CAPES de Physique, des idées de travaux pratiques

Page modifiée le 29 / 12 / 2007

Voici le programme officiel tel que publié page 104 du BO n° 13 du 30 Mai 2002 :
 

Physique et chimie  Les programmes ci-après concernent les épreuves d'admissibilité et d'admission. Physique et chimie  Le programme du CAPES externe de physique et chimie est celui en vigueur, au cours de l'année scolaire 2002-2003, dans les classes suivantes : cinquième, quatrième, troisième, seconde (y compris l'enseignement de détermination "mesures physiques et informatique" et l'option "physique et chimie de laboratoire" ex-techniques des sciences physiques), première L, première S, terminale S (y compris l'enseignement de spécialité), première et terminale STL "physique du laboratoire et des procédés industriels", première et terminale STL "chimie du laboratoire et des procédés industriels", section de technicien supérieur "techniques physiques pour l'industrie et le laboratoire", section de technicien supérieur "chimiste". À l'oral, les candidats pourront être interrogés sur la pratique des travaux personnels encadrés. Listes et instructions relatives à l'épreuve "montage et traitement automatisé de l'information" Le "montage" est le moyen, pour le candidat, de démontrer sa capacité à utiliser le fait expérimental à des fins pédagogiques. Pour ce faire, il présente, sur un thème donné, des expériences qualitatives et quantitatives, judicieusement choisies, reproductibles, répondant aux règles de sécurité. Il s'attache à porter un regard critique sur les résultats expérimentaux et en discuter la précision. Les candidats tireront au sort leur sujet dans les listes suivantes : Physique  1) Expériences portant sur la réfraction de la lumière ; applications. 2) Expériences portant sur les prismes et les réseaux ; applications. 3) Étude expérimentale portant sur les lentilles minces ; applications. 4) Illustration du principe d'un instrument d'optique choisi parmi les suivants : microscope, lunette astronomique, télescope, téléobjectif. 5) Étude expérimentale sur les interférences lumineuses.  6) Expériences portant sur l'acoustique ; applications. 7) Expériences illustrant la transmission et la réception d'un signal sonore. 8) Expériences illustrant la conversion analogique-numérique et numérique-analogique ; applications. 9) Étude expérimentale de mouvements rapides par diverses méthodes telles que : stroboscopie, chronophotographie, enregistrement avec un camescope.  10) Expériences, à l'aide d'un dispositif à coussin d'air, sur la conservation de la quantité de mouvement et sa variation dans quelques cas simples. 11) Expériences illustrant les mesures de distances, de longueurs et de temps.  12) Étude expérimentale d'oscillateurs en mécanique. 13) Étude expérimentale en statique et en dynamique d'un solide mobile autour d'un axe fixe. 14) Expériences portant sur la conservation de l'énergie mécanique dans quelques cas simples. 15) Expériences relatives à la statique des fluides ; applications. 16) Expériences portant sur le champ électrique ; applications. 17) Expériences portant sur le champ magnétique ; applications. 18) Expériences portant sur les phénomènes d'induction et d'auto-induction ; applications. 19) Étude expérimentale de la charge et de la décharge d'un condensateur à travers une résistance inductive et non inductive. 20) Mesure de la capacité d'un condensateur par différentes méthodes. 21) Mesure de l'inductance d'une bobine sans noyau par différentes méthodes. 22) Étude expérimentale des oscillations forcées en électricité, à fréquence variable. 23) Bilan des puissances dans un dispositif électrique ou électronique ; détermination expérimentale d'un rendement. 24) Notion de capteur ; applications à la commande électronique d'un appareil d'utilisation. 25) Montages utilisant l'amplificateur opérationnel en régime linéaire. 26) Distribution du courant électrique ; sécurité des personnes et des matériels.  27) Expériences portant sur les échanges de chaleur. 28) Expériences en physique conduisant à des résultats expérimentaux dont l'exploitation justifie un traitement informatisé. L'acquisition des données et leur traitement sont demandés. Chimie  Lorsque cela n'est pas précisé explicitement, les thèmes de montage reportés ci-dessous concernent l'ensemble de la chimie, organique et inorganique.  1) Expériences illustrant les propriétés chimiques des alcools. 2) Expériences illustrant les propriétés chimiques des aldéhydes et des cétones. 3) Expériences illustrant les propriétés chimiques des acides carboxyliques et de leurs dérivés. 4) Expériences illustrant les propriétés chimiques des amines. 5) Expériences portant sur les réactions d'addition et de substitution en chimie organique. 6) Expériences portant sur les réactions d'estérification, d'hydrolyse ainsi que sur la saponification des esters. 7) Expériences utilisant des techniques de séparation, de purification et de caractérisation, courantes en chimie. 8) Expériences portant sur la caractérisation d'ions en solution aqueuse et sur leur dosage. 9) Expériences illustrant la notion d'équilibre chimique en solution aqueuse.  10) Expériences illustrant la notion de vitesse de réaction et permettant la mesure de sa valeur. L'aspect énergétique pourra être abordé.  11) Expériences illustrant la notion de catalyseur.  12) Expériences portant sur la détermination de valeurs de grandeurs thermodynamiques caractéristiques de réactions chimiques. 13) Expériences illustrant la notion de "force" pour les couples acido-basiques en solution aqueuse. 14) Expériences illustrant les propriétés acido-basiques de solutions aqueuses contenant par exemple un polyacide, une polybase, un mélange d'acides ou un mélange de bases. 15) Expériences illustrant les notions de solubilité d'un solide en présence d'un solvant. Influence de différents facteurs sur la précipitation et sur la dissolution de précipités. 16) Expériences illustrant la notion d'électrode. Utilisation des électrodes à des fins analytiques. 17) Expériences illustrant la notion de potentiel et de potentiel standard pour un couple redox. 18) Expériences sur l'électrolyse en solution aqueuse. 19) Expériences portant sur les courbes intensité-potentiel ; applications. 20) Expériences illustrant l'influence de différents facteurs sur les valeurs des potentiels des couples redox en solution aqueuse. 21) Expériences portant sur les piles électrochimiques et les accumulateurs. 22) Expériences illustrant les propriétés d'un même élément à différents degrés d'oxydation. 23) Expériences utilisant des "solutions tampons". 24) Expériences portant sur la notion d'indicateur coloré. 25) Expériences mettant en jeu des gaz et illustrant leurs propriétés physiques et chimiques . 26) Expériences mettant en œuvre diverses méthodes de dosage. 27) Expériences portant sur le dosage de composés intervenant dans des produits d'usage courant (produits ménagers, pharmaceutiques, alimentaires ...) 28) Expériences sur la conductivité des électrolytes et ses applications.

