Enseignement scientifique Tle enseignant 9782401063211, 2401063218, 9782401073401

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Enseignement scientifique Livre du professeur

T

le

Pour les chapitres 1 à 4 et 9 à 11 Sous la direction de

Pour les chapitres 5 à 8 Sous la direction de

Lycée Marie-Madeleine Fourcade, Gardanne (13)

Collège Antoine Guichard, Veauche (42)

Véronique BIANCHI et Johanna MAIXANT

Christophe DAUJEAN Fabien ALIBERT

Nathalie BAQUET

Collège Honoré d'Urfé, Saint-Étienne (42)

Lycée Pissarro, Pontoise (95)

Francis BEAUBOIS

Fanny BORDERIES

Lycée Paul Langevin, Beauvais (60)

Lycée Marie-Madeleine Fourcade, Gardanne (13)

Sabine GENT

Cathy CAPOGNA

Lycée La Martinière Diderot, Lyon (69)

Lycée en Forêt, Montargis (45)

Véronique CHARLES LE CERF

Lycée Externat Chavagnes, Nantes (44)

Kader MÉDJAHDI

Collège Honoré d'Urfé, Saint-Étienne (42)

Julien NADEAU

Gilliane CREUSOT

Lycée Antoine de Saint-Exupéry, Lyon (69)

Lycée en Forêt, Montargis (45)

Béatrice SOUCILLE-DALLE

Julien DELANDRE

Collège Gambetta, Saint-Étienne (42)

Lycée Eugène Delacroix, Drancy (93)

Anne FOURNIER

Pour les chapitres 12 et 13 et les pages Focus Maths Sous la direction de

Lycée Externat Chavagnes, Nantes (44)

Aurélie GRESSET-HURPIN

Institution Jeanne d’Arc, Montrouge (92)

Christophe ROLAND

Gildas HOARAU

Lycée Paul Duez, Cambrai (59)

Lycée Évariste de Parny, Plateau Caillou (974)

Meyssa KOCHT

Lycée international de l'Est parisien, Noisy-le-Grand (93)

Christine LANZA

Lycée Pierre-Gilles de Gennes, Paris (75)

Armelle MORAND

Lycée le Corbusier, Illkirch-Graffenstaden (67)

Didier REGHEM

Lycée Marguerite de Flandre, Gondecourt (59)

Thibault LORIN

Yannig SALAUN

Lycée Eugène Delacroix, Drancy (93)

Lycée de l'Elorn, Landerneau (29)

Christine PERES

Thierry VIÉVILLE

Lycée Pissarro, Pontoise (95)

INRIA, Sophia-Antipolis (06)

Gaëlle QUINQUET TOLÉDANO IUT Ponsan, Toulouse (31)

Marie-Clanisse RAPHAËL

Lycée Louis Armand, Nogent-sur-Marne (94)

Pour les pages Penser la science Denis CAROTI

Lycée Marseilleveyre, Marseille (13) Le Cortecs

Annabelle KREMER-LECOINTRE

Maison pour la science en Alsace, Université de Strasbourg (67) Collège les 7 Arpents, Souffelweyersheim (67)

Sophie MATUSINSKI-MOUGE Délégation Académique aux Arts et à la Culture (DAAC), Rectorat de Bordeaux (33)

Thème 1 ● Science, climat et société

Thème 1 - Science, climat et société Introduction Le changement climatique est aujourd’hui un fait avéré. Les activités humaines ont entraîné une augmentation de la température moyenne du globe de 1 °C au cours des 150 dernières années et ce réchauffement atteindra probablement 1,5 °C entre 2030 et 2050 s’il continue à la même vitesse. De ce fait, les enjeux sociétaux et environnementaux pour le siècle à venir sont importants et dépendent en grande partie des décisions politiques et citoyennes qui seront prises. Ainsi, cette première partie du programme d’Enseignement scientifique a été pensée pour permettre une construction pédagogique des notions scientifiques à acquérir afin de former des citoyens éclairés sur ces questions du changement climatique mais surtout de mettre en évidence la responsabilité humaine dans ces phénomènes. Cette acquisition est faite sur la base de la mise en œuvre d’une démarche scientifique permettant d’appréhender les objets d’étude qui serviront de prérequis mais également de tremplin à l’enseignement de spécialité en classe de terminale. La cohérence horizontale de ces deux programmes indique d’utiliser les objets d’étude comme outils d’analyse des climats de la Terre afin d’en comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain.

Chapitre 1 - L’atmosphère terrestre et la vie Le chapitre 1 permet de poser les jalons de la compréhension du système climatique terrestre : - L’historique de la mise en place du système hydrosphère-atmosphère qui est un des acteurs principaux du fonctionnement climatique. - Depuis un siècle et demi, l’être humain perturbe le cycle du carbone et par là même le système hydrosphère-atmosphère, en brûlant de façon rapide des ressources fossiles (stock de carbone) qui ont mis des centaines de millions d’années à se mettre en place.

Chapitre 2 - La climatique

complexité

du

système

Le chapitre 2 a pour objectif principal de décrire le système climatique, sa complexité et ses variations en se basant sur les observations actuelles in situ de différents paramètres physiques mais aussi sur l’étude de marqueurs du climat passé ou actuel.

Ainsi, il s’agit de montrer que : - Depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement. - Il y a une corrélation positive entre l’évolution de la concentration du CO2 atmosphérique et l’évolution de la température globale que ce soit actuellement ou dans le passé (on considère différentes échelles de temps). - Le système climatique réagit à une augmentation de la concentration du CO2 atmosphérique par une augmentation de la température globale car le bilan radiatif de la Terre est perturbé (forçage radiatif positif). Cette hausse de température entraîne des rétroactions complexes au sein du système climatique.

Chapitre 3 - Le climat du futur Le chapitre 3 permet de comprendre comment les scientifiques peuvent modéliser le système climatique dans toute sa complexité, grâce aux connaissances construites dans les chapitres 1 et 2, et que les élèves peuvent appréhender grâce à un simulateur simple, Simclimat. Grâce aux modèles élaborés par les scientifiques, des simulations climatiques sont effectuées afin de remplir plusieurs objectifs : - les confronter aux observations réelles afin d’améliorer et de valider les modèles, - mettre en évidence un lien de cause à effet entre les émissions de GES d’origine anthropique et le réchauffement climatique actuel (corrélation entre augmentation des émissions des GES d’origine anthropique et augmentation de la température globale puis confrontation avec les modèles), - faire des simulations projetant les possibles climats futurs afin d’anticiper les éventuelles conséquences sur les écosystèmes et les sociétés humaines.

Chapitre 4 - Énergie, choix pement et futur climatique

de

dévelop-

Une fois le lien établi entre activités humaines, libération de gaz à effet de serre (GES) et changement climatique, le chapitre 4 vient conclure cette partie par une réflexion sociétale sur notre production et notre consommation énergétiques et leurs impacts sur l’environnement et la santé. © Éditions Hatier, 2020. 2

Thème 1 ● Science, climat et société

Les projections climatiques montrent des perspectives d’avenir qui doivent conduire à des choix politiques et individuels en matière de transition énergétique, de prévention et d’adaptation afin d’atténuer au maximum les risques encourus par les écosystèmes et les populations humaines. Dans ce cadre, des liens avec le chapitre 8 (Choix énergétiques et impacts sur les sociétés) et le chapitre 9, activité 4 (Les Chapitre Chapitre 1 L’atmosphère terrestre et la vie

Chapitre 2 La complexité du système climatique Chapitre 3 Le climat du futur

Chapitre 4 Énergie, choix de développement et futur climatique

impacts des êtres humains sur la biodiversité) sont possibles afin d’enrichir la réflexion.

Activité

Commentaires

Activité 1 Formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère terrestres (activité documentaire) Activité 2 L’oxygénation de l’atmosphère terrestre (activité documentaire/travail en équipes) Activité 3 Le cycle du dioxygène (activité documentaire) Activité 4 Le cycle du carbone (tâche complexe) Activité 1 Les variations du climat (activité documentaire) Activité 2 Facteurs anthropiques et perturbations du climat (classe inversée) Activité 3 Effets des rétroactions sur le climat global (activité documentaire et expérimentale) Activité 1 Les modèles climatiques (activité expérimentale) Activité 2 Les modèles climatiques face aux observations (activité documentaire/débat) Activité 3 Évolutions plausibles du climat et conséquences (tâche complexe)

Prérequis : - changements d’état (PC, cycle 4) - équation de réaction chimique (PC, cycle 4 et 2de) - énergie, puissance, formes d’énergie, transfert d’énergie (PC, cycle 4 et 2de) - différence entre climat et météo (SVT, cycle 4) - photosynthèse (SVT, cycle 4 et 2de & ES, 1re) - écosystème (SVT, cycle 4 et 2de) - risques naturels (SVT, cycle 4 et 2de) - équilibre radiatif et effet de serre atmosphérique (ES, 1re)

Activité 1 La consommation des sources d’énergie (activité documentaire) Activité 2 Énergie issue des combustions et qualité de l’air atmosphérique (activité documentaire) Activité 3 L’empreinte carbone des activités humaines (activité documentaire/travail en équipes) Activité 4 Scénarios de la transition écologique (tâche complexe)

Lien avec les programmes des spécialités de Terminale : - acides et bases, pH, réactions d’oxydoréduction (spécialité PC) - bilan thermique du système Terreatmosphère, effet de serre (spécialité PC) - les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain (spécialité SVT) : variations climatiques passées, conséquences du réchauffement climatique et possibilités d’action

https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr

Bibliographie générale sur le climat François-Marie Bréon, Gilles Luneau, Atlas du climat, Face aux défis du réchauffement, Autrement 2018. Alain Foucault, Climatologie et paléoclimatologie, (2e édition), Dunod 2009. Marie-Antoinette Mélières, Chloé Maréchal, et al., CLIMAT : Passé, présent, futur, Belin 2020. Jean Poitou, Pascale Braconnot et Valérie Masson-Delmotte, Le climat : la Terre et les hommes, EDP Sciences 2014.

https://www.ipcc.ch

Sitographie

http://www.geoclimat.org/p/bilans-normaleset-donnees.html

https://planet-terre.ens-lyon.fr http://www.meteofrance.fr http://education.meteofrance.fr

https://leclimatchange.fr http://www.drias-climat.fr https://www.oce.global/sites/default/files/20 19-04/1.5degree_FR_final_LR_2.pdf https://www.noaa.gov/climate

https://www.ipsl.fr https://www.climat-en-questions.fr https://www.observatoire-climat-energie.fr © Éditions Hatier, 2020. 3

Thème 1 ● Science, climat et société

https://www.ademe.fr

https://www.mondediplomatique.fr/cartes/vulnerabilite-climat

https://jancovici.com/ https://www.copernicus.eu/fr https://www.statistiques.developpementdurable.gouv.fr

© Éditions Hatier, 2020. 4

Thème 1 ● Science, climat et société

1. L’atmosphère terrestre et la vie Introduction Depuis l’époque de sa formation, la Terre a connu une évolution spécifique de sa surface et de la composition de son atmosphère. Notamment, sa température de surface permet l’existence d’eau liquide formant ainsi une hydrosphère. Aux facteurs physiques et géologiques s’est ajoutée l’émergence des êtres vivants et de leur métabolisme modifiant profondément les conditions de la Terre. Un fragile équilibre est atteint permettant le maintien de la vie. Ce chapitre permet de décrire la formation conjointe des deux enveloppes fluides de la planète et leur évolution commune. L’enjeu est de comprendre les relations étroites entre l’histoire de la Terre et celle de la vie en identifiant les interactions existantes entre les différentes enveloppes de la planète ainsi que les échelles de temps concernées. Aujourd’hui une espèce vivante, l’être humain, interagit fortement et de façon déséquilibrée avec l’atmosphère, mettant en péril l’équilibre climatique.

Prérequis

p. 28 (correction p. 294)

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger des acquis et/ou représentations initiales des élèves concernant les notions suivantes : Prérequis 1 : le métabolisme photosynthétique qui permet le stockage du carbone par les organismes chlorophylliens, mais qui est aussi à l’origine de la production d’O2. Ce métabolisme a été décisif dans l’évolution de notre planète. (Cycle 4, Enseignement scientifique 1re) Prérequis 2 : le rayonnement solaire qui arrive sur Terre concerne un large spectre de longueurs d’ondes qui ne se limite pas au spectre visible. Ce rayonnement est en interaction avec les différentes enveloppes terrestres et atteint notamment la biosphère. (Cycle 4, Enseignement scientifique 1re) Prérequis 3 : la capacité à ajuster une équation de réaction avec l’exemple du bilan des réactions de la photosynthèse, qui sera réinvestie dans l’équation de réaction d’oxydation du fer. (Physique Chimie 2de) Prérequis 4 : les différentes enveloppes superficielles de la planète qui seront réinvesties dans ce chapitre mais aussi dans le chapitre 2, lors de l’évocation du système climatique dont ces enveloppes font partie.

Activités Compétences

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Pratiquer des démarches scientifiques Communiquer et utiliser le numérique Adopter un comportement éthique et responsable

p. 30 à 37 Capacités Exploiter des informations à partir de documents à des fins de connaissances Collaborer dans une démarche de travail en équipe Apprendre et organiser son travail (tâche complexe) Questionner une représentation Communiquer sur ses démarches sous forme de frise Identifier l’incidence des activités humaines sur l’environnement

Activités Activités 1, 2, 3 et 4

Activité 2

Activité 4

Activité 2 Activité 2 Activité 4 et Penser la science (p.40-41)

① Formation de l’atmosphère et de l’hydrosphère terrestres Les savoirs du BO

Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était composée de N2, CO2 et H2O. Sa composition actuelle est d’environ 78 % de N2 et 21 % de O2, avec des traces d’autres gaz (dont H2O, CO2, CH4, N2O). Le refroidissement de la Terre primitive a conduit à la liquéfaction de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale. L’hydrosphère s’est formée dans laquelle s’est développée la vie.

Les savoir-faire du BO - Analyser des données, en lien avec l’évolution de la composition de l’atmosphère au cours des temps géologiques. - Déterminer l’état physique de l’eau pour une température et une pression données à partir de son diagramme d’état.

Commentaires pédagogiques L’enjeu de cette activité est de mettre en évidence les relations étroites entre les enveloppes fluides de la planète au moment de leur formation : l’atmosphère et l’hydrosphère. Le système atmosphère-océan s’est formé pendant les 700 premiers millions d’années de la Terre, période d’intense activité interne qui n’a laissé que très peu

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Thème 1 ● Science, climat et société

de preuves. L’objectif est de montrer comment utiliser des indices géologiques et les principes physiques pour reconstituer l’évolution de la composition des atmosphères successives en relation avec la formation de l’hydrosphère.

Durée estimée : 1 heure Différenciation/pistes d’exploitation Cette activité peut être également traitée sous la forme d’une tâche complexe dans laquelle les élèves ont pour consigne de construire une frise chronologique qui rend compte de l’évolution conjointe des enveloppes fluides de la planète. Pour cela, on donne aux élèves les documents 1 à 4 ainsi que le tableau de comparaison de la composition des différentes atmosphères terrestres (voir réponse question 2). Les précisions de la frise peuvent être ajoutées sous la forme de coups de pouce. Remarques générales : Il existe une atmosphère primaire transitoire juste après la formation de la Terre. Cette atmosphère ressemble à la nébuleuse solaire, riche en He et H2. La collision de la Terre avec un planétoïde, Théia, apporte de nouveaux matériaux à l’origine de l’atmosphère primitive. L’atmosphère primitive contenait d’autres gaz que ceux étudiés dans l’activité, principalement des gaz d’origine volcanique, comme l’hydrogène sulfuré (H2S) ou le dioxyde de soufre (SO2), et d’autres gaz tels que le méthane (CH4), l’ammoniac (NH3), etc.

Réponses aux questions 1. Les principaux événements survenus dans l’évolution des enveloppes fluides de la Terre entre −4,5 Ga et −2,5 Ga sont : - La libération de gaz du manteau en fusion. Ces gaz proviennent de météorites à l’origine de la formation de la Terre. - La formation de l’hydrosphère il y a 4,4 Ga par condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Le zircon trouvé en Australie en 2001 confirme la présence d’eau liquide sur Terre à cette époque (doc. 1). - Le changement du niveau d’oxygénation de l’atmosphère. D’après le doc. 2, l’uraninite est un marqueur de l’état d’oxygénation de l’atmosphère : elle ne se cristallise que dans une atmosphère pauvre en O2. Ainsi, avant 2 Ga, l’atmosphère était pauvre en O2. 2. Comparaison des différentes atmosphères terrestres :

Gaz H2O CO2 N2

Atmosphère primitive 85 % 10 %-15 % 1 %-3 %

Atmosphère secondaire 20 % 20 % 60 %

Atmosphère actuelle 21 % 0,036 % 78 %

3. On peut placer les données du doc. 4 sur le graphique du doc. 3 pour déterminer l’état de l’eau à une époque donnée. Ainsi, il y a 4,45 Ga, l’eau est à l’état de fluide supercritique : les états gazeux et liquides sont confondus. L’eau est uniquement présente dans l’atmosphère. Entre −4,4 Ga et −4,26 Ga, la température diminue drastiquement et l’eau passe à l’état liquide. La diminution de la température est donc à l’origine du changement d’état de l’eau et de la formation de l’hydrosphère. 4. L’atmosphère primitive est riche en H2O et en CO2 et ne contient qu’une faible proportion de diazote N2. Le refroidissement de la Terre entraîne la liquéfaction de la vapeur d’eau et la formation de l’hydrosphère. En précipitant, la vapeur d’eau facilite la solubilisation du CO2 atmosphérique qui se retrouve alors piégé dans l’hydrosphère. La teneur en H2O et en CO2 dans l’atmosphère diminue donc au profit du N2. À partir de −2,5 Ga, l’hydrosphère libère de l’O2 qui s’accumule dans l’atmosphère au cours de la grande oxygénation, laissant place à l’atmosphère actuelle, riche en N2 et O2. Penser la science L’idée que l’eau provient du dégazage du manteau est abandonnée par la majorité de la communauté scientifique car la Terre se serait formée à partir de chondrites anhydres. Par ailleurs, l’impact de la Terre et du planétoïde a provoqué la fusion de la Terre et a libéré dans l’espace tous les éléments volatiles, dont la vapeur d’eau si elle avait été présente. En conséquence, la majorité de l’eau arrive après la différenciation terrestre (noyau, manteau, croûte). L’origine extraterrestre de l’eau est donc « admise ». Le débat se recentre entre les comètes et un type d’astéroïde riche en glace, les chondrites carbonées. Pour déterminer l’origine de l’eau, les scientifiques observent le rapport isotopique eau lourde sur eau légère dans les comètes, les astéroïdes et les comparent au rapport isotopique de l’eau observé dans les roches du manteau terrestre. L’eau légère contient de l’hydrogène (un seul proton dans le noyau) tandis que l’eau lourde est formée à partir

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Thème 1 ● Science, climat et société

d’un isotope de l’hydrogène, le deutérium (un proton et un neutron dans le noyau). Cependant, il est important d’analyser des roches du manteau profond suffisamment « vieilles » pour qu’elles rendent compte des conditions terrestres à cette époque. En effet, le rapport D/H terrestre peut également avoir subi des modifications au cours du temps. https://www.futurasciences.com/sciences/actualites/systeme-terrelune-origine-eau-terre-moitie-pourrait-venirasteroides-63101/

②L’oxygénation de l’atmosphère terrestre Savoirs du BO

Les premières traces de vie sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards d’années. Par leur métabolisme photosynthétique, des cyanobactéries ont produit le dioxygène qui a oxydé, dans l’océan, des espèces chimiques réduites. Le dioxygène s’est accumulé à partir de 2,4 milliards d’années dans l’atmosphère. Sa concentration atmosphérique actuelle a été atteinte il y a 500 millions d’années environ.

Savoir-faire du BO - Mettre en relation l’apparition de O2 dans l’atmosphère avec des indices géologiques (oxydes de fer rubanés, stromatolites ...). - Ajuster les équations des réactions chimiques d’oxydation du fer par le dioxygène.

Commentaires pédagogiques On cherche à mettre en évidence l’origine biologique du dioxygène présent dans l’atmosphère ainsi que les différents indices géologiques qui permettent de dater son apparition dans l’hydrosphère puis son transfert vers l’atmosphère.

Durée estimée : 1 h 30 à 2 h Différenciation/pistes d’exploitation - Aide document 1 : il faut bien faire attention au fait que dans ce document, la concentration en dioxygène atmosphérique est représentée sur un axe à échelle logarithmique (voir Focus maths p. 42) - Aide document 2 : il faut bien comprendre que les fers rubanés sont des roches sédimentaires qui se forment dans les océans au contact de l’eau. Leur mise en place se fait donc directement en lien avec la composition de l’hydrosphère et nous renseigne sur la composition de l’océan de l’époque où ils se sont formés. De même, les sols rouges continentaux se forment au contact de l’atmosphère passée. Qu’ils soient dans l’océan ou dans

l’atmosphère, les ions fer II ne précipitent sous forme d’hématite qu’en présence de dioxygène. - Aide document 3 : il est nécessaire de bien comprendre le principe d’actualisme et ce qu’il implique en termes de reconstitution des paléoenvironnements. - Aide document 4 : ne pas hésiter à rappeler l’équation bilan de la photosynthèse aux élèves : voir prérequis en début de chapitre. - Différenciation conclusion : Une variante peut consister à demander de faire la frise à l’échelle.

Piste d’approfondissement/élèves en spécialité physique-chimie Il est possible de montrer en quoi la photosynthèse facilite la précipitation du carbonate de calcium. (https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/co2-etcarbonates.xml°) Pour cela, à partir de l’équation de la photosynthèse, montrer que cela diminue la quantité de CO2 présent dans l’environnement proche et décale l’équilibre des carbonates vers la droite ce qui favorise la précipitation : CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO32HCO3 - + Ca2+ ⇌ CaCO3 + H2O + CO2

Réponses aux questions

1. À partir de −2,5 Ga, la concentration atmosphérique en dioxygène commence à augmenter pour atteindre rapidement 2 %. Il s’ensuit une phase d’environ 1,5 Ga pendant laquelle la concentration en O2 est restée stable à 1 %. Puis, à partir d’environ −800 Ma une nouvelle augmentation a lieu amenant la concentration rapidement à un peu plus de 10 % pour atteindre la valeur actuelle il y a environ 500 Ma. On peut constater des fluctuations importantes entre −500 Ma et l’actuel, avec, notamment, un pic il y a environ 300 Ma (Carbonifère). 2. À partir du constat d’une évolution importante de la quantité de dioxygène dans l’atmosphère au cours du temps, on cherche à attirer l’attention sur le fait que la reconstitution de cette évolution n’est en fait basée que sur des données éparses et des extrapolations faites par les scientifiques. Cela donne lieu à de fortes incertitudes concernant cette phase d’oxygénation de l’atmosphère terrestre. Par ailleurs, l’échelle logarithmique peut introduire un biais de lecture, en donnant l’impression qu’une grande partie de l’O2 atmosphérique était déjà présente il y a 2,7 Ga alors que la plus grande phase d’oxygénation a plutôt eu lieu à partir de 800 Ma.

© Éditions Hatier, 2020. 7

Thème 1 ● Science, climat et société

Équipes A Les fers rubanés témoignent d’une oxygénation précoce des océans (à partir de −3,9 Ga) grâce à la présence d’hématite issu de l’oxydation des ions Fer II dans l’océan. Ils témoignent également d’une absence de dioxygène dans l’atmosphère car le Fer II, d’origine continentale, n’a pas été oxydé au contact de l’atmosphère. Les sols rouges continentaux montrent que le dioxygène est apparu plus tard dans l’atmosphère (il y a 2,2 Ga) : les ions Fer II sont alors oxydés sur les continents au contact du dioxygène atmosphérique. Remarque : La disparition des fers rubanés vers 1,9 Ga met en évidence l’absence d’arrivée des ions fer II au niveau des océans à partir de cette date.

Équipes B Le principe d’actualisme, appréhendé par les élèves dès le collège et mentionné dans l’encart Penser la science de l’activité, permet de reconstituer les conditions de formation des stromatolites fossiles par comparaison avec les stromatolites actuels. Il s’agit de bioconstructions marines qui se mettent en place grâce à des cyanobactéries photosynthétiques. Or, on sait que l’équation de la photosynthèse est la suivante : Lumière 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 Ces bactéries libèrent donc du dioxygène qui va alors oxyder progressivement l’ensemble des océans à partir de −3,6 Ga, âge des plus anciens stromatolites.

Mutualisation/Conclusion Voir la proposition de frise en bas de page. Penser la science Le principe d’actualisme est le principe de base utilisé dans la reconstitution des paléoenvironnements. Cependant, certains événements qui ont eu lieu au cours de l’histoire de la Terre n’ont pas d’équivalent actuel. La crise qui a

eu lieu à la fin du Crétacé avec l’extinction de masse qui l’accompagne, n’est comparable à aucun événement connu par l’être humain. De même, certains écosystèmes passés sont parfois difficiles à étudier car ils n’existent plus aujourd’hui (exemple de l’écosystème du Continental intercalaire au Cénomanien). https://www.futurasciences.com/planete/dossiers/paleontologiedinosaures-autres-geants-cretace-maroc1148/page/12/

③ Le cycle du dioxygène Les savoirs du BO Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et aux combustions. Sous l’effet du rayonnement solaire, le dioxygène stratosphérique peut se dissocier, initiant une transformation chimique qui aboutit à formation d’ozone. Celui-ci constitue une couche permanente de concentration maximale située à une altitude d’environ 30 km. La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes.

Les savoir-faire du BO Interpréter des spectres d’absorption de l’ozone et de l’ADN dans le domaine ultraviolet.

Commentaires pédagogiques On cherche à mettre en évidence le rôle central et crucial des composés oxygénés, le dioxygène et l’ozone, dans le maintien de la vie sur Terre. Dans un premier temps, on cherche à identifier les sources et les puits de dioxygène sur Terre. Puis, on cherche à relier les propriétés d’absorption de l’ozone, molécule dérivée du dioxygène, et la fragilité de l’ADN, molécule fondamentale des êtres vivants, vis-à-vis du rayonnement UV.

