Programme de formation de l’école québécoise

Savoirs essentiels :: Science et Technologie, 2e cycle du secondaire


Univers matériel

Pour la deuxième année du deuxième cycle du secondaire, les concepts prescrits en ce qui a trait à l’univers matériel sont regroupés autour de cinq concepts généraux. Ils ont été sélectionnés sur la base de leur fonction pour l’étude des quatre problématiques environnementales retenues.

Le premier concept général concerne les Propriétés physiques des solutions, abordées au premier cycle, qu’il s’agit d’étudier plus en profondeur en ciblant plus spécifiquement les solutions aqueuses d’acides, de bases et de sels. Le thème relatif à l’eau potable sera à cet égard particulièrement porteur. En effet, l’eau brute, une ressource finie et recyclable, est présente sur Terre sous la forme de solutions. Elle n’est jamais pure et sa qualité varie selon les espaces qu’elle traverse. De plus en plus, les eaux brutes sont contaminées par des polluants résultant de l’activité humaine. Des traitements (biologiques, physiques et chimiques) appropriés peuvent les rendre à nouveau potables. À long terme, cependant, la restauration des sites qu’elles traversent est souvent moins coûteuse que leur assainissement.

Le second concept général, Transformations chimiques, renvoie à un concept prescrit du premier cycle. Qu’il s’agisse de traiter les eaux brutes, de comprendre les impacts de la déforestation et des changements climatiques, ou encore de réfléchir au défi énergétique de l’humanité, diverses transformations chimiques seront au cœur des apprentissages.

L’exploration des transformations chimiques qui se produisent dans l’environnement permet d’élaborer de nouvelles hypothèses relatives à l’Organisation de la matière, qui constitue le troisième concept général. Ces transformations sont examinées sous trois aspects, soit celui de l’élaboration de la théorie de la dissociation ionique, celui de la mise en évidence du pouvoir combinatoire des atomes et celui de la formulation de nouvelles hypothèses à propos de l’organisation de la matière.

Le quatrième concept général, Électricité et électromagnétisme, fait référence aux phénomènes électriques simples. Ceux-ci sont l’occasion d’expliquer la conductibilité de l’eau tout en se prêtant à une introduction même brève de l’électromagnétisme et à des activités liées à l’univers technologique.

Le cinquième concept général concerne les Transformations de l’énergie et le principe de sa conservation. Les thèmes portant sur le changement climatique et sur le défi énergétique seront particulièrement appropriés pour explorer ce concept. En effet, le premier traite de l’urgence d’agir pour réduire la consommation d’énergie fossile et la déforestation, et le second aborde le fait qu’une solution de rechange viable consisterait à mettre au point une variété de modes de transformation de diverses énergies renouvelables.

Les concepts généraux sont donc abordés comme des ressources à mobiliser dans le développement des thèmes du programme. L’univers matériel prend une place de plus en plus importante, non seulement parce que la compréhension des concepts abordés au cours des années antérieures doit être poussée plus loin pour les besoins des thématiques, mais aussi parce que certaines notions sont fréquemment sollicitées lors de l’étude de l’univers technologique.

Orientations Concepts prescrits
Propriétés physiques des solutions

Dans l’environnement, la matière est généralement présente sous la forme de mélanges dont plusieurs sont des solutions aqueuses. La propriété de l’eau de dissoudre de nombreuses substances est essentielle à la compréhension de nombreux phénomènes vitaux et environnementaux. Une attention particulière sera portée aux propriétés des solutions aqueuses d’acides, de bases et de sels. Ces solutions se définissent par leurs propriétés mesurables et observables.

Les propriétés physiques des solutions aqueuses varient selon les constituants et selon leurs proportions. La solubilité d’un solide ou d’un gaz s’exprime en grammes de soluté pour un volume donné de solvant. Elle varie notamment selon la température. La concentration s’exprime en grammes de soluté par litre de solution, en parties par million (ppm) ou en pourcentage. Au cours du cycle naturel de l’eau, la dissolution, la dilution et l’évaporation causent des variations de concentration des substances dissoutes.

Certaines substances en solution dans l’eau permettent le passage du courant. Ce sont les électrolytes. Ils sont dits forts ou faibles selon leur conductibilité électrique lorsqu’ils sont dissous dans l’eau. La transformation physique qui s’opère lors de la mise en solution dans l’eau et la conductibilité électrique des solutions d’électrolytes s’expliquent par la dissociation des molécules d’électrolytes en ions.

– Concentration (ppm)

  • Électrolytes
  • Échelle pH
  • Dissociation électrolytique
  • Ions
  • Conductibilité électrique
Transformations chimiques

Les propriétés chimiques d’une substance ou d’un groupe de substances sont en rapport avec leurs transformations chimiques particulières au contact l’une de l’autre. Les produits de ces transformations étant différents des réactifs, ils seront caractérisés par d’autres propriétés. Le nombre d’atomes de chaque élément et leur masse se conservent toutefois. Sur cette base, des équations chimiques sont balancées.