 

Page de liens expliqués entre certains sujets des Listes et instructions relatives à l'épreuve "montage et traitement automatisé de l'information", figurant dans ce programme officiel, que vous devrez savoir traiter au Capes et des fiches de travaux pratiques destinées à des élèves de lycée.

Sommaire de cette page : 1. Effet Doppler  2. Tube de Crookes, mesure de hautes tensions ; électricité, électronique : 3.  Choix d'une alimentation électrique 4. Bon usage des condensateurs 5. Conseils pour un montage électrique au Capes de Physique-chimie, comment réaliser un montage délivrant une intensité très faible 6. Bonnes valeurs de résistances en électronique 7. Analyse de Fourierà l'aide d'un montage à ultrason 8. Dépanner un montage employant un amplificateur intégré linéaire ou ampli op

1. Effet Doppler

1.1. Mise en évidence dans la vie de tous les jours

Lorsqu'un véhicule nous croise, le son qu'il émet nous paraît d'abord plus aigu, puis plus grave qu'il n'est en réalité.

1.2. Mise en évidence sur la cuve à ondes

Employez une source quasi ponctuelle. En l'absence de déplacement, elle crée des ondes circulaires (cercles concentriques). Lorsqu'elle se déplace, les cercles ne sont plus concentriques ; ils se resserrent vers l'avant et s'écartent vers l'arrière.
Si la vitesse de déplacement dépasse la célérité des ondes, on observe une figure très semblable à celle que produit une barque en mouvement, un 'cône' (onde de choc), à l'arrière duquel se propagent des ondes circulaires.