Durée estimée : 2 fois 1 h

Frise activité ② Apparition des fers rubanés océaniques

Plus vieux stromatolites connus

Apparition des sols rouges continentaux

Disparition des fers rubanés océaniques

3,8 Ga

3,6 Ga

2,2 Ga

1,9 Ga

Les océans sont oxydés (par des cyanobactéries plus anciennes ou par une autre source inconnue ?)

Les cyanobactéries libèrent du dioxygène dans les océans

Le dioxygène atmosphérique est en quantité su˜san te pour oxyder les ions fer II au niveau des continents

Début d’oxygénation de l’atmosphère : le dioxygène dissous passe sous forme gazeuse

Âge avant l’actuel

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Thème 1 ● Science, climat et société

Suite du corrigé de l’activité ③

Expliquer le devenir de la mutation selon l’origine cellulaire (somatique ou germinale).

Différenciation/pistes d’exploitation - Document 1 : déterminer, par le calcul, si le cycle naturel du dioxygène est équilibré. Identifier une perturbation de ce cycle (se référer à À savoir et à Penser la science p. 40). Ce document peut être repris en parallèle de la page 40 pour répondre au débat proposé dans la page 35 (Exercer son esprit critique). - Aides document 2 : rappeler que le spectre de la lumière se décompose en plusieurs parties (voir Prérequis 2). Préciser la relation inverse entre la longueur de l’onde et son énergie ( E =

hc ) λ

: une

onde de longueur d’onde courte a plus d’énergie qu’une onde de grande longueur d’onde. Utiliser le graphique pour identifier la localisation de la couche d’ozone dans l’atmosphère. - Aide document 3 : rappel sur l’ADN (on peut utiliser le logiciel Libmol pour visualiser la molécule d’ADN et retrouver les acquis de 2de) - Aide document 4 : rappel du cycle cellulaire, important dans l’évolution et le développement des organismes pluricellulaires : il faut qu’une cellule soit en capacité de se reproduire (rappel mitose vue au cycle 4).

Prolongement/élèves en spécialité SVT - Insister sur le fait que la mitose est toujours précédée d’une réplication de l’ADN : les deux brins se séparent puis chaque brin est copié. On passe de chromosomes à une chromatide à des chromosomes à deux chromatides. - Lien santé : pourquoi les crèmes solaires contiennent-elles des protections UV-A/UV-B ?

Pistes d’approfondissement/élèves en spécialité physique chimie - Mettre en relation les doc. 1 et 2 pour identifier le type d’ultraviolet responsable de la conversion dioxygène → ozone, puis ozone → dioxygène. - Utiliser les connaissances sur la structure moléculaire de l’ADN pour expliquer l’absorption d’une partie du spectre UV par l’ADN.

Pistes d’approfondissement/élèves en spécialité SVT - Retrouver des exemples précis de chaque type d’oxydation présenté dans le doc. 1. - Identifier les types de mutation possible et leurs conséquences sur le phénotype de l’individu. Retrouver le lien entre mutation et évolution.

Réponses aux questions 1. Les sources actuelles de dioxygène atmosphérique sont la photosynthèse (marine et terrestre) et la fossilisation / sédimentation. Les puits actuels de dioxygène sont la respiration (marine et terrestre) et les différentes oxydations (liées à l’érosion et au volcanisme de surface ou sous-marin) ainsi que les combustions d’origine humaine. 2. Les flux de dioxygène résultant de deux métabolismes liés aux êtres vivants : la photosynthèse et la respiration, ont les valeurs les plus grandes : photosynthèse/respiration totales (biosphère marine et terrestre) = 281,6 Gt/an contre 0,56 +/- 22 Gt/an pour les autres puits et 0,58 +/- 22 Gt/an pour les autres sources. 3. Dans la stratosphère, la couche de l’atmosphère qui se situe au-dessus de la 1re couche en contact avec la surface de la Terre, les UV dissocient le dioxygène et permettent la formation de l’ozone. 4. Le doc. 2 indique que l’ozone absorbe 100 % des rayons UV-C, 95 à 98 % des rayons UV-B et 2 à 5 % des rayons UV-A. Le doc 3 indique que l’ADN a une forte absorbance dans le domaine des UV-C et plus faible dans le domaine des UV-B. L’ADN ne présente aucune absorbance dans les UV-A. Le doc. 4 indique que les UV provoquent l’association de bases azotées adjacentes (dimères), en particulier, les thymines. Ces dimères de thymine entraînent des erreurs de réplication de l’ADN qui, parfois, se traduisent par l’apparition de mutations. L’accumulation de ces mutations dans le temps peut se traduire par l’apparition de cellules cancéreuses et la formation d’un mélanome. Ainsi, la structure de la molécule d’ADN est sensible principalement aux UV-C et dans une moindre mesure aux UV-B. Si la structure de l’ADN est modifiée, l’information qu’elle contient est également modifiée. Une modification de l’information génétique peut se traduire par l’apparition de nouveaux caractères, parfois désavantageux pour l’individu qui les porte. L’ozone est présent de manière permanente dans la stratosphère. Il filtre les rayons les plus nocifs pour l’ADN, les UV-C, et absorbe une large quantité des UV-B. Ainsi, l’ozone permet de maintenir l’intégrité structurale de l’ADN et des êtres vivants.

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Thème 1 ● Science, climat et société

Penser la science À partir du doc. 1 et des informations des pages Penser la science p. 40-41 (voir pages suivantes), demander à un élève de préparer un exposé oral de 5 min pour expliquer au reste de la classe l’origine de l’erreur présente dans l’utilisation de l’expression « poumon vert » pour désigner l’Amazonie.

④ Le cycle du carbone Les savoirs du BO Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels : l’atmosphère, les sols, les océans, la biosphère et les roches. Les échanges de carbone entre ces réservoirs sont quantifiés par des flux (tonne/an). Les quantités de carbone dans les différents réservoirs sont constantes lorsque les flux sont équilibrés. L’ensemble de ces échanges constitue le cycle du carbone sur Terre. Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont dites non renouvelables.

Les savoir-faire du BO Analyser un schéma représentant le cycle biogéochimique du carbone pour comparer les stocks des différents réservoirs et identifier les flux principaux de carbone d’origine anthropique ou non.

Commentaires pédagogiques On cherche à montrer, par l’étude du cycle biogéochimique du carbone, que la répartition de cet atome se fait de façon inégale au sein des grands réservoirs du globe. Les flux équilibrés entre ces réservoirs peuvent être perturbés par les activités humaines.

Durée estimée : 1 h Différenciation/pistes d’exploitation Coup de pouce pour la tâche complexe J’ai réussi si j’ai montré que : - l’être humain interfère avec le cycle biogéochimique du carbone notamment par l’utilisation des combustibles fossiles et par le changement d’usage des sols. - les combustibles fossiles se forment lentement à partir d’une biomasse végétale. - l’être humain restitue rapidement à l’atmosphère du carbone piégé depuis longtemps. Questionnaire détaillé pouvant remplacer la tâche complexe 1. Montrer que les flux naturels de carbone entre réservoirs sont équilibrés.

2. Localiser les flux de carbone d’origine anthropique au niveau du cycle biogéochimique. 3. Expliquer en quoi l’hydrosphère et la biosphère terrestres permettent de limiter l’influence des rejets anthropiques dans l’atmosphère. 4. Donner un indice qui montre l’origine biologique du pétrole. 5. Justifier l’affirmation : “les combustibles fossiles sont une énergie non renouvelable”.

Réponses aux questions Tâche complexe avec critères de réussite ► Montrer comment l’être humain modifie l’équilibre du cycle du carbone depuis l’avènement de l’ère industrielle. Le cycle du carbone résulte de flux équilibrés entre les réservoirs superficiels de la Terre : l’atmosphère, l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère. Par exemple, les flux dus à la respiration sont compensés par ceux qui sont dus à la photosynthèse. Du fait de l’utilisation des combustibles fossiles tels que le pétrole, l’être humain libère du carbone dans l’atmosphère. Malgré l’effet tampon de la biosphère et de l’hydrosphère, ce CO2, piégé depuis longtemps dans la lithosphère, est transféré rapidement vers l’atmosphère. Or ce carbone a mis des dizaines de millions d’années pour se former à partir de matière organique non décomposée. Les stocks de combustibles fossiles ne sont donc pas renouvelables à l’échelle humaine et leur déstockage rapide perturbe le cycle du carbone. Penser la science - En induisant la fonte de la banquise en Alaska, le réchauffement climatique rend aujourd’hui possible l’exploitation d’hydrocarbures jusqu’alors inaccessibles. Des forages offshore permettent l’extraction de pétrole et de gaz situés sous les fonds marins. - Ces forages sont soumis aux variations de l’environnement marin et ne sont pas sans risque (par exemple, risque de fuite causant des marées). L’épuisement probable des réserves conventionnelles actuelles d’ici quelques dizaines d’années et la hausse du prix du pétrole rendent ce type de ressource rentable à long terme. Certains pays (tels les États-Unis) ont donc décidé d’investir dans ce type de ressources non conventionnelles. - L’accès à ces nouvelles ressources permet de limiter la dépendance de pays importateurs. https://www.franceculture.fr/geopolitique/lerechauffement-climatique-aiguise-les-appetits-danslarctique

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Thème 1 ● Science, climat et société

http://geoconfluences.ens-lyon.fr/informationsscientifiques/dossiers-regionaux/arctique/articlesscientifiques/regions-arctiques-entre-etats-etsocietes https://enseignants.lumni.fr/fichemedia/00000001464/reserves-de-petrole-et-degaz-dans-l-arctique.html

Penser la science

p. 40 à 41

Cette double page a pour objectif de revenir sur deux idées reçues majeures que l’on retrouve parfois dans les articles de presse et dans des discussions sur les réseaux sociaux : - les forêts (et surtout la forêt tropicale) seraient les poumons de la Terre (page 40), - le trou de la couche d’ozone se résorberait assurément (page 41).

Durée estimée : 45 min + 30 min Commentaires scientifiques Interroger une idée reçue L’utilisation du terme « poumons » pourrait aussi être discutée puisqu’une forêt en croissance assimile globalement du CO2 et rejette du O2 alors que le poumon présente les échanges inverses. Mais dans les faits, les poumons rejettent aussi du O2 (sinon comment expliquer que le bouche à bouche puisse réanimer des êtres humains ?) 16 % 0,03 %

21 % 5%

Préambule du BO Contribuer au développement en chaque élève d’un esprit rationnel, autonome et éclairé, capable d’exercer une analyse critique face aux fausses informations et aux rumeurs.

Dans les deux ensembles documentaires, il s’agit de donner aux élèves des éléments concrets d’analyse en s’appuyant sur des éléments qu’ils ont explorés dans le chapitre. La page de gauche peut être reliée à l’activité 2 sur l’oxygénation de l’atmosphère et les zones d’incertitudes que la science possède encore sur les causes de l’évolution de ce gaz atmosphérique. La page de droite fait écho à l’activité 3 qui évoque le rôle de la molécule d’ozone dans le maintien de la vie sur Terre. La notion de « trou » est certes parlante mais non rigoureuse sur le plan scientifique et l’assurance de sa résorption n’est pas encore acquise, même si elle semble en bonne voie. L’intérêt est donc ici d’interpeller les élèves afin qu’ils aient conscience que cette problématique reste d’actualité, contrairement à ce que suggèrent parfois certains articles. En réfléchissant à un titre scientifique plus rigoureux, on constate que le message d’accroche devient sans doute moins clair. Cette page peut donc être l’occasion d’aborder l’Éducation aux médias et à l’information puisqu’on invite l’élève à se mettre à la place d’un journaliste qui aurait à inventer un titre certes plus rigoureux mais sans doute moins accrocheur ! Tous les documents ne prétendent pas répondre à la question posée. De cette façon, l’enseignant peut choisir d’en poser d’autres connexes.

Pourcentage de CO2 ou O2 dans l’air inspiré

Biologiquement, les poumons sont des organes par lesquels transite le dioxygène qui est ensuite distribué au corps par le sang. Mais une partie de ce dioxygène est restitué à l’environnement. Admettons donc ici que l’image « arbre = poumon de la planète » sous-entend que les arbres fournissent du dioxygène à l’atmosphère de la planète, comme les poumons au corps humain. C’est à partir de cette assertion que nous proposons une réflexion aux élèves. Le bilan de masse proposé de l’équation de la photosynthèse s’inspire largement de l’article de Pierre Thomas sur le site de référence Planet Terre : (https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/oxygeneAmazonie-poumon-Terre.xml). On y retrouvera tous les détails nécessaires pour approfondir certains des éléments abordés dans cette page. Rappel : la masse de l’atmosphère est estimée à 5,15E18 kg. La masse de O2 représente donc : 0,21 × 5,15E18 = 1,08E18 kg soit 1,08E15 tonnes ou 1,08 million de Gt. Le taux actuel de dioxygène est maintenu à peu près stable mais si on regarde dans le détail, les combustions de ressources fossiles seraient tout de même responsables d’une lente diminution de la quantité d’O2 dans l’atmosphère. Si on se réfère à l’état actuel des combustions des ressources fossiles sur la planète, le calcul suivant peut permettre de savoir à quelle échéance le niveau de O2 deviendrait nul : 1 000 000 = 52 632 ans 19

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Thème 1 ● Science, climat et société

Ce chiffre est heureusement à relativiser du fait de l’épuisement des ressources fossiles et de la transition écologique que nos sociétés devront tôt ou tard réaliser. Source du graphique : Évolution de la concentration atmosphérique de O2 : http://scrippso2.ucsd.edu/

Interroger un titre de presse L’ozone est un composant chimique, de formule chimique O3. Il est constitué de trois atomes d’oxygène. L’ozone est présent dans l’atmosphère, dans des proportions de l’ordre de 0,000 005 %. On distingue deux localisations pour l’ozone : - dans la troposphère (0 km - 15 km), couche atmosphérique dans laquelle nous vivons, l’ozone se forme à partir de la photolyse du dioxyde d’azote (NO2). Cet ozone est considéré comme un polluant nocif pour l’homme ; - dans la stratosphère, la couche d’ozone joue un rôle protecteur. L’infographie de la NASA permet de visualiser le fait que la régénération de la couche d’ozone n’est pas acquise : https://earthobservatory.nasa.gov/worldof-change/Ozone Il est possible de relier ces informations sur l’amincissement de la couche d’ozone stratosphérique avec le changement climatique, en indiquant les conséquences qu’entraîne cet amincissement : refroidissement de la stratosphère antarctique, modification des vents et de la pluviométrie affectant la circulation océanique impactant les précipitations sous des latitudes plus faibles. (Rapport complet : https://www.actuenvironnement.com/media/pdf/texte_protocole_de _montreal.pdf)

Réponses aux questions Interroger une idée reçue À l’échelle du cycle de vie d’une forêt, on remarque

que cet écosystème présente un équilibre entre la quantité de O2 produite et celle consommée. Cela s’explique d’une part par le fait que tous les composants de ces écosystèmes ne sont pas photosynthétiques (branches, troncs, racines, etc.) et d’autre part, parce qu’à leur mort, ces végétaux sont décomposés par des organismes qui oxydent la matière organique en respirant et consommant donc du O2. Ainsi, à long terme, les forêts ne peuvent pas être considérées comme des sources de O2 pour l’atmosphère terrestre. Notre biosphère actuelle contient 2 300 Gt de carbone. Si on considère l’équation de la photosynthèse, ce carbone a été assimilé sous forme organique en libérant environ 6 000 Gt de O2. Puisque notre atmosphère contient l’équivalent de 1 000 000 Gt O2 (21 % de O2), la biosphère actuelle

est responsable de moins 1 % des 21 % du O2 atmosphérique. Qui plus est, la proportion d’O2 fournie par les forêts seules est encore moindre que ce chiffre. L’écosystème océanique est aussi responsable de la production d’O2 sur Terre. Mais à eux deux, ces écosystèmes ne suffisent pas à expliquer le million de gigatonnes actuellement présent dans notre atmosphère.

Interroger un titre de presse Exemple de titre possible : La couche d’ozone stratosphérique peine à retrouver son épaisseur naturelle au-dessus de l’Antarctique. Les molécules d’ozone qui nous protègent en absorbant les rayons UV sont positionnées en hauteur dans la stratosphère, vers 20 km-30 km d’altitude (voir doc. 2 p. 35). Dans cette portion de l’atmosphère existe une zone au-dessus de l’Antarctique moins riche en molécules d’ozone. La notion de « trou » est certes parlante mais ne reflète pas rigoureusement la réalité puisque la couche d’ozone est en fait amincie sur une surface équivalente en 2019 à celle de l’Europe. Si on observe le graphique de l’évolution de la surface moyenne d’amincissement de la couche d’ozone, on constate qu’elle fluctue, de 2003 à 2018, entre des valeurs minimales de 19 millions de km² (en 2004 et 2010) et maximale de 26,6 millions de km² (en 2006). Une tendance à la baisse peut être observée depuis 2003, notamment dans les valeurs des superficies moyennes maximales mesurées. Cette tendance se confirme en 2019, avec une valeur basse record de 9 millions de km². Néanmoins, il convient de rester prudent et de s’assurer que cette tendance à la baisse s’accentuera bien dans les années à venir, ce qui serait l’assurance que tous les pays respectent bien le Protocole de Montréal. [Données chiffrées ayant permis de construire le graphique de la surface d'amincissement de la couche d'ozone : https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/annu al_data.html]

Focus maths

p. 42 à 43

L’objectif est d’appréhender la lecture graphiques incluant une échelle logarithmique. 1 C

A 0

de

B

1

1. L’abscisse du point A est : 2. Réponse a. 2. L’abscisse du point B est : 4. Réponse a. 3. L’abscisse du point C est : -7. Réponse a.

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Thème 1 ● Science, climat et société

2 C

D

– 10 – 8 – 6

–4

–2

0

A

BF

2

4

E 6

8

10

3 C

A

B

0,1 1 10

1. L’abscisse du point A est : 102 = 100. Réponse c. 2. L’abscisse du point B est : 104. Réponse c. 3. L’abscisse du point C est : 10--5. Réponse c.

citron est d’environ 10-2 mol.L-1 et celle d’un jus de tomate d’environ 10-4 mol.L-1. Le rapport de concentration (citron/tomate) vaut ainsi environ 100 : la concentration des ions H3O+ dans un jus de citron est par conséquent 100 fois plus importante que celle dans un jus de tomate. 8 1. log(10-4) = −4 ; log(10-8) = −8 ; log(10) = 1 ; log(107) = 7. 2. On peut émettre la conjecture suivante : log(10n) = n. Spé Maths. Pour tout nombre réel x strictement positif : log (x) =

4 E 10–9

C 10–7

A

10–5

10–3

0,1 1 10

B D 103

105

100 000 = 105 et 0,000 000 001 = 10--9 5 y C A 10 1 10–1

0

1

2

x

B

1. Les coordonnées du point B sont (2 ; 10-2). Son abscisse est 2. Réponse b. 2. Les coordonnées du point A sont (0 ; 102). Son ordonnée est 102 = 100. Réponse c. 3. Les coordonnées du point C sont (3 ; 103). 10 3= 1 000. Réponse b. 6 Voici un exemple de présentation : 10–2 10–3 10–4 10–5 10–6 10–7 10–8 10–9

Souche 1

Souche 2

7 Le pH d’un jus de citron est d’environ 2 alors que celui d’un jus de tomate est d’environ 4. Par lecture graphique, la concentration en ions H3O+ d’un jus de

ln (x) ln (10)

.

Par suite, log(10n) =

ln (10n ) ln (10)

=

n ln (10) ln (10)

= n La

conjecture est validée. 3. Consulter le Hatier-clic Pour aller plus loin p. 42. Audrey doit utiliser un outil numérique pour déterminer une valeur approchée des nombres, ensuite prendre connaissance de l’unité choisie sur l’axe muni de l’échelle logarithmique et conclure. Étudions cela dans le détail. À l’aide d’un outil numérique, log(5 × 104) ≈ 4,70. Si la distance entre 1 et 10 sur l’axe muni de l’échelle logarithmique vaut 1 cm, la distance entre 104 et 105 vaut aussi 1 cm ce qui se justifie d’ailleurs par le fait que : log(105) − log(104) = 5 – 4 = 1. Comme log(5 × 104) ≈ 4,70 ce nombre est à placer à environ 0,7 cm soit 7 mm du trait où est placé le nombre 104. Ce qui n’est pas conforme à l’idée intuitive de le placer au milieu du segment délimité par les traits où sont placés 104 et 105 ! De même, log(3,1 × 10−2) ≈ −1,51. Le nombre 3,1 x 10−2 est ainsi à placer à environ 0,5 cm soit 5 mm du trait où est placé le nombre 10−2, c’est-àdire presqu’au centre du segment délimité par les traits où sont placés les nombres 10−2 et 10−1. Calcul mental Puissances 1. a. 105 + 9 = 1014 b. 10−6 + 13 = 107 c. 107 −2 =105 d. 10−4 + 8 = 104 2. a. 2 × 107 − 5 = 2 × 102 b. 0,4 × 1012 − 8 = 0,4 × 104 = 4 × 103 c. 1,8 × 10−5 + 11 = 1,8 × 106 d. 0,625 × 10−6 + 9 = 0,625 × 103 = 6,25 × 102 3. Spé Maths a. 7ln(10) b. −8ln(10) 9 ln (10) =9 ln(10) −4 ln (10) d. = −4 ln(10)

c.

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Thème 1 ● Science, climat et société

9 1. 10 1. a. 149,6 × 106 km est égal à 1,496 × 1011 m soit de l’ordre de 1011 m. b. 9,3 µm est égal à 9,3 × 10−6 m soit de l’ordre de 10−5 m. c. 1,5 pm est égal à 1,5 × 10−12 m soit de l’ordre de 10−12 m. d. 1,7 m est égal à 1,7 × 100 soit de l’ordre de 100 m. 2. Voir schéma en bas de page.

103 102

Danger irréversible

10 1 10–1

Danger : sons nocifs

10–2 10–3

Limites de nocivité

10–4 10–5 10–6 10–7

11 1. Par lecture graphique avec la précision permise, le point triple a une abscisse proche de zéro et une ordonnée comprise entre 102 et 103 Pa. 0,01 °C étant proche de zéro et 611 Pa étant compris entre 100 Pa et 1 000 Pa, cela semble cohérent avec le diagramme. 2. Pression et température étant liées, les valeurs demandées sont contenues dans la zone suivante : Pression (en Pa)

Pas de risque

10–8 10–9 10–10 10–11 10–12

2. Spé Maths 20 = 10log � ⟺ 2 = log�

I

10−12

� ⟺ 102 =

I

10−12 I

�

10−12

⟺ I = 102 – 12 = 10−10 (voir exercice 8). L’intensité sonore correspondant à un vent léger est d’environ 10−10W.m−2. Similairement, l’intensité sonore dans une classe est d’environ 10−6W.m−2 et celle d’un avion au décollage d’environ 101W.m−2.

661

103 102 10

Danger irréversible Avion

– 100

1 10–1

Danger : sons nocifs

10–2 10–3

3.

10–5 10–6

Classe

10–7

Pas de risque

10–8 10–9 10–10

Vent léger

10–11

– 100

Schéma exercice 10 question 2

10–12

Diamètre d’un leucocyte 10–9

10–7

Point triple Gaz 0

10–5

10–3

Liquide

Point triple Gaz 0 50 100 200 300 Température (en °C)

Taille moyenne d’un être humain 10–1 1 101

100 200 300 Température (en °C)

Pression (en Pa)

10–12

Atome de carbone

Liquide

108 107 106 105 104 Solide 103 102 10 1

Limite de nocivité

10–4

108 107 106 105 104 Solide 103 102 10 1

Distance Terre-Soleil 103

105

107

109

1011

Échelle : 1 2

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Thème 1 ● Science, climat et société

Exercices

p. 44 à 47

12 1. Le dioxygène : b. forme de l’ozone en présence d’UV. 2. Les stromatolites : c. sont un indice de l’action des bactéries photosynthétiques. 3. L’ozone : a. est nécessaire au maintien de la vie sur Terre. 13 S’ils arrivent à la surface de la Terre sans être arrêtés par l’ozone, les rayons ultraviolets, et notamment les UV de courtes longueurs d’ondes, sont absorbés par l’ADN. Cette absorption induit l’apparition de mutations c’est-à-dire des modifications dans la séquence en nucléotides de l’ADN. Or c’est l’enchaînement des nucléotides qui porte l’information génétique des cellules. En modifiant cette séquence, cela modifie le fonctionnement de la cellule touchée. Dans le cas des cellules de la peau, cela peut provoquer un cancer de la peau ou mélanome. 14 a. L’ozone présent dans la stratosphère permet la protection des êtres vivants contre les rayons ultraviolets (UV). b. La biosphère peut être un puits de dioxygène (O2) par le biais de la respiration (transfert de l’atmosphère vers la biosphère) ou une source de dioxygène, par l’intermédiaire de la photosynthèse (transfert de la biosphère vers l’atmosphère). c. L’état physique de l’eau dépend de la pression et de la température. 15 1. Le nom des quatre réservoirs de carbone est : A = atmosphère ; B = hydrosphère ; C = lithosphère ; D = biosphère. 2. le flux qui correspond à la formation des combustibles fossiles est le 3 (qui part de la biosphère et va vers la lithosphère). 16 1. Les fers rubanés se sont formés en milieu océanique à partir d’ions fer II en présence de dioxygène. Ils ont disparu vers 2 Ga lorsque les ions fer II ont été piégés sur les continents. En effet, l’oxygénation de l’atmosphère vers 2 Ga a permis l’oxydation du fer en milieu continental : les paléosols rouges riches en hématite ont alors commencé à se former. 2. 4Fe2 + O2 + 4H2O → 2Fe2O3 + 8H+ hématite

18 1. Compte tenu des conditions de pression et de température régnant à la surface des planètes telluriques, on peut en déduire que : - à la surface de Mercure, l’eau n’est présente que sous forme gazeuse. - à la surface de la Terre, l’eau est présente sous forme liquide et solide*. - à la surface de Vénus, l’eau n’est présente que sous forme gazeuse. - à la surface de Mars, l’eau est présente sous forme gazeuse et solide. 2. Sur Mars, il faudrait que la pression atmosphérique soit plus élevée pour que de l’eau liquide existe à sa surface. En effet, dans les conditions de températures et de pression qui règnent à la surface de Mars, l’eau ne peut exister qu’à l’état solide et gazeux. Une élévation de la pression atmosphérique permettrait la présence d’eau liquide aux températures considérées (−120 °C à 30 °C). En revanche, une élévation de la température seule ne le permettrait pas. *Remarque : on trouve de l'eau stable sous les états liquide, solide et aussi gazeux à la surface de la Terre. L'énergie solaire engendre, pour partie, une évaporation (changement d’état différent de celui de l’ébullition) de l'eau liquide ce qui aboutit à la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère. 19 D’après le doc. 2, on voit que la solubilité du dioxyde de carbone diminue lorsque la température augmente. Ainsi, au niveau des pôles, le CO2 est très soluble et à tendance à se dissoudre dans l’eau. Cette eau polaire, qui est salée, va plonger en profondeur (doc. 1) ce qui permet le stockage du CO2 dans les océans (pompe physique). Mais du fait de la circulation thermohaline qui fait un tour complet en 1 000 ans, ces eaux profondes vont finir par remonter à la surface au niveau de l’océan Indien et du Pacifique nord, se réchauffer et libérer le CO2 stocké au niveau des pôles ; le stockage n’est donc que temporaire. 20 Une partie du CO2 atmosphérique d’origine anthropique (22 %) est dissous dans les océans : cela entraîne leur acidification. Or certains organismes marins qui possèdent des structures en calcaire (coquilles, exosquelettes) vont avoir de plus en plus de difficultés à les construire du fait de l’acidification de leur milieu de vie. Ces organismes sont donc menacés ainsi que tous les êtres vivants qui en dépendent par les chaînes alimentaires marines. Cette menace met donc aussi en péril la biodiversité marine.

