Physique-Chimie

La Physique et la Chimie font partie des matières essentielles de toute formation scientifique dans l’enseignement supérieur et en particulier de la formation en CPGE. Ces disciplines sont présentes dans toutes les filières de la voie scientifique.
La formation est dispensée, comme c’est le cas dans toutes les CPGE, par un seul professeur qui assure les cours, exercices et travaux pratiques et qui peut ainsi assurer un suivi scientifique et pédagogique de chaque étudiant quasiment au jour le jour.  Ce professeur est assisté par d’autres enseignants pour les interrogations orales (colles) qui permettent à la fois une évaluation du travail de l’étudiant et un suivi pédagogique très régulier.

Le programme de physique –chimie s’inscrit entre deux continuités : en amont avec les programmes rénovés du lycée, en aval avec les enseignements dispensés dans les grandes écoles, et plus généralement dans la poursuite d’études universitaires.
A travers l’enseignement de la physique et de la chimie, il s’agit de renforcer chez l’étudiant les compétences inhérentes à la pratique de la démarche scientifique et de ses grandes étapes : observer et mesurer, comprendre et modéliser, agir pour créer, pour produire, pour appliquer ces sciences aux réalisations humaines.
La physique et la chimie sont des sciences à la fois théoriques et expérimentales, leur intrication est un élément essentiel de notre enseignement. Ainsi l’expérience est mise au cœur de l’enseignement de cette discipline, en cours et lors des séances de travaux pratiques. Les activités expérimentales répondent à la nécessité de se confronter au réel, nécessité que l’ingénieur, le chercheur, le scientifique auront inévitablement à prendre en compte dans l’exercice de leur activité.
De plus , l’aspect théorique est abordé au travers de supports variés tels que :

• les cours évidemment, pour asseoir des bases solides  du point de vue des connaissances et des savoir-faire et de mettre en place les fondements de la physique.
• des approches documentaires qui permettent à l’étudiant d’extraire, d’organiser l’information, de se cultiver, d’apporter des éléments de compréhension sous divers supports (textes, vidéo, photo, animation,simulation…).
• des résolutions de problèmes qui développent l’autonomie et la prise d’initiative de l’étudiant : il doit en effet mobiliser ses connaissances, capacités et compétences afin d’aborder une situation dans laquelle il doit atteindre un but bien précis.
• l’utilisation de l’approche numérique qui permet d’interpréter et de discuter les résultats plutôt que de porter l’attention sur la technique d’obtention.

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Première année :

Le programme de Physique-Chimie de PTSI est à peu près le même qu’en MPSI. Les matières étudiées sont :

• La suite logique de ce qui a été vu dans le secondaire : optique, mécanique, électricité, chimie des solutions aqueuses, cinétique chimique. On approfondit largement les connaissances dans ces matières et on y développe une façon de voir les choses beaucoup plus générale. On met donc en œuvre petit à petit les outils mathématiques nécessaires à cette généralisation.
• Des matières nouvelles : la thermodynamique, l’électromagnétisme ainsi que l’atomistique (étude de l’ « architecture » de la matière).

La part de la Chimie est globalement à peu près d’un quart, comprenant des chapitres de physico-chimie (étude des atomes et des cristaux). La Physique représente donc environ 3/4 du programme et de l’évaluation aux concours.

En Physique :

L’année commence par la partie « Signaux physiques » qui s’appuie sur un large spectre de concepts :

• L’oscillateur harmonique et la compréhension du signal sinusoïdal.
• La propagation d’un signal à travers l’étude des ondes.
• L’optique géométrique : après avoir donné les lois fondamentales de l’optique géométrique et leurs limites,  on étudie les lentilles, ce qui débouche sur l’étude de quelques instruments d’optique parmi lesquelles lunettes, viseurs, , spectrogoniomètre à réseau.

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• L’électrocinétique (électricité) a une place importante avec l’étude des circuits électriques en régime continu, en régime transitoire et en régime sinusoïdal forcé. Cette étude débouche sur l’étude des fonctions de transfert et des filtres en électronique. Des analogies seront faites entre électricité et  mécanique. De nombreux TP d’électricité sont prévus avec notamment  l’utilisation raisonnée des appareils de mesure (oscilloscope, générateurs, multimètres).

