intensité sont reliés par :

L=10.log(I/I0) <-> I=I0.10L/10 où I0=10-12 W/m²

 log ?! Qu’est-ce que c’est que ce truc ? C ‘est une fonction qui associe la puissance de dix correspondant à un nombre. Par exemple log(100)=2 car 100 = 10 2 et log(0,001)=-3 car 0,001 = 10 -3. Vous voyez le topo ? C’est pas très compliqué en fait, et il suffit de savoir taper log(nombre) sur sa calculatrice. Entraînez-vous, vous allez voir, c’est facile.

Et donc, le genre de question qu’on va vous posez c’est : un trompettiste produit un son de 60 dB (Ah oui, j’ai oublié de vous dire que le niveau sonore s’exprime en dB). Calculer l’intensité correspondante. Calculer le niveau sonore de deux trompettistes.

Alors, voyons ça. 60 dB, je mets L=60 dans la seconde formule, je trouve : I1=I0.1060/10 =I0.106 =  10-6 W/m² . Et voilà pour la première question.
S’il y a deux trompettistes, je dis I2 pour deux trompettistes = 2 fois I1. Car les intensité sonore s’additionnent. Je trouve donc I2 =  2.10-6 W/m² . Pour le niveau sonore, je prends la première formule et je trouve L = 10.log(I2/I0) = 63 dB. Voilà !

Je sais extraire et exploiter des informations sur des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations, sur un dispositif de détection.
Je sais mettre en œuvre un capteur ou un dispositif de détection.

Là encore, il n’y a pas grand chose à en dire, si ce n’est qu’il faut s’entraîner un peu. Sur l’académie de Lyon, voici une activité « rayonnement dans l’univers » qui circule pour entraîner les élèves. Pour le dispositif de détection, ça peut être un sismomètre, un détecteur à ultrason, etc. Le matériel est propre à chaque établissement scolaire et à la fin de l’année vous serez interrogé sur le matériel qui aura été utilisé en classe.

Un peu d’acoustique musicale…

Posted on by Cédric Lémery

L’acoustique musicale étant passée de la spécialité au tronc commun, voici un petit diaporama pour comprendre un peu de quoi il s’agit. Attention, il y a des liens vers quelques animation flash et java qui illustrent bien le propos. Les exercices dont il est question sont ceux du hachette 2012.

Les animations :

  • un synthétiseur pour écouter la différence entre un signal carré et sinusoïdal (l’oreille étant un analyseur de spectre naturel, écoutez comme les aigus arrivent lorsqu’on passe du sinusoïde au carré)
  • une applet java excellentissime produite par l’université du colorado qui permet de « jouer » à reproduire des signaux périodiques non sinusoïdaux en ajoutant des harmoniques. Si ça ne marche pas, essayer la version anglaise.

Comment fonctionne un ordinateur ?

Posted on by Cédric Lémery

Fréquence d’horloge d’ordinateur, taille de la mémoire RAM, processeurs x86 à 32 ou 64 bits… Nous employons un langage informatique sans vraiment savoir de quoi il s’agit. Avant de se lancer dans la programmation ou la numérisation de l’information, voyons un peu ce qu’il y a sous le capot de nos ordinateurs, consoles de jeux, téléphone portable, GPS, etc. car tous nos gadgets électroniques sont construit sur la même architecture. Celle inventée par Von Neumann dans les années 40. La présentation qui suit traite de cette architecture, de langage assembleur, de compilateur, etc.

Pour accompagner cette présentation et s’amuser un peu avec le langage assembleur, TD Little Thinker qui utilise little thinker, un petit simulateur de processeur, écrit en java.

Histoire des sciences du numériques

Posted on by Cédric Lémery

En guise d’introduction aux sciences du numérique, je propose l’étude du film « Pourquoi tu cherches ? » produit par l’INRIA :

Accompagné de la fiche suivante : Historique ISN.

D’autre part, je demande à mes élèves le travail suivant :

En vous aidant de documents du type Computer timeline, de l’image ci-dessous ou tout autre source du web (qui doit être mentionnée) rédiger une quinzaine de ligne décrivant le passage de l’usage technico-scientifique du numérique au grand public depuis les années 70. On soulignera les avancées technologiques qui ont permis l’intégration du numérique à notre quotidien.

Caractéristiques des ondes : que faut-il retenir ?