17 Correction dans le manuel

© Éditions Hatier, 2020. 15

Thème 1 ● Science, climat et société

21 Lorsqu’un être vivant utilise le CO2 pour réaliser la photosynthèse, il privilégie le 12C par rapport au 13 C ce qui induit un δ13C de leur matière organique inférieur à celui des roches qui n’ont pas une origine biologique. Les sédiments d’Isua, âgés de –3,8 Ga, mettent en évidence un δ13C présentant

majoritairement des valeurs situées entre −5 et −28 % (doc. 2) ce qui est semblable aux valeurs trouvées au sein les organismes photosynthétiques actuels (doc. 1). Ainsi, l’étude de la composition isotopique en carbone dans les sédiments anciens d’Isua est un indice fort en faveur de la présence de traces de vie plus anciennes que les stromatolites.

© Éditions Hatier, 2020. 16

Thème 1 ● Science, climat et société

2. LA COMPLEXITÉ DU SYSTÈME CLIMATIQUE Introduction Dans ce chapitre, l’objectif est de montrer la complexité et la fragilité de l’équilibre du système climatique de la Terre. Il s’agit de décrire les interactions entre les différents acteurs du climat que sont l’hydrosphère (essentiellement les océans), l’atmosphère, la lithosphère, la biosphère et la cryosphère qui se présente ici comme un facteur à part entière du système climatique. Il convient de prendre en compte ces interactions à différentes échelles de temps et d’espace, afin de montrer que le système climatique présente une variabilité naturelle à laquelle s’ajoute, depuis un siècle et demi, une variabilité en réponse aux perturbations d’origine anthropique de son bilan radiatif.

Prérequis

Activités

Pratiquer des démarches scientifiques

Adopter un comportement éthique et responsable

p. 48 (correction p. 294)

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger des acquis et/ou représentations initiales des élèves concernant : Prérequis 1 : l’effet de serre, qui a été vu en première et qui permet de rappeler que la Terre émet un rayonnement infrarouge en partie « piégé » par l’atmosphère. Ce rayonnement intervient dans le bilan radiatif terrestre rappelé dans le prérequis 3. Prérequis 2 : l’albédo qui un facteur important intervenant également dans le bilan radiatif et qui est variable en fonction des surfaces considérées. Prérequis 3 : le bilan radiatif qui est l’élément clé dans la compréhension des perturbations du système climatique. Prérequis 4 : le spectre d’absorption de l’atmosphère dans les infrarouges et en particulier pour deux de ses gaz, CO2 et H2O, permettant de réinvestir l’importance des GES dans le bilan radiatif terrestre.

Compétences

Utiliser des outils et méthodes pour apprendre

p. 50 à 55 Capacités Formuler une hypothèse Interpréter des résultats pour conclure Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes

Activités Activité 1 Activité 2

Communiquer et utiliser le numérique

Savoir distinguer, dans la complexité apparente des phénomènes observables, les éléments et principes fondamentaux

Activité 3

Exploiter des informations Apprendre à organiser son travail

Activités 1, 2, 3

Identifier l’incidence (bénéfices et nuisances) des activités humaines sur l’environnement à différentes échelles Comprendre les responsabilités individuelle et collective en matière de préservation des ressources de la planète Communiquer dans un langage scientifiquement approprié (schéma)

Travailler en autonomie

Classe inversée

Activité 3

Activité 2, 3

Activité 3 Activité 2

① L’évolution du climat actuel Les savoirs du BO

Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région donnée pendant une période donnée. Ces grandeurs sont principalement la température, la pression, le degré d’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents. La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires...). La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme (jours, semaines). La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat global. Il en existe d’autres : volume des océans, étendue des glaces et des glaciers... Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement.

Les savoir-faire du BO - Distinguer sur un document des données relevant du climat d’une part, de la météorologie d’autre part. © Éditions Hatier, 2020. 17

Thème 1 ● Science, climat et société

- Identifier des tendances d’évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques. - Identifier des traces géologiques de variations climatiques passées (pollens, glaciers).

Commentaires pédagogiques On cherche à mettre en évidence les variations du climat, sous-tendues par les variations de différents paramètres physiques à différentes échelles de temps. Il faut bien veiller à ce que l’élève ne confonde pas la climatologie avec la météorologie qui, elle, concerne les variations des mêmes paramètres certes, mais sur de petites échelles de temps. Cette confusion fréquente entre météorologie et climatologie est une des sources du climatoscepticisme que l’on cherche à contrer par une vraie approche scientifique de l’étude du climat.

Durée estimée : 1 h 30 Différenciation/pistes d’exploitation : - Document 1 : une capture d’écran du site Infoclimat, dans la station météorologique de Lorient-Lann Bihoué (Morbihan), est disponible par le lien hatier-clic/est050b pour travailler sur des valeurs instantanées et locales des différents paramètres physiques mesurés. On peut aussi consulter le site Infoclimat (https://www.infoclimat.fr) ou Météo-France (http://www.meteofrance.com/climat/france/cl imat/releves) pour comparer ces valeurs météorologiques en plusieurs lieux et sur plusieurs échelles de temps (jour, mois, années, décennies). On peut envisager de faire construire aux élèves des diagrammes ombrothermiques de différentes villes de France afin de montrer les différents types de climat présents sur le territoire. - Document 3 : il est possible de faire calculer une moyenne de l’évolution de la température en °C/an entre 1860 et 1980 et la comparer à la moyenne calculée entre 1980 et 2014. - Document 5 : pour les pollens, possibilité d’une observation microscopique de grains de pollen (avec capture d’image/utilisation de caméras) et/ou exploitation d’un fichier de données issues de carottages pour réaliser un diagramme pollinique et dégager l’idée d’indicateur de variations climatiques passées. À noter : autre piste d’étude sur les indicateurs (traces géologiques) des climats passés : les glaciers, sculpteurs de paysages.

Épaulement

Rebord d’auge

Trimline

100 ± 50 m Glacier Substratum cristallin

L’observation d’un paysage de montagne permet de repérer des traces géologiques d’anciens glaciers. Lorsqu’une vallée fluviale en V est envahie par un glacier, celui-ci érode le fond et les flancs de la vallée conduisant à la formation d’une vallée en U à fond plat et à parois subverticales : c’est l’auge glaciaire. Ce profil est typique d’une région dont la roche située sous le glacier est constituée de roches dures, telles que le granite. Il existe d’autres marques de formes d’érosion liées aux mouvements d’un ancien glacier : des roches moutonnées, des stries marquant le passage du glacier à la surface de ces roches, des moraines, etc. (https://www.glaciersclimat.com).

Réponses aux questions 1. (doc. 1 et 2) Les mêmes paramètres physiques (température, précipitations, pression atmosphérique, nébulosité, etc.) sont utilisés en climatologie comme en météorologie. Mais ces paramètres ne sont pas considérés sur les mêmes échelles de temps et d’espace : - En météorologie, les paramètres sont considérés localement et à court terme (c’est la science du « le temps qu’il fait »). - En climatologie, on considère des moyennes de ces paramètres, sur une durée d’au moins 30 ans*, dans une région donnée (localement ou à des échelles géographiques plus grandes). Ainsi, on peut suivre l’évolution de l’un de ces paramètres physiques (température) en France métropolitaine entre 1900 et 2019 (doc. 2), par rapport à une référence qui est la moyenne de ce paramètre sur 30 ans (1961-1990). * Remarque : les moyennes sont calculées sur au moins 30 ans pour lisser les différences interannuelles et ainsi mettre en évidence des tendances à long terme. Cela a pour avantage d’effacer les variations brusques, considérées comme aléatoires et non représentatives d’une tendance générale (voir Penser la science p. 59).

© Éditions Hatier, 2020. 18

Thème 1 ● Science, climat et société

2. (doc. 3) : entre 1860 à 2017, l’écart de température est de quasiment +1 °C par rapport à la moyenne relevée entre 1961 et 1990 : la tendance est donc à une élévation de la température globale depuis 1860. Depuis les années 1980, cette tendance est plus marquée (voir Différenciation page précédente). 3. (doc. 4 et 5) : l’étude de carottes de glaces prélevées en Antarctique par exemple, ou de carottes de sédiments issues de tourbières, permettent d’avoir localement des indices sur le climat passé. [ERRATUM : dans le doc. 5, le diagramme pollinique comporte une erreur de graduation. Il faut lire 15 000 ans et non 10 500 ans sur la plus basse graduation. (Malgré toute l’attention que nous apportons à l’édition du manuel, des coquilles peuvent persister jusqu’aux derniers stades de sa réalisation. Nous nous efforcerons de les corriger lors de la prochaine réimpression.)].

L’analyse isotopique de l’eau issue des carottes de glace (doc. 4) permet d’avoir des informations sur la température locale à l’époque de la formation de la glace : depuis 400 000 ans, on constate des variations cycliques de la température, en Antarctique ainsi qu’en Arctique, avec des fluctuations de l’ordre de 10 °C tous les 100 000 ans. L’étude des carottes de sédiments issus de tourbières et de leur contenu pollinique permet d’avoir une idée du climat régnant dans la période −15 000 à −10 000 ans : on observe la présence majoritaire de pollens de pin (de 30 % à 50 %) caractéristiques d’un climat froid et relativement humide. De −10 000 ans à la période actuelle : on observe la quasi-disparition des pollens de pins (environ 5 %) et une forte augmentation des pollens de chênes (entre 50 % et 60 %) caractéristiques d’un climat tempéré à chaud et sec. L’analyse de ce diagramme pollinique met en évidence un réchauffement climatique dans la région de Rogers Lake depuis 10 000 ans. 4. (doc. 3 et 4) : depuis 1860, la température sur la planète a augmenté de +1 °C (doc. 3), augmentation pouvant être corrélée* à une augmentation fulgurante du taux de CO2 atmosphérique depuis le début de l’ère industrielle (voir activité 4 chapitre 1) et atteignant aujourd’hui 410 ppm (doc. 4). En effet, grâce à l’étude des bulles d’air contenues dans les carottes de glaces antarctiques (doc. 4 et Histoire des sciences ?), les scientifiques ont pu reconstituer l’évolution du taux de CO2 atmosphérique sur les 400 000

dernières années : on observe des fluctuations cycliques (tous les 100 000 ans) de la concentration atmosphérique de CO2 (allant de 180 ppm à 280-300 ppm) qui sont parfaitement corrélées* aux fluctuations de température constatées sur cette même période (voir question 3). On peut alors émettre l’hypothèse que l’élévation actuelle de la température globale est la conséquence de l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2. *Remarque : une corrélation entre deux variables n’est pas forcément le résultat d’un lien de cause à effet (voir définition p. 69 du manuel). Cet aspect sera davantage explicité dans le chapitre 3, avec l’introduction de la notion de modèle et de simulations climatiques confrontées aux observations réelles (chapitre 3, activité 2). POUR INFO : Le système mondial d’observation du climat

Extrait de : https://public.wmo.int/en/programmes/globalobserving-system

Le SMOC, Système mondial d’observation du climat, créé en 1992, a pour objet la surveillance de variables physiques, chimiques et biologiques qui définissent le climat planétaire. Pour comprendre les mécanismes du climat, différents paramètres sont mesurés sur terre, en mer et dans l’atmosphère. Des instruments de mesure, notamment ceux embarqués dans les satellites, permettent d’obtenir des valeurs des grandeurs atmosphériques telles que la température, la pluviométrie, la pression, la vitesse et la direction des vents, etc. définissant le climat d’une région donnée. Le programme Argo créé en 2000 permet de mesurer en continu, grâce à des balises dérivant avec les courants, la température et la salinité des océans. https://public.wmo.int/fr/ressources/bulletin/ rapport-d’activité-sur-le-système-mondiald’observation-du-climat

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Thème 1 ● Science, climat et société

Penser la science

Commentaires pédagogiques

Le Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (GIEC) est un organisme intergouvernemental spécialisé́ sur l’étude des sciences liées au changement climatique. Établi en 1988 par les Nations-Unies, son objectif est de fournir aux décideurs politiques des évaluations régulières de l’état des connaissances scientifiques sur le changement climatique. Ces rapports incluent les impacts potentiels, les options d’adaptation et des solutions d’atténuation pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les évaluations du GIEC sont produites par des centaines de scientifiques internationaux, reconnus pour leur expertise, avant d’être consultées par les gouvernements des 195 pays membres. Le GIEC ne conduit pas ses propres recherches scientifiques, il construit son travail sur des publications existantes.

À travers cette activité de classe inversée (préparation à la pédagogie la plus courante dans le supérieur), le but est d’identifier l’incidence des activités humaines sur le réchauffement climatique. En particulier, il s’agit de montrer comment les émissions de GES d’origine anthropique sont à l’origine d’un forçage radiatif, par le biais d’un effet de serre accru, à l’origine d’une augmentation de la température globale de la Terre. Le choix a été fait de traiter ce sujet sous forme de classe inversée car l’effet de serre « naturel » et le rôle des GES « naturels » ont déjà été vus (Enseignement scientifique 1re). La vidéo introductive est donnée à l’élève pour être traitée hors classe puis réinvestie en présentiel lors d’un travail d’investigation. L’exercice Je vérifie que j’ai compris peut également être donné en amont, ou fait en classe. Je m’entraîne à est à réaliser en classe, il s’agit de mettre en avant les liens qui existent entre l’activité économique mondiale et les émissions de GES mais aussi de montrer comment certaines activités économiques peuvent être impactées par le réchauffement climatique (économie du vin) et devenir des indicateurs climatiques.

② Facteurs anthropiques et perturbations du climat Les savoirs du BO

Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C). Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l'énergie radiative reçue et l'énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement. Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre. En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère. Cette puissance additionnelle entraîne une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle. L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

Les savoir-faire du BO - Déterminer la capacité d’un gaz à influencer l’effet de serre atmosphérique à partir de son spectre d’absorption des ondes électromagnétiques. - Interpréter des documents donnant la variation d’un indicateur climatique en fonction du temps (date de vendanges, niveau de la mer, extension d’un glacier, …). - Analyser la variation au cours du temps de certaines grandeurs telles que l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2, la variation de température moyenne, des indicateurs de l’activité économique mondiale.

Durée estimée : 1 h 30 Différenciation/pistes d’exploitation Les activités proposées s’apparentent à des tâches complexes. Cela permettra de mesurer l’autonomie de l’élève et de proposer des aides individualisées en fonction des obstacles rencontrés par certains élèves. Ainsi on pourra, par exemple pour Je vérifie que j’ai compris, laisser choisir l’élève entre une trace écrite rédigée (en donnant des mots clés pour les élèves qui souhaitent une aide) ou bien une présentation orale. - Coup de pouce (Je découvre en autonomie – lien hatier-clic (hatier-clic/est052a) : chaque GES a son propre spectre d’absorption dans l’infrarouge. La vapeur d’eau présente des bandes d’absorption dans l’infrarouge situées entre 0,5 µm et 9 µm. Les spectres d’absorption de l’atmosphère et de la vapeur d’eau se superposent. La vapeur d’eau est une molécule très absorbante dans l’infrarouge du fait de sa structure triatomique. Lorsque les molécules de vapeur d’eau sont excitées par le rayonnement IR provenant de la surface terrestre, elles absorbent de l’énergie, ce qui augmente l’amplitude des vibrations atomiques

© Éditions Hatier, 2020. 20

Thème 1 ● Science, climat et société

et libère de l’énergie dans toutes les directions sous forme d’énergie thermique (infrarouges). http://files.meteofrance.com/files/education/ animations/effet_serre/highres/popup.html

Réponses aux questions Je vérifie que j’ai compris Les gaz à effet de serre CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement, possèdent une structure moléculaire permettant l’absorption du rayonnement thermique infrarouge émis par la surface terrestre. Document 1 L’augmentation de leur concentration atmosphérique à cause des activités anthropiques est à l’origine d’un forçage radiatif positif. Ces GES réémettent dans toutes les directions de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge qui s’additionne à l’effet de serre naturel. Les activités humaines sont responsables du rejet de GES qui s’additionnent aux GES naturels déséquilibrant le bilan radiatif terrestre. Document 2 Document en lien Hatier-clic (hatierclic/est052b) en complément du doc. 2 : Gaz fluorés 1 %

N2O 9% CH4 17 %

59 % CO2 déforestation CO2 production de ciment

11 % 3%

CO2 utilisation de combustibles fossiles

Pour l’année 2004, l’utilisation des combustibles fossiles, la fabrication du ciment* et la déforestation (changement d’usage des sols) ont rejeté 73 % des GES anthropiques sous forme de CO2. 17 % des GES rejetés sont du méthane (CH4) venant de l’élevage de ruminants, de la culture de riz, ainsi que du transport et de l’exploitation des énergies fossiles. Enfin, 9 % de ces GES sont du N2O (protoxyde d’azote), dont l’origine est essentiellement liée à l’utilisation des engrais dans l’agriculture intensive. Les halocarbures, même s’ils ne représentent que 1 % des GES émis, entraînent 15 % environ de l’effet de serre additionnel car ils ont une durée de séjour très importante (jusqu’à 50 000 ans) et un pouvoir réchauffant à

100 ans, jusqu’à 23 000 fois plus important que celui du CO2. Ils n’existent pas à l’état naturel et sont entièrement synthétiques. Ils sont utilisés dans les systèmes de réfrigération, aérosols, industries électronique et informatique ou fabrication de mousses isolantes, plastiques, etc. *Remarque : Le ciment est fabriqué en chauffant à 1 450 °C un mélange constitué de calcaire, d’argile et de sable. Ce procédé émet du CO2 : la fabrication d’une tonne de ciment émet 800 kg à 900 kg de CO2. La production de ciment est donc un secteur industriel très polluant par ses rejets de CO2. Complément scientifique : le rôle de la vapeur d’eau dans l’effet de serre. La vapeur d’eau est le principal GES dans la nature. Elle est produite massivement par évaporation des surfaces océaniques (cycle de l’eau). La quantité contenue dans l’atmosphère est régie par les lois de la thermodynamique (relation Clausius-Clapeyron). Il en résulte que la vapeur d’eau ajoutée par les activités humaines dans l’atmosphère n’en modifie pas le contenu. De plus, la vapeur d’eau a une durée de vie très courte dans l’atmosphère, ne dépassant pas 2 semaines, avant qu’elle ne soit éliminée par les précipitations. Il n’y a donc pas accroissement direct de la teneur en vapeur d’eau atmosphérique du fait de l’action humaine. Cependant cela ne signifie pas que la vapeur d’eau n’a pas d’effet sur le réchauffement : en effet, plus l’atmosphère est chaude, plus elle peut contenir de vapeur d’eau. Le réchauffement entraîne une plus forte évaporation et une augmentation de la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère : cela augmente l’effet de serre et donc le réchauffement. Il s’agit d’une rétroaction positive (voir activité 3).

Je m’entraîne à … Document 3 Ce document montre l’évolution du PIB mondial, qui est un indicateur fort de la croissance économique de nos sociétés, en parallèle de l’évolution des émissions de GES (en GtCO2/an) entre 2004 et 2012. On constate une corrélation positive étroite entre ces deux paramètres, ce qui laisse supposer que les émissions de GES sont directement liées à l’activité économique humaine. Document 4 Le rejet supplémentaire de GES a un impact sur la température moyenne globale (activité 1 © Éditions Hatier, 2020. 21

Thème 1 ● Science, climat et société

doc.4). Ainsi, on peut observer que les dates des vendanges en Champagne sont de plus en plus précoces sur les 30 dernières années. Cette variation dans le temps est un indicateur d’un réchauffement climatique. Mais cette précocité de maturation du raisin modifie différentes caractéristiques du vin : augmentation du taux de sucre qui définit le degré d’alcool (dans le Languedoc, les vins ont augmenté de 1,5 degré d’alcool en 30 ans), diminution de l’acidité des vins (élément lié à la sensation de fraîcheur des vins blancs et rosés), perturbation du développement des précurseurs d’arôme (le goût) ainsi que de la couleur du vin (robe plus claire). Par ailleurs, certains cépages vont devoir « migrer » vers d’autres régions pour pouvoir s’adapter au réchauffement climatique. Tous ces changements auront un impact sur l’économie du vin.

③ Effets des rétroactions sur le climat global Les savoirs du BO L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont : - l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ; - la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ; - le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère. L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l'eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

Les savoir-faire du BO - Identifier les relations de causalité (actions et rétroactions) qui sous-tendent la dynamique d’un système. - Réaliser et interpréter une expérience simple mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer. - Estimer la variation du volume de l’océan associée à une variation de température donnée, en supposant cette variation limitée à une couche superficielle d’épaisseur donnée.

Commentaires pédagogiques

composantes du système climatique en mettant en avant le fait qu’une perturbation de l’une de ces composantes entraînera une réaction de l’ensemble du système. Cette réaction pourra soit accentuer la perturbation (rétroaction positive) soit la modérer (rétroaction négative). Quoi qu’il en soit, les perturbations engagées ont déjà des effets qui sont irréversibles à court terme.

Durée estimée : 1 h 30 Différenciation/pistes d’exploitation - Document 3 : activité expérimentale possible. Les simulations dont les résultats sont représentés dans ce document peuvent être réalisées en suivant le protocole disponible dans le manuel numérique enseignant. [Matériel o Deux éprouvettes de 500 mL. o Un échantillon de granite pouvant être placé dans une des éprouvettes. o Deux glaçons de volume 40 mL : l’un d’eau douce, l’autre d’eau salée à 10 g.L-1. o Eau de mer reconstituée (environ 800 mL).

Protocole expérimental - Placer l’échantillon de granite dans l’une des éprouvettes graduées. - Ajouter de l’eau de mer reconstituée de telle façon que l’échantillon de granite surplombe le volume d’eau et noter le niveau. - Déposer le glaçon d’eau douce sur le morceau de granite. - Observer la variation du volume d’eau après fonte du glaçon. - Déposer un glaçon d’eau salée dans la deuxième éprouvette puis verser de l’eau de mer reconstituée jusqu’à une graduation qui sera notée. - Observer la variation du volume d’eau après fonte du glaçon.]

On peut demander aux élèves de critiquer cette simulation par rapport aux conditions réelles : composition de l’eau, sa salinité ainsi que celle des glaçons, échelle et durée de l’expérience… Pour compléter les notions consulter le site suivant : https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/fontebanquise-2005-10-06.xml À savoir et documents 4 et 5 On peut aussi proposer aux élèves d’explorer les conséquences de l’élévation du niveau des océans (dilatation thermique + fusion des glaces continentales) pour les populations humaines qui vivent sur les côtes. https://acamedia.acnice.fr/v2/video/DX4YU21633UN/simulerl’elevation-du-niveau-de-la-mer-avec-google-earth

Dans cette activité, l’objectif est de montrer la complexité des interactions entre les différentes © Éditions Hatier, 2020. 22

Thème 1 ● Science, climat et société

https://www.futurasciences.com/planete/actualites/oceanograph ie-niveau-oceans-vers-hausse-6-metres-8566/ https://www.nationalgeographic.fr/environnem ent/voici-quoi-ressemblerait-le-monde-si-laglace-continentale-venait-fondre

glaces conduit à une forte diminution de l’albédo (doc. 2), ayant pour conséquence une élévation de température de l’océan. Cette accumulation d’énergie accentue la dilatation thermique de l’eau. C’est une rétroaction positive. 3. ΔV = 0,0007 × V = 7·10−4 × 3,6·1014 × 103 = 2,52·1014

POUR INFO : on peut élargir la discussion en explorant les conséquences d’une diminution de la formation de la banquise arctique sur la circulation thermohaline et l’effet modérateur de l’océan en l’associant au doc. 4.

