Enseignement scientifique en classe de terminale

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle.

Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement proche de 1.

Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle avec la mécanique quantique, qui traite du comportement fondamentalement probabiliste de la nature à l’échelle microscopique.

L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est une conséquence.

Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent partiellement en énergie électrique.

• Reconnaître les éléments principaux d’un alternateur (source de champ magnétique et fil conducteur en mouvement relatif) dans un schéma fourni. Relier la vitesse de rotation du rotor et la fréquence du courant électrique.

• Définir le rendement d’un alternateur et citer un phénomène susceptible de l’influencer.

• Comparer le spectre d’absorption d’un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour discuter si ce matériau est susceptible d’être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque.

• Argumenter autour de la mise en place d’une installation photovoltaïque domestique ou industrielle.

↔ Lectures graphiques.

↔ Grandeurs et mesures. Grandeurs quotients.

Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion :

• la conversion d’énergie mécanique, soit directe (dynamos, éoliennes, hydroliennes, barrages hydroélectriques), soit indirecte à partir d’ énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques, géothermie) ;

• la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ;

• la conversion électrochimique (piles ou accumulateurs conventionnels, piles à hydrogène).

• Décrire des exemples de chaînes de transformations énergétiques permettant d’obtenir de l’énergie électrique à partir de différentes ressources primaires d’énergie.

• Calculer le rendement global d’un système de conversion d’énergie.

↔ Grandeurs et mesures.

↔ Grandeurs proportionnelles.

↔ Grandeurs quotients.

Ces méthodes sans combustion ont néanmoins un effet sur l’environnement et la biodiversité ou présentent des risques spécifiques (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, etc.).

Analyser des documents présentant les conséquences de l’installation et du fonctionnement d’une centrale électrique.

Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipé e dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur.

L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Le réseau de transport de l’électricité est maillé au niveau européen. En cas de déséquilibre entre l’offre et la demande, il est nécessaire de mobiliser des réserves d’énergie, de diminuer la consommation ou la production ou de stocker de l’énergie.

Pour faire face à l’intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, une possibilité est de convertir l’énergie électrique sous une forme stockable :

• énergie chimique ;

• énergie mécanique ;

• énergie électromagnétique.

• Utiliser les formules littérales reliant la puissance à l’intensité et la tension pour identifier l’influence de ces grandeurs sur l’effet Joule dans les lignes électriques.

• Comparer des dispositifs de stockage d’énergie selon différents critères (capacité et durée de stockage, incidence écologique, masses mises en jeu par kilowattheure).

↔ Grandeurs quotients.

↔ Calcul littéral.

↔ Grandeurs et mesures.

L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent.

Leur consommation est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.

La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés.

En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.

Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux radiatif solaire, géothermique et des marées).

• Utiliser les différentes unités d’énergie (tonne équivalent pétrole (tep), kilowattheure (kWh), etc.).

• Exploiter des données de production et d’utilisation d’énergie à différentes échelles (mondiale, nationale, locale, individuelle).

• Comparer quelques ordres de grandeur d’énergie et de puissance : corps humain, objets du quotidien, moteurs, centrale électrique, flux radiatif solaire, etc.

↔ Organisation et exploitation de données.

↔ Lectures graphiques.

↔ Puissances de 10, ordres de grandeur.

↔ Conversion d’unité s, proportionnalité.

↔ Grandeurs quotients.

Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels. L’élément carbone circule entre ces différents réservoirs terrestres, constituant le cycle du carbone. Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone contenu dans la matière organique des êtres vivants, résultant de la réduction du CO₂ par photosynthèse il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont qualifiées de non-renouvelables.

• Analyser un schéma représentant le cycle biogéochimique du carbone pour comparer les stocks des différents réservoirs et identifier les flux principaux de carbone d’origine anthropique ou non.

• Citer les ordres de grandeur des durées nécessaires aux transformations du carbone.

La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone, également des aérosols et d’autres substances (N₂O, O₃ , suies, produits soufrés) qui affectent la qualité de l’air inhalé et la santé.

• Ajuster l’équation d’une ré action chimique d’oxydation par le dioxygène.

