Cette partie présente l’ensemble des capacités expérimentales que les étudiants doivent avoir acquises, durant les séances de travaux pratiques, à l’issue des deux années. Une séance de travaux pratiques s’articule autour d’une problématique, que les thèmes – repérés en gras dans le corps du programme – peuvent servir à définir.

Les capacités rassemblées ici ne constituent donc en aucun cas une liste de travaux pratiques qui s’organiseraient autour d’une découverte du matériel : par exemple, toutes les capacités mises en œuvre autour d’un appareil de mesure ne sauraient être l’objectif unique d’une séance, mais doivent au contraire faire l’objet d’un apprentissage progressif contextualisé où chaque élément apparaît naturellement à l’occasion de l’étude d’un problème concret.

Les différentes capacités à acquérir sont, pour plus de clarté, regroupées en quatre domaines en chimie, les deux premiers étant davantage transversaux :

  1. Prévention du risque au laboratoire de chimie
  2. Mesures de grandeurs physiques
  3. Synthèses organiques et inorganiques
  4. Analyses qualitatives et quantitatives

Cela ne constitue pas une incitation à limiter une activité expérimentale à un seul domaine. En effet, lors de la mise en œuvre d’une synthèse au laboratoire, il peut être utile de procéder à une analyse du produit formé ou à une mesure de grandeur physique caractéristique et, bien entendu, il est indispensable de prendre en compte les consignes de sécurité. Il convient également de favoriser l’autonomie et la prise d’initiative décrites dans la partie « Compétences expérimentales ».

Le matériel nécessaire à l’acquisition de l’ensemble des capacités ci-dessous figure dans l’Appendice 1 du programme.

Prévention du risque au laboratoire de chimie

Les élèves doivent prendre conscience du risque lié à la manipulation et au rejet des produits chimiques. L’apprentissage et le respect des règles de sécurité leur permettent de prévenir et de minimiser ce risque. Futurs ingénieurs, chercheurs, enseignants, ils doivent être sensibilisés au respect de la législation et à l’impact de leur activité sur l’environnement.

Quels sont les pictogrammes de sécurité ?
Les pictogrammes de sécurité sont des indications très importantes à reconnaître et comprendre. En effet, ces derniers indiquent les mesures de sécurité à prendre, notamment du côté des équipements de protection individuels (EPI). Ceux-ci seront une barrière entre les produits chimiques et votre corps.
Notions et contenusCapacités exigibles
1. Prévention du risque chimique

Règles de sécurité au laboratoire.

Pictogrammes de sécurité pour les produits chimiques.

Phrases H et P.
Adopter une attitude adaptée au travail en laboratoire.

Relever les indications sur le risque associé au prélèvement et au mélange des produits chimiques .

Développer une attitude autonome dans la prévention des risques.
2. Impact environnemental

Traitement et rejet des espèces chimiques.
Adapter le mode d’élimination d’une espèce chimique ou d’un mélange en fonction des informations recueillies sur la toxicité ou les risques.

Sélectionner, parmi plusieurs modes opératoires, celui qui minimise les impacts environnementaux.

Au cours de votre année scolaire, vous serez amenés à manipuler :

  • De la verrerie fragile ;
  • Des appareils de chauffage ;
  • Des produits chimiques.

C'est pourquoi il est important pour la sécurité de vos camarades, votre sécurité et celle du matériel de suivre certaines règles et de veiller à garder une attitude adaptée afin que le danger reste éloigné.