Δh =

Réponses aux questions 1. Dans l’expérience de simulation de la fusion de la banquise, après fonte du glaçon constitué d’eau de mer, on n’observe aucune variation du niveau de l’eau dans l’éprouvette. Dans l’expérience de simulation de la fusion de la calotte glaciaire, on observe au contraire, après fonte du glaçon constitué d’eau douce, une élévation du niveau de l’eau dans l’éprouvette. On en conclut que tout apport d’eau issue de la fusion de glace continentale (inlandsis, glacier continental, iceberg) provoque une élévation du niveau des océans ce qui n’est pas le cas lors de la fusion de la banquise (glace d’eau de mer). 2. L’océan absorbe l’essentiel de l’énergie thermique liée aux activités anthropiques (doc. 4, 93,4 %). L’ensemble continents, atmosphère et fonte des glaces n’en absorbe que 6,6 %. Cette énergie thermique accumulée dans les océans a donc un effet modérateur sur la température atmosphérique globale à court terme, mais avec des conséquences non négligeables à long terme : la dilatation thermique de l’eau amène à une élévation du niveau global des océans (doc. 5) qui est renforcée par la fonte de la calotte glaciaire antarctique. En outre, la fonte accélérée des

+ Forçage positif –

Augmentation de la température

ΔV S

=

2,52·10 3,6·10

14

14

= 0,7 m

Une résolution littérale peut aussi être privilégiée (par exemple par les élèves de Spé maths) : ∆V ∆V V2 – V1 Sh2 – Sh1 = = = S × h1 S × h1 V S×h

=

S(h2 – h1 ) S × h1

=

h2 – h1 h1

=

∆h h1

d’où Δh =

∆V V

×h

Donc Δh = 0,0007 × h = 0,7 m Si la température globale augmente de 5,5 °C d’ici 2100 alors le niveau global des océans pourrait subir une élévation de 70 cm. 4. Un forçage radiatif se traduit par une augmentation ou une diminution de la température moyenne de la Terre selon qu’il est positif ou négatif. Cette variation de la température entraîne une réponse du système climatique qui peut en retour agir sur le forçage. Si la réponse renforce le forçage, on parle rétroaction positive ou effet amplificateur, si elle le réduit on parle de rétroaction négative ou effet modérateur. - Ainsi, la réduction des surfaces couvertes de glace ou de neige (cryosphère) entraînera une rétroaction positive à cause de la diminution de l’albédo (doc. 2). - Au contraire, une végétalisation importante peut entrainer une rétroaction négative en ayant un rôle de puits de carbone et en diminuant ainsi l’effet de serre. Voir le schéma ci-dessous.

Diminution de la cryosphère Augmentation de la végétalisation

Diminution de GES

Diminution de l’albédo Diminution de l’effet de serre

© Éditions Hatier, 2020. 23

Thème 3 ● Une histoire du vivant

Actualité sciences La fonte du pergélisol dans les régions arctiques fait l’objet d’une attention toute particulière de la part de la communauté scientifique car elle renferme 1700 Gt de carbone sous forme de matière organique non décomposée car gelée (voir cycle du carbone chapitre 1, p. 36). Si le pergélisol venait à être dégelé, cette matière organique serait alors décomposée et pourrait libérer de grandes quantités de CO2 et de méthane qui sont de puissants GES (voir activité 2 p.52). Cependant, rien de tel n’est observé pour le moment lorsque l’on compare les émissions de GES en Arctique avec celles en Antarctique. Il s’agit donc de s’interroger sur les réels dangers de la fonte du pergélisol en termes de rétroaction positive et sur la présence d’effets modérateurs qui pourraient expliquer cette inertie. (L’exercice 18 du chapitre 3, p. 81, porte sur ce sujet.) https://www.futurasciences.com/planete/actualites/rechauffementclimatique-arctique-permafrost-fond-70-ans-plus-totprevu-43336/ https://www.futurasciences.com/planete/actualites/climatologiefonte-pergelisol-menace-liberer-massivementpuissant-gaz-effet-serre-59701/

Penser la science

p .58 à 59

Commentaires pédagogiques Cette double page a été pensée pour aiguiser l’esprit critique des élèves à partir de données météorologiques et climatiques réelles. Préambule du BO […] Contribuer au développement en chaque élève d’un esprit rationnel, autonome et éclairé, capable d’exercer une analyse critique face aux fausses informations et aux rumeurs.

Cette activité repose sur des documents issus d’Internet, qui visent tantôt à conforter l’idée d’un RC tantôt à le fustiger (climato-négationnistes). Il s’agit ici de reprendre chaque document pour ce qu’il est et de donner aux élèves les moyens de comprendre ce que l’analyse de ses données permet d’établir scientifiquement, sans aller trop loin et sans se tromper de registre. - La page de gauche vise à montrer que des personnes animées de bonnes intentions peuvent malgré tout se fourvoyer en utilisant des documents scientifiques à mauvais escient, c’est-à-dire en leur attribuant des visées qu’ils n’ont pas. - La page de droite met plutôt en exergue des analyses peu rigoureuses de personnes climato-

négationnistes qui se servent de données scientifiques volontairement biaisées afin d’illustrer leurs propos qui sont malhonnêtes intellectuellement. Dans les deux cas, il s’agit ici de donner aux élèves des éléments concrets d’analyse en réactivant ce qu’ils ont appris dans le chapitre.

Durée estimée : 1 h Commentaires scientifiques Les deux exemples de fonte de glaciers de la page de gauche n’ont pas la même visée. Dans les Alpes, le glacier de la mer de glace diminue à cause de températures trop clémentes pour son maintien. (http://www.ecrinsparcnational.fr/breve/indicateur-rechauffementalpes-francaises) À ce stade, il est bon de rappeler aux élèves que deux conditions sont nécessaires pour produire de la glace : des températures négatives (et qui le restent) et la présence de précipitations. Cela semble trivial mais si on prend l’exemple du Kilimandjaro, c’est justement ce dernier paramètre qui est le facteur limitant. En effet, les monts du Kilimandjaro sont situés dans la zone de convergence intertropicale (ZCIT), génératrice de précipitations. Les positions des limites Nord et Sud de cette zone ont donc un impact sur les localisations des précipitations, produisant les saisons sèches et les saisons humides (moussons). Le Kilimandjaro est actuellement dans une zone où les précipitations diminuent car la limite méridionale de la ZCIT n’atteint pas toujours cette région. Même si ces anomalies de ZCIT sont souvent attribuées au changement climatique, il convient de rester prudent en soulignant ici le fait que les glaciers sommitaux des monts Kilimandjaro diminuent du fait d’un manque d’apport d’eau plutôt que d’une augmentation des températures locales. Remarque : ce fut un des arguments utilisés par des climatonégationnistes qui avaient repéré ces anomalies de précipitations et s’en étaient pris aux climatologues car ces derniers attribuaient parfois un peu trop directement ces diminutions de volume de glace à un réchauffement climatique local. Un autre argument avance que cette baisse des précipitations pourrait être liée à une évolution locale provoquée par la déforestation, qui se traduit par un resserrement de la couverture végétale épaisse, et une diminution de l'humidité atmosphérique. Il reste malgré tout correct d’attribuer la fonte des glaces au changement climatique global (voir ci-après).

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Réponses aux questions Page de gauche Les glaciers de la mer de glace et des monts Kilimandjaro enregistrent des reculs importants. Cette diminution du volume de glace peut être imputables à deux facteurs : une augmentation de température ou une diminution de l’apport en eau. - Dans les Alpes, les températures moyennes augmentent et expliquent que l’ablation estivale soit plus importante que l’accumulation hivernale. Ainsi, dans le cas des Alpes, le recul des glaciers peut être attribué à un réchauffement climatique local mais non global. - Au mont Kibo, la situation est différente car les précipitations sont dues à la présence des moussons qui actuellement se décalent et n’atteignent plus cette zone. Le recul du glacier du mont Kibo n’est donc pas dû à un réchauffement local mais à un manque d’humidité atmosphérique. (Les anomalies de position de moussons pourraient être une conséquence du changement climatique global). À l’inverse, certains glaciers norvégiens bénéficient de conditions propices à leur croissance : températures suffisamment froides et courants océaniques générateurs de précipitations. L’analyse de ces trois exemples montre bien que, à elles seules, des images ne suffisent pas à prouver qu’il existe un RC planétaire. Elles peuvent tout au plus illustrer la conséquence d’un réchauffement climatique localisé. C’est donc l’accumulation de différentes manifestations identiques de ce réchauffement climatique, en différents endroits du globe, qui peut devenir un faisceau d’indices suffisants et qui incite les scientifiques à s’interroger sur l’évolution des températures, pour prouver qu’il y a bien un RC climatique global. Le recul de certains glaciers peut donc être la manifestation d’un RC local mais en aucun cas la preuve d’un RC planétaire. Page de droite 2012-2013 : vers un refroidissement climatique ? Les deux images satellitaires montrent qu’entre 2012 et 2013, la banquise arctique s’étend et augmente de surface. Ceci semble indiquer qu’un refroidissement aurait eu lieu entre août 2012 et août 2013 au pôle Nord. Mais pour en être certain, il faudrait s’assurer que le volume total de glace augmente, et non seulement la superficie (données dont nous ne disposons pas). Quoi qu’il en soit, le graphique confirme l’augmentation de la surface de banquise entre 2012 et 2013 mais montre qu’elle s’inscrit dans une évolution globale à la baisse depuis plus de 30

ans, intervalle de temps nécessaire à une estimation « climatique ». Des données sur une année ne permettent pas de confirmer ou infirmer un changement d’ordre climatique à l’échelle du pôle Nord et encore moins à l’échelle planétaire. Remarque : de la même façon, une image de surface de la glace de mer qui diminue d’une année à la suivante ne prouve pas non plus un réchauffement climatique local. Elle dénote au mieux d’un réchauffement de la zone sur une année. Une « pause climatique », vraiment ? Le graphique a. montre une relative stagnation des anomalies de températures entre +0,2 °C et +0,7 °C pendant 14 ans. Bien qu’il s’agisse d’une moyenne de températures à l’échelle de la planète, la durée d’observation n’est pas suffisante pour prouver qu’il existe bien un réchauffement d’ordre climatique. Le graphique b. apporte la preuve que cette apparente stagnation durant 14 ans s’inscrit en fait dans une tendance générale et globale d’augmentation de la température moyenne planétaire depuis 1950. Ainsi, seules des données de températures prises en de multiples endroits du globe et sur une durée d’au moins 30 ans peuvent prouver scientifiquement qu’il existe un réchauffement climatique planétaire.

Exercices

p. 61 à 64

1 1. Le climat correspond aux conditions météorologiques : c. moyennes (températures, pressions) régnant sur une région durant une période de 30 ans. 2. Quels gaz sont impliqués dans l’effet de serre ? b. le dioxyde de carbone. c. la vapeur d’eau. 3. Depuis un siècle et demi, l’ordre de grandeur d’augmentation de la température moyenne de la Terre est : a. 1 °C 4. Au cours de leur fusion, le(les) type(s) de glace responsable(s) de l’élévation du niveau marin est(sont) : b. les glaciers de montagne. c. les calottes polaires. d. les icebergs. 2 Faux : L’effet de serre d’origine anthropique renforce l’effet de serre naturel par l’augmentation des GES dans l’atmosphère.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

3 1. Le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface terrestre est absorbé par les GES (CO2, CH4, N2O, H2O). 2. Dans le système Terre-atmosphère, le forçage radiatif est positif lorsque les radiations reçues sont supérieures aux radiations renvoyées. Il en résulte une élévation de la température globale. 4 Boucle de rétroaction positive montrant l’amplification du réchauffement climatique

transformer en zone boisée et donc de séquestrer le carbone. Cela explique que, pour le moment, on ne constate aucun dégagement important de GES au niveau de ces zones.

8 AU PRINTEMPS : augmentation de la température

Réchauffement climatique

Fonte partielle de la neige entraînant le développement des algues de couleur rouge

+ Augmentation de la température en surface des océans

Absorption forte : rétroaction positive et renforcement de l’augmentation de la température.

Surface sombre = diminution de l’albédo

Accélération de la fonte de la banquise

Diminution de l’albédo

5 Forêt

Espace agricole

• Réflexion faible • Absorption forte

• Réflexion forte • Absorption faible

Albédo faible Rétroaction positive

Albédo fort Rétroaction négative

6 Correction dans le manuel 7 1. Un forçage radiatif positif entraîne une élévation de la température qui fait fondre le pergélisol. Une éventuelle libération des GES du pergélisol renforcerait l’effet de serre, donc le forçage radiatif et conduirait donc à une augmentation de la température. Cela constituerait une rétroaction positive. 2. La toundra, par son activité photosynthétique, constitue un puits de carbone qui utilise probablement le CO2 dégagé par la fonte du pergélisol. Cela favorise le développement de la végétation de la toundra qui est en train de se

9 Le scolyte est un coléoptère xylophage broyeur : il digère la cellulose du bois en creusant des galeries sous l’écorce des épicéas (doc. 1 et 2) et cause des dommages irréversibles aux massifs forestiers. D’après le doc. 3, les régions françaises les plus touchées par cet insecte ravageur sont le Jura, les Vosges, la Lorraine, la région Rhône-Alpes. D’après les doc. 4 et 5, à Bourg Saint Maurice entre 1959 et 2016, on observe que la date de 1er envol des scolytes adultes (essaimage) est avancée d’environ 20 jours. On peut également constater une augmentation de la température de +2,3 °C sur cette même période dans cette zone. L’essaimage précoce est donc probablement induit par un printemps précoce et constitue un indicateur d’une augmentation globale de la température. Depuis 1960, on note un déficit hydrique récurrent au niveau du couvert végétal dans cette région (bilan hydrique négatif) compris entre −50 mm et −200 mm par an. Ce déficit est à l’origine d’un stress hydrique pour les épicéas qui sont de ce fait affaiblis. Le stress hydrique associé à un essaimage précoce des scolytes induit une augmentation du taux de parasitage des épicéas : actuellement, plus de 50 % du volume total des épicéas français sont parasités par cet insecte alors que le taux habituel n’est que de 15 %. La filière économique du bois s’en trouve donc impactée.

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Thème 1 ● Science, climat et société

3. LE CLIMAT DU FUTUR Introduction L’analyse du système climatique, réalisée à l’aide de modèles numériques, repose sur des mesures et des calculs faisant appel à des lois physiques, chimiques, biologiques connues. Assorties d’hypothèses portant sur l’évolution de la production des gaz à effet de serre, les projections issues de ces modèles dessinent des fourchettes d’évolution du système climatique au XXIe siècle. L’objectif principal de ce chapitre est de montrer que les modèles climatiques élaborés sont fiables (malgré certaines incertitudes) car la confrontation aux observations réelles ont permis de les valider et de les améliorer.

Prérequis

p. 64

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger des acquis et/ou représentations initiales des élèves concernant : Prérequis 1 : le bilan radiatif de la Terre afin de mettre en avant le déséquilibre actuel résultant du forçage radiatif lié aux GES vus dans le chapitre 2. Prérequis 2 : l’albédo et les facteurs qui peuvent l’influencer. Il s’agit de rappeler l’impact d’une modification de l’albédo sur l’évolution du climat. Prérequis 3 : les interactions entre les différentes composantes d’un écosystème afin de faire prendre conscience à l’élève qu’un changement de l’une de ces composantes (paramètres climatiques notamment) peut avoir des conséquences sur d’autres composantes (êtres vivants). Prérequis 4 : le système climatique et ses interactions complexes afin d’introduire l’idée que pour prévoir le climat futur grâce à des modèles, il faut tenir compte de tous les paramètres qui interviennent dans l’évolution du climat.

Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre

Communiquer et utiliser le numérique

Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes Utiliser des logiciels d’acquisition, de stimulation et de traitement des données Communiquer sur ses choix en argumentant

Activités 1, 2 (débat)

Identifier l’incidence des activités humaines sur l’environnement Adopter un comportement éthique et responsable

Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de la santé et de l’environnement en prenant en compte des arguments scientifiques.

Activité

3

① Les modèles climatiques Les savoirs du BO Les modèles climatiques s’appuient sur : - la mise en équations des mécanismes essentiels qui agissent sur le système Terre ; - des méthodes numériques de résolution. Les résultats des modèles sont évalués par comparaison aux observations in situ et spatiales ainsi qu’à la connaissance des paléoclimats. Limites : Les équations mathématiques utilisées dans les modèles climatiques ne sont pas évoquées.

Les savoir-faire du BO Mettre en évidence le rôle des différents paramètres de l’évolution climatique, en exploitant un logiciel de simulation de celle-ci, ou par la lecture de graphiques.

Commentaires pédagogiques

Activités Compétences

Pratiquer des démarches scientifiques

naturels et le langage mathématique

p. 66 à 71 Capacités Exploiter des informations à partir de documents à des fins de connaissances Apprendre et organiser son travail (tâche complexe) Comprendre le lien entre les phénomènes

Activités Activités 1, 2 et 3

Activité 3

Cette activité a pour objectif de faire comprendre aux élèves comment se construit un modèle climatique et en appréhender toute la complexité. L’utilisation de SimClimat, permet de tester un modèle climatique simplifié afin que l’élève puisse comprendre les impacts de la modification d’un ou plusieurs paramètres du système climatique, sur le climat global.

Activités 2 et 3

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Thème 1 ● Science, climat et société

Durée estimée : 55 min Différenciation Réaliser la question 1 comme un TP expert où chaque binôme réalise 3 simulations en faisant varier un seul paramètre à partir de l’état monde actuel « Maintenant » (Température = 15,6 °C ; Concentration en CO2 = 405 ppm ; Latitude des calottes polaires = 60° ; Albédo planétaire = 0,33). Le tableau des paramètres permet de donner à chaque élève les variations à faire dans leur simulation. D’autres valeurs comme des valeurs intermédiaires peuvent être prises pour certains paramètres. Exemple : pour les émissions anthropiques de CO2, on peut choisir la valeur de 4 Gt/an qui est un intermédiaire entre 0 et 8 Gt/an (valeur actuelle). L’ensemble des résultats de simulations est analysé par la classe pour argumenter et répondre entièrement à la question 1. La question 2 est une étude du document 3 pouvant s’appuyer sur la réponse à la question 1. On peut compléter le doc. 3 avec le visionnage d’une vidéo sur la modélisation du climat réalisée par le CEA et l’IPSL : https://www.youtube.com/watch?v=S5f5dJyvezY

Pour aller plus loin Pour découvrir la modélisation et aller plus loin, il existe le dossier thématique « Les travaux pour comprendre et anticiper les climats » sur le site éducation de Météo-France : http://education.meteofrance.fr/dossiersthematiques/l-evolution-du-climat/les-travaux-pourcomprendre-et-anticiper-le-changement-climatique.

Réponses aux questions 1. Les élèves doivent présenter leurs captures d’écran du logiciel SimClimat légendées et titrées. Ils doivent conclure que les émissions anthropiques de CO2, le stockage biologique et l’altération continentale régissent l’évolution de la température, du niveau moyen des océans, de la latitude des calottes polaires et de l’albédo dans les 100 prochaines années donc le climat du futur : réchauffement, maintien ou refroidissement climatique. 2. Il suffit de retranscrire sous la forme d’un paragraphe contenant les éléments suivants : - la construction des modèles climatiques est basée sur l’observation et la mise en équations des phénomènes et paramètres climatiques grâce aux lois de la physique et qui sont ensuite résolues par des ordinateurs très puissants. - les modèles climatiques sont testés et validés par confrontation aux observations in-situ liées aux

données satellitaires et paléoclimatiques et vérification de l’aptitude à reproduire des phénomènes climatiques actuels. - les modèles climatiques servent lors de simulations à produire des projections climatiques pour les années à venir comme celle de la température.

② Les modèles climatiques face aux

observations

Les savoirs du BO Ces modèles, nombreux et indépendants, réalisent des projections climatiques. Après avoir anticipé les évolutions des dernières décennies, ils estiment les variations climatiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles. L’analyse scientifique combinant observations, éléments théoriques et modélisations numériques permet aujourd’hui de conclure que l’augmentation de température moyenne depuis le début de l’ère industrielle est liée à l’activité humaine : CO2 produit par la combustion d’hydrocarbures, la déforestation, la production de ciment ; CH4 produit par les fuites de gaz naturel, la fermentation dans les décharges, certaines activités agricoles.

Les savoir-faire du BO Exploiter les résultats d’un modèle climatique pour expliquer des corrélations par des liens de cause à effet.

Commentaires pédagogiques Cette activité permet de faire réfléchir les élèves sur la notion de fiabilité des modèles, lesquels présentant un certain nombre d’incertitudes que ce soit dans leur conception, la compréhension des processus physiques qui interviennent dans le système climatique ou encore la variabilité naturelle du climat (caractère chaotique). Ainsi, il est important de faire comprendre aux élèves que la validation des modèles, nécessite des confrontations permanentes entre les simulations effectuées avec ces modèles et les observations réelles présentes ou passées. Cela permet de nourrir le modèle, de l’affiner, de le rendre de plus en plus fiable et in fine de pouvoir l’utiliser pour des simulations du climat futur.

Durée estimée : 55 min Différenciation Pour découvrir et introduire le débat, des vidéos peuvent être projetées dans la classe ou être à visualiser par les élèves à la maison. Ces vidéos peuvent être prises dans le dossier thématique « Le changement climatique en questions » sur le site eudcation.meteofrance.fr : http://education.meteofrance.fr/dossiers-

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Thème 1 ● Science, climat et société thematiques/l-evolution-du-climat/le-changementclimatique-est-il-une-realiteLes élèves peuvent découvrir à la maison les documents du débat et préparer des arguments pour débattre en classe durant 30 à 40 min en demigroupe équilibré pour plus de temps de parole pour chacun. Penser à mettre un élève régulateur de débat et un élève secrétaire pour résumer les arguments évoqués durant le débat et réaliser le bilan à la fin. Pour aider à l’argumentation, 3 questions sont proposées : - la question 1 (doc. 1 et 3), conduit à confronter les résultats de simulations effectuées entre 1990 et 2000, à partir de deux modèles* (forçage radiatif naturel seul et forçage radiatif naturel + anthropique) pour différents paramètres climatiques (températures continents et océans, CTO et surface de la banquise), aux mesures réelles de ces mêmes paramètres sur la même période. L’élève doit déterminer quel est le modèle qui semble le plus fidèle à la réalité (forçage radiatif naturel + anthropique). *Remarque : les zones ombrées roses et bleues correspondent à des intervalles de confiance compris entre 5 et 95 %, pour un niveau de confiance élevé. - la question 2 (doc. 2), permet à l’élève d’explorer les sources d’incertitudes inhérentes aux simulations climatiques et ainsi de discuter de la fiabilité des modèles en lien avec la question 1. Document à compléter avec la vidéo en Hatier-clic (hatier-clic.fr/est068). - la question 3 a pour but d’orienter l’élève dans une comparaison entre l’évolution des paramètres climatiques entre 1850 et 2010 (doc. 3) et l’évolution de la concentration des GES dans l’atmosphère en lien avec les émissions anthropiques sur la même période. Il se dégage une corrélation positive entre ces variables, mais dont on ne peut affirmer un lien de causalité (voir « À SAVOIR »). Un lien de causalité peut être évoqué si l’on se réfère à nouveau à la modélisation (doc. 1). En effet, la question 1 a permis de valider le modèle « forçage radiatif naturel + anthropique » ce qui tend à valider un lien de causalité entre émissions anthropiques de GES et réchauffement climatique. D’autant plus que ce lien de causalité est sous tendu par une théorie scientifique explicative puissante (activité 2 du chapitre 2), qui montre clairement le lien entre GES, effet de serre et augmentation de la température globale.

Pour aller plus loin https://www.futurasciences.com/planete/dossiers/climatologierechauffement-problemes-climatiques-36/page/3/

Réponses aux questions Les réponses sont propres et personnelles à chaque élève lors du débat. Cependant, à minima, les éléments d’argumentation liée à l’étude des documents de l’activité doivent être utilisés (guidage par les questions 1 à 3). L’argumentation peut être enrichie par des éléments de connaissances personnelles et/ou issues de recherches effectuées sur internet par l’intermédiaire des différents liens proposés. Pour mettre en pratique le débat, les élèves peuvent se référer à la fiche outil « Débattre sans se battre, mais en argumentant » p. 282, qui leur permettra de construire une argumentation pertinente et réfléchie, sans tomber dans certains pièges comme l’utilisation d’arguments fallacieux (p. 283) qu’ils peuvent ainsi apprendre à identifier. Le débat est aussi l’occasion de prendre la parole en public et constitue ainsi un entrainement pour l’épreuve du Grand Oral. La prise de parole devant un public n’est pas une chose naturelle, cela se travaille : 1. L’élève qui s’exprime doit adopter une posture naturelle et sereine et avoir des gestes expressifs : - Ancrage dans le sol, les pieds bien droits, la tête haute tournée vers l’auditoire, éviter de trop bouger ou de se balancer. - Rester naturel avec les mains, ne pas trop les bouger. Éviter de croiser les bras ou de garder les mains jointes. Les mains doivent être utilisées pour appuyer les dires. - Être souriant est important lors d’une intervention orale. 2. L’élève doit apprendre à bien poser sa voix qui est l’instrument principal de sa prestation : - La voix doit être suffisamment audible, sans parler trop fort. - Éviter de parler de façon monotone : le débit (rythme/vitesse) ainsi que l’intonation doivent varier et être adaptés au contenu afin de garder l’attention de l’auditoire. 3. L’élève doit soigner son vocabulaire : - Ne pas employer de termes relevant du langage familier, bannir les tics de langage (ben, euh, genre, ouais, etc.). - Employer un vocabulaire précis et maitrisé. - Il est possible de nuancer le propos grâce à des modalisateurs (il m’a semblé…/j’ai trouvé… /il apparaît que…). Selon son point de vue (positif ou négatif), le locuteur choisit un vocabulaire qui est soit mélioratif (ou valorisant), soit péjoratif (ou dévalorisant).

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Thème 1 ● Science, climat et société

③ Évolutions plausibles du climat et conséquences

► À partir des différents scénarios proposés dans l’activité, discuter du climat du futur et de ses conséquences sur la planète.

Les modèles s’accordent à prévoir, avec une forte probabilité d’occurrence, dans des fourchettes dépendant de la quantité émise de GES : - une augmentation de 1,5 à 5 °C de la température moyenne entre 2017 et la fin du XXIe siècle ; - une élévation du niveau moyen des océans entre le début du XXIe siècle et 2100 pouvant atteindre le mètre ; - des modifications des régimes de pluie et des événements climatiques extrêmes ; - une acidification des océans ; - un impact majeur sur les écosystèmes terrestres et marins.

Après s’être appuyé sur des valeurs, en comparant les documents 1 à 3, l’élève doit arriver à la déduction suivante : « Plus la perturbation du bilan radiatif est élevée plus la température, la concentration en CO2 et le niveau moyen des océans auront augmenté en 2100 ». L’augmentation du niveau moyen des océans serait très importante dans les siècles à venir (horizon 2500) avec le scénario le plus pessimiste de concentration en CO2 dans l’atmosphère (RCP 8,5). L’exploitation des données des documents 4 et 5 complètent la réponse de l’élève qui doit arriver à la déduction suivante : « Le réchauffement climatique observé en 2100, augmente les risques d’inondation des terres, d’érosion des côtes, de dégradation des écosystèmes terrestres par des feux, de dégradation des écosystèmes marins par augmentation de la température et acidification des océans, de destruction des systèmes aménagés par l’être humain et de mortalités des êtres humains (problèmes de santé et de subsistance alimentaire) ».