Posted on by Cédric Lémery

Lors de cette rentrée 2012, ce sont les terminales qui vont expérimenter le nouveau bac. En physique-chimie, les changements sont de tailles et toutes les fiches des compétences exigibles sont  à revoir. Quelles sont les capacités exigibles de la partie sur les ondes du bac 2013 ? Commençons par les caractéristiques des ondes :

Note valables pour toutes les Fiches « capacités » : les capacités attendues sont en italique et en gras. Les capacités expérimentales sont simplement en italique. Ces dernières ne seront pas systématiquement commentées.

Je sais définir une onde progressive à une dimension.

Définition « officielle » : une onde progressive à une dimension est le phénomène de propagation à une dimension d’une perturbation sans transport matériel.

C’est par exemple le cas d’une onde qui se propage sur une corde ou d’une onde sonore qui se propage dans un tube.

La perturbation se transmet de proche en proche et le mouvement d’un point est le même que celui de ses prédécesseurs, mais décalé dans le temps. Ainsi, tous les points reproduisent le mouvement de la source avec un décalage dans le temps. Ce décalage est appelé retard.

Je connais et sais exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de propagation (célérité).

Si l’on considère 2 points séparés par une distance d, leur mouvement est décalé dans le temps d’un retard ?. Par définition de la célérité v, on peut écrire v=d/?.

Exemple d’application : imaginons que l’on entende le tonnerre 5 secondes après avoir vu l’éclair. Sachant que la célérité du son dans l’air est de 340 m/s on en déduit que la foudre est tombée à une distance d=v.? soit d = 340×5 = 1700 m.

Je sais étudier qualitativement et quantitativement un phénomène de propagation d’une onde.

Il s’agit d’exploiter des documents du type :

Dans lesquels une perturbation est représentée à différents instants. Les mesures de distance se font directement sur le schéma en utilisant l’échelle approprié. Le retard se détermine à l’aide du temps entre les 2 mesures. Par exemple, sur le schéma ci-dessus, on voit que les points A et B sont distants de 50 cm et que le point B reproduit le mouvement de A avec un retard de 0,25 s, on en déduit donc que la célérité vaut 0,5/0,25=2 m/s

On peut également être amené à étudier l’évolution temporelle en un point. Il s’agit donc de documents du type :

A l’aide de ce document, on peut déterminer la célérité : on voit que le point B a un retard de 0,25 s sur A (il se met en mouvement à 0,55 s alors que A se met en mouvement à 0,3 s). Sachant qu’ils sont séparés de 0,5 m, on déduit que la célérité est égale à 0,5/0,25 = 2 m/s.

Je sais définir pour une onde progressive sinusoïdale, la période, la fréquence et la longueur d’onde.

Une onde progressive sinusoïdale est caractérisée par le fait que chaque point a un mouvement sinusoïdal :

corde de Melde

La période de l’onde est la période du mouvement de chaque point. On la note T. La fréquence f est l’inverse de la période : T=1/f

Puisque le mouvement des points est périodique, certains points sont en phase (c’est  dire qu’ils ont le même mouvement à chaque instant). La distance la plus petite entre deux points en phase est la longueur d’onde, notée ?.

Je connais et sais exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d’onde et la célérité.

On peut démontrer que la longueur d’onde telle qu’elle a été définie précédemment est la distance parcourue par l’onde pendant une période temporelle. Ainsi, ? =v.T où ? est la longueur d’onde (en m), v, la célérité de l’onde (en m/s) et T, la période (s). On vérifie aisément que v.T a pour unité des mètres ce qui correspond bien à l’unité de la longueur d’onde.

Exemple d’utilisation de cette relation : les ondes sonores audibles ont une célérité de 340 m/s et une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz. Ainsi, en utilisant ? = v.T = v/f, on peut montrer que leur longueur d’onde est comprise entre 340/20000=1,7 cm (pour les aïgues) et 17 m (pour les basses).

Je sais déterminer la période, la fréquence, la longueur d’onde et la célérité d’une onde progressive sinusoïdale.

Pour déterminer la période d’une onde progressive, il faut la représentation temporelle de la perturbation en un point :

La période de l’onde se mesure comme pour tout signal périodique : on fera les mesures à l’intersection entre la courbe et l’axe des abscisses (c’est beaucoup plus précis qu’en un sommet)  et on ne se limitera pas à la mesure d’une seule période, en en prenant plusieurs, on est plus précis (encore une histoire de chiffres significatifs). Ici, pour 7T on trouve 6,04-0.20 s soit 5,84 s, T est donc égal à 5,84/7=0,83 s.

Pour déterminer la fréquence, on peut l’estimer à l’aide de la courbe. Ici, on voit qu’en 1 s, il y a un peu plus d’une oscillation, la fréquence sera donc un peu supérieure à 1. Pour plus de précision, on calcule l’inverse de la période. Ici, 1/0,83 = 1,2 Hz.