1.3. Mesure avec un diapason

Matériel nécessaire : 1 diapason, 1 marteau spécial pour diapason, 2 chronomètres électroniques, 1 grande règle graduée.
Protocole : Un expérimentateur excite un diapason ; il se rapproche (ou s'éloigne) d'une surface plane (mur, vitre, armoire) qui sert de miroir pour la source sonore (distance expérimentateur-miroir 0,5 à 1,5 m). Les ondes émises et réfléchies se superposent, créant des battements. Une mesure très sommaire montre que la fréquence des battements est de environ 1 Hz, pour une vitesse de déplacement de environ 0,25 m s^-1, avec un diapason donnant le La 3, 440 Hz. Ces mesures peuvent être améliorées, si un expérimentateur mesure la période des battements au chronomètre et un autre la vitesse de déplacement du diapason (règle graduée et chronomètre).
Problème intéressant : L'expérimentateur qui se déplace et les observateurs fixes perçoivent-ils la même fréquence de battement ?
Indications : La fréquence des battements est égale à f - f₀. L'expérimentateur perçoit f₀ et f de l'image de sa source sonore (diapason) dans le miroir, qui se rapproche de lui à 2 v. Les observateurs fixes, s'ils sont derrière l'expérimentateur, perçoivent le son du diapason qui s'éloigne d'eux à la vitesse v et de son image qui se rapproche à v.

1.4. Mesure du décalage en fréquence, avec un fréquencemètre et des ultra sons

Si l'émetteur de fréquence f₀ se rapproche à la vitesse v du récepteur fixe, le récepteur reçoit un signal à la fréquence f, avec f = f₀ / _{(1 - v / c)} , où c est la célérité du son. Si l'émetteur est fixe et que le récepteur s'en rapproche, f = f₀ . (1 + v / c). Si v << c, un développement en série limité donne, avec (1 + e)ⁿ ~ 1 + n e, f = f₀ . (1 + v / c), ou  f - f₀ = f₀ . v / c.
Application numérique : Avec f₀ = 40000 Hz, c = 340 m s^-1 et v = 0,1 m s^-1, il vient f = 40011,8 Hz et  f - f₀ = 11,76 Hz.
C'est un écart assez faible qui ne peut être mesuré qu'avec un fréquencemètre à haute résolution.

Matériel nécessaire : 1 émetteur d'ultrasons alimenté par un générateur basse fréquence ; 1 récepteur d'ultrasons et un fréquencemètre (Ce peut être un GBF Métrix, en se branchant sur l'entrée fréquence, et en se plaçant en mode mesure de fréquence, à l'aide des boutons poussoir), 1 support d'émetteur et de récepteur d'ultrasons, 1 résistance de 10 kW, 1 oscilloscope (numérique pour la suite 1.5. du travail pratique).
Méthode : Observez à l'oscilloscope le signal reçu par le récepteur d'ultrasons et ajustez la fréquence du GBF, autour de 40 kHz, pour que son amplitude soit maximale ; si des parasites à 50 Hz se révèlent gênants, branchez une résistance de 10 kW en parallèle sur le récepteur. Notez la fréquence indiquée par le fréquencemètre. En écartant l'émetteur du récepteur, de 20 cm en 2 secondes environ, vous devez noter une baisse de la fréquence mesurée ; mais si votre fréquencemètre n'affiche que 4 chiffres significatifs, seul le dernier fluctuera un peu. En le rapprochant, la fréquence augmente un peu.