Les savoirs du BO

Les savoir-faire du BO Exploiter les résultats d’un modèle climatique pour expliquer des corrélations par des liens de cause à effet.

Commentaires pédagogiques Cette activité a pour but d’explorer les futurs climatiques possibles et leurs conséquences, à travers des simulations qui prennent en compte différents scénarios d’émissions futures de GES. On introduit ainsi la notion de « risques » liés au changements climatiques futurs et prépare ainsi à une réflexion sur les choix qui vont s’imposer à l’humanité en termes de transition écologique et qui seront évoqués dans les chapitres 4 et 8.

Durée estimée : 55 min Différenciation Les élèves sont face à une étude de documents en tâche complexe. On peut différencier les élèves non spécialistes et ceux spécialistes. Une aide peut être donnée aux élèves non spécialistes qui auraient du mal avec ce type d’exercice. Exemple d’aide : - Aide 1 (doc. 1, 2 et 3) : mettre en évidence l’augmentation de température, de la concentration en CO2 et du niveau marin de chaque simulation. - Aide 2 (doc. 4 et 5) : mettre en relation les valeurs des 3 paramètres pour chaque simulation avec les conséquences de leur variation sur les différents systèmes et les espèces marines. - Spécialité SVT : d’autres documents peuvent être donnés aux élèves spécialistes les plus rapides à prendre dans les nouveaux rapports du GIEC.

Réponses aux questions Tâche complexe avec aide pour les documents 1 à 5.

Pour aller plus loin « Le changement climatique et ses impacts » de Serge Planton, Météo-France, Centre National de Recherches Météorologiques du 23 mai 2014 : http://html5.enslyon.fr/climatetmeteo/20140523/serge_planton/r echauffementclimatique_video.html#diapo01

Penser la science

p. 74 à 75

Commentaires pédagogiques Cette double page présente quelques étapes-clés dans la compréhension du changement climatique au cours des deux siècles derniers. Les savoirs du BO « Il s’agit de ne pas donner à l’élève l’illusion qu’il trouve en quelques minutes ce qui a demandé le travail de nombreuses générations de chercheurs, mais plutôt, en se focalisant sur un petit nombre d’étapes bien choisies de l’histoire des sciences, de faire comprendre le rôle clé joué par certaines découvertes. Ce sera aussi l’occasion de montrer que l’histoire du savoir scientifique est une aventure humaine. Cela permettra d’interroger la dimension sociale et culturelle de la construction du savoir scientifique […]. Des controverses, parfois dramatiques, agitent la communauté scientifique. Ainsi, peu à peu, le savoir progresse et se précise. »

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Thème 1 ● Science, climat et société « Contribuer au développement en chaque élève d’un esprit rationnel, autonome et éclairé, capable d’exercer une analyse critique face aux fausses informations et aux rumeurs. »

Commentaire pédagogique Il s’agit de donner aux élèves des éléments concrets de compréhension sur l’évolution des mécanismes scientifiques qui sous-tendent le changement climatique.

Durée estimée : 1 h Réponses aux questions C’est au milieu du XIXe siècle que s’enracine l’idée que le climat terrestre ne serait pas immuable. Plusieurs découvertes ont depuis jalonné l’histoire de la compréhension des mécanismes physiques qui expliquent le climat, à commencer par l’effet de serre dû à certains gaz atmosphériques. Ces différentes découvertes ne sont rendues possibles que grâce à l’apparition d’outils qui ont nécessité certains développements technologiques tributaires, eux aussi, de l’avancée des connaissances scientifiques. Fourrier avance par exemple l’hypothèse d’un effet de serre dû à des gaz atmosphériques que Arrhenius confirme grâce à de savants calculs : ces intuitions ne pourront être finalement vérifiées que grâce à l’apparition de spectromètres qui montreront précisément le rôle du CO2 dans l’effet de serre. Les mesures qu’on pouvait faire au début du XIXe siècle étaient trop grossières pour mettre en évidence les raies d’absorption du CO2 ou de H2O. Le contexte politique de la guerre froide explique ensuite que d’importants budgets aient été alloués afin de mieux comprendre les ondes infra-rouges, par ailleurs nécessaires au développement d’armes. Les mesures de la fluctuation des gaz atmosphériques ont été rendues possibles grâce au développement de capteurs précis de la concentration en CO2. De même, les mesures de concentrations en gaz emprisonnés dans les bulles d’air des carottes de glace ne seront possibles qu’avec l’avènement des missions antarctiques sécurisées (p. 51) et capables de mesurer précisément des concentrations gazeuses grâce aux spectromètres de masse dans les années 1970. Enfin, à partir de la moitié du XIXe siècle, l’avènement des ordinateurs et supercalculateurs permet de réaliser des calculs de plus en plus puissants qui intègrent de nombreux paramètres sous forme d’équations modélisant l’évolution des enveloppes fluides de la Terre, permettant ainsi de faire des prédictions de plus en plus fiables…

Sources complémentaires - Histoire de la découverte du changement climatique : http://www.23dd.fr/climat/histoire-rechauffementclimatique/99-histoire-de-la-decouverte-durechauffement-climatique-i - Découverte de l’effet de serre : https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/histoireeffet-de-serre.xml https://www.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/2009/ HDR_JLD.pdf - Compréhension de la « controverse » évoquée p. 74 http://www.23dd.fr/climat/histoire-rechauffementclimatique/100-histoire-de-la-decouverte-durechauffement-climatique-ii

Focus maths

p.76 à 77

Commentaires pédagogiques Les objectifs de ce focus mathématiques sont multiples : traduire et quantifier une évolution (variation absolue, variation relative, etc.), sensibiliser à la modélisation des évolutions (dans ce cas, bien mettre en lumière que le conditionnel est à employer lors de toute interprétation), anticiper les besoins d’autres chapitres comme le chapitre « Modèles démographiques » du thème 3 (chapitre 12, p. 242-244). 1 1. Sa variation absolue vaut : 90 – 69 = 21 m3.  Réponse b. 2. Sa variation relative vaut :

90 − 69 21 = 69 69

≈ 0,30

soit environ 30 %.  Réponse c. 3. La consommation d’eau a ainsi été multipliée environ par 1 + 0,30 = 1,30.  Réponse c. 4. Sa variation absolue vaut : 5 075 − 7 260 = −2 185 kWh.  Réponse a. 5. Sa variation relative vaut :

5 075 − 7 260 7 260

≈ −0,30

soit environ −30 %.  Réponse b. 6. La consommation d’électricité a ainsi été multipliée environ par 1 − 0,30 = 0,70.  Réponse b. 2 1. 1 +

25 100

= 1,25. Augmenter une grandeur de

25 % revient à multiplier sa valeur par 1,25. 2. 1 −

14 100

= 0,86. Diminuer une grandeur de 14 %

revient à multiplier sa valeur par 0,86.

© Éditions Hatier, 2020.

31

Thème 1 ● Science, climat et société

3. 1,17 = 1 +

17 . 100

Augmenter une grandeur de 17

% revient à multiplier sa valeur par 1,17. 4. 1 −

2 100

= 0,98. Diminuer une grandeur de 2 %

revient à multiplier sa valeur par 0,98.

610 − 600 600

3 1. Vrai. Sa variation absolue vaut : 405,5 − 400,1 = 5,4 ppm. 2. Faux. Sa variation relative vaut : 405,5 − 400,1 400,1

=

5,4 400,1

environ par 1 + 4 1.

36,8 − 36,4 36,4

≈ 0,0135 soit environ 1,35

14

été multipliées par 1 −

2,8 100

= 0,972. En 2014, les

émissions de CO2 en France étaient donc égales à :

6,12 × 0,97210 ≈ 4,61 tonnes par habitant. 15 100

= 1,15. Son nouvel apport

doit être désormais de 9 100 × 1,15 = 10 465 kJ. 2. Diminuer une grandeur de 25 % revient à multiplier

= 0,75. La valeur de l’apport énergétique

préconisé est : 10 560 × 0,75 = 7 920 kJ.

6 La grandeur étudiée est le niveau de la mer (relevé à Brest). Notons Vi la valeur initiale de cette grandeur en centimètres. En 2020, on a constaté une augmentation de 30 cm de cette grandeur depuis 1711. Et selon le modèle du GIEC, modèle optimiste, ce niveau augmenterait ensuite de 56 cm d’ici à 2100. En 2020, sa valeur vaut ainsi Vi + 30 ; en 2100, selon le modèle du GIEC, sa valeur vaudrait (Vi + 30) + 56 = Vi + 86. Le taux de variation annuel moyen entre 1711 et 2020 1

V + 30 2020 − 1711 �i � Vi

1

−1

V + 30 309 =� i � Vi

− 1.

Le taux de variation annuel moyen entre 2020 et 2100 1

vaudrait :

Entre les relevés 3 et 4 : soit 2,7 %.

V + 86 2100 − 2020 � i + 30� Vi

−

1

V + 86 80 1= � i + 30� Vi

622 − 610 610

=

12 610

≈ 0,020

639 − 622 622

=

17 622

≈ 0,027

651 − 639 639

=

12 639

≈ 0,019

665 − 651 651

=

14 651

≈ 0,022

soit environ 2,2 %. Les propos de Marie ne sont pas corrects : certes, la concentration ne fait qu’augmenter, mais elle augmente moins vite entre certains relevés comme par exemple entre les relevés 4 et 5. Calcul mental Variations absolue et relative 1. a. 441 b. 765 c. 401 d. 1 625 2. a. b.

5 1. Augmenter une grandeur de 15 % revient à

vaut ainsi :

soit environ 2,0 %.

Entre les relevés 5 et 6 :

Le calcul : 36,4 × 1,011 (à partir de l’année 2016) est aussi envisageable. 3. Les émissions de CO2 ont diminué en moyenne de 2,8 % par an : chaque année, ces émissions ont ainsi

par 1 −

≈ 0,017 soit environ 1,7 %.

soit environ 1,9 %.

2. La variation relative annuelle est supposée constante. Les émissions mondiales de CO2 seraient selon ce modèle multipliées chaque année environ par 1,011. Les émissions de CO2 seraient ainsi en 2030 égales à 36,8 × 1,01113 ≈ 42 gigatonnes.

25 100

10 600

Entre les relevés 4 et 5 :

= 1,0135.

≈ 0,011 soit environ 1,1 %.

multiplier par 1 +

=

Entre les relevés 2 et 3 :

%. 3. Vrai. La concentration a ainsi été multipliée 1,35 100

7 1. La concentration du dioxyde de carbone (en parties par millions) augmente au fur et à mesure des relevés. 2. On peut calculer les taux de variation entre deux relevés : Entre les relevés 1 et 2:

c. d.

3 2

7 3

= 1,5

19

6 16 5

8 1.a. Année 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Population 1 318 1 325 1 331 1 338 1 344 1 351 1 357 1 364 1 371 1 379 1 386 1 393

Variation absolue 7 6 7 6 7 6 7 7 8 7 7

b. On constate que les variations absolues sont presque constantes, le modèle linéaire se justifie donc. c. u(2030) = 6,79 × 2 030 − 12 303,51 = 1 480,19 millions d’habitants.

− 1. © Éditions Hatier, 2020.

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Thème 1 ● Science, climat et société Remarque : la relation donnée dans l’énoncé découle d’un ajustement linéaire effectué à l’aide d’un tableur :

2. Les points du nuage tracé à la question précédente sont presque alignés. La tendance s’avère être globalement linéaire. Modéliser cette évolution de manière linéaire pourrait ainsi se justifier. 3. Année 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018

2. a. Année 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Population 1 318 1 325 1 331 1 338 1 344 1 351 1 357 1 364 1 371 1 379 1 386 1 393

Variation relative 0,005 0,005 0,005 0,004 0,005 0,004 0,005 0,005 0,006 0,005 0,005

Les variations relatives sont presque constantes, modéliser cette évolution de manière exponentielle se justifie donc. b. v(n) = 0,057 × 1,002030 ≈ 1 422,26 millions d’habitants. Remarque : la relation donnée dans l’énoncé découle d’un ajustement exponentiel effectué à l’aide d’un tableur.

Niveau −30 −23 −18 −10 −5 0 5 14 23 32 41 49

Variation absolue 7 5 8 5 5 5 9 9 9 9 8

La somme des variations absolues vaut 79. La période s’étend sur 22 années. Comme

79 22

≈ 3,59,

la variation absolue annuelle moyenne vaut ainsi 3,59 mm justifiant le facteur 3,535 découlant d’un ajustement linéaire. 4. En remplaçant n par 2 050 dans la relation donnée, on obtient : v(n ) ≈ 268 mm. Vers la spécialité. v(n) est une expression polynomiale du second degré : le modèle choisi par Adriana est un modèle parabolique. La suite u est arithmétique de raison positive 3,535 : la suite u est ainsi strictement croissante (voir chapitre 12 p. 238). L’étude de la fonction

f : x ↦ 0,0532x2 − 209,997x + 207 188,619

amène à la conclusion suivante (voir focus maths chapitre 7 p. 156), f est :

- strictement décroissante sur �−∞ ; − - strictement croissante sur �− avec

a = 0,0532

;

b 2a

; +∞�

b � 2a

b = − 209,997

c = 207 188,619 . Comme

b − 2a

et

≈ 1 973,7 , la

suite v est strictement croissante à partir de l’indice 1974. 9 1. À l’aide d’un tableur par exemple, on obtient :

© Éditions Hatier, 2020.

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Thème 1 ● Science, climat et société

Exercices

p.78 à 81

10 1. Les nombreux calculs requis par les modèles du climat : c. sont faits par résolution numérique d’équations mathématiques grâce à des ordinateurs. 2. Lors de l’évaluation d’un modèle climatique : b. on teste la capacité à tester la variabilité interannuelle observée dans l’océan et l’atmosphère. 3. Les incertitudes sur la température moyenne globale attendue à la fin du XXIe siècle : b. sont dues en partie aux paramètres d’entrée pris en compte dans les modélisations climatiques. 4. Les projections climatiques prévoient : d. une hausse de la température moyenne globale et une hausse du niveau marin avec une acidification de l’océan. 5. Les modifications du climat : d. auront un impact néfaste sur les écosystèmes. 11 Les modèles climatiques sont construits à partir de l’observation et de la mise en équations des phénomènes et paramètres climatiques (soustendus par les lois de la physique), celles-ci sont ensuite résolues par des ordinateurs très puissants. Ces modèles servent, lors de simulations, à produire des projections climatiques pour le futur. Cependant, ces projections comportent un certain nombre d’incertitudes qui sont liées : - au caractère chaotique du système climatique qui induit une variabilité naturelle impactant les projections à court terme (10 ans). - aux incertitudes dans la conception des modèles qui peuvent impacter les projections à moyen terme (20 à 50 ans). - aux incertitudes socio-économiques (gestion des émissions de GES dans le futur, croissance économique et/ou démographique (voir chapitres 2 et 12) qui impactent les projections à long terme. 12 Un modèle climatique est basé sur un ensemble d’équations mathématiques décrivant le système climatique et subissant des tests pour sa validation. En faisant varier certains paramètres climatiques, on peut prédire comment le système climatique réagit à ces modifications et effectuer des projections climatiques. 13 Les progrès techniques et scientifiques ont permis au cours du temps, de mieux comprendre les processus physiques qui interviennent dans le système climatique. Ainsi, la prise en compte progressive de ces différents processus ont permis d’obtenir des projections climatiques plus complètes, donc plus fiables, et à plus long terme.

14 Les éléments de réponses se trouvent dans le document. Il suffit de bien extraire les informations et pourquoi pas en différenciant les impacts selon les régions. 15 Correction dans le manuel 16 1. Évolution de la température moyenne de surface Évolution des précipitations moyennes Évolution du niveau de la mer

RCP 2,6

RCP 8,5

Entre 0 °C et +3 °C

Entre +2 °C et +10 °C

Entre −10 % et +20 %

Entre −30 % et +60 %

Entre −0,5 et +0,6 m

Entre −0,5 et +0,9 m

Ces valeurs peuvent être différenciées selon les régions du monde ou entre continents et océans. D’après le 5e rapport du GIEC : - la région arctique continuera de se réchauffer plus rapidement que la moyenne mondiale. Le réchauffement moyen sera plus important à la surface des continents qu’à la surface des océans et plus élevé que la moyenne du réchauffement à l’échelle mondiale. - les variations des précipitations ne seront pas uniformes dans un monde qui se réchauffe. La moyenne annuelle des précipitations augmentera probablement dans les hautes latitudes et l’océan Pacifique équatorial d’ici la fin de ce siècle selon le scénario du RCP8,5. Dans de nombreuses régions des moyennes latitudes et dans les régions subtropicales arides, les précipitations moyennes diminueront probablement, tandis que dans de nombreuses régions humides des moyennes latitudes, les précipitations moyennes augmenteront probablement d’ici la fin de ce siècle selon le scénario du RCP8,5. - l’élévation du niveau de la mer ne sera pas uniforme d’une région à l’autre. À la fin du XXIe siècle, il est très probable que le niveau de la mer augmentera sur plus de 95 % environ de la surface des océans. L’élévation du niveau moyen de la mer dépend du profil d’évolution des émissions de CO2, et pas seulement de leur total cumulé. Pour un même total cumulé, plus la réduction des émissions aura lieu rapidement, plus l’atténuation de l’élévation du niveau de la mer sera efficace. Environ 70 % des littoraux du monde vont connaître un changement du niveau de la mer proche de l’élévation moyenne, à plus ou moins 20 % près. Il est très probable qu’on observera une augmentation significative de l’occurrence de niveaux extrêmes de la mer dans certaines régions d’ici 2100.

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Thème 1 ● Science, climat et société 2. On sait que les modèles sont généralement des simulations numériques de systèmes qui existent dans la réalité. Ils sont étalonnés et validés au regard d’observations issues de relevés in situ ou des changements qui sont intervenus par le passé ou encore en comparaison à d’autres parties de la planète connaissant actuellement des conditions semblables à celles qui devraient se produire dans l’avenir. Ensuite, on fait tourner ces modèles après les avoir alimentés avec des données conditionnant le climat futur. Le fait d’employer une combinaison de modèles (ici 32 à 39) permet d’obtenir des résultats les plus fiables possibles, en minimisant les incertitudes liées à la conceptions des modèles. Ainsi, malgré les incertitudes liées au caractère chaotique du climat et aux modèles eux-mêmes, on peut considérer comme très probable les résultats obtenus par ces projections du climat futur selon les scénarios de RCP envisagés. 17 1. D’après le 5e rapport du GIEC : pour le blé, le riz et le maïs des régions tropicales et tempérées, le changement climatique, à défaut d’une adaptation, devrait avoir une incidence négative sur la production en cas de hausses locales de la température moyenne de 2 °C ou plus par rapport aux niveaux de la fin du xxe siècle, sauf dans certaines zones particulières qui pourraient être favorisées (degré de confiance moyen). Les incidences prévues varient selon le type de culture, la région et le scénario d’adaptation ; environ 10 % des projections correspondant à la période 2030– 2049 laissent conclure à des hausses de rendement supérieures à 10 %, tandis qu’environ 10 % des projections laissent conclure à des baisses de rendement de plus de 25 % par rapport à ce que l’on observait à la fin du XXe siècle. 2. Un accroissement des températures à l’échelle du globe d’environ 4 °C ou plus par rapport à la fin du XXe siècle, combiné à une augmentation de la demande alimentaire, présenterait un risque majeur en termes de sécurité alimentaire, tant à l’échelle mondiale que régionale. 18 Document 1 Les molécules d’eau entourent une molécule gazeuse de méthane. Si ce complexe de molécule est déstabilisé, les molécules de méthane sont libérées et rejoignent l’atmosphère. Lors de la déstabilisation et du passage dans l’atmosphère, la quantité de méthane libérée est multipliée par 100.

Document 2 Les données apportées par les carottes de glaces forées au niveau de différentes stations de l’Antarctique montrent des variations cycliques d’environ 100 000 ans et synchrones de la température et des deux gaz à effet de serre CO2 et CH4. L’interglaciaire actuel indique que la température de 0 °C est la référence. La concentration en CO2 est de 280 ppmv et la concentration en CH4 de 650 ppmv. L’augmentation de la température (passage de −8 °C il y a −20 000 ans à 0 °C actuellement) semble liée à l’augmentation des deux gaz à effet de serre. Document 3 L’état des clathrates de méthane dépend de la pression et de la température donc de la profondeur du gisement et de la température des océans. Quand la pression est inférieure à 30 atmosphères, les clathrates de méthane ne sont pas stables quelle que soit la température de l’eau. Dans ce cas, ils peuvent libérer de l’eau et du méthane. Une pression de 30 atmosphères correspond à une profondeur de 300 m. Pour des profondeurs plus importantes, l’état des clathrates va dépendre de la température de l’océan. Dans l’introduction, il est indiqué que les gisements de clathrates de méthane sont stables à partir de 600 m pour une température de l’eau de 7 °C. Or, si la température augmente de 1 °C, les clathrates sont déstabilisés et libèrent du méthane. Quel que soit le scénario envisagé concernant l’évolution du climat, la température de l’atmosphère va augmenter. Seule varie l’amplitude de ce changement. Or, les températures des océans sont étroitement liées à celles de l’atmosphère. Ainsi, les différents scénarios modélisant l’évolution du climat dépendent du taux de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et en particulier des gaz rejetés par l’être humain en utilisant les énergies fossiles. Cette utilisation peut avoir des effets amplificateurs. Les gisements de clathrates peu profonds sont fortement dépendants d’une hausse de température des océans. Cette déstabilisation des clathrates pourrait faire augmenter de façon considérable le taux de méthane atmosphérique, beaucoup plus que les énergies fossiles, et donc faire augmenter encore davantage la température atmosphérique. On comprend ainsi pourquoi les chercheurs sont inquiets quant à ces gisements.

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Thème 1● Science, climat et société

4. ÉNERGIE, CHOIX DE DÉVELOPPEMENT ET FUTUR CLIMATIQUE Introduction Les sociétés actuelles consomment de plus en plus de ressources énergétiques, libérant de grandes quantités de CO2 responsables du réchauffement climatique et divers produits qui dégradent la qualité de l’air respiré. La maîtrise de cette libération de dioxyde de carbone doit se faire à l’échelle collective mais également individuelle. Différents scénarios sont établis par les scientifiques pour simuler l’évolution du climat et ses conséquences.

Prérequis

p. 82

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger des acquis et/ou représentations initiales des élèves concernant : Prérequis 1 : les GES évoqués dans les chapitres précédents et dont il s’agit ici d’en faire un récapitulatif. Prérequis 2 : les différentes sources d’énergie dont il s’agit de bien rappeler celles qui sont renouvelables et celles qui ne le sont pas, ces dernières n’étant sont pas forcément fossiles (uranium). Prérequis 3 : les notions de puissance et d’énergie, souvent utilisées au quotidien, mais qui peuvent être confuses pour l’élève. Prérequis 4 : les notions de risques et aléas, qui vont être réinvestis dans le cadre des scénarios de transition écologique liés aux prévisions de changement climatique dans le futur.

Activités Compétences Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre Adopter un comportement éthique et responsable

p. 85 à 92 Capacités Recenser, extraire et exploiter des informations à partir de documents à des fins de connaissances Coopérer et collaborer dans une démarche de projet Fonder ses choix de comportement responsable vis-à-vis de sa santé ou de l’environnement

Activités Activités 1, 2, 3 et 4 Activité 3 (travail en équipe) Activités 1, 2, 3 et 4

Communiquer et utiliser le numérique

Pratiquer des démarches scientifiques

en prenant en compte des arguments scientifiques Comprendre les responsabilités individuelle et collective en matière de préservation des ressources de la planète et de santé. Identifier l’incidence (bénéfices et nuisances) des activités humaines sur l’environnement à différentes échelles Communiquer sur ses démarches, ses résultats et ses choix en argumentant Formuler et résoudre une question ou un problème Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique

Activités 2, 3 et 4

Activité 4

Activités 2 et 3 (oral) Activité 2

Activité 4

① La consommation des sources d’énergie Les savoirs du BO L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent. La consommation en est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus. La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés. En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole. Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (flux radiatif solaire, flux géothermique, puissance gravitationnelle à l’origine des marées).

Les savoir-faire du BO - Utiliser les différentes unités d’énergie employées (Tonne Équivalent Pétrole (TEP), kWh…) et les convertir en joules – les facteurs de conversion étant fournis. - Exploiter des données de production et d’utilisation d’énergie à différentes échelles (mondiale, nationale, individuelle…). - Comparer quelques ordres de grandeur d’énergie et de puissance : corps humain, objets du quotidien, centrale électrique, flux radiatif solaire…

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Thème 1● Science, climat et société

Commentaires pédagogiques Cette activité permet d’estimer la consommation énergétique mondiale, son évolution au cours du temps et de distinguer les principales sources d’énergie utilisées.

Durée estimée : 1 h Différenciation - Aide 1 (doc. 3) : le lien hatier-clic (hatierclic.fr/est085a) permet à l’élève d’obtenir des informations sur les différentes ressources énergétiques pour l’aider à les classer dans le tableau demandé à la question 2. - Aide 2 (doc. 4) question 5 : on peut enrichir la réflexion de l’élève sur les façons d’économiser de l’énergie dans les logements en lui faisant comparer la consommation énergétique de différents modes de chauffage, appareils électroménagers, logements plus ou moins bien isolés, etc. https://www.ademe.fr/particuliers-ecocitoyens/habitation/bien-gererhabitat/equipements-electriques-logements

Réponses aux questions 1. La consommation énergétique mondiale a considérablement augmenté entre 1973 et 2012 (cette consommation en 2012, soit 13 371 Mtep, représente un peu plus du double de celle de 1973, soit 6 106 Mtep). Cette augmentation est d’autant plus marquée dans les pays de l’hémisphère Nord. La moitié de la consommation mondiale est réalisée par les pays de l’OCDE (5 250 Mtep). L’Afrique, à titre d’exemple, a consommé en 2012 : 733 Mtep, ce qui représente environ 5,5 % de la consommation énergétique mondiale. 2. Jusqu’en 1900, le charbon était la principale ressource énergétique utilisée par les sociétés. Depuis l’ère industrielle jusqu’ à 2012 (et jusqu’à aujourd’hui), on observe une augmentation considérable de la consommation énergétique annuelle moyenne par personne (environ 4 000 kWh par personne en 1900 contre 22 500 kWh/personne en 2012). Cette consommation a augmenté et les ressources énergétiques se sont diversifiées : les principales sources d’énergies utilisées depuis l’ère industrielle sont le pétrole et le gaz naturel.