  • Manipuler avec précaution et proprement.
  • Il est important de toujours manipuler debout. Ainsi, les tabourets et les chaises doivent être rangés sous la paillasse afin de ne pas encombrer les allées.
  • Vous ne devez prendre que le minimum d'affaire sur votre paillasse et ne jamais manipuler au dessus d'un classeur ouvert.
  • Minimisez au maximum vos déplacements.
  • Ne jamais pipeter à la bouche sans pro-pipette.
  • Lors du prélèvement d'un produit dans un flacon, tenir le bouchon à la main et reboucher le flacon immédiatement après usage. N'utiliser les flacons que les uns après les autres. Ne pas permuter les bouchons de deux flacons.
  • Pour introduire une poudre dans un tube à essais, utiliser une feuille de papier propre pliée en deux.
  • Ne jamais remplir complètement un tube à essai, surtout s'il faut chauffer : ne pas dépasser 1 cm de hauteur pour un liquide et 0,5 cm de hauteur pour un solide.
  • Ne jamais retourner un tube sur le pouce.
  • Ne jamais diriger l'ouverture d'un tube à essais vers vous ou votre voisin.
  • Pour déceler une odeur, ne jamais mettre le récipient sous le nez.
  • Ne jamais prélever de produit en pipetant directement dans le flacon : Il faut verser un peu de produit dans un verre à pied avant de pipeter.
  • Pour un produit solide en poudre ou granulés, il faut verser un peu de
    produit dans une soucoupe puis en prélever avec une spatule.
  •  Ne jamais remettre dans le flacon le produit resté inutilisé.

Comment trouver un professeur de physique chimie ?

Comportement général

  • Ne pénétrer dans une salle qu'en présence du professeur ou d'une personne responsable.
  • Ne jamais courir, ni se bousculer dans la salle. S'interdire tout jeu ou plaisanterie.
  • Porter une blouse en coton et la boutonner complètement ainsi que des lunettes de protection.
    • Vous ne devez pas vous habiller ou vous déshabiller devant votre paillasse mais plutôt au fond de la salle ;
    • Les vêtements ne doivent pas être posé sur ou à côté des paillasses mais être accrochés à un endroit où ils ne risquent rien.
  • Maintenir ses cheveux longs par un bandeau ou en les glissant dans la blouse par exemple de même, il est interdit de porter des vêtements flottants comme une écharpe.
  • Les sacs doivent être rangés sous les paillasses et ne jamais encombrer les allées.
  • Ne pas porter de bijoux pour éviter de les altérer par des gaz, ou par le contact avec du mercure.
  • Ne pas toucher les appareils ou les flacons de produits chimiques disposés sur les tables avant d'être informé des précautions à prendre.
  • Veiller à la propreté des mains ; en protégeant une éventuelle plaie par un pansement et en les lavant après chaque souillure et après la séance de TP.
  • Ne jamais porter ses mains au visage et surtout aux yeux.

Où trouver un professeur de physique ?

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Méthodologie et étapes de réalisation du TP

Comprendre l'énoncé du TP

Le plus important avant de commencer votre TP est de lire une ou plusieurs fois l'énoncé afin de le comprendre. Au besoin, ressortez vos cours et revoyez les notions que vous allez avoir à travailler pour être au point. Si vous considérez qu'il vous manque d'importantes informations pour commencer, demandez de l'aide à vos camarades ou vos professeurs.

Élaborer un protocole afin de travailler au mieux

La deuxième étape de votre travail est de commencer à réfléchir au cheminement de votre TP. En effet, il faut que vous sachiez où vous voulez aller et ce que vous avez à démontrer pour commencer à envisager les moyens à utiliser. C'est ce que l'on appelle la rédaction de votre protocole expérimental.

C'est votre plan de travail. Au brouillon, notez vos idées. Reprenez-les une par une et pensez à la façon dont vous comptez mettre en oeuvre et réaliser l'expérience.

  • Cette expérience répond-t-elle à la question posée dans l'énoncé ? ;
  • Suis-je en mesure d'effectuer cette expérience ? ;
  • Ai-je les connaissances nécessaires pour interpréter les résultats de mon expérience ?

Une fois cette check-list validée, vous pouvez rédiger au propre votre protocole expérimental.

Pour cela, écrivez proprement et lisiblement en utilisant des phrases courtes et des mots clairs. Inutile de vous noyer dans des explications trop poussées. Vous devez utiliser des verbes d'action qui traduisent uniquement les actes que vous allez réaliser durant votre expérience.

En fin de rédaction du protocole expérimental, pensez à surtout mentionner les mesures de sécurité à prendre pour la réalisation de votre expérience. mentionnez les équipement de sécurité nécessaires : lunettes, gants, blouse, hotte aspirante, etc.