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•  Une introduction à la mécanique quantique.

La seconde partie concerne la  « mécanique »:

Les analogies formelles fréquentes entre la mécanique et l’électrocinétique ont été exploitées dans la partie précédente et les notions sur les oscillateurs mécaniques , le filtrage mécanique ont été abordées dans la partie signaux physiques. On se consacre tout d’abord à la mécanique du point (cinématique et dynamique). En Physique, nous passons en revue les lois et théorèmes fondamentaux de la mécanique, avec notamment l’aspect énergétique qui revêt une importance particulière. Nous étudions aussi le mouvement des particules chargées dans les champs électrique et magnétique avec comme application les accélérateurs de particules. On se pose aussi la question de la validité de la mécanique classique vis-à-vis de la relativité et de la physique quantique. Puis , nous introduirons la mécanique du solide dans le cas essentiellement d’un solide en rotation autour d’un axe fixe. Nous finirons cette partie avec les mouvements à force centrale et à force newtonienne  avec en particulier l’application aux mouvements des planètes et des satellites.

La troisième partie introduit la thermodynamique :

Elle est indispensable pour une approche moderne et complète de la physique. C’est la branche de la physique qui s’intéresse aux transferts d’énergie. Pour cela, elle se propose d ‘étudier à la fois et comme son nom l’indique, les phénomènes mécaniques (dynamique) et les phénomènes thermiques. Le concept d’énergie est omniprésent en thermodynamique. Cette science s’articule autour de la compréhension de nombreux concepts tels que la température, la chaleur, l’énergie interne, l’enthalpie, l’entropie, etc. La thermodynamique repose sur DEUX PRINCIPES qui sont étudiés en détails en 1ère année. Nous étudions aussi dans le cadre de la thermodynamique les machines thermiques (moteurs thermiques tels que le moteur à explosion à 4 temps, pompes à chaleurs et réfrigérateurs) ainsi que les changements d’état.

La dernière partie de physique s’intitule « induction et forces de Laplace » :

Après avoir abordé la notion de champ magnétique et ainsi de disposer des outils minimaux nécessaires, nous nous baserons sur l’expérimentation pour tirer les lois physiques de l’induction. Nous nous appuierons sur de nombreuses applications présentes dans notre environnement immédiat : boussole , moteur électrique, alternateur, transformateur, haut- parleur, plaques à induction , carte RFID…

En Chimie :

La chimie des solutions aqueuses est l’occasion d’approfondir ses connaissances sur des équilibres déjà connus  (équilibres acido-basiques et d’oxydoréduction) et de travailler sur d’autres équilibres chimiques (  précipitation). Les méthodes mises en place au lycée (avancement d’une réaction chimique, etc.) sont revues et complétées. En fin les diagrammes potentiel- pH seront présentés, puis superposés pour prévoir ou interpréter des transformations chimiques (utilisation en hydrométallurgie).Des TP permettent de compléter cette étude.

La cinétique chimique est aussi une suite logique de ce qui a été vu au lycée avec une vision plus générale des choses.

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L’étude de l’architecture de la matière enfin. C’est l’occasion dans cette partie de donner quelques notions de physique quantique (physique de l’infiniment petit) en étudiant les  atomes. Un des buts est de comprendre la structure de la classification périodique et de comprendre les propriétés chimiques des éléments. Nous étudions aussi les molécules, ainsi que les cristaux solides.
L’organisation :

• 5h de cours en classe entière ; 3h en 1/2 classe : 2h de travaux pratiques (TP) dans une salle spécialisée et 1h de travaux dirigés (TD).
• L’évaluation écrite a lieu sous forme de devoirs surveillés (DS) (1 toutes les 3 semaines) et d’interrogations orales (colles) (tous les 15 jours).
• Des travaux à la maison sont demandés régulièrement.
• La préparation des exercices des TD constitue un travail de recherche et d’entraînement qui est fondamental.
• A partir du second semestre commencent les TIPE (Travaux d’Initiative Personnelle Encadrés) qui sont commun à la Physique et aux Sciences de l’Ingénieur (SI). Voir l’article correspondant sur les TIPE.