3. La part d’énergie primaire consommée en 2012 issue des ressources fossiles (pétrole + charbon + gaz naturel) est de :

17 500 22 500

× 100 = 78 %.

4. Énergie primaire disponible sous forme de stock Pétrole Charbon Gaz naturel Nucléaire

Énergie primaire disponible sous forme de flux Biocarburants et déchets Hydrauliques On peut y rajouter : l’éolien, le solaire, la géothermie

5. La consommation énergétique liée au logement en France en 2012, représente environ 29 % de la consommation énergétique. À partir du diagramme, on peut constater que les principaux postes de consommation énergétique dans les foyers français sont : le chauffage (32 %), la production d’eau chaude (24 %) et la cuisine (29 %). Pour diminuer cette consommation énergétique, on peut proposer comme pistes d’amélioration, les comportements suivants : améliorer l’isolation thermique des logements (voir « Science et société »), utilisation de chauffe-eau solaire dans les zones où l’ensoleillement le permet. Dans une moindre mesure, éteindre les appareils électroniques quand ils ne sont pas utilisés (plutôt que de les laisser en veille), éteindre la lumière lorsque l’on sort d’une pièce, utiliser de l’électroménager performant, permet également de faire une économie d’énergie non négligeable. Science et société Le problème de la précarité énergétique est une illustration des liens qui existent entre les progrès de la science, leurs applications technologiques et leurs impacts sur la société. Il s’agit de faire prendre conscience aux élèves que les futures technologies énergétiques (qui seront forcément orientées par le changement climatique), ainsi que les progrès effectués en termes d’isolation des logements (autant pour le froid que pour la chaleur) ou de performance énergétique des équipements électroménagers, devraient permettre d’améliorer le confort énergétique pour le plus grand nombre de foyers.

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Thème 1● Science, climat et société

② Énergie issue de la combustion et qualité de l’air atmosphérique Les savoirs du BO La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone et également des aérosols et d’autres substances (N2O, O3, suies, produits soufrés), qui affectent la qualité de l’air respiré et la santé.

Les savoir-faire du BO - Calculer la masse de dioxyde de carbone produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles (l’équation de réaction et l’énergie massique dégagée étant fournies). - À partir de documents épidémiologiques, identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques, telles les particules fines résultant de combustions.

Commentaires pédagogiques L’objectif général de cette activité est de faire comprendre le lien entre la production d’énergie électrique à partir de combustibles fossiles ou de biomasse et les effets négatifs sur la santé humaine. Les documents de la page de gauche (1 à 3) permettent de comprendre que la production d’énergie électrique, à partir de combustibles fossiles ou de biomasse, met en jeu une réaction de combustion qui est à l’origine de l’émission de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques. Les documents de la page de droite (4 et 5) mettent en évidence les conséquences négatives sur la santé humaine, de la présence de ces polluants dans l’air.

Durée estimée : 2 h Différenciation - Aide 1 (doc. 3) : le lien vers le site Atmofrance (https://atmo-france.org) permet de de consulter en temps réel la qualité de l’air près de chez soi. On peut également avoir accès à des banques de données atmosphériques (open data) par région et par année, consultables en lignes et téléchargeables (format CSV). On peut envisager de suivre l’évolution de certains polluants sur plusieurs années dans une station données ou de comparer la pollution atmosphérique pour une station en zone urbaine et une station en zone rurale. - Aide 2 question 4 : des liens et prolongements peuvent être envisagés avec le chapitre 8 concernant des exemples de choix énergétiques effectués en France et en Grande-Bretagne, avec un débat autour du choix du nucléaire en France.

Réponses aux questions 1. Pour produire de l’électricité, on brûle du combustible fossile (pétrole, gaz, charbon) ou du bois (doc. 1). Cette combustion libère du CO2 (doc. 2 et 3), gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique, et des substances polluantes nocives. Parmi celles-ci, on retrouve des suies, des particules fines et des gaz NO, NO2, SO2 (doc. 3). 2. Pour obtenir la masse de CO2 produit par unité d’énergie (c’est-à-dire par kWh), on divise la masse de CO2 produit lors de la combustion de 1 kg de combustible par le pouvoir calorifique de ce combustible. On obtient alors le tableau de résultats suivant : Combustible Fioul domestique Gaz propane ou butane Charbon Bois

Masse de CO2 émise par kWh produit (g / kWh) 3 600 12 3 750 13,7 3 400 8,9 1 950 5,5

= 300,0 = 273,7 = 382,0 = 354,5

Le charbon est le combustible qui émet le plus de CO2 par unité d’énergie produite. On en déduit que c’est la source d’énergie la plus polluante. 3. La combustion de carburants fossiles ou de biomasse produit des polluants atmosphériques tels que les microparticules, le dioxyde de soufre SO2, le dioxyde d’azote NO2, et l’ozone O3. Des études épidémiologiques ont montré que ces composés chimiques ont des effets négatifs sur la santé humaine. Les particules fines, notamment issues du trafic routier (combustion de gazole et d’essence dans les moteurs thermiques), ont des impacts sur les appareils respiratoire et reproducteur et sur le système nerveux central. Plusieurs études ont montré une association probable entre les PM2,5 et les atteintes cardiovasculaires et neurologiques. De même pour le carbone suie, des études ont prouvé la causalité de ce composé dans des décès. 4. La combustion des produits pétroliers dont l’essence et le gazole, utilisés dans les moteurs thermiques du trafic routier, ou encore l’utilisation du charbon dans les centrales thermiques à flammecombustion pour produire de l’énergie électrique, émettent des particules fines, du NO, du NO2 et du SO2 qui sont responsables de nombreux impacts négatifs sur la santé comme montré précédemment (doc. 4 et 5). On peut donc en déduire que la production d’énergie par combustion a un fort impact sur la santé humaine. Pour réduire cet impact, on peut envisager différentes solutions : diminuer la demande énergétique, réduire la production

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Thème 1● Science, climat et société d’énergie par combustion (combustibles fossiles ou biomasse) et favoriser les sources d’énergies renouvelables et non polluantes (hydraulique, solaire, éolien, géothermie, etc.), utiliser des filtres pour réduire la pollution aux particules fines, etc. Actualités sciences Il est abordé ici un exemple de l’impact de la pollution atmosphérique sur la santé humaine avec notamment les impacts sur le fœtus. On peut proposer aux élèves d’effectuer une recherche plus approfondie sur le sujet ou sur l’un des effets sur la santé, évoqué dans l’activité.

③ L’empreinte carbone des activités humaines Les savoirs du BO L’empreinte carbone d’une activité́ ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

- Document 3 : l’agroforesterie constitue une alternative aux pratiques culturales classiques : quel est son impact sur l’empreinte carbone ? La vidéo en hatier-clic (hatier-clic.fr/est088b) permet d’apporter des éléments de réponse. - Documents 1 à 3 : Quels choix alimentaires pouvons-nous faire pour limiter l’empreinte carbone ?

Équipe B - Documents 1 et 5 : Quel est l’impact sur la libération de CO2 de chacune de ces étapes ? Quelles sont les conséquences des trajets entre les différents sites impliqués dans la production sur l’empreinte carbone ? - Document 6 et 7 : Quels choix de mode de transport pouvons-nous faire pour limiter l’empreinte carbone ? - Document 7 : Pourquoi le véhicule électrique présente-t-il un intérêt indéniable mais qui est à nuancer ? À comparer avec l’empreinte carbone d’un véhicule électrique en France* hatier-clic (hatier-clic.fr/est089a).

Les savoir-faire du BO - Comparer sur l’ensemble de leur cycle de vie les impacts d’objets industriels (par exemple, voiture à moteur électrique ou à essence). - À partir de documents, analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimiser ou la compenser

Commentaires pédagogiques À l’échelle individuelle, nos choix alimentaires ou encore nos modes de transport ont un impact sur la libération de CO2. Cette activité permet de déterminer l’origine de l’empreinte carbone individuelle et à des solutions alternatives.

Durée estimée : 1 h Différenciation Équipe A - Documents 1 et 5 : Quel est l’impact sur la libération de CO2 de chacune de ces étapes ? Quelles sont les conséquences des trajets entre les différents sites impliqués dans la production sur l’empreinte carbone ? - Document 1 : le schéma en hatier-clic (hatierclic.fr/est088a) associé à ce document est imprimable et permet à l’élève d’élaborer son ou ses propre(s) scénario(s) de diminution de l’empreinte carbone. - Document 2 : comparer la quantité de CO2 libérée par un produit d’origine végétale et pour un produit d’origine animale ; mais également entre différents produits d’origine animale.

*Remarque : dans cette comparaison, il faut tenir compte de l’origine de l’électricité utilisée dans les véhicules électriques. En France, elle est majoritairement d’origine nucléaire (71,7 % en 2018, en métropole) ce qui diminue l’empreinte carbone mais soulève d’autres problèmes (voir chapitre 8). https://www.connaissancedesenergies.org/bilanelectrique-de-la-france-que-retenir-de-2018-190214 - Penser la science p. 94-95 : cette double page permet d’amener une réflexion supplémentaire sur la question du reboisement comme solution afin de diminuer notre empreinte carbone.

Réponses aux questions Équipe A Le document 1 nous montre différentes étapes dans la production d’un aliment : depuis la préparation du terrain agricole jusqu’à l’emballage et la distribution du produit transformé. Chacune de ces étapes s’accompagne de la libération de CO2 (combustion de ressources énergétiques des tracteurs dans les champs, pour le transport des denrées alimentaires par avion ou par bateau, production des emballages plastiques, etc.). Le document 2 nous montre que de façon générale, la production de viande libère nettement plus de CO2 que celle d’aliments d’origine végétale. Selon les viandes, cette libération est différente, ainsi la production d’un kg de viande d’agneau libère près de 9 fois plus de CO2 que la production d’un kg de poulet.

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Thème 1● Science, climat et société Le document 3 présente une alternative aux pratiques agricoles traditionnelles, à travers l’agroforesterie qui consiste à associer différentes cultures sur plusieurs niveaux afin d’optimiser les productions. On remarque que la quantité de ressources alimentaires produites est la même, en revanche, ce système permet de produire en parallèle de la biomasse qui servira de ressource énergétique. Cette pratique présente l’avantage de stocker davantage de carbone dans le sol et dans la biomasse et diminue donc le taux de CO2 atmosphérique. Nos choix alimentaires ont ainsi des conséquences non négligeables sur la libération du CO2. La prise en compte de l’ensemble des étapes qui ont conduit un produit alimentaire dans nos assiettes, renseigne sur les nombreux impacts en termes d’empreinte carbone. Une diminution de la consommation de viande, au profit d’une proportion plus importante d’aliments d’origine végétale, le recours à d’autres pratiques culturales pour stocker davantage de carbone ou encore favoriser les produits locaux, via les circuits d’approvisionnements courts sont des solutions alternatives durables.

Équipe B Le document 6 présente les émissions moyennes de CO2 par personne en fonction des moyens de transports utilisés. La voiture est, de loin, le principal moyen de transport utilisé par les français et est le moyen de transport qui libère le plus de CO2. On note une faible émission de CO2 par les transports en commun, en moyenne : 70 g de CO2 par personne et par km, moins de 10g de CO2 par personne et par km pour le TGV contre 260 g de CO2 par km par personne pour les déplacements eu automobile dans les heures de pointe. La libération de CO2 liée à l’utilisation des véhicules (voitures, motos, etc.) n’est pas la seule à prendre en compte. En effet, le document 5 montre également les différentes étapes d’extraction d’énergie, de matières premières pour construire les véhicules mais également les routes et les entretenir. Chaque déplacement entre les sites d’extraction de matières premières, d’énergie, les sites de transformation, les sites d’assemblages, les sites de distribution est à l’origine de libération de dioxyde de carbone. Cette empreinte carbone réalisée conduit à chercher des solutions alternatives. L’utilisation de la voiture électrique présente un réel intérêt (doc. 7). Les moteurs électriques ne réalisent pas de combustion de ressources énergétiques fossiles et libèrent moins de CO2 que les voitures à moteur thermique.

La libération de CO2 est liée à la consommation d’électricité lors des périodes de recharge. Cependant, cet avantage est à nuancer car : - la production des batteries nécessaires aux véhicules électriques est à l’origine d’une importante production de CO2 - la moindre émission de CO2 par les véhicules électriques devient vraiment intéressante par rapport aux véhicule thermiques pour une utilisation sur de longs trajets (450 000 km). - la production d’électricité est plus ou moins émettrice de CO2 selon son origine (nucléaire, renouvelable ou thermique).

Mutualisation Dans les deux exemples, on voit que selon nos choix alimentaires ou de nos modes de transport, on peut avoir une empreinte carbone plus ou moins marquée. Pour quantifier cette empreinte, il faut prendre en compte non seulement la libération de CO2 lors de l’exploitation ou la consommation directe d’un produit, mais il faut également prendre en compte l’ensemble du cycle de production. Science et société Pour enrichir cette activité, on peut diriger la réflexion vers une autre façon de diminuer notre empreinte carbone tout en préservant l’environnement (en réduisant les déchets) et les matières premières de notre planète qui ne sont pas inépuisables. Il s’agit de l’économie circulaire qui est basée sur la réutilisation et le recyclage des produits de consommation. https://www.ademe.fr/expertises/economiecirculaire https://institut-economie-circulaire.fr/economiecirculaire/

④ Scénarios de la transition écologique Les savoirs du BO Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus fragiles. Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision. Les mesures d’adaptation découlent d’une analyse des risques et des options pour y faire face.

Les savoir-faire du BO - Analyser l’impact de l’augmentation du CO2 sur le développement de la végétation. - Analyser des extraits de documents du GIEC ou d’accords internationaux proposant différents scénarios.

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Thème 1● Science, climat et société

Commentaires pédagogiques L’activité est organisée en 2 parties : - La page de gauche contient des documents traitant des scénarios établis par le GIEC, de l’Accord de Paris et de la difficile transition écologique à l’échelle des pays. Le document 6 de la page de droite peut y être ajouté pour faire le lien entre l’évaluation scientifique des conséquences du réchauffement climatique (aléas) et les prises de décisions des États pour en limiter les risques (transition écologique). - La page de droite contient des documents qui permettent d’aborder quelques conséquences du réchauffement climatique affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains dans le futur, selon les scénarios envisagés.

Durée estimée : 2 h Peut-être prévoir une lecture des documents à la maison avant la séance pour gagner du temps.

Différenciation - Documents 1 et 3 : d’après les documents et vos connaissances, vers quel(s) scénario(s) a-t-on le plus de probabilités de se diriger à l’horizon 2050 ? 2100 ? (utiliser également les informations du document hatier-clic : hatier-clic.fr/est090b). - Documents 1, 2 et 6 : expliquer comment les scénarios décrits par le GIEC peuvent orienter les prises de décisions des États. - Document 4 : expliquer la notion de réfugié climatique. Décrire en quoi il s’agit d’une conséquence des aléas liés au réchauffement climatique. - Document 5 : identifier quelques impacts de l’augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère sur la sécurité alimentaire mondiale (voir aussi exercice 17 p. 80). - Document 7 : prévoir un impact majeur du réchauffement climatique sur les écosystèmes méditerranéens. Peut-on en faire une projection sur l’ensemble de la biodiversité mondiale ? (voir aussi activité 3 chapitre 3, activité 4 chapitre 9 et hatierclic : hatier-clic.fr/est091).

Réponses aux questions Tâche complexe avec aide pour les documents 1 à 7. ► À partir de l’ensemble des documents, relever les aléas induits par le réchauffement climatique en fonction des différents scénarios envisagés. Quels sont les risques encourus par les écosystèmes et les populations humaines ?

Un aléa est un événement plus ou moins prévisible. Le réchauffement climatique induit des aléas déjà identifiés aujourd’hui et d’autres probables à venir. Ils sont envisagés et évalués en fonction de l’évolution des émissions anthropiques des gaz à effet de serre. Le GIEC, Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat, a proposé 4 scénarios d’augmentation de température moyenne du Globe en fonction de l’évolution des émissions de GES. Le document 1 définit ces scénarios allant de +0,3 °C pour le plus optimiste (globalement irréalisable au regard des informations actuellement connues) à +4,8 °C pour le plus pessimiste, c’està-dire si les émissions de GES se prolongent au rythme actuel. De nouveaux modèles publiés plus récemment par des scientifiques français prévoient une augmentation jusqu’à +7 °C. Le document 6 explique que c’est grâce à une vaste gamme d’outils d’analyse pour l’évaluation des risques et des conséquences du réchauffement climatique qu’il est possible de prendre des décisions adéquates pour limiter les changements climatiques et leurs effets. Ceci est illustré dans le document 2 qui résume l’Accord de Paris lors de la COP21 en 2015, premier accord mondial sur le climat ratifié par 195 pays. Les résolutions de cet accord ont été prises en regard des rapports du GIEC, des évaluations économiques de chaque pays et des efforts consentis par les États. Dans le document 3, on constate que 5 ans plus tard, les efforts de bon nombre de pays signataires ne sont pas à la hauteur des ambitions affichées en 2015. Les efforts de réduction des émissions de GES sont insuffisants vis-à-vis de l’enjeu et de l’objectif de +2 °C. À partir des scénarios du GIEC, des études ont été menées pour prévoir les conséquences du réchauffement climatique sur les écosystèmes et les populations humaines (https://www.mondediplomatique.fr/cartes/vulnerabilite-climat). Dans le document 4, il est question de réfugiés climatiques. L’augmentation de la température moyenne de la planète a de nombreuses conséquences sur les habitats terrestres. En effet, elle se traduit par une augmentation du dégel de la calotte glaciaire et du pergélisol, ceci implique une augmentation du niveau des mers. Cette élévation submerge de plus en plus de terres, à commencer par des îles très vulnérables, entraînant la disparition d’habitats humains et d’écosystèmes entiers. Autre conséquence grave, l’augmentation des évènements climatiques extrêmes tels que les cyclones et les inondations, dévastant des territoires habités. Enfin, la chaleur se traduit par une augmentation des zones de désertification, privant les populations

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Thème 1● Science, climat et société d’agriculture et les obligeant à se déplacer. Toutes ces conséquences directes du dérèglement climatique sur de nombreuses régions du globe poussent les populations à fuir, devenant ainsi des réfugiés climatiques. On estime à 150 millions le nombre de réfugiés climatiques autour de 2050. Et à terme, on peut facilement imaginer les conflits armés qui pourraient en découler. Qui dit perte d’habitats dit perte de biodiversité. Le document 7 issu d’un rapport de l’ONG WWF présente le pourcentage d’espèces pour lesquelles est projeté un risque d’extinction dans l’écorégion Méditerranée, selon trois scénarios d’augmentation de température (+2 °C + 3,2 °C et +4,5 °C). Si l’humanité réussit à maintenir une augmentation de 2 °C, on estime une perte de biodiversité de cette région entre 21 et 36 % en fonction des taxons. Dans le scénario le pire, ici de +4,5 °C, la perte serait comprise entre 49 et 69 %. Le nombre d’espèces en risque d’extinction augmente avec la température. Il est pertinent de penser que ceci est extrapolable à l’ensemble des écosystèmes de la planète, y compris les écosystèmes marins (activité 3, chapitre 3). Enfin, le document 5 aborde la question de l’insécurité alimentaire. À partir d’une étude, on comprend que l’augmentation du CO2 atmosphérique induit une baisse significative des rendements sur les végétaux testés (blé, soja, riz et maïs), que ce soit en région tempérée ou tropicale. Une autre étude a mis en évidence que les teneurs en fer et en zinc du blé, du riz, des pois et du soja évalués sont significativement plus faibles dans un milieu à concentration élevée de C02 (550 ppm). De plus, une teneur plus basse en protéines est mentionnée pour le blé et le riz. Ainsi, ces études montrent que les émissions de CO2 ont un effet négatif sur les rendements agricoles et la valeur nutritionnelle des végétaux cultivés. Ceci menace sérieusement la sécurité alimentaire mondiale (exercice 17 p. 80). En conclusion, il paraît évident que le réchauffement climatique a et aura dans les années à venir un impact fort et négatif sur les écosystèmes mondiaux et les populations humaines. Penser la science Des études tendent à montrer que l’augmentation du taux de CO2 atmosphérique diminuerait la valeur nutritive de certaines espèces cultivées. Il est possible de faire réfléchir les élèves sur ce paradoxe, en faisant réémerger le lien entre CO2 atmosphérique, photosynthèse et croissance des végétaux. Des prolongements peuvent être envisagés avec les élèves de spécialité SVT.

https://www.futurasciences.com/planete/actualites/rechauffementclimatique-hausse-co2-atmospherique-reduiraqualite-aliments-base-68160/ https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10.1289/ehp41 (site en anglais)

Penser la science

p. 94 à 95

Les savoirs du BO « Contribuer au développement en chaque élève d’un esprit rationnel, autonome et éclairé, capable d’exercer une analyse critique face aux fausses informations et aux rumeurs. »

Commentaires pédagogiques Cette double page interroge la pertinence de planter des arbres pour limiter les effets du dérèglement climatique. Il s’agit de donner aux élèves des éléments concrets d’analyse en s’appuyant sur des éléments qu’ils ont explorés dans les chapitres précédents, notamment le cycle du carbone du chapitre 1. Tous les documents ne prétendent pas répondre à la question posée. De cette façon, l’enseignant peut choisir d’en poser d’autres connexes.

Scénario pédagogique possible Partir de l’image proposée ou d’un fictif projet de club nature dans votre lycée qui inciterait les élèves à planter les arbres pour limiter le changement climatique. Possibilité de scinder la classe en deux en leur proposant de réfléchir aux impacts d’une telle initiative à court (échelle d’une vie humaine) ou à long terme (200 ans au moins).

Durée estimée : 90 min Réponses aux questions Pour limiter notre empreinte carbone globale, il faudrait être capable de réabsorber les 11 Gt de carbone que les humains émettent dans l’atmosphère chaque année. Les arbres absorbent le CO2 et l’assimilent sous forme de carbone organique qu’on retrouve dans la biosphère terrestre. Donc en phase de croissance, les arbres constituent un puits de carbone. À court terme (considérons les 100 premières années de leur cycle de vie), les forêts sont capables d’absorber une partie de nos émissions de CO2. Mais il ne faut pas perdre de vue que l’écosystème forestier est globalement à l’équilibre entre sa production et sa consommation de CO2 et d’O2 (voir Penser la science p. 40).

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Thème 1● Science, climat et société L’article de Science de juillet 2019 indique qu’il existerait sur Terre une capacité de reboisement sur 0,9.109 ha, soit l’équivalent environ de la surface des USA. On estime à 11 Gt la quantité de carbone émise chaque année dans l’atmosphère par les activités anthropiques. Comme la moitié est réabsorbée par les océans, les sols et la végétation, il reste 5,5 Gt de carbone dans l’atmosphère. Calcul de la superficie de forêts qu’il faudrait planter pour absorber 5,5 Gt de CO2 dans l’atmosphère On sait que 1 ha de forêt en croissance séquestre 2 t/an de carbone, donc 5,5.109 tonnes de CO2 peuvent être absorbées chaque année par 5,5 × 109 = 2 9 2,75 × 10 0,9 × 109

2,75.109 ha ce qui représente environ

≈ 3 fois la superficie des États-Unis. Il

faudrait donc planter l’équivalent de 3 fois la surface des États-Unis pour compenser nos émissions de CO2 non recyclées naturellement. Et il faudrait donc planter 6 fois la surface des États-Unis si on voulait réabsorber la totalité des émissions de CO2 anthropiques soit 11 Gt/an (et en considérant que ce chiffre n’augmente pas au cours des années à venir). Par ailleurs, les conifères sont les espèces les plus adaptées pour assimiler rapidement le CO2 atmosphérique mais ils ne poussent pas sous toutes les latitudes ni sous tous les climats du monde. Parallèlement à des études scientifiques qui s’interrogent sur la capacité mondiale de reboisement, il est à noter que les humains continuent globalement chaque année de déforester la planète pour leurs besoins économiques, à raison de 5,3∙106 ha / an. Rétroactions négatives dues à la reforestation On considère dans le précédent calcul que les arbres seraient plantés sur des surfaces nues, ce qui est bien sûr un raccourci erroné : il faut tenir compte du différentiel entre le CO2 absorbé sur le sol précédent et le CO2 absorbé ensuite par de nouvelles essences forestières. Ainsi, une forêt tempérée plantée sur un sol de prairies tempérées absorbera moins de CO2 que l’écosystème de prairie qui accumule beaucoup de carbone dans ses sols sous forme de matière organique morte. Par ailleurs, le couvert végétal vert foncé peut modifier l’albédo de la surface qu’il occupe en le diminuant. Mais cet effet « réchauffant » peut aussi, par exemple, être contrebalancé par l’évapotranspiration des végétaux (plus ou moins importante selon le type de forêts) qui génère une humidité locale, source de fraîcheur.

Pour aller plus loin https://science.sciencemag.org/content/365/644 8/76 https://www6.inrae.fr/ciag/content/download/63 05/46333/file/Vol62-4-Ceschia.pdf https://www.slf.ch/fr/projets/foret-et-climat.html https://tel.archives-ouvertes.fr/tel02056315/document https://www.pseudo-sciences.org/Foret-tropicaleforet-boreale-un-impact-oppose-sur-le-climat Quoiqu’il en soit, ces différents documents ont été choisis pour amener les élèves à s’interroger sur les nombreuses interactions qui contrôlent actuellement le climat de notre planète. Pour toutes ces raisons, on perçoit donc que la plantation d’arbres ne pourra pas être une solution à long terme au problème du changement climatique. Sans compter que le réchauffement provoque des épisodes de stress hydrique qui inhibent la croissance des végétaux voire les tuent. Il faut donc agir en amont et limiter drastiquement et rapidement nos émissions de GES.

