Sciences : physique, chimie, biologie, astronomie, maths

Physique 121

L’atomeL’atome est la plus petite partie d’un élément chimique qui en conserve les propriétés. Il est formé d’un noyau très dense (protons et neutrons) entouré d’un nuage d’électrons.La méthode scientifiqueLa méthode scientifique est la démarche qui permet de produire des connaissances vérifiables : observer, formuler une hypothèse, la tester par l’expérience, analyser les résultats et conclure.Les lois de NewtonLes trois lois de Newton décrivent le mouvement des corps : un objet garde sa vitesse si aucune force n’agit (inertie), F = m × a, et toute action entraîne une réaction égale et opposée.La gravitationLa gravitation est la force d’attraction qui s’exerce entre tous les corps ayant une masse. Selon Newton, elle est proportionnelle aux masses et inversement proportionnelle au carré de la distance.L’énergie en physiqueL’énergie est la capacité d’un système à produire un travail, de la chaleur ou un rayonnement. Elle se mesure en joules, change de forme mais ne se crée ni ne se détruit.Électricité : les bases et la loi d’OhmLe courant électrique est un déplacement de charges. On le décrit par la tension U (volts), l’intensité I (ampères) et la résistance R (ohms), reliées par la loi d’Ohm : U = R × I.

Chimie 94

Le tableau périodique des élémentsLe tableau périodique, ou tableau de Mendeleïev, classe les 118 éléments chimiques connus par numéro atomique croissant, en 7 lignes (périodes) et 18 colonnes (groupes) d’éléments aux propriétés semblables.La moléculeUne molécule est un groupe d’au moins deux atomes reliés par des liaisons covalentes, électriquement neutre. C’est la plus petite partie d’un corps pur moléculaire qui en conserve les propriétés chimiques.Les liaisons chimiquesUne liaison chimique est une force qui maintient des atomes ensemble. Les trois grands types sont la liaison covalente (partage d’électrons), ionique (transfert d’électrons) et métallique.La réaction chimiqueUne réaction chimique est une transformation au cours de laquelle des substances, les réactifs, se changent en nouvelles substances, les produits. Les atomes sont réarrangés mais conservés.Acides, bases et pHLe pH mesure l’acidité d’une solution aqueuse : moins de 7, elle est acide ; 7, neutre ; plus de 7, basique. Un acide libère des ions H⁺, une base les capte.L’oxydoréductionUne réaction d’oxydoréduction est un transfert d’électrons : le réducteur cède des électrons (il est oxydé), l’oxydant les capte (il est réduit). Les deux se produisent toujours simultanément.

Mathématiques 189

Le théorème de PythagoreDans un triangle rectangle, le carré de l’hypoténuse est égal à la somme des carrés des deux autres côtés : a² + b² = c². Il permet de calculer une longueur ou de vérifier un angle droit.Le théorème de ThalèsSi deux droites sécantes sont coupées par deux droites parallèles, elles déterminent des triangles dont les côtés sont proportionnels : AM/AB = AN/AC = MN/BC.La trigonométrieLa trigonométrie étudie les relations entre les angles et les longueurs d’un triangle. Dans un triangle rectangle : cos = adjacent / hypoténuse, sin = opposé / hypoténuse, tan = opposé / adjacent.Formules d’aires, de périmètres et de volumesLes formules essentielles de géométrie : aire du rectangle L × l, du triangle b × h / 2, du disque π × r² ; volume du cube a³, du cylindre π × r² × h, de la sphère 4/3 × π × r³.Le nombre pi (π)Pi (π) est le rapport constant entre la circonférence d’un cercle et son diamètre. Il vaut environ 3,14159 et c’est un nombre irrationnel : ses décimales sont infinies et ne se répètent jamais.Le nombre d’orLe nombre d’or, noté φ (phi), vaut (1 + √5) / 2 ≈ 1,618. C’est la proportion dans laquelle le rapport du tout à la grande partie égale celui de la grande partie à la petite.