Vous pouvez aussi agrémenter le protocole d'un schéma de l'expérience en détaillant de manière précise le matériel utilisé et en soignant votre dessin.

Énoncer ses hypothèses

Ecrivez les hypothèses que vous souhaitez démontrer à l'issue de votre expérience. Indiquez dans quels cas elles sont validées et dans quels cas elle sont réfutées.

Réaliser l'expérience demandée

Maintenant que le protocole et les hypothèses ont été posés et établis, vous pouvez vous mettre à la pratique. Utilisez bien les équipements de protection utiles à la réalisation de l'expérience. Procédez avec calme et rigueur. Suivez pas à pas les étapes du protocole expérimental. N'hésitez pas à prendre des notes pendant l'expérience, vous pourrez ainsi en rendre compte. Inscrivez vos problèmes rencontrés ou éventuellement les modifications que vous avez du apporter au protocole pour rendre l'expérience réalisable.

Rédiger le compte-rendu

Dans votre compte-rendu, vous devez rapporter le résultat de votre expérience tout en validant ou en réfutant votre ou vos hypothèses. Notez bien le déroulement de votre expérience et les conclusions que vous en avez tiré. Vous pouvez y ajouter des remarques sur la réalisation de l'expérience.

On peut également ajouter des documents tels que des photographies de l'expérience ou encore des croquis et des graphiques.

Conclure le TP

Pour finir, vous devez rédiger une conclusion. Dans cette dernière, reprenez l'énoncé et apportez y une réponse, en vous servant de votre expérience pour la justifier. Soignez bien cette partie, c'est elle qui solde votre TP et votre note en dépend beaucoup.

Mesures de grandeurs physiques

NotionsCapacités exigibles
Mesures de :

- Volume

- Masse

- pH

- Conductance et conductivité

- Tension

- Température

- Pouvoir rotatoire

- Indice de réfraction

- Absorbance
Sélectionner et utiliser le matériel adapté à la précision requise.

Préparer une solution aqueuse de concentration donnée à partir d’un solide, d’un liquide, d’une solution de concentration molaire connue ou d’une solution de titre massique et de densité connus.

Utiliser les méthodes et le matériel adéquats pour transférer l’intégralité du solide ou du liquide pesé.

Distinguer les instruments de verrerie In et Ex.

Utiliser les appareils de mesure (masse, pH, conductance, tension, température, indice de réfraction, absorbance) en s’aidant d’une notice.

Étalonner une chaîne de mesure si nécessaire.

Synthèses organiques et inorganiques

À l’issue des deux années de formation, l’élève devra :

  • Maîtriser expérimentalement les différentes techniques mises en œuvre dans les synthèses : réalisation des montages et utilisation des appareillages ;
  • Connaître les fondements théoriques de ces techniques, en lien avec les propriétés physico- chimiques concernées (à l’exception des spectroscopies d’absorption IR et de RMN) ;
  • Etre capable de proposer des stratégies de transformation des réactifs, de séparation et de purification des produits synthétisés.

Les différentes techniques utilisées permettent de réaliser les opérations de :

  • Chauffage et refroidissement ;
  • Séparation et purification : extraction liquide-liquide ou liquide-solide, filtrations, séchage d’un liquide ou d’un solide, distillations sous pression ambiante et sous pression réduite (cette dernière étant strictement limitée à l’usage de l’évaporateur rotatif), recristallisation.
Notions et contenusCapacités exigibles
Transformation chimique
Transformations à chaud, à froid, à température ambiante.

Contrôle et régulation de la température du milieu réactionnel.

Suivi de l’évolution de la transformation.
Choisir la verrerie adaptée à la transformation réalisée et aux conditions opératoires mises en œuvre.

Réaliser le ou les montages appropriés et en expliquer le principe et l’intérêt.

Choisir ou justifier l’ordre d’introduction des réactifs.

Réaliser et réguler une addition au goutte à goutte.

Utiliser le moyen de chauffage ou de refroidissement adéquat.

Suivre et contrôler l’évolution de la température dans le réacteur.

