La physique-chimie est une science reposant sur des fondements mathématiques rigoureux et sur des expériences concrètes permettant de valider ces expériences. L’enseignement en physique-chimie intègre ces deux composantes avec une partie expérimentale abordée lors des TP et une partie théorique vue en cours.
La physique est la science qui étudie les lois régissant l’évolution de la matière de l’échelle atomique à l’échelle astronomique en passant par l’échelle humaine.
Le programme du secondaire est progressif, introduisant les généralités sur le mouvement de corps , sur les notions de température et de pression, sur les différents états de la matières…
L’étude de ces phénomènes observés dans la nature ou en laboratoire est ensuite expliquée et analysée à l’aide de modèle mathématique.
La chimie est la science qui étudie la composition, les réactions et les propriétés de la matière en se penchant sur les atomes qui composent la matière et leurs interactions les uns avec les autres. La taille des composés étudiés en chimie varie de la réaction entre de simples atomes jusqu’à des édifices moléculaires de plusieurs dizaines de milliers d’atomes (ADN, protéines, cristaux…). L’étude du monde à l’échelle moléculaire permet de mieux comprendre le monde à l’échelle de l’homme.
La chimie est par nature interdisciplinaire et relie les sciences naturelles. Elle joue un rôle indispensable dans le fonctionnement de notre monde et dans l’existence de la vie ».
Scientifiquement, un ordre de grandeur est une fourchette de valeurs. Celle-ci va, communément, d’un dixième à dix fois la grandeur. Ainsi, si l’on dit que « l’ordre de grandeur est d’un mètre » cela signifie que la longueur de l’objet est entre 10 cm et 10 m. D’autres fois, on considère des fourchettes plus petites, comme entre la moitié et le double de la valeur (donc ici entre 50 cm et 2 m).
De manière générale, la largeur de la fourchette dépend de la manière dont la personne s’imagine le phénomène. Ainsi, une température « de l’ordre de » n’aura pas la même signification pour une personne vivant dans un pays à faible ou à grande amplitude thermique, ou selon la saison à laquelle se réfère la personne ; un Français qui s’imagine une journée ensoleillée de printemps considèrera une fourchette de 15 à 25 °C, tandis qu’une personne songeant à l’été aura une fourchette de 18 à 30 °C en tête.
Cette imprécision n’est en général pas gênante, puisque l’on ne s’intéresse pas à la valeur exacte, on veut juste savoir si deux grandeurs sont comparables ou pas.
En physique, pour écrire l’ordre de grandeur d’une dimension :on l’écrit sous sa notation scientifique ;
on donne la puissance de 10 supérieure au nombre étudié lorsque celui-ci est supérieur ou égal à 5×10n sinon on donne la même puissance de 10 que celui-ci.
La connaissance de l’ordre de grandeur d’un phénomène permet de vérifier que le résultat d’un calcul est cohérent, donc que l’on n’a pas fait d’erreur grossière. Ainsi, si le résultat d’un calcul est la distance entre une ville française et une ville américaine, on s’attend à avoir un résultat de plusieurs milliers de kilomètres ; un résultat de quelques centaines de kilomètres, ou au contraire de 100 000 kilomètres, paraîtra douteux.
Les unités de base du système international sont modifiées par des préfixes. Une unité préfixée peut ainsi indiquer un ordre de grandeur, on peut dire par exemple : « La fréquence utilisée dans la bande FM est de l’ordre de la centaine de mégahertz ».
Le calcul d’incertitude permet d’évaluer correctement les erreurs qui se produisent lors de mesures liées à la vérification d’une relation entre différentes grandeurs physiques. Les instruments de mesure n’étant pas de précision infinie, les mesures faites pendant une expérience ne sont pas exactes. Il faut donc évaluer ces incertitudes pour répondre à la question : « la relation n’est pas vérifiée exactement parce qu’elle est fausse ou parce que les mesures sont incertaines ? » On en déduit des marges d’erreurs, en dehors desquelles la relation sera invalidée. Cela fait partie intégrante de la méthode scientifique.
Il faut un instrument de mesure construit sur un étalon. Malgré tout, cet instrument possède aussi une certaine justesse. L’acte de mesurer entraîne deux types d’erreurs :
Évaluations des incertitudes
Évaluations de type A : c’est le cas où l’opérateur fait toute une série de mesures. Le traitement des erreurs est statistique : moyenne, écart-type, … Cette analyse statistique se fait lorsque l’on a peu d’indications sur les sources d’erreurs.
Évaluations de type B : il est difficile de faire un calcul statistique (cas de la mesure unique).
L’opérateur doit chercher et évaluer les sources d’erreurs. Le constructeur de l’instrument de mesure fournit des données telles que la classe de l’appareil, le calibre, la résolution. Il est nécessaire d’avoir une connaissance générale sur l’expérience.
Méthode d’Évaluations des incertitudes
Type A : dans les cas de plusieurs mesures indépendantes, l’incertitude se calcule à l’aide de l’écart-type de l’échantillon.