Biologie 98

La celluleLa cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant : tout organisme est formé d’une ou de plusieurs cellules, et toute cellule naît d’une cellule préexistante.L’ADNL’ADN (acide désoxyribonucléique) est la molécule qui contient l’information génétique d’un être vivant. Il est formé de deux brins enroulés en double hélice, codés par quatre bases : A, T, G et C.L’évolution des espècesL’évolution est la transformation des êtres vivants au fil des générations. Mutations, sélection naturelle et dérive génétique modifient les populations et donnent naissance à de nouvelles espèces.La photosynthèseLa photosynthèse est le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries utilisent l’énergie de la lumière pour transformer le dioxyde de carbone et l’eau en sucres, en rejetant de l’oxygène.La respiration cellulaireLa respiration cellulaire est l’ensemble des réactions par lesquelles une cellule dégrade le glucose en présence d’oxygène pour produire de l’énergie sous forme d’ATP, en rejetant du CO2 et de l’eau.Les lois de MendelLes lois de Mendel décrivent comment les caractères héréditaires se transmettent des parents aux descendants : chaque individu reçoit deux versions de chaque gène, une de chaque parent.

Astronomie et espace 86

Le système solaireLe système solaire est formé du Soleil et de tout ce qui tourne autour de lui : 8 planètes, au moins 5 planètes naines reconnues, des centaines de lunes et des millions d’astéroïdes et de comètes.Le SoleilLe Soleil est l’étoile au centre du système solaire. Cette boule de gaz chaud, surtout d’hydrogène et d’hélium, produit son énergie par fusion nucléaire depuis environ 4,6 milliards d’années.La LuneLa Lune est le seul satellite naturel de la Terre, située en moyenne à 384 400 km. Elle ne produit pas de lumière : ses phases dépendent de la partie éclairée par le Soleil visible depuis la Terre.Mars, la planète rougeMars est la quatrième planète du système solaire, deux fois plus petite que la Terre. Froide et désertique aujourd’hui, elle a connu de l’eau liquide il y a plus de 3 milliards d’années.JupiterJupiter est la cinquième planète à partir du Soleil et la plus grande du système solaire. Cette géante gazeuse, faite surtout d’hydrogène et d’hélium, est plus massive que toutes les autres planètes réunies.Le cycle de vie des étoilesUne étoile naît de l’effondrement d’un nuage de gaz, brille des millions à des milliers de milliards d’années en fusionnant l’hydrogène, puis meurt. Sa fin dépend de sa masse.

Terre et climat 87

Le réchauffement climatiqueLe réchauffement climatique est la hausse de la température moyenne de la Terre observée depuis le XIXe siècle. Selon le GIEC, elle est sans équivoque due aux activités humaines, surtout à la combustion des énergies fossiles.L’effet de serreL’effet de serre est le phénomène par lequel certains gaz de l’atmosphère absorbent la chaleur émise par la Terre et en renvoient une partie vers le sol. Sans lui, la Terre serait gelée, à −18 °C en moyenne.L’atmosphère terrestreL’atmosphère est la couche de gaz qui entoure la Terre, retenue par la gravité. Composée surtout d’azote (78 %) et d’oxygène (21 %), elle permet la respiration, filtre les rayons du Soleil et régule la température.Le cycle de l’eauLe cycle de l’eau est la circulation continue de l’eau sur Terre : elle s’évapore, se condense en nuages, retombe en précipitations, puis ruisselle ou s’infiltre avant de rejoindre les océans.Climat et météo : la différenceLa météo décrit le temps qu’il fait en un lieu à un moment donné (heures, jours). Le climat est la moyenne et la variabilité de ces conditions sur une longue période, en général 30 ans.Le GIECLe GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) évalue, pour les gouvernements, l’état des connaissances scientifiques sur le changement climatique, ses impacts et les solutions.

Éléments chimiques 55

HéliumL’hélium (He, numéro atomique 2) est un gaz noble incolore, inodore et ininflammable. Deuxième élément le plus abondant de l’Univers, il reste rare sur Terre et sert surtout à refroidir les aimants des IRM.LithiumLe lithium (Li, numéro atomique 3) est le plus léger de tous les métaux, assez peu dense pour flotter sur l’eau. Il est devenu stratégique grâce aux batteries lithium-ion des téléphones et des voitures électriques.BérylliumLe béryllium (Be, numéro atomique 4) est un métal alcalino-terreux très léger, rigide et transparent aux rayons X. Il compose l’émeraude et les miroirs du télescope James Webb, mais ses poussières sont toxiques.BoreLe bore (B, numéro atomique 5) est un métalloïde très dur, rare dans l’Univers mais concentré sur Terre dans des dépôts de borates. On le trouve dans le verre borosilicaté, la fibre de verre et les aimants au néodyme.AzoteL’azote (N, numéro atomique 7) est un non-métal qui forme 78 % de l’air sous forme de diazote N₂. Indispensable aux protéines et à l’ADN, il nourrit les cultures grâce aux engrais azotés.FluorLe fluor (F, numéro atomique 9) est un gaz jaune pâle, l’élément le plus électronégatif et le plus réactif du tableau périodique. Ses composés, les fluorures, protègent les dents et entrent dans le Téflon.

