Programme de formation de l’école québécoise

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


Univers matériel (première année du cycle)

Pour la première année du deuxième cycle du secondaire, les éléments de contenu prescrits associés à l’univers matériel sont regroupés autour de cinq concepts généraux : propriétés, transformations, organisation de la matière, fluides et ondes. Les trois premiers (propriétés, transformations, organisation de la matière) ont déjà été abordés au premier cycle. Cependant, en raison du thème retenu et des visées pédagogiques dont celui-ci est porteur, ces concepts généraux font l’objet d’une étude plus approfondie. Par ailleurs, la découverte de certaines propriétés et transformations de la matière doit être l’occasion d’établir des liens avec les éléments de contenu du premier cycle et de formuler de nouvelles hypothèses relativement à l’organisation de la matière. De même, l’introduction du modèle particulaire constitue un outil de premier plan pour l’explication de divers phénomènes.

Le quatrième concept concerne les fluides. On y aborde des notions qui permettent d’expliquer plus précisément la question du transport des entrées et des déchets dans le corps et celle des échanges de matière au niveau des cellules. L’osmose et la diffusion, deux notions étudiées au premier cycle, sont également mises à profit pour expliquer ces échanges. Le cinquième concept général, qui porte sur les ondes, regroupe quelques notions de base sur les phénomènes ondulatoires. Bien qu’elles permettent d’aborder les propriétés de n’importe quel mouvement ondulatoire, les ondes sont utilisées ici comme ressources dans le contexte spécifique de l’étude de certains récepteurs sensoriels du corps.

Orientations Concepts prescrits
Propriétés de la matière

L’organisme humain est constitué d’une grande diversité de substances matérielles. Qu’elles soient présentes dans les cellules ou dans les liquides du corps, qu’elles soient naturelles ou artificielles, elles se distinguent les unes des autres par leurs propriétés. Certaines substances (l’eau, l’oxygène, le dioxyde de carbone, certains nutriments, les sels minéraux ainsi que divers déchets) constituent des déterminants de premier plan de la santé d’un individu en raison de l’importance de leur rôle et de leur concentration dans le corps.

Les propriétés caractéristiques d’une substance pure ou d’un groupe de substances sont déterminées à certaines conditions de température et de pression. L’utilisation de tableaux répertoriant les propriétés physiques et chimiques caractéristiques de la matière permet d’identifier des substances, mais aussi de comprendre leurs rôles, l’usage qui en est fait et les dangers qu’elles représentent parfois pour le corps.

Dans le corps, les substances sont généralement présentes sous la forme de mélanges dont plusieurs sont des solutions. Les propriétés physiques de ces dernières varient selon la nature et la proportion de leurs constituants. Quantité de phénomènes vitaux dépendent de la propriété de l’eau et des lipides de dissoudre de nombreuses substances. La concentration s’exprime en grammes de soluté par litre de solution, ou en pourcentage. La solubilité d’un solide ou d’un gaz s’exprime en grammes de soluté pour un volume donné de solvant, ou en pourcentage. Elle varie notamment selon la température.

  • Propriétés physiques caractéristiques
    • Point de fusion
    • Point d’ébullition
    • Masse volumique
    • Solubilité
  • Propriétés chimiques caractéristiques
    • Réaction à des indicateurs
  • Propriétés des solutions
    • Concentration
    • Soluté
    • Solvant
Transformations de la matière

L’être humain échange avec son milieu et transforme constamment de la matière et de l’énergie. Il survit parce que ces transformations lui procurent de l’énergie sous une forme accessible et de la matière pour réparer et construire les tissus propres à son organisme, d’une part, et pour entretenir ses réserves en minéraux, d’autre part.

Les transformations physiques et chimiques sont également objet d’apprentissage. Elles impliquent un transfert et une transformation d’énergie. Au cours des transformations physiques, le nombre d’atomes de chaque élément ainsi que leur masse demeurent inchangés. Les molécules impliquées ne subissent pas de transformation. La matière conserve donc ses propriétés caractéristiques.

Selon l’énergie d’agitation moyenne des molécules qui la composent, une même substance se présente sous la forme d’un liquide, d’un solide ou d’un gaz. Une variation de cette énergie entraîne des transformations réversibles. L’observation du comportement de la matière au cours de ces transformations constitue le point de départ de la construction d’un modèle particulaire de la matière, qui rassemble toutes les qualités d’un bon modèle : il met en relation différentes observations, il explique les comportements observés, il permet d’en prédire de nouveaux et il est perfectible.

La préparation de solutions par dissolution et la modification de la concentration à la suite d’une dilution sont des opérations courantes dans la vie quotidienne. Il importe d’amener l’élève à les maîtriser et à les mettre en pratique rigoureusement.

Au cours des transformations chimiques, les molécules impliquées sont modifiées. Les produits de la transformation diffèrent des réactifs ; ils seront caractérisés par d’autres propriétés. Le nombre d’atomes de chaque élément et leur masse sont conservés. Sur cette base, des équations chimiques simples sont balancées (réactions d’oxydation, de synthèse et de décomposition). Certains indices sont utilisés pour faciliter la reconnaissance de la formation d’une nouvelle substance.