Exercices

p. 96 à 99

1 a. Faux. La principale source d’énergie mondiale est une énergie sous forme de stock (pétrole, charbon, gaz naturel). b. Faux. L’électricité n’est pas une énergie primaire. c. Vrai. d. Vrai. e. Faux. La combustion de carburants fossiles émet des particules fines, du monoxyde d’azote, du dioxyde d’azote, du dioxyde de carbone et des suies. 2 La combustion des ressources fossiles permet de produire 85 % de l’énergie mondiale. Cette production génère des gaz à effet de serre dont le CO2 et d’autres substances toxiques pour l’environnement et la santé humaine. - À l’échelle planétaire, l’émission importante de GES dans l’atmosphère est à l’origine de l’accentuation de l’effet de serre et ainsi du réchauffement climatique. - À l’échelle des populations, le réchauffement climatique a un impact négatif sur la perte d’habitats. En effet, l’augmentation des catastrophes climatiques, la montée des eaux et l’accroissement des zones de désertification sont à l’origine de milliers de réfugiés climatiques. De plus, l’insécurité alimentaire s’accroît à cause des sécheresses qui mettent en péril les cultures.

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Thème 1● Science, climat et société - À l’échelle de la biodiversité, de nombreuses espèces disparaissent du fait de l’augmentation de la température et de la perte d’habitats. - Enfin à l’échelle de l’individu, la combustion génère des polluants atmosphériques qui ont un impact négatif sur la qualité de l’air et la santé humaine. Des maladies respiratoires, cardiovasculaires et neurologiques sont liées à cette pollution. 3 1. Parmi les énergies disponibles sous forme de stock, on trouve : a. les courants marins. 2. L’affirmation correcte à propos de l’empreinte carbone est : b. l’empreinte carbone d’un objet est la masse de CO2 produite lors de sa fabrication et de son utilisation. 4 La consommation énergétique est très inégalement répartie à l’échelle de la planète car en effet, les pays riches, principalement dans l’hémisphère Nord sont les principaux consommateurs à l’échelle mondiale. 5 1. Cette pollution a pour origine principale la combustion des ressources fossiles par les moteurs thermiques des voitures. 2. Cette dégradation de la qualité de l’air (due aux aérosols, suies, etc.) peut être à l’origine de problèmes respiratoires, particulièrement chez les individus à risques (asthmatiques, personnes âgées, etc.). 3. Un ralentissement induit une consommation moindre du carburant et donc une libération moins importante de polluants. 6 1. - Consommation électrique annuelle estimée liée à l’utilisation du radio réveil : 24 × 365 × 10 = 87 600 Wh, soit en divisant par 1 000 : 87,6 kWh. - Consommation électrique annuelle estimée liée à l’utilisation de l’aspirateur : 2 × 52 × 2 000 = 208 000 Wh, soit en divisant par 1 000 : 208 kWh. - Consommation électrique annuelle estimée liée à l’utilisation d’une console de jeu vidéo : 1 × 365 × 165 = 60 225 Wh, soit en divisant par 1 000 : 60,225 kWh. 2. Consommation électrique annulée estimée liée à une utilisation quotidienne d’1 h 15 d’une console de jeu vidéo, d’une puissance de 165 W (15 minutes représentent 0,25 h) : 1,25 × 365 × 165 = 75 281,25 Wh soit 75,28 KWh. 7 Correction dans le manuel

8 1. - Part de l’énergie provenant de la combustion de la bagasse par rapport aux sources d’énergie locales : 80,6 (80,6 + 4,3 + 0,6 + 23,7 + 21,8 + 51,7 + 1,1)

× 100

= 43,85 %. - Part de l’énergie provenant de la combustion de la bagasse par rapport à l’ensemble des sources d’énergie utilisées à la Réunion : 80,6 1 441

× 100 = 5,59 %.

2. La bagasse constitue une valorisation énergétique originale car elle n’est pas produite dans le but de produire de l’électricité. Il s’agit d’un résidu agricole obtenu après extraction du jus, qui au lieu d’être « jeté », est exploité pour la production d’énergie électrique. On peut ainsi exploiter à 100 % la biomasse produite. 3. Bien que la combustion de la bagasse émette des gaz à effet de serre, son utilisation présente deux avantages : - la canne à sucre est produite en grandes quantités et rapidement : il s’agit donc d’une ressource énergétique renouvelable. - la production est locale et donc permet d’importer moins de ressources énergétiques fossiles dont le transport libère des quantités importantes de gaz à effet de serre. 9 1. Ces biocarburants peuvent être produits en grandes quantités et rapidement : ce sont des énergies renouvelables à l’échelle de vie humaine et ne sont donc pas épuisables. 2. L’utilisation de l’huile de palme comme biocarburant fait polémique car : - son utilisation par libère trois fois plus de gaz à effet de serre que celle des ressources énergétiques fossile. - sa production nécessite l’exploitation de trop grandes surfaces agricoles, permises par une déforestation massive entraînant la destruction de ces écosystèmes forestiers, abritant une grande diversité d’espèces. Ce changement à grande ampleur de l’usage des sols, contribue fortement au mauvais bilan des émissions de GES liés à l’utilisation de l’huile de palme comme biocarburant. 10 1. Le 06/03/20 à 12 h 22, l’intensité carbone de la production d’électricité en France était de 50 g d’équivalent CO2 par kWh produit alors qu’elle était de 227 g en Allemagne. 2. Du côté français, 93 % de la production est bas carbone (dont 29 % renouvelable) contre 72 % en Allemagne (dont 59 % renouvelable). En détaillant

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Thème 1● Science, climat et société les sources de production électrique, on peut expliquer cet écart important : - En France, le mix énergétique est principalement composé de nucléaire (45 gW), d’éolien (15 gW) et d’hydraulique (10 gW), faibles émetteurs de CO2 et seulement 5 gW de gaz. - En Allemagne, l’électricité provient principalement de l’éolien (28 gW) complété de charbon (10 gW), de biomasse (7,5 gW) et de gaz (6 gW) très émetteurs de GES et très peu du nucléaire (9 gW). 3. Voir les informations en temps réel sur ElectricityMap. 11 1. Depuis la fin des années 90 (1997), l’indice de printemps correspondant à l’apparition des fleurs et des feuilles de certains végétaux printaniers, est qualifié de précoce. En effet, sa date est avancée de 3 jours en moyenne entre 1997 et 2004. Entre 2004 et 2006, on constate un retour à la normal puis de nouveau une précocité marquée. 2. Avant les années 1990, on constate que le maximum d’abondance des oisillons se situe autour du 10 juin et que le maximum d’abondance des chenilles se situe à la même date. Or, on sait que les oisillons se nourrissent principalement de chenilles. La synchronisation de leur abondance s’explique donc par une relation trophique. 3. Le printemps est de plus en plus précoce depuis les années 1990, ceci signifie que les fleurs et les feuilles apparaissent plus tôt. Les chenilles se nourrissant de feuilles apparaissent plus tôt, se synchronisant sur les végétaux. De plus, on constate que la ponte est avancée elle aussi et donc l’arrivée des oisillons. Cette dernière n’est pas suffisamment décalée pour être toujours synchronisée avec les chenilles. Pour aller plus loin, on peut demander aux élèves quelle est la conséquence directe de cette désynchronisation : une moindre abondance de nourriture pour les oisillons et donc probablement une diminution de leur population. Ceci se vérifie avec la baisse importante du nombre d’oiseaux sur le territoire français ces dernières années.

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Thème 2 – Le futur des énergies Introduction Chapitre

Activité

Chapitre 5 Deux siècles d’énergie électrique

Activité 1 Les premiers pas de l’énergie électrique (activité expérimentale) Activité 2 De l’éclairage public à l’atome quantique (activité documentaire) Activité 3 De l’atome au matériau semi-conducteur (tâche complexe) Activité 4 Fonctionnement optimal d’un capteur photovoltaïque (activité expérimentale/travail en équipe)

Chapitre 6 Obtenir de l’énergie électrique sans combustion

Activité 1 De l’énergie électrique sans combustion (activité documentaire/classe inversée) Activité 2 Accumulateurs et piles (activité documentaire) Activité 3 Le rendement d’une centrale électrique (tâche complexe) Activité 4 Risques et impacts sur l’environnement (activité documentaire/travail en équipe) Activité 5 Différents dispositifs de stockage de l’énergie (activité documentaire)

Chapitre 7 Optimisation de transport de l’électricité

Activité 1 Analyse du réseau électrique français (activité documentaire) Activité 2 Modélisation expérimentale (activité expérimentale) Activité 3 Modélisation graphique pour optimiser un réseau (activité documentaire)

Chapitre 8 Choix énergétiques et impacts sur les sociétés

Activité 1 Vers une étude systémique de la Terre (activité documentaire) Activité 2 L’exemple du nucléaire français (activité documentaire/débat) Activité 3 Deux exemples de choix énergétiques (activité documentaire/travail en équipe)

Commentaires Prérequis : - conducteurs et isolants (PC, cycle 4) - alternateur, centrales électriques, sources d’énergie (PC, cycle 4) - pile électrochimique (PC, cycle 4) - caractéristique d’un dipôle (PC, cycle 4 et 2de), point de fonctionnement (PC, 2de) - grandeurs électriques : I, U, R, P, E (PC, cycle 4 et 2de) - lois de l’électricité (PC, cycle 4 et 2de) - effet Joule (PC, cycle 4) - énergies cinétique, potentielle (PC, cycle 4 et 2de) - spectres de raies d’émission (PC, 2de) - diagramme énergétique, conversion d’énergie (PC, cycle 4) - graphe orienté (SNT, 2de) - risques naturels (SVT, cycle 4 et 2de) Limites : - la loi de Faraday est hors-programme - aucune expression d’énergie stockée par un système donné n’est exigible - la notion de facteur de puissance est horsprogramme Outils mathématiques utilisés : - calculs : puissances de 10, conversions - fonctions - fonction polynôme de second degré - lecture graphique - calcul littéral - modélisation à l’aide d’un graphe orienté Lien avec les programmes des spécialités de Terminale : - interaction photon-matière, rendement d’une cellule photovoltaïque (spécialité PC) - comprendre les conséquences du réchauffement climatique et les possibilités d’action (spécialité SVT)

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Thème 2 ● Le futur des énergies

5. DEUX SIÈCLES D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Introduction Ce chapitre est le premier chapitre du thème 2, Le futur des énergies. Il retrace de manière succincte l’historique de l’alternateur et des capteurs photovoltaïques, en passant par la naissance de la mécanique quantique nécessaire pour interpréter les spectres de raies d’émission des atomes. Cette interprétation a ensuite mené à l’émergence de nouveaux matériaux que sont les semiconducteurs. L’activité 1, activité documentaire et expérimentale guidée, s’intéresse à l’aspect historique de l’alternateur, sa constitution, son fonctionnement et quelques-unes de ses propriétés électriques au travers d’une activité expérimentale. L’activité 2, activité documentaire, introduit la physique quantique via le début de l’éclairage public initié par le développement d’alternateurs industriels au XIXe siècle. La vision quantique permet d’interpréter les spectres de raies des atomes en introduisant la notion de quantification des états d’énergie d’un atome. L’activité 3, tâche complexe, montre comment la quantification des états d’énergie des atomes a permis le développement des matériaux semiconducteurs à base de silicium pour la mise au point de capteurs photovoltaïques. L’activité 4, activité expérimentale en équipes, s’intéresse au fonctionnement optimal d’un capteur photovoltaïque à l’aide de sa caractéristique courant-tension et de son exploitation.

Activités

p. 110 à 117

① Les premiers pas de l’énergie électrique Commentaires pédagogiques Il serait intéressant de préciser aux élèves que d’autres scientifiques (Ampère, Œrsted, Tesla, etc.) ont contribué, par l’apport de leurs découvertes, au développement de l’alternateur. Le professeur indiquera aux élèves l’existence d’autres dispositifs fournissant de l’énergie électrique. Une partie de ces générateurs sera étudiée dans le chapitre suivant. Des données d’acquisition de la tension électrique aux bornes de l’alternateur sur deux ou trois périodes sont suffisantes pour son exploitation. En effet, un nombre de période plus grand pourrait présenter des variations d’amplitude d’une période

à l’autre. Pour minimiser ces variations d’amplitude, il est nécessaire d’abord de tourner la roue d’entrainement (élève 1) pour atteindre une vitesse de rotation quasi constante puis de lancer l’acquisition (élève 2) sur une centaine de millisecondes. Les questions 1 à 3 permettent aux élèves d’extraire les informations à partir des quatre premiers documents. Néanmoins, lors de la rédaction, ils doivent reformuler leurs réponses. La question 4 exploite le résultat de l’expérience : d’abord qualitativement puis quantitativement par la détermination graphique de la période et le calcul de la fréquence. La fréquence peut dépendre de la vitesse de rotation de la roue d’entraînement. Le professeur pourra compléter cette étude en faisant fonctionner l’alternateur lorsqu’il est connecté à une lampe (3,5 V ; 200 mA, par exemple). Le clignotement rapide de la lampe est dû à la quasi-planéité de la courbe représentant la tension au voisinage de 0 V.

Durée estimée : 1 h à 1 h30 suivant le niveau de la classe Différenciation Les étapes de la numérisation étudiées dans le programme d’enseignement scientifique de première peuvent être réinvesties. Le professeur pourra au préalable faire travailler les élèves en difficulté sur le prérequis 4 du chapitre en insistant notamment sur le motif élémentaire et les unités à utiliser. Selon le niveau de la classe, le professeur peut discuter avec les élèves le choix des paramètres d’acquisition.

Réponses aux questions 1. L’induction électromagnétique correspond à l’apparition d’un courant électrique dans un fil conducteur fermé sur lui-même lorsque qu’un aimant se déplace à proximité. Si le circuit est ouvert, il apparaît une tension électrique entre les deux extrémités du fil. 2. Les deux éléments principaux d’un alternateur sont un aimant et une bobine de fil conducteur. 3. Le rendement d’un alternateur peut être influencé par les frottements ou les pertes par effet Joule. 4. La tension prend des valeurs alternativement positives et négatives : elle est alternative. La variation de cette tension est constituée d’un motif élémentaire qui se reproduit identique à lui© Éditions Hatier, 2020. 47

Thème 2 ● Le futur des énergies

même au cours du temps : la tension est périodique. La durée du motif élémentaire est d’environ : 𝑇𝑇 = 30 ms = 3 × 10−2 s or la fréquence est égale à 𝑓𝑓 =

1

𝑇𝑇

d’où 𝑓𝑓 =

1

3×10−2

Tension (en V) 10 7,5 5 2,5 0 –2,5 –5 –7,5 10 ms –10 25 0

≈ 33 Hz. T

Un motif élémentaire 50

75

100 Temps (en ms)

Remarque : il existe une infinité de motifs élémentaires. 5. Un alternateur est constitué d’un aimant et d’une bobine en mouvement relatif. Penser la science Les travaux de Michael Faraday s’appuient directement sur ceux de Hans Christian Œrsted (1777-1851), physicien et chimiste danois, et ceux d’autres scientifiques. Sans ces prédécesseurs, Faraday n’aurait pas pu découvrir l’induction électromagnétique à cette époque.

② De l’éclairage public à l’atome quantique Commentaires pédagogiques Les élèves doivent s’appuyer sur les documents de l’activité et les citer en référence lors de la rédaction de leurs réponses. Pour certaines questions, il est nécessaire de mettre en relation les documents. Le professeur peut insister sur le fait que le développement des lampes à incandescence pour l’éclairage public (innovation technologique pour l’époque) a finalement abouti à la naissance de concepts nouveaux non anticipés comme ceux de la physique quantique. Pour éviter d’introduire l’électron et la notion de transition électronique, l’atome est décrit comme une particule dont l’énergie totale peut varier de manière discrète. Il serait intéressant de préciser aux élèves que chaque raie du spectre d’émission, caractérisée par une longueur d’onde précise, correspond à une image de la fente rectangulaire du spectroscope d’où la forme géométrique des raies. Plus la fente est étroite, plus la raie est fine. Pour mesurer

l’intensité lumineuse de chaque raie d’émission, il est nécessaire d’utiliser un spectrophotomètre. Le spectre d’émission de raies permet de mettre en évidence un aspect de la physique quantique : la nature discrète des états d’énergie possibles d’un atome. La courbe représentant l’intensité des raies en fonction de la longueur d’onde met en évidence un autre aspect de la physique quantique : la nature probabiliste des transitions d’un état à un état d’énergie plus faible. Suivant les interactions des atomes de mercure avec leur environnement (présence d’autres types d’atomes, pression du gaz, etc.), certaines raies d’émission peuvent être plus moins intenses.

Réponses aux questions 1. L’éclairage public a nécessité l’utilisation de lampes à filament durable. Pour cela, les scientifiques ont étudié les corps chauffés afin de développer des filaments de plus en plus performants. 2. D’après la physique quantique, un atome ne peut exister que dans certains états d’énergie. Le passage d’un atome d’un état d’énergie vers un état d’énergie inférieure s’accompagne de l’émission d’une radiation lumineuse représentée par une raie colorée dans son spectre d’émission. 3. Parmi toutes les transitions, les plus probables donnent lieu à des raies colorées de forte intensité lumineuse contrairement à celles qui sont moins probables. 4. Transition impliquée Longueur d’onde (en nm)

E7→E4

E7→E5

E6→E2

E6→E4

E6→E3

365

579

405

546

436

5. En comparant le spectre de la lampe fluocompacte avec le spectre du mercure, on remarque la présence des raies du mercure à 365 nm, 405 nm et 436 nm. La lampe fluocompacte contient donc du mercure. Penser la science Le modèle atomique de Rutherford n’explique pas la présence de raies dans le spectre d’émission de l’atome. Après avoir reconnu les insuffisances de la physique classique, les scientifiques ont proposé une nouvelle théorie qui prend en compte les connaissances précédentes tout en interprétant les nouvelles découvertes telles que les raies d’émission.

© Éditions Hatier, 2020. 48

Thème 2 ● Le futur des énergies

③ De l’atome au matériau semiconducteur Commentaires pédagogiques Le lien entre le développement des matériaux semi-conducteurs et l’interprétation des spectres d’émission via la physique quantique doit être précisé. Par exemple, c’est à partir des états d’énergie discrets de l’atome de silicium que sont déterminées les bandes d’énergie d’un semiconducteur au silicium. Comme pour l’atome, les propriétés optiques des semi-conducteurs s’expliquent grâce aux lois de la physique quantique. Lorsque l’électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, il ne « traverse » pas la bande interdite. Il passe d’une bande à l’autre par saut quantique : il disparaît de la bande de valence pour apparaître instantanément dans la bande de conduction. Le spectre d’émission du Soleil présente des « creux » ou pics d’absorption pour certaines longueurs d’onde. Ces « creux » sont dus à l’absorption du rayonnement par l’atmosphère. À noter : l’axe des ordonnées des spectres d’absorption des semi-conducteurs étudiés est représenté à l’aide d’une échelle logarithmique décimale pour mieux observer les différences et les seuils au-delà desquels les semi-conducteurs n’absorbent plus le rayonnement (largeur du gap). Les rendements indiqués dans le document 5 sont des rendements obtenus en laboratoire. Les capteurs solaires commercialisés ont des rendements plus faibles.

Différenciation - Aide 1 (doc. 3) : plus le spectre d’absorption d’un semi-conducteur recouvre une grande partie du spectre solaire, plus il est adapté à la fabrication d’un capteur photovoltaïque. - Aide 2 (doc. 4) : plus un élément chimique est abondant sur Terre moins son coût d’exploitation est important. - Aide 3 (doc. 5) : les considérations économiques l’emportent le plus souvent.

Réponses aux questions Tâche complexe avec aides pour les documents 3 à5 ► À partir des documents proposés et en utilisant vos connaissances, rédiger un compte rendu structuré et argumenté pour expliquer pourquoi le silicium est le semi-conducteur préférentiellement utilisé pour la fabrication de capteurs photovoltaïques.

Le fonctionnement des capteurs photo-voltaïques exploite les propriétés optiques et électriques des semi-conducteurs (doc. 1). Les semi-conducteurs absorbent (doc. 3) l’énergie radiative du Soleil (doc. 2) et la convertissent en partie en énergie électrique (doc. 1). Le germanium est celui qui absorbe la plus grande partie de l’énergie radiative du Soleil (doc. 2 et 3) mais son rendement est le plus faible (doc. 5). L’arséniure de gallium et le silicium ont des spectres d’absorption (doc. 3) et des rendements (doc. 5) comparables mais le silicium est largement plus abondant dans la croûte terrestre (doc. 4). Son abondance sur Terre et son rendement important font que le silicium est le semiconducteur le plus utilisé pour la fabrication de capteurs photovoltaïques.

④ Fonctionnement d’un capteur photovoltaïque Commentaires pédagogiques Dans le document 1, la surface active du capteur photovoltaïque n’est pas en face de la source de lumière, pour les raisons pratiques de la prise de vue. Cependant, pour réaliser les mesures expérimentales et obtenir les résultats du document 3, il est nécessaire qu’ils soient en visà-vis. Il peut être nécessaire de préciser aux élèves que le voltmètre et l’ampèremètre utilisés pour l’expérience ne modifient (pratiquement) pas le fonctionnement du circuit. Le cas échéant, le choix des calibres de mesure à sélectionner pour le voltmètre et l’ampèremètre peut être discuté oralement avec les élèves. Pour une meilleure précision, la valeur du calibre choisie doit être juste au-dessus de la valeur à mesurer. Le montage électrique et l’utilisation d’un tableurgrapheur ne doivent pas être un obstacle pour les élèves.

Différenciation - Aide 1 : une fiche méthode sur l’utilisation du voltmètre et de l’ampèremètre peut être distribuée aux élèves. - Aide 2 : fiche méthode sur l’utilisation du tableurgrapheur (voir page 288 du manuel). - Aide 3 : Il peut être nécessaire de rappeler à certains élèves le tableau de conversion d’unités.

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Réponses aux questions

Durée estimée : 40 min par page

Équipes A 1. La caractéristique courant-tension du capteur photovoltaïque ne passe pas par l’origine, il se comporte comme un générateur. 2. Plus l’éclairement sur le capteur est important, plus l’intensité du courant qu’il délivre est grande, contrairement à la tension qui varie peu. Mutualisation : Présentation de l’influence de l’éclairement.

Équipes B [ERRATUM : dans le document qui présente la courbe P = f(R), la graduation de l’axe des ordonnées est erronée. Il faut en effet doubler toutes les valeurs portées sur la graduation. (Malgré toute l’attention que nous apportons à l’édition du manuel, des coquilles peuvent persister jusqu’aux derniers stades de sa réalisation. Nous nous efforcerons de les corriger lors de la prochaine réimpression.)]. 1. D’après le graphique, 𝑃𝑃max = 25 mW (point de la courbe le plus haut). [50 mW] 2. D’après le graphique, la puissance maximale Pmax est atteinte pour R ≈ 80 Ω. Mutualisation : Présentation de l’influence de la valeur de la résistance du récepteur connecté au capteur photovoltaïque.

Bilan Un capteur photovoltaïque fonctionne de manière optimale lorsque l’éclairement au niveau de sa surface est important et que la valeur de la résistance du récepteur auquel il est connecté correspond à la puissance maximale qu’il peut délivrer.

Penser la science

p. 120 à 121

Commentaires pédagogiques Les textes de la page 120 ont pour objectifs d’aider à comprendre comment la science se construit par l’intermédiaire de la revue par les pairs. Les textes de la page 121 permettent de travailler la notion d’imposture intellectuelle, notamment dans certaines dérives thérapeutiques qui utilisent et abusent d’un vocabulaire scientifique sorti de son contexte, ici la physique quantique.

Réponses aux questions Page de gauche L’évaluation du travail scientifique a gagné en efficacité à partir du moment où l’on a commencé à échanger de manière collective et entre experts : les résultats ne sont pas seulement partagés, ils sont aussi évalués : c’est le peer review (revue par les pairs). Celui-ci garantit d’avoir des connaissances non seulement partagées mais également plus fiables puisqu’elles passent entre les mains de relecteurs très attentifs aux erreurs. Mais le peer review, s’il est garant d’une fiabilité accrue des résultats scientifiques, n’est pas exempt de faiblesses : l’obligation pour les chercheurs de devoir publier de plus en plus contraint ceux-ci à parfois à découper leurs travaux en plusieurs parties, et pousse parfois même à la fraude. Les revues « prédatrices » sont également apparues, revues qui ne souscrivent pas à la même rigueur que des revues classiques, publiant sans relecture et vérification. Le financement privé se substituant progressivement au public, les chercheurs peuvent être également tentés de diriger leurs travaux vers des thématiques dont les répercussions sont plus rentables et donc à court terme. La recherche fondamentale peut alors être délaissée. Page de droite Les principaux critères permettant de repérer les discours pseudoscientifiques sont, dans le cadre de ces textes, essentiellement d’ordre textuel : on fera attention aux discours qui veulent vendre un produit ou toute autre pratique à visée thérapeutique « révolutionnaire » et s’appuyant sur un vocabulaire soi-disant scientifique. Certains termes sont à repérer, et doivent nous inciter à chercher avant de payer quoi que ce soit : quantique, énergétique, vibration, équilibre, biorésonnance, neurotraining, onde, hologramme programmé, etc. Et si l’on n’a pas le temps de chercher, mieux vaut suspendre son jugement.

Pour aller plus loin Vidéos sur les publications scientifiques : https://www.youtube.com/watch?v=tBfxnYtV4sc https://www.youtube.com/watch?v=WnxqoP-c0ZE Vidéo et article sur l’imposture intellectuelle : https://www.youtube.com/watch?v=ZSI5IK8Lu8s https://cortecs.org/la-zetetique/effetpaillasson/

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Exercices

p. 122 à 125

1 1. Un alternateur est constitué essentiellement : a. d’un fil de cuivre et d’un aimant. 2. Un alternateur convertit principalement : c. l’énergie mécanique en énergie électrique. 2 1. L’élément qui produit le champ magnétique est l’aimant. 2. L’élément constitué d’un fil conducteur est la bobine. 3 1.