Deuxième année :

En 2ème année, il y a plusieurs objectifs qu’il faut mener de front :

• Poursuivre l’acquisition des connaissances et savoir-faire des différentes disciplines de la physique et de la chimie.
• Réviser progressivement le programme de 1ère année.
• S’entraîner fréquemment et efficacement pour les écrits des concours (qui ont lieu après les vacances de Pâques) et pour les oraux qui ont lieu en juin et juillet.

L’année est clairement divisée en deux : avant les écrits et après les écrits des concours. La période de 7 à 8 mois allant de septembre à Pâques est particulièrement dense : cours, révisions, DS qui en 2ème année ont lieu de samedi matin, colles, etc.
La période après les écrits est une période de révision dans le but de se préparer le plus efficacement possible aux épreuves orales et pratiques des concours, ainsi qu’à l’épreuve de TIPE. Il n’y a plus de préparation à l’écrit et donc il n’y a plus de DS.
L’horaire en 2ème année est de 4 heures de cours en classe entière et de 4 heures en 1/2 classe (2h de TD et 2h de TP), auxquelles s’ajoutent les TIPE communs avec les SI.
En Physique :

On poursuit la thermodynamique  avec la mécanique des fluides appliquées aux machines thermiques. On étudie ainsi les compresseurs, turbines, détendeurs, tuyères, etc. L’enseignement de la thermodynamique a une place importante dans la filière PT et son évaluation aux concours a une part très significative : 1/4 de la physique-chimie.
L’électronique : cette partie complète et renforce l’étude des circuits électriques vue en 1ère année.

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L’optique physique a aussi une place importante avec l’étude des phénomènes d’interférences. Des TP permettent d’illustrer cela et de découvrir un instrument d’optique nouveau : l’interféromètre de Michelson.

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L’électromagnétisme : En premier lieu , il s’agit en d’étudier le champ électrique créé par une distribution de charges et le champ magnétique créé par un courant électrique quand les phénomènes ne dépendent pas du temps : électrostatique et magnétostatique.
Ensuite, l’électromagnétisme est enseigné dans les situations où les phénomènes dépendent du temps, ce qui conduit en particulier à l’étude du phénomène d’induction (vu en 1ère année) et à l’étude des ondes électromagnétiques, partie importante du programme.

En Chimie :

Thermodynamique de la transformation chimique : avec l’application des deux principes de la thermodynamique aux réactions chimiques, ce qui permettra notamment de déterminer si une réaction chimique est possible ou pas.

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Electrochimie : cette partie fera l’objet de l’étude de courbes appelées intensité –potentiel : ces dernières sont utilisées pour justifier ou prévoir le fonctionnement de dispositifs mettant en jeu la conversion énergie chimique-énergie électrique (ou l’inverse).

Photographies :  

Prises au laboratoire de TP des Classes Prépas : 
Les  photos 1 et 6 sont prises dans le labo d’optique des Classes Prépas, attenant à la salle de TP.

• Photo 1 : Ce TP d’optique utilise un interféromètre de Michelson. Avec cet appareil on réalise des figures d’interférences en forme d’anneaux qui vont permettre notamment de mesurer l’écart très petit de longueur d’onde entre les 2 raies orange émises par une lampe à vapeur de sodium
• Photo 2 : Le but de ce TP d’optique est de mesurer des longueurs d’onde. On utilise comme appareil un spectrogoniomètre à réseau.
• Photos 3 et 5 : Le but de ce TP d’électronique est d’étudier un filtre actif passe-bas : étude de la stabilité du circuit et étude du gain en fonction de la fréquence.
• Photo 4 et 7 : Le but de ce TP de chimie est de déterminer le produit de solubilité d’un solide. On met en œuvre différentes méthodes : en réalisant une pile de concentration et en faisant des dosages.
• Photo 6 : Le but de ce TP d’optique est d’étudier les phénomènes de diffraction et d’interférences lumineuses.