Choisir un moyen approprié pour réguler une éventuelle ébullition.

Utiliser un réfrigérant à reflux, contrôler et réguler le reflux.

Mettre en œuvre des méthodes permettant de suivre qualitativement ou quantitativement l’avancement de la transformation.
Séparation et purification
Séparation de deux liquides non miscibles.
Séparation de deux espèces dissoutes dans une phase liquide.
Distillations
Séparation d’un liquide et d’un solide
Lavage d’un solide Recristallisation d’un solide
Séchage d’un solide

Séchage d’un liquide
Rendement
Choisir ou justifier un protocole de séparation ou de purification d’un produit, sur la base de données fournies ou issues d’observations et/ou de mesures expérimentales.

Réaliser une extraction liquide-liquide. Identifier la nature des phases dans une ampoule à décanter.

Distinguer extraction et lavage d’une phase.

Élaborer et mettre en œuvre un protocole de séparation de deux espèces dissoutes dans une phase liquide.

Mettre en œuvre différents types de distillation.

Choisir ou proposer la méthode la plus adaptée au système étudié.

Expliquer l’intérêt de l’évaporateur rotatif.

Réaliser et mettre en œuvre une filtration simple, une filtration sous pression réduite.

Choisir et justifier la méthode de filtration adaptée au système étudié.

Réaliser et justifier les différentes étapes du lavage d’un solide : ajout du solvant de lavage froid ou saturé, trituration, essorage.

Expliquer et mettre en œuvre la technique de recristallisation.

Justifier à l’aide de données pertinentes et/ou par l’observation le choix d’un solvant de recristallisation et la quantité mise en œuvre.

Mettre en œuvre «une pesée à masse constante » d’un solide humide.

Choisir un desséchant solide et estimer correctement par l’observation la quantité à utiliser.

À partir d’une mesure appropriée, déterminer le rendement d’une synthèse, d’une méthode de séparation.

La chimie organique

D'où vient le carbone ?
Le carbone est l'élément de base du vivant. Tous les organismes vivants sont en effet constitué de cet atome de base, avec l'hydrogène également.

La chimie organique est l'étude en chimie de tous les composants organiques. C'est donc principalement le cas de tous les composés du carbone, qu'ils soient d'origine synthétique ou naturelle.
On retrouve dans ces molécules certains atomes récurrents comme l'hydrogène, l'oxygène et l'azote.

En 1828, Friedrich Wöhler, un chimiste allemand, découvre la chimie organique dans laquelle le carbone a un rôle primordial en produisant de l'urée avec du cyanate d'ammonium.

Mais c'est seulement quelques années plus tard, entre 1850 et 1865, qu'un chimiste français, Marcellin Berthelot, que plusieurs molécules seront reconstituées par synthèse organique. C'est le cas par exemple avec le benzène, le méthane, le méthanol et l'éthyne.

Mais les grands débuts de la chimie organique sont intervenus avec l'industrialisation. Que ce soit avec les hydrocarbures pour les dérivés pétrolés (plastique, caoutchouc, adhésifs, etc.).

Le carbone est un élément chimique qui porte le numéro 6 dans la classification périodique des éléments.

Dès l'Antiquité, les Romains ont commencé à fabriquer du carbone avec du charbon de bois par des techniques de carbonisation du bois sous terre.
Dans l'Asie Antique, le carbone était déjà présent sous forme de diamants.

Il faut cependant attendre le XVIIIe siècle pour que les chimistes se penchent de plus près sur le cas du carbone. C'est Antoine Lavoisier en 1772 qui va commencer à étudier la combustion des diamants et du charbon, deux composés qui proviennent uniquement du carbone. Il remarquera notamment que lors d'une combustion de carbone, il n'y a pas de formation d'eau contrairement aux autres combustions.

Le carbone est principalement présent à l'état naturel sous deux formes allotropiques : le graphite et le diamant.

L'allotropie est la faculté d'un corps à exister sous différentes formes

A pression et température ambiantes, le carbone se trouve sous sa forme de graphie à l'état naturel.