Grands scientifiques 52

PythagorePythagore de Samos (vers 570 – vers 495 av. J.-C.) est un philosophe et mathématicien grec qui fonda à Crotone une communauté pour laquelle « tout est nombre ». Il n’a laissé aucun écrit.HippocrateHippocrate de Cos (vers 460 – vers 370 av. J.-C.) est un médecin grec considéré comme le père de la médecine : il expliqua les maladies par des causes naturelles et fonda la médecine sur l’observation.Claude PtoléméeClaude Ptolémée (vers 100 – vers 170) est un astronome, mathématicien et géographe d’Alexandrie. Son Almageste, qui place la Terre au centre de l’Univers, a fait autorité pendant quatorze siècles.Al-KhwarizmiMuhammad ibn Musa al-Khwarizmi (vers 780 – vers 850) est un mathématicien et astronome persan de Bagdad. Son traité a donné son nom à l’algèbre et son propre nom au mot « algorithme ».Ibn al-Haytham (Alhazen)Ibn al-Haytham (965 – vers 1040), appelé Alhazen en Occident, est un savant arabe de Bassora et du Caire. Son Traité d’optique explique la vision par la lumière entrant dans l’œil et fonde l’optique expérimentale.Nicolas CopernicNicolas Copernic (1473-1543), astronome polonais, a placé le Soleil au centre du monde et fait tourner la Terre sur elle-même et autour de lui. Son livre De revolutionibus paraît l’année de sa mort.

Inventions et découvertes 29

Les grandes inventions de l’histoireDe la roue (vers 3500 av. J.-C.) au smartphone, une poignée d’inventions ont transformé la vie humaine : écriture, papier, imprimerie, machine à vapeur, électricité, vaccins, transistor, Internet.L’invention de la roueLa roue est inventée vers 3500 av. J.-C., presque simultanément en Mésopotamie et en Europe centrale. D’abord pleine et en bois, elle devient roue à rayons vers 2000 av. J.-C. pour les chars légers.L’invention de l’écritureL’écriture apparaît vers 3300 av. J.-C. à Uruk, en Mésopotamie, pour tenir des comptes. Elle a été inventée indépendamment au moins trois autres fois : en Égypte, en Chine et en Mésoamérique.L’imprimerie de GutenbergVers 1450, à Mayence, Johannes Gutenberg met au point l’imprimerie à caractères mobiles en métal. Sa Bible à 42 lignes, achevée vers 1455, ouvre l’ère du livre imprimé en Europe.La boussoleUne boussole est une aiguille aimantée, libre de pivoter, qui s’aligne sur le champ magnétique terrestre et indique le nord magnétique. Décrite en Chine en 1088, elle apparaît en Europe vers 1190.La poudre à canonLa poudre noire, mélange de salpêtre, de soufre et de charbon de bois, est découverte en Chine vers le IXe siècle. Arrivée en Europe au XIIIe siècle, elle transforme la guerre et les mines.