La longueur d’onde se détermine à l’aide d’une représentation de la perturbation à un instant t et la méthode de mesure est analogue à celle de la période.

La célérité se détermine une fois que l’on a la période et la longueur d’onde en utilisant la relation ? =v.T

Rentrée 2012 : l’année où la réforme du lycée arriva en terminale

Posted on by Cédric Lémery
Le bac 2013

A nouveau lycée, nouveau bac et donc nouveau programme, nouvelles fiches de révision, nouvelles modalités d’enseignement.

Mais je ne vais pas abandonner mes fidèles lecteurs et je vais essayer de remettre à jour les fiches de révision pour préparer le bac.

Du coup, cette année, ça risque d’être un petit peu le… comment il disait déjà mon grand-père, ah oui… bazar dans mes catégories. Mais je vais essayer de faire un peu de ménage et d’éclaircir tout ça tout au long de l’année.

Comment se préparer à l’oral de rattrapage de physique au bac ?

Posted on by Cédric Lémery

Ça y est, vous avez fait l’écrit et ça n’a pas bien marché et vous pensez que vous êtes bon pour l’oral de rattrapage. Extrait d’un échange que j’ai eu ces derniers jours sur facebook avec un candidat qui pense avoir à aller à l’oral :

le rattrapage est-il plus facile que l’écrit et est-il vrai que dans l’oral les thème tombé a l’écrit ont très peu de chance de tomber?

Aïe ! L’oral c’est un peu une loterie. Les profs proposent de tirer au sort un sujet dans une banque de sujet personnelle qu’ils ont préparé à l’avance. Généralement, ils réutilisent leur banque d’une année sur l’autre ou ils la piquent à un autre prof. Du coup, il n’y a pas vraiment de règle. Ça dépend du correcteur. Certains vont enlever les thèmes tombés à l’écrit, d’autre pas, au contraire.
Lorsqu’on fait passer l’oral, on voit beaucoup de candidats « fumiste » et des « j’m’en foutiste ». Des élèves qui n’ont pas travaillé et qui n’ont rien préparé. Il faut se démarquer et donner l’impression au correcteur que l’on mérite le bac. Autrement dit que les connaissances sont solides et que vous êtes sérieux et motivé.
Comme il y a quand même un peu de temps avant les oraux, réviser bien les connaissances exigibles.

si je maîtrise parfaitement ces compétences est ce que ça pourrait m’assurer un petit 15?

un 15 n’est jamais petit…;-)
Une bonne maîtrise des compétences exigibles permet de taper entre 12 et 18 (pour les 2 derniers points c’est la « physic’s touch »). Mais à l’oral, il y a l’aspect « humain » de l’évaluateur qu’on ne maîtrise pas. A l’écrit, le barême est très serré et du coup beaucoup plus objectif.

Pouvez vous svp me décrire la situation? (est ce qu’il y aura d’autres questions sur d’autres chapitres que l’exercice que nous avons a résoudre?)

L’oral se déroule de la manière suivante : vous tirez au sort une fiche comportant un exercice et une question de cours. La physique et la chimie doivent y être (ça peut être un exo de chimie et une question de cours de physique). Vous avez 20 minutes pour les préparer et 20 minutes de passage. Après avoir présenté votre solution à l’exo et répondu à la question de cours, l’évaluateur peut vous interroger sur les capacités expérimentales : nom de verrerie, comment utiliser un multimètre, etc.
Il ne faut pas oublier que le passage à l’oral fait perdre le bénéfice de la note obtenue aux TP évalué : à l’écrit la note est composée de 4 points de TP + 16 point d’écrit. A l’oral la note est sur 20.

merci beaucoup ^^ j’espère qu’ils seront larges. C’est quoi la physique touch?

La physic’s touch c’est quand on a le vrai sens physique : avoir le réflexe homogénéité lorsqu’on écrit une relation entre grandeurs physiques, estimer une valeur numérique avec les puissances de 10 sans qu’on vous le demande, reconnaître un bon ordre de grandeur, être capable de reconnaître les paramètres caractéristiques d’un phénomène qu’on n’a jamais vu avant, faire le lien entre un phénomène électrique et mécanique (RLC et solide-ressort par exemple) etc. Bref, ce qui fait les caractéristiques des façons de penser des physiciens. Lorsqu’on sent qu’un candidat a les bons réflexes, on a toujours envie de lui mettre un peu plus.
Et bon courage pour votre oral !