Il est apparu sur Terre dès la création de cette dernière comme en témoigne sa présence dans de nombreux sédiments (pétrole par exemple).

On peut pour finir le trouver sous d'autres formes comme :

  • Charbon,
  • Pétrole,
  • Sédiments.

Le dioxyde de carbone, de formule , est présent quant à lui dans l'atmosphère sous forme de gaz et dans les eaux océaniques et continentales, sous forme de gaz dissout.

Le carbone est un élément non soluble dans l'eau ainsi que dans aucun solvant organique.

Quand il est fortement chauffé, il s'oxyde pour former du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone.

Lié à l'hydrogène, le carbone est source de vie. Cette liaison apparaît dans chaque être vivant organique de la planète.

Le carbone compte 15 isotopes connus à ce jour. Leur nombre de masse s'étend de 8 à 22.

Le radioisotope le plus stable est la carbone 14, présent à l'état naturel avec une demi-vie d'environ 5000 ans.

Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons

Un hydrocarbure est un composé organique qui a pour particularité d'être constitué uniquement de carbone et d'hydrogène.

Les hydrocarbures sont très présents dans la nature sous forme de carbone fossile. C'est le cas notamment du pétrole, du charbon ou encore du gaz naturel (méthane).

Ces ressources sont épuisables et non renouvelables à l'échelle humaine.

L'Homme utilise depuis longtemps les hydrocarbures en guise de ressources énergétiques et ce depuis la révolution industrielle.

Cependant, leur recours est assez controversé puisque leur utilisation est souvent néfaste pour la nature, principalement à cause des gaz à effet de serre produits par leur combustion.

Selon leur nature, on classe les hydrocarbures en plusieurs types. On retrouve par exemple les hydrocarbures saturés ainsi que les hydrocarbures insaturés. La différence réside dans le fait que leur chaîne carbonée contienne uniquement des liaisons simples ou non.

Les alcanes ont pour particularité que leurs liaisons entre carbones ne sont que des liaisons simples.
Il s'agit d'hydrocarbures saturés. Constitués uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, ils sont reliés par des liaisons simples au maximum possible d'atomes d'hydrogène.

Quelques alcanes :

  • Méthane : CH4
  • Éthane : C2H6
  • Propane : C3H8
  • Butane : C4H10

Afin d'obtenir des alcanes en laboratoire, il faut avoir recours à des réactions chimiques. Chacune de ces réactions possède ses particularités. Parfois elles ont lieu sans mélange ou avec conservation de la chaîne carbonée de départ. Il en existe d'autres qui utilisent pour réagir des métaux toxiques.

A l'état naturel, on peut rencontrer plusieurs alcanes. Que ce soit sous forme de gaz naturel ou de pétrole, ils proviennent de la fermentation et la putréfaction des végétaux de l'époque préhistorique.

Au niveau de leurs réactions chimiques, les alcanes réagissent peu. Leur stabilité s'explique par la force de leurs liaisons C-C et C-H.
Leur densité est faible, avoisinant les 0,7. Insolubles dans l'eau, ils sont cependant régulièrement miscibles avec les liquides organiques. On s'en sert régulièrement de solvants aux composés organiques.

Analyses qualitatives et quantitatives

On distinguera la caractérisation, le contrôle de pureté et le dosage d’une espèce chimique.

Comment calculer une concentration ?
Calculer une concentration est utile pour pouvoir effectuer des mesures de dilution ou de stabilités par exemple.

À l’issue des deux années de formation, l’élève devra :

  • Maîtriser les différentes techniques expérimentales mises en œuvre lors des analyses qualitatives et quantitatives ;
  • Etre capable de proposer une stratégie de mesures de concentrations ou de quantités de matière, une méthode de caractérisation d’un composé, tenant compte des propriétés physico-chimiques du système étudié ;
  • Distinguer les méthodes d’analyse destructives et non destructives.

