La place de la physique

"Ce n'est pas dans la science qu'est le bonheur, mais dans l'acquisition de la science.”
Edgar Poe, Ecrivain

" Le temps viendra où l'énergie atomique prendra la place du charbon. J'espère que l'espèce humaine ne découvrira pas comment employer cette énergie avant d'avoir suffisamment de cervelle pour l'utiliser correctement.”
Sir Olivier Lodge, en 1920

Pour décrire le monde (excepté le monde vivant) la physique est une véritable fabrique de concepts.

Elle offre une description simple et cohérente des mouvements des objets (saut en snowboard, trajectoire d'une voiture, envol d'un avion,...) de l'équilibre des objets (pont suspendu, trimaran surfant sur des vagues, funambule sur un câble, ...), des phénomènes impliquant l'électricité et le magnétisme (de la lampe torche au lecteur DVD en passant par le moteur électrique) et de ceux impliquant un mouvement périodique ou cyclique (transmissions radio ou vidéo, images médicales, tremblements de terre, vagues, radars,...) et de bien d'autres phénomènes qu'il serait fastidieux de lister ici.

En ce qui concerne les études au gymnase, la physique contribue à développer une manière de penser qui valorise les schémas, le raisonnement par hypothèses et vérifications et le calcul des ordres de grandeur. Elle doit permettre aux étudiants de parler de façon argumentée sur des faits scientifiques à propos des enjeux de notre société comme l'énergie et ses sources, la pollution, l'usage du nucléaire,...

Historiquement la plus ancienne des sciences expérimentales, la physique constitue une charpente pour les autres sciences comme la chimie, la biologie et les sciences de l'ingénieur.

Elle est enseignée sous trois formes différentes :

• En discipline fondamentale : accent compréhension du monde
• En option spécifique : connaissances de base pour poursuivre des études scientifiques
• En option complémentaire : connaissances approfondies pour la médecine, la chimie et la biologie ainsi que pour toute personne curieuse de sciences

Liste des cours

Ecoles et type	Dénominations	Années	Dotation
Ecole de culture générale : discipline fondamentale	Physique	1ère	1.33p cours + 0.33p TP
Ecole de culture générale : option santé	Physique	2ème	2p cours + 0,5p TP
		3ème	2p cours + 0,5p TP
Ecole de culture générale : option sociopédagogique	Sciences expérimentales	2ème	2p cours + 1p TP
		3ème	2p cours + 1p TP
Maturité : discipline fondamentale	Physique	1ère	1,5p cours + 0,5p TP
		2ème	1,5p cours + 0,5p TP
Maturité : option spécifique	Physique et application des mathématiques	1ère	3p cours + 1p TP
		2ème	3p cours + 1p TP
		3ème	2p cours + 1p TP
Maturité : option complémentaire	Physique	3ème	2p cours + 1p TP
Cours facultatifs	Astronomie Météorologie	Toutes	Variable

TP : travaux pratiques

Option spécifique - Physique et applications des mathématiques

(Programme officiel)

Si vous insistez pour avoir une définition précise de la force, vous ne l'aurez jamais.
Richard Feynman, Prix nobel de physique 1965

Cette option contient les bases nécessaires aux études scientifiques et techniques ainsi qu'aux professions de la santé. Elle est dans le prolongement naturel de l'option mathématiques et physique du secondaire inférieur.

Elle s'adresse aux élèves qui envisagent une formation scientifique. Ils auront en effet besoin de bases solides de physique et de mathématiques qui n'apparaissent qu'ici dans le programme des gymnases. Elle s'adresse aussi à tous ceux qui sont curieux de connaître les fondements de notre connaissance du monde et souhaitent pouvoir en maîtriser certains aspects quantitatifs.

Ses objectifs sont de développer la curiosité et l'intérêt pour la science, de fournir une culture générale en sciences expérimentales en situant l'homme dans son environnement naturel, technologique et culturel. Elle a pour vocation à apprendre à mieux structurer sa pensée et à conduire des raisonnements rigoureux et logiques.

L'option est présentée aussi bien dans le cadre du chapitre relatif aux mathématiques que dans celui qui concerne les sciences expérimentales.