1.5. Mesure avec un multiplieur

Matériel supplémentaire : 1 multiplieur, 1 alimentation Jeulin -15 V, + 15 V, 1 résistance R variable, 1 condensateur C (de 20 nF à 1 mF), 1 moteur, avec démultiplication, muni d'un tambour, 1 ficelle, scotch.
Protocole : Le montage est le précédent. L'émetteur (une fois le montage testé manuellement) sera entraîné par le moteur. La tension appliquée à l'émetteur est envoyée sur l'entrée X d'un multiplieur ; la tension donnée par le récepteur sur l'entrée Y. Le signal de sortie comprend une oscillation sinusoïdale à la fréquence  f + f₀ = 80000 Hz environ, une autre (si la vitesse de déplacement est constante) à  f - f₀ = 11 Hz et du 50 Hz parasite. En sortie du multiplieur, nous plaçons un filtre passe bas (R et C en série, R sur la sortie du multiplieur, C sur la masse, l'entrée de l'oscilloscope entre R et C), coupant le 50 Hz et bien sur le 80000 Hz. R est calculée selon la relation R C . 2 p F_coupure = 1.
Si l'émetteur est fixe, la tension visualisée est constante ; s'il est mobile, nous enregistrons 1_/2 A1 A2 sin (2 p ( f - f₀) t). C'est un signal d'amplitude décroissante si émetteur et récepteur s'éloignent. La  mesure de sa période permet de calculer v.
L'oscilloscope numérique est réglé (Trigger) en mode monocoup, et armé juste avant le début du mouvement, ou réglé en déclenchement automatique, lequel est arrêté (bouton Run Stop) dès qu'un signal intéressant est enregistré. Ne pas employer le mode AutoRun qui, en l'absence de mouvement, choisira une vitesse de balayage et une sensibilité beaucoup trop grandes.
Mesurez la période, avec les curseurs, mesurez la vitesse d'avance créée par le moteur. Vérifiez vos résultats, avec différents réglages de la vitesse.

Haut de la page ? 

2. Tube de Crookes, mesure de hautes tensions. Notez que l'auteur décline toute responsabilité, si vous commettez une fausse manœuvre. Le générateur à haute tension nécessaire comportant une bobine (pensez à l'auto-induction) peut provoquer des chocs électriques mortels. MORTELS !

Le tube de Crookes permet de produire des rayons X, par bombardement d'une cible, à l'aide d'électrons accélérés sous haute tension (40000 V). Les informations à son sujet, données par les encyclopédies Universalis et Encarta sont contradictoires. Universalis évoque le bombardement par un faisceau d'électrons, d'une anode émettant des rayons X ; Encarta parle d'ions positifs créés dans un gaz à très basse pression, par la haute tension, ions qui en bombardant une anode arrachent des électrons qui eux-mêmes produisent des rayons X en frappant la paroi en verre du tube. La "petite histoire de la physique" de Jean-Pierre Maury, aux éditions Larousse, parle de tube à cathode froide. Effectivement, le tube de Crookes ne comporte aucun dispositif de chauffage des électrodes. Encarta semble dire vrai, cependant il nous faut pour vérifier qui a raison, trouver le signe de la tension de sortie de la bobine de Rumkorf qui alimente le tube de Crookes.
Mais il n'est pas facile de mesurer une tension aussi élevée. Divers essais (changement de sens de la source de tension continue qui alimente la bobine, changement de forme des éclateurs) ne donnent pas de résultats concluants. Il nous faut employer un oscilloscope, mais comment le protéger ? Sur les entrées, il est possible de brancher des sondes atténuatrices (10, 100 ou 1000 x), mais seule la sonde 10 x est disponible.
Nous employons un oscilloscope, avec la sonde 10 x, sur le calibre 5 V / division.

Sur une feuille de papier, nous traçons un trait de crayon (graphite) ; à chaque extrémité du trait, nous remplissons un petit rectangle. La source de haute tension sera branchée sur ces 2 rectangles par des pinces crocodile. A la première mise en route, une flamme grille les poussières de graphite laissées par le crayon.