Les techniques utilisées lors des analyses quantitatives sont les suivantes :

  • pH-métrie ;
  • Conductimétrie ;
  • Potentiométrie à intensité nulle ;
  • Spectrophotométrie UV-visible ;
  • Polarimétrie ;
  • Réfractométrie ;
  • Chromatographie sur couche mince.
Notions et contenusCapacités exigibles
Notions et contenus Capacités exigibles


1. Caractérisation d’un composé et contrôle de sa pureté

Chromatographies sur couche mince.

Tests de reconnaissance ; témoin.

Détermination expérimentale de grandeurs physiques ou spectroscopiques caractéristiques du composé (les principes théoriques de la RMN et de la spectroscopie d’absorption IR sont hors programme).
Mettre en œuvre une chromatographie sur couche mince. Justifier la méthode de révélation utilisée.

Interpréter l’ordre d’élution des différents composés en relation avec leurs propriétés physico-chimiques et les caractéristiques de la phase stationnaire et de l’éluant.

Proposer à partir d’une banque de données et mettre en œuvre un test de reconnaissance pour identifier une espèce chimique présente (ou susceptible de l’être) dans un système.

Extraire d’une banque de données des informations sur les propriétés physiques des produits.

Relever la température d’un palier de distillation.

Mesurer une température de fusion.

Mesurer un indice de réfraction.

Mesurer un pouvoir rotatoire.

Comparer les données tabulées aux valeurs mesurées et interpréter d’éventuels écarts.

Comparer les caractéristiques d’un produit synthétisé avec celles du produit commercial.
2. Dosages par étalonnageDéterminer une concentration en exploitant la mesure de grandeurs physiques caractéristiques du composé ou en construisant et en utilisant une courbe d’étalonnage.

Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer une concentration ou une quantité de matière par spectrophotométrie UV-Visible.
3. Dosages par titrage

Titrages directs, indirects.

Équivalence.

Titrages simples, successifs, simultanés.

Méthodes expérimentales de suivi d’un titrage : pH-métrie,    conductimétrie, potentiométrie à intensité nulle, indicateurs colorés de fin de titrage.

Méthodes    d’exploitation    des courbes expérimentales.
Identifier et exploiter la réaction support du titrage (recenser les espèces présentes dans le milieu au cours du titrage, repérer l’équivalence, justifier qualitativement l’allure de la courbe ou le changement de couleur observé).

Proposer ou justifier le protocole d’un titrage à l’aide de données fournies ou à rechercher.

Mettre en œuvre un protocole expérimental correspondant à un titrage direct ou indirect.

Choisir et utiliser un indicateur coloré de fin de titrage.

Exploiter une courbe de titrage pour déterminer le titre en espèce dosée.

Exploiter une courbe de titrage pour déterminer une valeur expérimentale d’une constante thermodynamique d’équilibre.

Utiliser un logiciel de simulation pour déterminer des courbes de répartitions et confronter la courbe de titrage simulée à la courbe expérimentale.

Justifier la nécessité de faire un titrage indirect.

Distinguer l’équivalence et le virage d’un indicateur coloré de fin de titrage.

Déterminer les conditions optimales qui permettent à l’équivalence et au repérage de la fin du titrage de coïncider.
4. Suivi cinétique de transformations chimiques
Suivi en continu d’une grandeur physique.
Limitation de l’évolution temporelle (trempe) d’un système par dilution, transformation chimique ou refroidissement.
Régulation de la température.
Choisir une méthode de suivi tenant compte de la facilité de mise en œuvre, des propriétés des composés étudiés, du temps de réaction estimé ou fourni.
Exploiter les résultats d’un suivi temporel de concentration pour déterminer les caractéristiques cinétiques d’une réaction.
Proposer et mettre en œuvre des conditions expérimentales permettant la simplification de la loi de vitesse.
Déterminer la valeur d’une énergie d’activation.

Utilisation de l’outil informatique

L’outil informatique sera utilisé, par exemple :

  • Dans le domaine de la simulation : pour interpréter et anticiper des résultats ou des phénomènes chimiques, pour comparer des résultats obtenus expérimentalement à ceux fournis par un modèle et pour visualiser des modèles de description de la matière ; Les domaines d’activités qui se prêtent particulièrement à la simulation sont les titrages en solution aqueuse, la cristallographie, la modélisation moléculaire, la cinétique chimique. Cette liste n’est bien entendu pas exhaustive et l'usage de toutes les animations numériques qui facilitent l'apprentissage est recommandé ;
  • Pour l’acquisition de données, en utilisant un appareil de mesure interfacé avec l’ordinateur.
  • Pour la saisie et le traitement de données à l’aide d’un tableur ou d’un logiciel dédié.