Physique

Dotation de l'OS tenant compte du couplage avec la discipline fondamentale «Physique» des sciences expérimentales

En 1re année : 4 périodes hebdomadaires, dont 1 de travaux pratiques*

En 2e année : 4 périodes hebdomadaires, dont 1 de travaux pratiques*

En 3e année : 3 périodes hebdomadaires, dont 1 de travaux pratiques*

* Les travaux pratiques sont organisés par demi-classes, en principe à quinzaine (environ 18 séances par an pour chaque demi-classe).

Objectifs

Les objectifs du cours de physique de DF sont aussi pertinents pour le cours d'option spécifique. Le niveau de compétences visé sera plus élevé.

Savoirs

• Comprendre des phénomènes naturels et des réalisations techniques.
• Connaître divers aspects de l'univers, de l'infiniment petit à l'infiniment grand.
• Connaître différents modes de pensée anciens et modernes, en physique.
• Se familiariser avec l'élaboration de modèles qualitatifs ou quantitatifs.
• Montrer que les lois de la physique résultent d'une construction cohérente à partir de quelques principes de base.
• Etudier ces principes de manière rigoureuse et en déduire un certain nombre de lois.
• Situer la physique dans la culture contemporaine.

Savoir-faire

• Acquérir des compétences de conception et de réalisation de montages expérimentaux.
• Utiliser une méthode expérimentale complète, de la conception à l'interprétation.
• Développer la compréhension des phénomènes naturels et des réalisations techniques.
• Analyser des phénomènes à l'aide de modèles mathématiques et tester leur validité.
• Rédiger avec clarté et esprit de synthèse.

Attitudes

• Curiosité scientifique.
• Prise de recul face au sens commun et esprit critique.
• Rigueur de raisonnement, de formulation et de présentation.
• Esprit de collaboration, particulièrement aux travaux pratiques.

Contenus

Outre son étude théorique et expérimentale, chaque sujet recevra un éclairage historique et culturel. Le maître est libre d'inclure des éclairages et des sujets complémentaires dans la liste des contenus qui suit.

Cours de 1re année

• Notions fondamentales: structure de la matière, structure de l'univers, échelle des distances, échelle de temps, évolution des idées.
• Cinématique: position, vitesse, accélération, mouvements simples.
• Dynamique: masse, quantité de mouvement, forces, lois de Newton, gravitation.

Cours de 2e année

• Energie: travail, formes et transformations d'énergie, puissance.
  
• Electrostatique: charge électrique, force électrique, champ électrique, tension, potentiel, condensateurs.
• Electrocinétique: courant électrique, énergie électrique, résistance, générateurs et récepteurs.
• Electromagnétisme: champ magnétique, forces magnétiques, source du champ magnétique.

Cours de 3e année

• Electromagnétisme: flux, induction électromagnétique.
• Ondes: ondes progressives, interférences, ondes stationnaires, effet Doppler, diffraction, son et ondes électromagnétiques.

Un sujet à choix:

• Solides en rotation.
• Mouvements harmoniques.
• Courant alternatif.
• Relativité.
• Physique moderne.
• Astrophysique.

Applications des mathématiques

Dotation

En 1re, 2e et 3e année: 2 périodes hebdomadaires.

Considérations générales

Le terme d'applications des mathématiques recouvre de nombreuses directions d'études, encore diversifiées depuis l'avènement de l'informatique. La résolution de la plupart des problèmes requiert cependant un même noyau d'activités comportant le développement de modèles mathématiques et l'utilisation de méthodes numériques ou géométriques. Sans vouloir fermer le large éventail des orientations possibles en applications des mathématiques, le programme décrit trois secteurs d'activités.

Principes

Conformément à l'esprit du Plan d'études cadre, l'accent est mis sur les savoir-faire à acquérir et à développer plutôt que sur les connaissances. Le maître assume la gestion de son enseignement. Il en choisit les méthodes et les moyens. Il varie les approches de sorte qu'elles se

complètent, mènent à l'acquisition des savoir-faire généraux et encouragent les attitudes souhaitées. Il définit l'ordre de présentation des sujets et le temps consacré à chacun d'eux.

Savoir-faire généraux

L'élève devra être capable de:

• exprimer mathématiquement les faits et règles qui régissent un modèle;
• exprimer des processus dynamiques et utiliser des simulations;
• comprendre et conduire une démarche algorithmique qui construit pas à pas la solution d'un problème;
• savoir utiliser les instruments les plus appropriés pour analyser des situations concrètes;
• garantir la qualité d'une estimation en analysant les sources d'erreurs;
• résoudre graphiquement des problèmes de géométrie de l'espace; restituer la réalité tridimensionnelle d'un objet spatial donné par ses projections;
• formuler d'une manière claire ses expériences, ses démarches et ses réflexions.