Vers le milieu du trait, nous traçons 2 traits perpendiculaires au précédent, et raccordés à lui, écartés de quelques millimètres. Sur le bord de la feuille, ils se terminent par 2 pavés noircis au graphite, sur lesquels sera branchée la sonde de l'oscilloscope. En jouant sur l'épaisseur des traits et leur longueur, nous avons réalisé un diviseur de tension. La mesure peut être effectuée, même sur un oscilloscope numérique, convenablement relié à la terre. Par prudence, effectuez des test d'abord avec un vieil oscilloscope.

Conclusion : C'est Encarta qui a raison. La description d'Universalis concerne les tubes à rayons X, plus récents, à cathode chauffée, qui émettent directement des électrons.

Haut de la page ? 

Montages électriques et électroniques

3. Choix d'une alimentation électrique

Si vous n'êtes pas familier de l'électronique, lisez ces conseils ; ils vous éviteront peut-être bien des désagréments :

• énervement lorsque des élèves font systématiquement sauter les fusibles des ampèremètres,
• composants électroniques volatilisés suite à un court-circuit,
• gêne du professeur qui fait sauter un appareil devant ses élèves (ils adorent !)...

Pour savoir si une alimentation électrique comporte ou non de l'électronique, il suffit de rechercher, généralement à l'arrière, la présence de radiateurs. Dans les alimentations stabilisées à découpage des ordinateurs, les radiateurs se trouvent à l'intérieur.

La taille des radiateurs est une bonne indication de l'intensité qu'une alimentation peut délivrer (sauf pour les alimentations à découpage). Si vous distribuez des alimentations de forte puissance à vos élèves, ne soyez-pas étonnés de retrouver des composants grillés et des ampèremètres hors service. Pour éviter de vieillir trop vite en travaux pratiques (à cause du souci), distribuez leur des alimentations Jeulin limitées à 100 ou 200 milliampères. Préférez les ampèremètres bien protégés. Insérez des limiteurs d'intensité du type Polyswitch, en sortie de vos alimentations, par exemple si vous employez des alimentations d'ordinateurs de récupération.

Il faut faire preuve d'un peu de bon sens et inculquer celui-ci aux élèves : Brancher une énorme alimentation à un malheureux transistor ou amplificateur intégré linéaire, ne peut que conduire à une destruction.

N'employez jamais  d'alimentation électronique, ni d'ordinateur, pour les expériences sur l'auto-induction. Connaissant les tensions que ce phénomène est capable d'induire (des milliers de volts), il ne faudra pas être surpris si l'électronique d'une alimentation stabilisée, la carte d'acquisition ou l'ordinateur se retrouvent en rideau.

Bien sur direz-vous, la surtension se trouve aux bornes du circuit qui est ouvert. Mais mon expérience m'indique que c'est une bonne façon de détruire du matériel. Sans doute les surtensions se propagent-elles le long du circuit.

Pierron livre une bonne vieille alimentation bleue et jaune, redressée (mais non filtrée) par de bons vieux redresseurs costauds, qui convient parfaitement pour les démonstrations sur les forces de Laplace, les spectres magnétiques... Il suffit de la raccorder en court-circuit et de ne la faire débiter qu'une ou deux secondes. J'ai essayé un poste de soudure à l'arc (120 ampères) pour l'expérience des rails de Laplace. Cela n'a rien donné, car le cylindre mobile est resté soudé aux rails !
 

Haut de la page ? 
 

4. Du bon usage des condensateurs

Vous trouverez sur ce site des travaux pratiques sur le condensateur, charge à courant constant...

Sachez dès à présent que :

• L'indication de la capacité d'un condensateur, gravée sur celui-ci manque de précision : 5 à 10% pour les types milfeuil et 20 à 30% pour les électro chimiques. Sur ces derniers, la précision est parfois indiquée. C'est pour cette raison que ce site vous propose la charge à courant constant d'un condensateur de 1 micro farad, de type milfeuil (intensité 10^-7 ampères).
• Certains condensateurs sont polarisés, condensateurs électro chimiques, condensateurs tantale. Si vous les branchez à l'envers, ils peuvent éclater. Succès garanti si vous vous retrouvez couvert de poudre blanche devant vos élèves !
• Les condensateurs électro chimiques, à cause d'un phénomène de polarisation, ne se déchargent pas totalement si on les court-circuite ; il faut plusieurs courts-circuits successifs pour que la tension entre leurs bornes retombe à zéro. Méfiance donc avec les alimentations à très haute tension  employées pour les canons à électrons. C'est aussi une raison de leur préférer les condensateurs milfeuil en travaux pratiques.