  • Transformations physiques
    • Dissolution
    • Dilution
    • Changement de phase
  • Transformations chimiques
    • Décomposition et synthèse
    • Oxydation -** Précipitation
  • Formes d’énergie (chimique, thermique, mécanique, rayonnante)
  • Modèle particulaire
Organisation de la matière

La matière circule, de l’inerte au vivant et inversement. En effet, qu’elle soit inerte ou vivante, la matière est constituée d’atomes qui se combinent selon leurs affinités et qui forment des molécules d’éléments ou de composés plus ou moins complexes. Lorsqu’une seule sorte de molécule est présente dans un échantillon de substance, elle est dite pure et elle est identifiable par ses propriétés caractéristiques. Cependant, le plus souvent, la matière est présente dans l’environnement et dans l’organisme humain sous la forme de mélanges de plusieurs sortes de molécules d’éléments et de composés. Les propriétés d’un mélange sont différentes de celles de ses constituants qui conservent chacun leurs propriétés caractéristiques.
  • Substance pure (composé, élément)
  • Mélanges homogènes et hétérogènes
Fluides

Un système de transport interne assure la circulation de substances sélectionnées par l’organisme (l’eau, l’oxygène, le dioxyde de carbone, certains nutriments, les sels minéraux ainsi que divers déchets) vers des régions spécialisées pour les transformations, le stockage ou l’élimination. Le système circulatoire fournit la pression et les variations de pression nécessaires à la circulation du sang. La respiration fournit les variations de volume nécessaires aux variations de pression qui permettront la diffusion de l’oxygène et du dioxyde de carbone au niveau des alvéoles des poumons.

En général, lorsqu’une pression s’exerce sur un solide ou un fluide (compressible ou non), elle est directement proportionnelle à la force qui est distribuée sur une surface et inversement proportionnelle à la surface sur laquelle la force s’applique. Une compréhension qualitative et quantitative de cette relation est souhaitable.

Dans le cas des fluides (compressibles ou non), la pression résulte aussi du choc des molécules entre elles et sur les parois d’une surface contraignante (vaisseaux et alvéoles). Des variations de pression induisent des déplacements de matière qui s’effectuent toujours d’une zone où la pression est élevée vers une zone où la pression est basse. Dans le cas des fluides compressibles, à une même température, le volume est inversement proportionnel à la pression qui s’exerce.

  • Fluides compressible et incompressible
  • Pression
  • Relation entre pression et volume
Ondes

L’organisme humain est équipé de diverses structures qui lui permettent de recevoir des informations de son environnement. Deux stimulus externes captés par des organes des sens doivent être examinés, soit les ondes sonores et les ondes lumineuses du spectre visible. Ces dernières font partie du spectre électromagnétique dont les rayonnements diffèrent essentiellement par leur longueur d’onde.

L’exploration concrète des ondes mécaniques transversales (dans un ressort ou dans l’eau) constitue un moyen pour aider l’élève à comprendre les mouvements ondulatoires. La fréquence, la longueur d’onde et l’amplitude permettent d’identifier des propriétés qualitatives et quantitatives qui sont communes à toutes les ondes tout en mettant en évidence certaines de leurs différences. En tant que déformation qui se propage à une vitesse déterminée dans un milieu élastique, une onde mécanique transporte de l’énergie d’un point à un autre. Cependant, la matière occupe la même position après le passage de l’onde qu’à l’origine de sa propagation.

Les ondes sonores sont des ondes mécaniques longitudinales. Elles sont produites par un corps élastique en vibration et leur propagation exige un support matériel périodiquement comprimé et raréfié. L’onde se déplace, transportant ainsi l’énergie fournie par le corps vibrant sans que la matière soit déplacée.

Quoique de nature très différente, les ondes lumineuses ont certains comportements semblables à ceux des ondes sonores et des ondes mécaniques en général. Ainsi, comme les autres ondes, la lumière est caractérisée par sa fréquence, sa longueur d’onde, son amplitude et sa vitesse de propagation. Cependant, dans son comportement ondulatoire, la lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.

Lorsqu’une onde lumineuse arrive au contact d’un autre milieu transparent, une partie de la lumière est réfléchie. L’autre partie pénètre dans le milieu et elle est généralement déviée par rapport à sa direction originale.

On trouve dans notre environnement naturel et artificiel des objets qui mettent en évidence cette propriété de la lumière. Deux groupes d’objets, appelés lentilles, sont à l’étude : les lentilles convergentes et divergentes. La compréhension visée du phénomène est qualitative.

Note : Lors de l’étude de la réflexion, le travail est limité aux miroirs plans et les aspects quantitatifs sont abordés ; lors de l’étude de la réfraction, les aspects quantitatifs ne sont pas abordés.

  • Fréquence
  • Longueur d’onde
  • Amplitude
  • Échelle des décibels
  • Spectre électromagnétique
  • Déviation des ondes lumineuses
  • Foyer d’une lentille
Repères culturels possibles

Histoire

Ressources du milieu

Intervention humaine

Événement

Dimitri Mendeleiev

Louis et Antoine Lumière

Heinrich Hertz

René Descartes

Wilhem Conrad Roentgen

Musées de la science et de la technologie

Clubs de loisir scientifique

Facultés des sciences et de génie

Classification périodique des éléments

Interventions médicales à l’aide de la fibre optique

Systèmes de télécommunication

Prix Nobel

Expo-sciences