Attitudes souhaitées

• rester critique face à des résultats numériques;
• être conscient des avantages et des limites de l'utilisation d'un modèle mathématique pour décrire une réalité;
• faire preuve d'autonomie et d'esprit de recherche;
• pratiquer l'interdisciplinarité.

Secteurs

Méthodes géométriques

Si une connaissance rudimentaire de quelques techniques de représentation utiles notamment aux ingénieurs, architectes, dessinateurs, géographes ou peintres s'inscrit naturellement dans les objectifs d'une formation générale, il est nécessaire d'étudier différentes méthodes de projection et de recourir à différentes transformations du plan pour acquérir une compétence effective dans la construction pas à pas de la solution géométrique d'un problème. En plus de la géométrie analytique, d'autres approches (perspective, axonométrie, méthode de Monge...) sont de nature à consolider l'apprentissage de la géométrie.

Modélisation

Dans ce volet important des applications des mathématiques, on traite de modestes applications par l'élaboration et l'expérimentation de modèles, pratiquant ainsi l'interdisciplinarité. Plus précisément, il s'agit de traduire, sous forme mathématique, des problèmes concrets provenant de la biologie, de l'économie, de l'informatique, de la physique ou d'un autre domaine, de les traiter ensuite à l'aide des outils mathématiques appropriés (algorithmique, stochastique...), d'interpréter correctement les résultats, et finalement de s'interroger sur l'adéquation et les limites des modèles utilisés.

Méthodes numériques

Si c'est l'analyse mathématique qui explique et prouve l'existence de solutions à certains problèmes, c'est bien en applications des mathématiques que l'on apprend à mettre au point des méthodes qui produisent efficacement des estimations fiables de ces solutions. Les procédés de calcul exigent souvent une bonne compréhension des performances et des limites des machines; ils nécessitent toujours la maîtrise des éléments de base de l'algorithmique.

Programme de l'option spécifique
Les trois secteurs doivent être abordés de manière équilibrée sur les trois années.

1re année (2 périodes)
Principalement méthodes géométriques.

2e et 3e année (2 périodes)
Principalement modélisation et méthodes numériques.

Examens

Les examens portent sur les deux dernières années ainsi que sur les notions fondamentales introduites en première année.

Ecrit : Un tiers pour la physique et deux tiers pour les applications des mathématiques.

Oral : Porte sur des sujets de physique.

Option complémentaire de physique

• Vous pensez qu'elle est misogyne ? Son nom même est au féminin!
• On vous dit qu'elle est ingrate ? Elle saura vous récompenser de vos efforts!
• Vous la croyez vieillotte ? Elle est au contraire au cœur de l'actualité!
• Vous êtes certain qu'elle est incompréhensible ? Vous l'avez sous vos yeux à chaque instant!

Vous n'êtes pas un Einstein et vous pensez que la physique n'est pas pour vous ? Peu importe : avec un zeste de volonté, les joies de cette science sont à la portée de tous.

Vous découvrirez que la physique explique bien des phénomènes de votre vie quotidienne, qu'elle est à la portée de vos doigts.

Vous pourrez expérimenter, réfléchir, émettre des hypothèses et même vous éclater si vous le voulez !

Si le défi vous stimule, ralliez l'option complémentaire !

Programme physique OC

Aborder certaines notions de base de physique, dans une optique de préparation à des études de médecine, de sciences naturelles et de sciences de l'ingénieur

Tenter d'éveiller un intérêt pour l'étude des sciences expérimentales et pour l'activité scientifique en général

Mécanique :
Mouvements, forces, lois de Newton (rappels et généralisation)
Equilibre des corps

Electromagnétisme :
Electrostatique, force électrique, notion de champs
Electrocinétique, tension, potentiel, courant, résistance, énergie
Circuits simples
Magnétisme, phénoménologie, induction, imagerie médicale

Outils indispensables :

Vecteurs, trigonométrie, équations à une et deux inconnues et du deuxième degré, manipulation de formules, notation scientifique, unités de mesure, chiffres significatifs

Support de cours à déterminer

Environ 15 séances de TP sur l'année