Exemple d'outil informatique appliqué en TP : Utilisation d'un smartphone en sciences physiques

Le but de cet exercice est de découvrir différentes utilisations possibles d’un smartphone en sciences physiques.

1.Étude de la constitution de l’écran

Indications du fabriquant sur le smartphone utilisé :

  • Dimensions de l’écran : 5,98 cm × 10,62 cm ;
  • Résolution de l’écran : 720 px* × 1280 px*, 306 ppp* ;
  • Connectivité : Wi-Fi – Bluetooth® 4.0 ;
  • *px = pixel et ppp = pixel par pouce
    Un pouce est égal à 2,54 cm

Les écrans de smartphones sont des écrans LCD constitués de pixels (px) très petits. Ces pixels sont eux-mêmes constitués de 3 « sous-pixels » : un vert, un bleu et un rouge. En réflexion, ils se comportent avec la lumière comme un réseau optique à deux dimensions.

Description de l’expérience

Pour vérifier les indications du constructeur concernant la résolution de l’écran, on réalise l’expérience schématisée ci-dessous. Le laser émet un faisceau monochromatique de longueur d’onde l = 650 nm.

La figure obtenue dépend de la forme des pixels de l’écran.

Avec l’écran du smartphone utilisé ici, on observe une figure ressemblant au schéma ci-contre sur laquelle on peut repérer un paramètre noté i.

On peut relier ce paramètre i à la distance p séparant 2 pixels de l'écran du smartphone par la relation :

    \[ i = \frac {\lambda \times D} {p} \]

l est la longueur d’onde du faisceau laser utilisé.

Photographie de la figure obtenue (les valeurs indiquées sur la règle sont en cm)

1.1     On parle généralement de dualité onde-particule au sujet de la lumière. Quel comportement de la lumière est mis en jeu lors de l’expérience présentée dans cette partie ?

1.2     À l’aide des résultats de l’expérience, déterminer la distance séparant deux pixels de l’écran du smartphone.

1.3     Vérifier que ce résultat est cohérent avec les indications du fabriquant. On considérera que les pixels sont accolés.

2.Étude de la transmission Bluetooth®

Lors d’une autre séance de travaux pratiques, un élève utilise le smartphone pour filmer les oscillations d’un pendule simple de masse m = 100 g et de longueur notée L.

Pour réaliser cette vidéo, il utilise les réglages suivants sur la webcam du smartphone :

  • Résolution 720 × 480 pixels ;
  • Durée : 20 s ;
  • 30 images par seconde ;
  • Son désactivé ;
  • Couleur 24 bits par pixels.

Données dans les unités du système international (u.s.i.) :

  • Célérité des ondes électromagnétiques : c = 3,0×108 u.s.i. ;
  • Intensité du champ de pesanteur terrestre : g = 9,81 u.s.i. ;
  • Spectre électromagnétique où l est la longueur d’onde en mètre :
  • 1 Mo = 106 octets et que 1octet = 8 bits.

Le Bluetooth®

Il s’agit d’une technologie de transfert de données sans fil.

Le Bluetooth® et certaines normes de Wi-Fi partagent la même bande de fréquence de 2,4 GHz mais ils n’ont pas du tout les mêmes usages. Le Wi-Fi est utile pour transmettre des données de taille importante avec une bande passante élevée. Au contraire, le Bluetooth® possède une bande passante plus faible et sert plutôt à transmettre des données de taille plus faible.

La norme Bluetooth® 4.0 permet un transfert avec un débit de 24 Mbit.s–1.