On prend alors comme valeur de g, la moyenne des mesures.
Type B : il est nécessaire de faire un bilan des erreurs :
Les erreurs systématiques telles que l’erreur de parallaxe, le réglage du zéro de l’appareil, les erreurs de méthode, le vieillissement des composants, …
Les erreurs aléatoires telles que les erreurs de lecture ou dues à l’appareil lui-même, ou dues aux conditions extérieures (température et dilatation, pression atmosphérique, humidité,…).
Dans un tel cas de figure, pour arriver à exprimer l’incertitude sous forme d’un écart-type, on peut changer d’instrument de mesure, voire de protocole, faire varier les paramètres influents. Mais on utilisera toujours les données du constructeur. La norme AFNOR indique ainsi que d’une manière générale, si le constructeur fournit l’incertitude type, on l’utilise directement.
Incertitudes élargies : le problème, et notamment dans le cas d’une évaluation de type B pour laquelle le calcul statistique n’est pas possible (mesure unique), est qu’il faut donc arriver à faire « confiance » à notre écart-type, en l’élargissant, tout simplement.
Le nombre de chiffres significatifs indique la précision d’une mesure physique. Il s’agit des chiffres connus avec certitude plus le premier chiffre incertain. La précision (ou l’incertitude) avec laquelle on connait la valeur d’une grandeur dépend du mesurage (ensemble d’opérations ayant pour but de déterminer une valeur d’une grandeur).
Par exemple : 1234 a quatre chiffres significatifs. Le premier chiffre incertain est le 4.
CAS DU ZERO
Lorsqu’un 0 est le premier chiffre (donc placé à gauche), il n’est pas significatif :
0,8 a un chiffre significatif
0,0052 a deux chiffres significatifs
0,31 a deux chiffres significatifs
Lorsque le 0 est le dernier chiffre (donc placé à droite) , il est significatif :
1,200 a quatre chiffres significatifs
0,0520 a trois chiffres significatifs
Le cas des nombres entiers tels : 400, 1000, 10 peut prêter à confusion.
Si le résultat d’une mesure donne 400 et qu’un seul chiffre est significatif alors le résultat final peut être écrit 4·102 ou encore 0,4·103
Si deux chiffres sont significatifs alors le résultat final peut être écrit 4,0·102 ou encore 0,40·103
Si trois chiffres sont significatifs alors le résultat final peut être écrit 4,00·102 ou encore 0,400·103 ou encore 400
Si quatre chiffres sont significatifs alors le résultat final peut être écrit 4,000·102 ou encore 0,4000·103 ou encore 400,0
Opération sur les chiffres significatifs
Après une addition ou une soustraction, le résultat ne doit pas avoir plus de décimales que le nombre qui en comporte le moins.
Exemple 1 :
On calcule la masse molaire M du thiosulfate de sodium pentahydraté Na2S2O3 , 5H2O :
M(Na) = 23,0 g.mol-1
M(O) = 16,0 g.mol-1
M(S) = 32,05 g.mol-1
M(H) = 1,008 g.mol-1
M(Na2S2O3 , 5H2O) = 248,2 g.mol-1 car M(Na) et M(O) sont connus au dixième de gramme par mole : ils imposent donc leur précision.
Exemple 2 :
Calculer le périmètre d’un rectangle de longueur L = 143 cm (donc trois chiffres significatifs et connu au centimètre près, pas de décimale) et de largeur l = 5,7 cm (donc deux chiffres significatifs et connu au dixième de centimètre près, une décimale).
P = 2×(5,7+143)
P = 2×148,7
P = 297,4
La valeur du périmètre s’écrit donc P = 297 cm.
Après une multiplication ou une division, le résultat ne doit pas avoir plus de chiffres significatifs que la valeur la moins précise.
Exemple :
On dissout une masse m = 6,17 g de thiosulfate de sodium pentahydraté (de masse molaire M = 248,2 g·mol-1), dans un volume V = 150,0 mL de solution. La concentration molaire apportée est :
c = m/MV = 6,17/248,2* 150,0*10^-3
c = 0,16572656459 résultat brut, incorrect.
c = 0,166 mol.L^-1, résultat correct avec trois chiffres significatifs
c = 1,66.10^-1 mol.L^-1, résultat correct avec trois chiffres significatifs en écriture scientifique
logarithme
Règle internationale: Il y a autant de chiffres significatifs pour la valeur que de chiffres significatifs après la virgule dans son logarithme.
Cette règle amène à des subtilités avec le logarithme décimal.
Les nombres: 4,2·102 et 4,2·103 sont tous deux donnés avec deux chiffres significatifs.
Leurs logarithmes décimaux sont respectivement
2,6232…
3,6232…
Le nombre avant la virgule n’est que la valeur de l’exposant. Cette valeur ne servant qu’à positionner la virgule, elle n’est pas elle-même un chiffre significatif. Par conséquent le logarithme de ces deux nombres avec deux chiffres significatifs doit s’écrire : 2,62 (resp. 3,62).