Haut de la page ? 

Conseils généraux pour les montages électriques au Capes de Physique

5. Comment réaliser un montage délivrant une intensité très faible (exemple, démonstrations sur le transistor) ?

Supposons que vous disposiez d'une alimentation 15 volts et que vous souhaitiez créer un courant d'intensité environ 1 mA. La première idée qui vient à l'esprit est de chercher une résistance de 15 MW. Mais cela n'est pas courant.

Solution : Réalisez un diviseur de tension, dans un rapport de 1 à 1000 (par exemple), en branchant entre les bornes de l'alimentation 15 V, en série, deux résistances de 10 et 10000 W. 100 et 100000 W conviennent aussi, mais ne choisissez pas une valeur trop basse de la résistance totale, car en ce cas, l'alimentation dissiperait trop d'énergie, inutilement. La résistance de plus faible valeur sera du côté de la masse ; vous disposez alors entre ses bornes d'une tension de 15 mV. Branchez une résistance de 10000 W au point milieu du diviseur de tension et le tour est joué.

6. Quelles sont les bonnes valeurs de résistances en électronique ?

Les amplificateurs intégrés linéaires courants peuvent débiter quelques milli ampères. Au-delà, un disjoncteur intégré intervient. Donc ne raccordez jamais de résistances de faibles valeurs (10 W) en sortie. Des valeurs de 10000 W sont raisonnables.

7. Analyse de Fourier, à l'aide d'un montage à ultrason

Les émetteurs à ultrason disponibles dans les lycées fonctionnent à la fréquence de 40000 Hz (environ). Branchez un émetteur sur la sortie d'un générateur basse fréquence donnant un signal sinusoïdal. Placez à quelques centimètres en vis à vis un récepteur (composant quasiment identique à l'émetteur). Visualisez la tension appliquée à l'émetteur et celle délivrée par le récepteur sur un oscilloscope. Ajustez la fréquence du générateur basse fréquence, de manière à obtenir un signal reçu d'amplitude maximale.

Alimentez maintenant l'émetteur, avec une tension en créneau. Vous savez que celle-ci, de fréquence f contient les harmoniques de fréquence f, 3f, 5f... avec des amplitudes A, A / 3, A / 5...
Cela peut se vérifier en diminuant la fréquence délivrée par le générateur basse fréquence : Le récepteur donne une tension quasi nulle, sauf si la fréquence du générateur basse fréquence vaut 40000 / 3 ou 40000 / 5 etc. En ce cas, le signal reçu a une amplitude appréciable (qui peut être comparée à celle obtenue pour une excitation à 40000 Hz) et il est facile de voir qu'une période du signal excitateur contient un nombre impair d'oscillations sinusoïdales du récepteur.

8. Dépanner un montage employant un amplificateur intégré linéaire

L'amplificateur intégré linéaire est aussi appelé amplificateur opérationnel, ou ampli op ou AIL.

Vous avez réalisé un montage et il ne fonctionne pas.

• Vérifiez que l'amplificateur est alimenté :
• L'alimentation est en marche.
• Les pattes de l'amplificateur recoivent bien la tension prévue.
• Vérifiez que vous avez bien respecté le shéma théorique :
• L'amplificateur est représenté vu de dessus.
• Les signaux sont-ils envoyés aux entrées ?

• La liaison sortie-entrée n'a-t-elle pas été oubliée ?
• Cette liaison est-elle fiable ? Vérifiez les contacts, les soudures, les fils.
• N'y-a-t-il pas une erreur dans la réalisation du shéma théorique, permutation des entrées inverseuse et non-inverseuse ?
• Le shéma théorique est-il correct ?

Haut de la page ?