Comment utiliser un smartphone comme appareil de mesure ?
Le smartphone est doté d'une multitude de capteurs qui permettent de récupérer une multitude de données. Que ce soit l'intensité lumineuse, la force du son ou encore la vitesse, toutes ces données peuvent être mesurées avec ce petit appareil qui tient dans votre poche !

2.1     Quelle devrait-être en mégaoctets (Mo) la taille de la vidéo obtenue ?

L'élève transfère le fichier vidéo sur un ordinateur par Bluetooth® 4.0.

2.2     À quel domaine du spectre électromagnétique appartiennent les ondes émises par le smartphone lors du transfert Bluetooth® ? Justifier par un calcul.

2.3     Après compression la taille du fichier n’est plus que de 9,1 Mo. Déterminer la durée minimale de transfert de cette vidéo.

3. Utilisation de la vidéo pour l’étude des oscillations du pendule

3.1     En visionnant la vidéo image par image, l’élève observe que le pendule passe par la position d’équilibre sur l’image n°16, puis il effectue une oscillation complète et repasse par la position d’équilibre sur l’image n° 50.

L’élève ayant oublié de mettre un repère de longueur lors de la capture de la vidéo, retrouver la longueur L du fil.

4.Dosage d’une solution colorée

Lors d’une troisième séance de travaux pratiques, les élèves doivent déterminer la concentration en permanganate de potassium dans une solution d’antiseptique (désinfectant qui empêche le développement de bactéries, champignons et virus).

Données :

  • Masse molaire du permanganate de potassium KMnO4 = 158,0 g.mol-1 ;
  • Une solution aqueuse de permanganate de potassium a une couleur rose / violette ;
  • Spectre d’absorption d’une solution de permanganate de potassium ci-contre ;
  • Spectre visible de la lumière.
Spectre d’absorption du permanganate de potassium
Spectre du visible

À partir d’une solution mère (solution n°1) de permanganate de potassium de concentration C1 = 2,5×10–4 mol.L–1, les élèves réalisent 3 solutions filles (n°2, 3 et 4) dont les concentrations molaires sont données dans le tableau ci-après.

Une fois l’échelle de teintes réalisée, les élèves la placent sur un fond blanc pour faire une photographie avec le smartphone. Ils obtiennent une image dans laquelle chaque pixel est codé sur 24 bits, c’est-à-dire 3 octets : un octet pour le rouge (R), un pour le vert (V) et un pour le bleu (B).

À l’aide d’une application, on obtient les 3 valeurs de code RVB (rouge, vert, bleu) des sous-pixels de l’image pour chacune des 5 solutions.

Par analogie avec l’absorbance mesurée par un spectrophotomètre, on calcule une grandeur :

    \[ A _ {octet} = \log (\frac { \text{valeur de l'octet d'un sous-pixel vert au-dessus de la solution} } { \text{valeur de l'octet d'un sous-pixel vert dans la solution} } ) \]

Solutionn°1n°2n°3n°4n°5
C (mol.L-1)C1 = 2,5×10–4C2 = 1,0×10–4C3 = 5,0×10–5C4 = 1,5×10–5CA = ?
[R,V,B] au-dessus de
la solution
[190,181,176][202,194,183][207,201,187][208,200,189][201,194,183]
[R,V,B]
dans la
solution
[199, 68,136][210,134,162][212,169,178][212,189,184][206,172,179]
Aoctet0, 430,160,0750,025?

4.1     Nommer la verrerie nécessaire pour réaliser la solution n°3 à partir de la solution mère (solution n°1) et décrire précisément le protocole mis en œuvre.

4.2     Expliquer pourquoi la valeur de chaque sous-pixel est comprise entre 0 et 255.

4.3     Pourquoi, dans cette étude choisit-on la valeur du sous-pixel vert pour le calcul de la grandeur Aoctet plutôt que celle du rouge ou du bleu ?

Il y a quelques années, le fabricant de l’antiseptique indiquait dans la notice une teneur en permanganate de potassium de 1 mg pour 100 mL de solution. Cette indication n’apparaît plus sur le flacon neuf utilisé pour cette expérience.

4.4     Le fabricant a-t-il changé la teneur en permanganate de potassium de son antiseptique ?

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.