Diverses réactions chimiques, en rapport avec chacun des thèmes, sont examinées. Elles mettent en évidence le fait que les atomes de différents éléments et les ions ont un pouvoir combinatoire déterminé en relation avec leur structure.

Organisation de la matière

Au cours de l’histoire, différents modèles d’organisation de la matière ont été proposés pour expliquer ses propriétés et ses transformations. Le modèle atomique de Rutherford-Bohr est abordé en tenant compte de l’existence de deux types de particules (protons et électrons) et de leur organisation. Le noyau est constitué, entre autres, de protons. Les électrons, en nombre égal à celui des protons, circulent autour du noyau.

Le tableau de classification des éléments recèle une foule d’informations. Certaines sont utilisées pour expliquer des propriétés des métaux, des non-métaux et des métalloïdes, et pour prévoir des comportements en mettant en relation la structure atomique et les propriétés des éléments.

  • Modèle atomique de Rutherford-Bohr
  • Notation de Lewis
  • Familles et périodes du tableau périodique
Électricité et électromagnétisme

La connaissance de la matière présente dans l’environnement passe aussi par l’exploration de ses propriétés électriques. En effet, des charges électriques peuvent apparaître sur certaines matières neutres à la suite de leur frottement avec un objet constitué d’une autre matière. Ces charges subissent une force d’attraction lorsqu’elles sont de signes contraires et une force de répulsion lorsqu’elles sont de même signe. L’apparition de charges électriques s’explique par la mobilité des charges négatives (les électrons) et par leur accumulation à la surface de certaines substances. L’affinité de différents matériaux pour les électrons permet d’expliquer plusieurs phénomènes électriques observés dans la vie quotidienne.

Certains éléments et matériaux sont de bons conducteurs d’électricité. Ils sont utilisés pour transmettre le mouvement des électrons dans des circuits électriques. Les circuits électriques examinés peuvent être constitués de divers éléments reliés en série ou en parallèle. La loi d’Ohm établit la relation entre la tension, la résistance et l’intensité du courant dans un circuit. À ces grandeurs sont associées des unités de mesure.

Certains éléments des circuits transforment également une partie de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie. Des relations sont établies entre l’énergie électrique consommée et la tension du circuit, l’intensité du courant et le temps. Quant à la puissance électrique d’un appareil, elle est déterminée par sa consommation d’énergie par unité de temps. À ces grandeurs sont associées des unités de mesure. L’apprentissage ne doit pas se limiter à un formalisme mathématique, mais doit inclure la compréhension qualitative des relations.

La connaissance de la matière passe également par l’exploration de ses propriétés magnétiques. Certaines matières ont la propriété de créer un champ magnétique. Des pôles de mêmes noms se repoussent, alors que des pôles de noms différents s’attirent.

Un courant électrique engendre aussi un champ magnétique. Par convention, les lignes du champ magnétique engendrées par un aimant, qu’il soit naturel ou artificiel, sont déterminées par l’orientation (direction et sens) du pôle Nord de l’aiguille d’une boussole placée dans le même champ. L’identification rapide du sens des lignes de champs magnétiques peut être effectuée en appliquant les règles de la main droite ou de la main gauche, selon que l’on choisit de considérer le sens conventionnel du courant ou le sens réel du mouvement des électrons.

Note : En électricité, le travail sur des circuits mixtes n’est pas exigé ; en électromagnétisme, seuls les aspects qualitatifs sont abordés.

Électricité

  • Charge électrique
  • Électricité statique
  • Loi d’Ohm
  • Circuits électriques
  • Relation entre puissance et énergie électrique Électromagnétisme
  • Forces d’attraction et de répulsion
  • Champ magnétique d’un fil parcouru par un courant
Transformation de l’énergie

L’énergie est présente dans l’environnement sous diverses formes. Quelle que soit cette forme, elle correspond au travail qu’un système est susceptible de produire. Ce travail implique une force et un déplacement.

Avec des moyens appropriés, il est possible de convertir une forme d’énergie en une autre. Dans un système isolé, l’énergie totale est conservée au cours de ces transformations. Si le système n’est pas isolé, il perd une certaine quantité d’énergie qui est récupérée par le milieu et les systèmes extérieurs avoisinants.

Un corps chaud a une capacité d’action particulière : en se refroidissant, il provoque le réchauffement d’un corps plus froid avec lequel il est en contact. Quoique chaleur et température soient souvent utilisées comme des synonymes dans la vie courante, une distinction entre les deux est nécessaire, en particulier pour aborder les problématiques relatives aux changements climatiques.

Note : Seuls les aspects qualitatifs des transformations d’énergie sont traités.

  • Loi de la conservation de l’énergie
  • Rendement énergétique
  • Distinction entre chaleur et température
Repères culturels possibles

Histoire

Ressources du milieux

Interventions humaines

Événements

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Hans Oersted

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Niels Bohr

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et technologique

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Moyens de transport

Systèmes d’épuration des eaux

Développement du réseau électrique