• Comparer la masse de dioxyde de carbone produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles.

• Distinguer ozone stratosphérique et troposphérique.

• À partir de documents épidémiologiques, identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques, telles les particules fines résultant de combustions.

↔ Grandeurs et mesures.

↔ Grandeurs quotients.

L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO 2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

À partir de documents, analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimiser ou la compenser.

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus vulnérables. Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.

Dans le domaine énergétique, le choix des mesures d’adaptation et d’atténuation doit tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, effets climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.

Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action.

La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique (recherche de diversification ou d’évolution des ressources, mix énergétique, etc.) et sur l’évolution des comportements individuels et collectifs (consommation, déplacements, etc.).

• Discuter des incidences de l’augmentation du CO₂ sur le développement de la végétation.

• Analyser des extraits de documents du GIEC ou d’accords internationaux.

• Analyser d’un point de vue global les incidences de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire en France.

• Dans une étude de cas, analyser des choix énergétiques locaux selon les critères et les paramètres mentionnés.

↔ Organisation et exploitation de données.

↔ Lectures graphiques.

↔ Ordres de grandeur.

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle.

Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement proche de 1.

Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle avec la mécanique quantique, qui traite du comportement fondamentalement probabiliste de la nature à l’échelle microscopique.

L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est une conséquence.

Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent partiellement en énergie électrique.

• Reconnaître les éléments principaux d’un alternateur (source de champ magnétique et fil conducteur en mouvement relatif) dans un schéma fourni. Relier la vitesse de rotation du rotor et la fréquence du courant électrique.

• Définir le rendement d’un alternateur et citer un phénomène susceptible de l’influencer.

• Comparer le spectre d’absorption d’un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour discuter si ce matériau est susceptible d’être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque.

• Argumenter autour de la mise en place d’une installation photovoltaïque domestique ou industrielle.

↔ Lectures graphiques.

↔ Grandeurs et mesures. Grandeurs quotients.

L’évolution d’une population dont la variation absolue par unité de temps est presque constante est représentée par un nuage de points évoquant une droite.

Cette évolution peut être modélisée par une suite arithmétique (modèle dit linéaire).

L’évolution d’une population dont la variation relative par unité de temps (encore appelé e taux d’évolution) est presque constante est représentée par un nuage de points évoquant la courbe d’une exponentielle. Cette évolution peut être modélisée par une suite géométrique (modèle dit exponentiel).

Le modèle démographique de Malthus est un modèle exponentiel d’évolution de l’effectif de la population. Il pré voit que l’effectif de la population décroît vers 0 si le taux de mortalité est supérieur au taux de natalité et croît vers l’infini si le taux de natalité est supérieur au taux de mortalité.

Si les prédictions du modèle de Malthus peuvent se révéler correctes sur un temps court, elles sont irréalistes sur un temps long, notamment en raison de l’insuffisance des ressources disponibles.

Des modèles plus élaborés prévoient que la population mondiale atteindra environ 10 milliards d’humains en 2050.

• À partir de données démographiques, calculer des variations absolues par unité de temps et des variations relatives par unité de temps d’une population afin de choisir entre un modèle linéaire et un modèle exponentiel.

• Selon le modèle de Malthus, pré dire l’effectif d’une population au bout de n années à partir de son effectif initial, de son taux de natalité et de son taux de mortalité.

• À l’aide d’un tableur, d’une calculatrice ou d’une représentation graphique, calculer le temps de doublement d’une population sous l’hypothèse de croissance exponentielle.

• À partir de documents fournis, proposer un modèle de croissance de ressources alimentaires (par exemple, la production mondiale de blé ou de riz) et la comparer à une croissance exponentielle.

• À l’aide d’une calculatrice ou d’un tableur, ajuster un nuage de points par une courbe de tendance et utiliser ce modèle pour effectuer des prévisions.

• Comparer les valeurs fournies par un modèle à des données réelles afin de tester sa validité.

↔ Calculs usuels sur les suites arithmétiques et géométriques, représentations graphiques.

↔ Lectures graphiques.

↔ Résolution d’équations et d’inéquations.