Énergie et technologies 23

L’énergie nucléaireL’énergie nucléaire est l’énergie libérée par la fission de noyaux d’uranium. Elle fournit environ 9 % de l’électricité mondiale et près des deux tiers de celle de la France, avec très peu de CO₂.Le fonctionnement d’une centrale nucléaireUne centrale nucléaire chauffe de l’eau grâce à la fission de l’uranium ; la vapeur fait tourner une turbine reliée à un alternateur. Le panache des tours n’est que de la vapeur d’eau.L’énergie solaireL’énergie solaire transforme le rayonnement du Soleil en électricité (panneaux photovoltaïques) ou en chaleur (capteurs thermiques). C’est la source d’électricité qui progresse le plus vite au monde.L’énergie éolienneUne éolienne transforme l’énergie cinétique du vent en électricité grâce à un rotor qui entraîne un générateur. L’éolien fournit environ 8 % de l’électricité mondiale et près de 9 % de celle de la France.L’hydroélectricitéL’hydroélectricité transforme l’énergie de l’eau qui descend en électricité grâce à une turbine. Première renouvelable électrique au monde, elle domine la production du Québec.La géothermieLa géothermie exploite la chaleur de la Terre, qui augmente d’environ 3 °C tous les 100 mètres. Selon la température, elle sert au chauffage ou à la production d’électricité.La biomasse énergieLa biomasse désigne la matière organique (bois, résidus agricoles, déchets, effluents) utilisée pour produire chaleur, électricité ou carburants. Le bois-énergie est la première énergie renouvelable consommée en France.L’hydrogène, vecteur d’énergieL’hydrogène n’est pas une source d’énergie mais un vecteur : il faut de l’énergie pour le produire. Fabriqué surtout à partir de gaz fossile, il pourrait décarboner l’industrie s’il est produit par électrolyse.Les énergies fossilesLes énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) proviennent de matière organique enfouie pendant des millions d’années. Elles fournissent environ 80 % de l’énergie mondiale.Le pétroleLe pétrole est un liquide composé d’hydrocarbures, formé en millions d’années à partir de plancton enfoui. Première source d’énergie du monde, il alimente surtout les transports et sert de matière première à la chimie.Le gaz naturelLe gaz naturel est un combustible fossile composé principalement de méthane (CH₄). Il sert au chauffage, à l’industrie et à la production d’électricité, et fournit près du quart de l’énergie mondiale.Le charbonLe charbon est une roche combustible formée de végétaux enfouis pendant des millions d’années. Il produit encore environ un tiers de l’électricité mondiale et c’est le combustible le plus émetteur de CO₂.La production d’électricitéPresque toute l’électricité est produite par un alternateur : un aimant tourne dans des bobines de cuivre et y crée un courant. Seul le photovoltaïque fonctionne sans pièce mobile.Le réseau électriqueLe réseau électrique transporte l’électricité des centrales jusqu’aux prises, à très haute tension pour limiter les pertes, puis à 230 volts. Production et consommation s’y équilibrent en permanence.Le stockage de l’énergieStocker l’énergie permet de décaler production et consommation. Les stations de pompage (STEP) assurent l’essentiel du stockage d’électricité, devant les batteries ; l’hydrogène vise les longues durées.La batterie lithium-ionDans une batterie lithium-ion, des ions lithium passent d’une électrode à l’autre lors de la charge et de la décharge. Commercialisée par Sony en 1991, elle équipe téléphones, ordinateurs et voitures électriques.La voiture électriqueUne voiture électrique utilise un moteur électrique alimenté par une batterie rechargeable. Plus efficace, elle émet en France deux à trois fois moins de CO₂ qu’une voiture thermique sur sa vie.Le moteur à explosionUn moteur à explosion, ou à combustion interne, brûle un mélange d’air et de carburant dans un cylindre fermé : la pression des gaz pousse un piston. La plupart fonctionnent selon le cycle à quatre temps, décrit en 1862.Le mix énergétique de la FranceL’électricité française provient à environ 95 % de sources bas carbone, surtout le nucléaire. Mais l’électricité n’est qu’un quart de l’énergie finale consommée : près de 60 % reste fournie par le pétrole et le gaz.La transition énergétiqueLa transition énergétique désigne le passage d’un système fondé sur les énergies fossiles à un système bas carbone. Elle repose sur trois leviers : sobriété, efficacité énergétique et production d’énergie décarbonée.La robotiqueLa robotique conçoit des machines capables de percevoir leur environnement, de traiter l’information et d’agir physiquement. Plus de quatre millions de robots travaillent dans les usines du monde.Les nanotechnologiesLes nanotechnologies portent sur des objets de 1 à 100 nanomètres, soit un milliardième de mètre. À cette échelle, la matière acquiert des propriétés nouvelles, utiles en électronique et en médecine.L’impression 3DL’impression 3D, ou fabrication additive, crée un objet couche par couche d’après un modèle numérique. Inventée au milieu des années 1980, elle sert du prototype à la pièce d’avion.