Énergie mécanique (Em)

Alternateur

Énergie électrique (Ee)

Énergie thermique (Et)

2. Le rendement r d’un alternateur est : E

r = E e ≈ 1. m

Les frottements ou les pertes par effet Joule peuvent modifier le rendement. 4 a. Faux. L’émission de lumière par un gaz constitué d’atomes est caractérisée par un spectre de raies. b. Vrai. c. Faux. La physique classique ne permet pas d’expliquer les spectres de raies. 5 1. Les états d’énergie de l’atome sont quantifiés. 2. La raie à 656 nm est la plus intense alors que la raie à 410 nm est la moins intense. 3. La raie la plus intense correspond à la transition la plus probable. 6 1. Les semi-conducteurs sont utilisés pour la fabrication des capteurs photovoltaïques. 2. Un capteur photovoltaïque absorbe l’énergie radiative du Soleil pour la convertir en partie en énergie électrique. 3. Une caractéristique courant-tension représente l’évolution de l’intensité du courant électrique en fonction de la tension électrique. 7 1. Germanium, arséniure de gallium et silicium. 2. Le silicium est plus largement utilisé car il est beaucoup plus abondant dans la croûte terrestre. 8 Correction dans le manuel 9 1. La tension prend des valeurs alternativement positives et négatives, elle est donc alternative.

2. Il existe une partie de la courbe qui se reproduit identique à elle-même au cours du temps, cette tension est donc périodique. 3. La période du signal est T ≈0,03 s . La fréquence est égale à 𝑓𝑓 =

1 T

≈

1 0,03

≈ 33 Hz.

10 1. En 1911, la physique quantique ne fait pas l’unanimité chez les scientifiques. 2. C’est Ernest Solvay qui a organisé les congrès et invité les chercheurs à exposer leurs travaux. Il a donc contribué à l’avancement de la recherche. 3. Niels Bohr défend la physique quantique et sa nature probabiliste alors que Albert Einstein ne croit pas que les lois de la nature soient gouvernées par les probabilités. 11 La représentation (a) correspond à une description classique de l’atome car la position de l’électron est parfaitement connue. La représentation (b) correspond à une description quantique de l’atome car la position de l’électron est décrite par une probabilité de présence dans un certain volume. 12 Le spectre du néon (doc. 2) est composé de nombreuses raies d’émission absentes dans le spectre en intensité de la lampe (doc. 1). Il n’y a donc pas d’atomes de néon dans la lampe. Le spectre en intensité (doc. 1) montre la présence de certaines raies d’émission du mercure (doc. 3). La lampe contient donc du mercure. L’appellation « tube au néon » est trompeuse et non adaptée pour ce type de lampe. 13 1. L’ensoleillement en Allemagne est faible comparé au sud de la France (doc. 1), par exemple. Ce manque d’ensoleillement en Allemagne peut laisser à penser que l’installation de panneaux photovoltaïques n’y est pas propice. 2. L’intensité du courant électrique fourni par un panneau photovoltaïque diminue avec le manque d’ensoleillement (doc. 2) mais la puissance délivrée par le capteur augmente lorsque la température diminue (doc. 3). L’exploitation des panneaux photovoltaïques est donc possible en Allemagne. 3. Un panneau photovoltaïque ne fonctionne pas avec l’énergie thermique du Soleil (chaleur) mais avec l’énergie radiative du Soleil (lumière).

14 1. D’après la loi des tensions, la tension aux bornes d’un ensemble de cinq générateurs identiques et connectés en série est cinq fois plus

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Thème 2 ● Le futur des énergies

grande que celle d’un générateur seul. La caractéristique B correspond donc à cette association en série. 2. D’après la loi des nœuds, la somme des intensités des courants qui arrivent dans un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent. L’association en dérivation de cinq générateurs identiques fournira une intensité plus grande. La caractéristique A correspond donc à cette association en dérivation. 3. L’avantage principal de ce type d’association est de pouvoir ajuster les caractéristiques d’un panneau photovoltaïque selon les besoins. 15 La puissance maximale 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≈ 51 mW délivrée par ce capteur photovoltaïque est atteinte pour une tension égale à 𝑈𝑈0 ≈ 2,1 V. L’intensité du courant correspondante est égale à 𝐼𝐼0 =

𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑈𝑈0

=

51×10−3 2,1

= 0,025 A.

En utilisant la loi d’Ohm, la résistance à utiliser doit être égale à 𝑅𝑅 =

𝑈𝑈0 𝐼𝐼0

=

2,1

0.025

Δ𝐸𝐸2 =

ℎ.𝑐𝑐 𝜆𝜆2

=

soit Δ𝐸𝐸2 =

6,63×10−34 ×3,00×108

589,0×10−9 3,38×10−19 1,6×10−19

≈ 3,38 × 10−19 J

≈ 2,111 eV.

Le même calcul pour ΔE1 donne : ΔE1 ≈ 2,108 eV. 2. ΔE2 = E2 – E0 donc E2 = E0 + ΔE2 E2 = 2,111 – 5,14 = −3,029 eV. Le même calcul pour E1 donne : E1 = −3,032 eV. 3. Diagramme d’état d’énergie simplifié. E2 E1

E0

= 84 Ω.

Remarque : la relation : 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =

utilisée.

16 1. La différence d’énergie associée à la transition de longueur d’onde 𝜆𝜆2 est égale à :

𝑈𝑈02 𝑅𝑅

peut aussi être

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Thème 2 ● Le futur des énergies

6. OBTENIR DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE SANS COMBUSTION Introduction Ce chapitre traite de l’accessibilité de l’énergie électrique, de par un réseau de distribution étendu et de faible impact écologique, mais surtout grâce à la disponibilité de convertisseurs de bon rendement. Les procédés d’obtention d’énergie électrique étudiés sont sans combustion, ce que cible le programme et ce qui permet une mise en perspective à partir du chapitre 4. D’autres convertisseurs permettent également de transformer l’énergie électrique en d’autres formes d’énergie stockables. L’énergie électrique est ainsi amenée à jouer un rôle central à l’avenir. Néanmoins, il ne faut pas négliger l’impact sur l’environnement et la biodiversité et les risques spécifiques que présentent ces modes d’obtention d’énergie électrique sans combustion.

Activités

p. 128 à 135

① De l’énergie électrique sans combustion Commentaires pédagogiques Dans cette première activité, présentée sous la forme d’une classe inversée, les élèves doivent découvrir deux méthodes permettant d’obtenir de l’énergie électrique qui ne nécessitent pas de combustion : - la conversion d’énergie mécanique, soit directe (éoliennes, barrages hydroélectriques), soit indirecte à partir d’énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques) ; - la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques). À partir d’un modèle initial, les élèves doivent identifier les sources et les formes d’énergie afin de représenter les chaînes énergétiques correspondant à chaque type de centrale présenté. Dans un premier temps, les élèves appréhendent deux types de centrales réalisant une conversion directe d’énergie mécanique. Puis dans un deuxième temps, ils approfondissent leur réflexion des chaînes comportant plusieurs sur transformations d’énergie successives. Pour chaque type de centrale électrique, un lien Hatier -clic vers une vidéo permet aux élèves de

compléter leurs connaissances sur les conversions d’énergie réalisées. Un point d’information concret intitulé « Le saviezvous ? » vient illustrer une utilisation de chaque type de centrale par un pays, selon une approche journalistique. À noter : d’autres exemples de conversions d’énergie mécanique en énergie électrique (dynamos, hydroliennes, géothermie) seront travaillés dans les exercices (n° 5 p. 140, 11 et 12 p. 142).

Durée estimée : 45 min – 1 h Différenciation Cette activité peut être effectuée en classe. À la suite d’une recherche individuelle, les élèves pourront confronter leurs réponses au cours d’un échange en binômes. Cette activité peut également être proposée à la maison. Le retour en classe sera l’occasion d’une présentation par des élèves, pouvant donner ainsi sujet à discussion, afin de valider ou d’infirmer les représentations des élèves concernant les chaînes de conversions énergétiques.

Réponses aux questions Je vérifie que j’ai compris Document 1 - Centrale éolienne : la forme d’énergie reçue est l’énergie mécanique provenant du vent. Les formes d’énergie obtenues sont l’énergie électrique utile et l’énergie thermique inutile. Vent

Énergie mécanique

Alternateur

Énergie électrique

Énergie thermique

- Centrale hydroélectrique : la forme d’énergie reçue est l’énergie mécanique provenant de l’eau. Les formes d’énergie obtenues sont l’énergie électrique utile et l’énergie thermique inutile.

Eau

Énergie mécanique

Alternateur

Énergie électrique

Énergie thermique

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Je m’entraîne à … Document 2 - Centrale thermique nucléaire : les différents convertisseurs d’énergie présents dans une centrale thermique nucléaire sont le réacteur, le générateur de vapeur, l’alternateur. (Diagramme de conversion en bas de page) - Centrale solaire thermique : les différents convertisseurs d’énergie présents dans une centrale solaire thermique sont le fluide caloporteur, le générateur de vapeur, l’alternateur. (Diagramme de conversion en bas de page) Centrale photovoltaïque : une centrale photovoltaïque ne comporte qu’un seul type de convertisseur, le panneau photovoltaïque. Soleil

Énergie radiative

Panneau photovoltaïque

Énergie électrique

de représenter ces conversions au moyen de diagrammes de conversions énergétiques. Le document 1 permet de comprendre les deux types de conversions qui sont réalisées dans un accumulateur lors de la phase de décharge et lors de la phase de charge. L’élève peut comprendre que si les réactifs présents dans une batterie sont consommés lors de la décharge, ils peuvent être reformés lors de la charge. Le document 2 présente le fonctionnement de la pile à hydrogène. L’élève découvre que la pile à hydrogène est une pile dont le combustible est le dihydrogène d’où son autre appellation « pile à combustible ».

Durée estimée : 30 min Différenciation

Énergie thermique

Penser la science En utilisant la double page Développer son esprit critique page 24, les élèves doivent faire un état des lieux des avantages et des inconvénients des choix énergétiques de l’Allemagne afin de prononcer sur la polémique concernant l’abandon du nucléaire allemand.

② Accumulateurs et Piles

Les élèves peuvent travailler de manière individuelle, mais il est tout à fait possible d’envisager de les faire travailler par groupes de deux ou trois afin de mutualiser les compétences de chacun et de proposer une confrontation des réponses. Une évaluation croisée peut aussi être mise en place dans chaque groupe. Dans le cas d’une recherche individuelle, ce travail peut être l’occasion de mettre en place une autoévaluation, lors de la correction, des compétences travaillées.

Réponses aux questions

Commentaires pédagogiques Cette activité a pour objectif d’introduire les conversions électrochimiques qui ont lieu dans les accumulateurs conventionnels ou dans les piles à hydrogène au travers de deux documents. L’élève devra être capable d’extraire les informations utiles de ces documents. Il devra également être capable

1. Dans un accumulateur, l’énergie est stockée sous la forme d’énergie chimique : les réactifs consommés lors de la décharge sont reformés lors de la charge. 2. Lors de la décharge d’un accumulateur, les réactifs sont consommés. Les transformations chimiques qui ont lieu aux électrodes permettent la

Diagramme de conversion d’une centrale thermique nucléaire Énergie nucléaire

Uranium

Énergie thermique

Réacteur

Générateur de vapeur

Énergie thermique

Énergie mécanique

Énergie électrique

Alternateur

Énergie thermique

Énergie thermique

Diagramme de conversion d’une centrale solaire thermique Soleil

Énergie radiative

Énergie

thermique Fluide caloporteur

Énergie thermique

Générateur de vapeur

Énergie mécanique

Énergie électrique

Alternateur

Énergie thermique

Énergie thermique

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Thème 2 ● Le futur des énergies

mise en circulation d’un courant électrique. Ces transformations chimiques s’accompagnent d’une élévation de la température (ce sont des transformations chimiques exothermiques). Par conséquent, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique utile et en énergie thermique inutile. 3. Pendant la charge, un accumulateur reçoit de l’énergie électrique. 4. La pile à hydrogène est qualifiée de pile à combustible car son fonctionnement repose sur la combustion du dihydrogène. La combustion du dihydrogène au contact du dioxygène permet la mise en circulation· du courant électrique. 5. Diagrammes énergétiques d’un accumulateur. Lors de sa charge Énergie électrique

Accumulateur

Énergie chimique

Réactifs

Énergie thermique

Lors de sa décharge Réactifs

Énergie chimique

Accumulateur

Énergie électrique

Énergie thermique

Penser la science Les élèves doivent développer un argumentaire afin de faire preuve d’esprit critique sur les avantages des voitures à hydrogène. La double page Développer son esprit critique page 24 peut aider les élèves à organiser leur réflexion afin dépasser les idées reçues concernant la pile à hydrogène.

③ Le rendement d’une centrale électrique Commentaires pédagogiques Dans cette tâche complexe, les élèves doivent calculer le rendement global d’un système de conversion d’énergie. Après avoir analysé les documents, ils doivent extraire les informations utiles afin de répondre à la question. Les formules nécessaires à la résolution de l’activité sont rappelées.

Durée estimée : 30 min - 45 min Différenciation Afin de guider les élèves dans leur réflexion, les quatre indices suivants peuvent être donnés aux élèves de manière individuelle au moment opportun. - Indice 1 : quel est le volume d’eau maximal utilisable par la centrale hydroélectrique en 1 seconde ? Déduire la masse correspondante. (doc.1 et données). - Indice 2 : quelle est l’énergie potentielle de position correspondant à cette masse ? (doc. 1 et formules). - Indice 3 : calculer l’énergie électrique maximale obtenue par la centrale en 1 s. (doc. 1 et formules). - Indice 4 : après avoir identifié l’énergie initiale utilisable en 1 s, calculer le rendement de la centrale (doc. 2) et comparer le résultat au rendement des autres centrales électriques.

Réponses aux questions Tâche complexe avec indices ► À l’aide des documents fournis et de vos connaissances, calculer le rendement de la centrale électrique de Grand Maison et comparer son efficacité avec celles d’autres types de centrales. D’après le document 1, l’élève peut déterminer l’énergie potentielle initiale de l’eau. Les informations utiles qu’il faut extraire de ce document pour calculer l’énergie potentielle de position sont : - l’altitude initiale du réservoir d’eau : 900 m. - le débit maximal qui peut traverser la centrale : 215 m3·s–1, soit un débit 215 000 L·s–1. 1 m3 = 1000 L 215 m3 = 215 000 L En 1 seconde, la centrale hydroélectrique peut utiliser 215 000 L d’eau ce qui représente une masse 215 000 kg d’eau. Il est rappelé dans « les données » qu’un litre d’eau a pour masse 1 kg. À l’aide des formules, il est possible de calculer l’énergie potentielle de pesanteur correspondant à cette quantité d’eau : EP = m × g × h = 215 000 × 9,81 × 900 = 1 898 235 000 J = 1 898,235 MJ Toujours d’après le document 1 et les formules, l’élève peut calculer l’énergie électrique obtenue pendant 1 seconde : Eélectrique = P × Δt = 1 800 MW × 1 s = 1 800 MWs Or 1 Ws = 1 J Eélectrique = 1 800 MWs = 1 800 MJ = 1 800 000 000 J

© Éditions Hatier, 2020. 55

Thème 2 ● Le futur des énergies

D’après le document 2, le rendement r d’une centrale électrique se calcule en utilisant la relation : r =

Eélectrique Ereçue

, avec Ereçue et Eélectrique

exprimées dans la même unité. L’énergie électrique reçue est l’énergie potentielle de position : Ereçue = 1 898,235 MJ Et l’énergie électrique obtenue est : Eélectrique = 1 800 MJ r=

1 800 1 898,235

= 0,948

soit environ 95 %. Le rendement de la centrale de Grand Maison est supérieur au rendement annoncé des centrales hydroélectriques. Ce type de centrale possède un rendement bien plus élevé que tous les autres types de centrales électriques.

④ Risques et impacts sur l’environnement Commentaires pédagogiques Cette activité a pour objectif de mettre en lumière l’impact sur l’environnement et sur la biodiversité ainsi que les risques spécifiques des modes de production d’énergie électrique sans combustion (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, etc.). L’élève devra être capable d’analyser des documents, notamment ceux présentant les conséquences de l’utilisation de ressources géologiques (métaux rares, etc.). Plusieurs documents complémentaires, notamment des vidéos, sont accessibles par des liens Hatier-clic. - Document 1 : il permet de comprendre que les technologies liées à la transition énergétique (éolienne, panneau photovoltaïque, batterie et pile à hydrogène) participent à l’épuisement des ressources. Il explique l’origine du qualificatif « critique » ou « rare » employé pour ces matières utilisées et présente la famille des terres rares. L’infographie répertorie le principal pays de provenance de quelques matières premières critiques présentes dans ces technologies. Les documents disponibles par lien Hatier-clic permettent de se rendre compte plus en détail de la provenance mondiale de nombre de minerais rares, ainsi que leur durée de vie au rythme actuel de production et en cas de demande accrue. - Document 2 : il présente l’impact de l’industrie minière sur l’environnement (pollutions chimiques et radioactives, émission de gaz à effet de serre).

- Document 3 : il met en évidence les déchets hautement radioactifs issus des centrales nucléaires et leur stockage. Les vidéos accessibles par lien Hatier-clic exposent les idées reçues sur les déchets radioactifs et les solutions de stockage. - Document 4 : ce document évoque des accidents industriels récents (rupture de barrage hydroélectrique et accident nucléaire), chacun étant illustré par une vidéo accessible par lien Hatier-clic. - Document 5 : l’impact des barrages hydroélectriques, des éoliennes et des hydroliennes sur les écosystèmes y est détaillé. À noter : le fonctionnement d’une hydrolienne est présenté dans la vidéo associée à l’exercice n°5 p. 140.

Durée estimée : 45 min Différenciation Cette activité est présentée au travers d’un travail en équipes. - Chaque équipe (4 ou 5 élèves) choisit un dispositif d’obtention de l’énergie électrique sans combustion (centrales hydroélectrique, nucléaire, photovoltaïque, éolienne ou batterie), ou bien elle est désignée par l’enseignant·e. - L’analyse des documents et la recherche des informations utiles permettent aux élèves d’identifier les impacts environnementaux et les risques encourus, qui devront être communiqués oralement à la classe. Une prise de note au cours de chaque exposé par les autres équipes semble adéquate pour une mutualisation efficace. - La mutualisation des réponses pour chaque dispositif permet au groupe classe, sous la direction de l’enseignant, de construire la carte mentale demandée en conclusion.

Réponses aux questions Le tableau présenté en point 2 p. 136 et la carte mentale p. 137 présentent les impacts environnementaux et les risques encourus pour chacun des dispositifs d’obtention de l’énergie électrique sans combustion. Penser la science Grâce aux fiches méthode Développer son esprit critique, p. 24 et Trier l’information, p. 280, l’élève pourra retrouver, grâce à une recherche numérique, l’auteur et la date de publication du photomontage b. du doc. 4.

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Thème 2 ● Le futur des énergies

⑤ Différents dispositifs de stockage de l’énergie

Durée estimée : 45 min

Commentaires pédagogiques

Les questions peuvent être traitées en recherche individuelle (en classe ou à la maison) ou bien en groupe de deux ou trois élèves, afin de mutualiser les compétences de chacun et de confronter les réponses. Dans ce dernier cas, comme les questions de cette activité sont indépendantes, l’enseignant peut les répartir entre les groupes, puis diriger une mise en commun des réponses, ceci afin de gagner du temps en classe. Une évaluation croisée peut aussi être mise en place dans chaque groupe. Une recherche individuelle peut être l’occasion de mettre en place une auto-évaluation, lors de la correction, des compétences travaillées.

L’activité présente trois dispositifs de stockage de l’énergie et permet d’expliquer pourquoi l’énergie électrique doit être convertie sous une forme stockable. L’élève devra être capable de comparer ces trois dispositifs de stockage d’énergie selon différents critères : masses mises en jeu, capacité et durée de stockage, rendement. - Document 1 et vidéo accessible par lien Hatierclic : ils présentent les STEP, comme des dispositifs permettant de stocker l’énergie sous la forme d’énergie potentielle de position. - Document 2 : il présente les batteries, comme des dispositifs permettant de stocker l’énergie sous la forme d’énergie chimique. La vidéo accessible par lien Hatier-clic présente la centrale photovoltaïque de l’île de Kauai. - Document 3 et vidéos accessibles par lien Hatierclic : ils présentent les supercondensateurs comme des dispositifs permettant de stocker l’énergie sous la forme d’énergie potentielle électrostatique. Les vidéos associées exposent plusieurs dispositifs de stockage de l’énergie, expliquent le fonctionnement d’une batterie et d’un supercondensateur, et présentent un comparatif entre les batteries et les supercondensateurs selon différents critères. - Document 4 : il explique l’utilité des systèmes de stockage d’énergie présentés dans les doc. 1 à 3, comme une réponse aux problèmes de l’intermittence de certaines sources d’énergie et de la fluctuation de la demande. Il introduit le rôle des réseaux intelligents (traduction de smartgrids), à savoir celui d’ajuster instantanément la production, la distribution et la demande en électricité. Il évoque aussi le revers de la médaille, leur dépendance aux métaux rares. La vidéo associée accessible par lien Hatier-clic montre les travaux de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines) sur les smartgrids. Elle permet de comprendre la notion de "réseaux intelligents" et de découvrir certaines des technologies développées dans ce domaine au CEA. Vidéo supplémentaire : Energies renouvelables, le défi du stockage : https://videotheque.cnrs.fr/visio=4154 Les scientifiques du CNRS sont au cœur de la mise au point de systèmes de stockage d’énergie, véritable gageure technologique. Ils nous présentent leurs recherches, leurs potentiels et leurs limites.

Différenciation

Réponses aux questions 1. Diagramme énergétique d’une STEP en phase de turbinage Eau

Énergie mécanique

Énergie électrique

Alternateur

Énergie thermique

Diagramme énergétique d’une STEP en phase de pompage Énergie électrique

Énergie potentielle de position

Pompe

Eau

Énergie thermique

2. Le rendement r d’une centrale électrique se calcule en utilisant la relation : r =

Eélectrique Ereçue

, avec

Ereçue et Eélectrique exprimées dans la même unité. Dans le cas de la STEP : Ereçue = 1,25 Wh Eélectrique = 1 Wh Le rendement de la STEP est égal à : r=

Eélectrique Ereçue

=

1 Wh 1,25 Wh

= 0,8 soit 80%.

3. Lors de la phase de pompage, Eélectrique = 1,25 MWh. C’est également l’énergie reçue lors de la phase de turbinage : Ereçue = 1,25 MWh. Lors de la phase de turbinage, le rendement r est défini par : r =

Eélectrique Ereçue

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Eélectrique = r × Ereçue = 0,8 × 1,25 MWh = 1,2 MWh 4. Puisque l’énergie E est définie par la formule : E = P × ∆t, la durée obtenue est égale à : ∆t =

E P

La ferme de batteries est capable de stocker une énergie de E = 52 MWh, pour une puissance moyenne P = 5MW. La durée maximale d’utilisation de la ferme de batteries est égale à : ∆t =

52 5

= 10,4 h.

5. La densité énergétique d’une batterie est comprise entre 90 et 180 Wh·kg-1 et celle d’un supercondensateur entre 0,5 et 10 Wh·kg-1. Calcul de la densité énergétique d’une STEP : D’après le document 1, l’énergie potentielle de position Ep de 1000 kg d’eau à une altitude h = 100 m est Ep = 272 Wh. D’après la formule donnée dans le doc. 1, on peut écrire que la densité énergétique d’un système de stockage est égale au rapport : Quantité d' énergie (Wh) , donc dans ce cas : Masse de matière (kg)

272 1000

Wh·kg-1 = 0,272 Wh·kg-1.

En comparant les densités énergétiques en Wh·kg-1 des trois dispositifs de stockage, on peut conclure que, à masse égale, le dispositif permettant de stocker le maximum d’énergie est la batterie. 6. Les smartgrids permettent d’intégrer aux réseaux de distribution des systèmes d’obtention de l’énergie électrique utilisant des sources d’énergie renouvelables, souvent intermittentes, au moment où elles sont disponibles. 7. Le tableau du point 3 p. 136 permet la comparaison, et : Avantages STEP

Batterie

Durée de stockage longue Durée de vie longue Quantité importante d’énergie stockable Bonne densité énergétique

Inconvénients Densité énergétique faible Rendement moyen

Supercondensateur

Bon rendement

Durée de stockage moyenne Durée de stockage faible Densité énergétique moyenne Durée de vie moyenne

Penser la science Jeremy Rifkin imagine une nouvelle ère économique créée par la fusion des technologies numériques et des énergies renouvelables et dans laquelle tout un chacun produit sa propre énergie électrique à partir de sources renouvelables et la partage sur un « internet de l’énergie ». Il explique comment des millions d’emplois peuvent être créés et comment l’économie mondiale et les relations humaines vont être réorganisées par cette décentralisation. Seulement, sa vision pose question car il occulte tout un pan des conséquences induites. Cette nouvelle ère impliquerait un développement important des dispositifs d’obtention d’énergie électrique utilisant des ressources renouvelables (éoliennes, panneaux photovoltaïques) d’une part, et des technologies numériques, d’autre part. Tous ces procédés sont consommateurs de métaux rares, donc cela aurait pour conséquence leur utilisation massive, avec les problèmes d’épuisement des ressources et de pollutions diverses que cela implique. On est ainsi influencé par une personne qui a besoin d’infléchir notre jugement en développant un argumentaire partiel pour nous faire adhérer à une hypothèse alternative. Trois émissions pour illustrer la question posée et élargir le débat : https://www.franceinter.fr/emissions/la-terre-aucarre/la-terre-au-carre-17-octobre-2019 La fin de la civilisation fossile avec Jeremy Rifkin https://www.franceinter.fr/emissions/la-terre-aucarre/la-terre-au-carre-23-octobre-2019 L'écologie numérique avec Eric Vidalenc https://www.franceinter.fr/emissions/le-telephonesonne/le-telephone-sonne-23-octobre-2019 Et si l'écolo connecté était le plus grand des pollueurs ?

Rendement faible Durée de vie faible

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Penser la science

p. 138 à 139

Commentaires pédagogiques Les textes de la page 138 permettent de travailler la notion de risque et danger à travers l’exemple de la radioactivité. Les textes de la page 139 permettent d’interroger la notion de « naturel » et d’éventuellement travailler avec un collègue de philosophie la question de la « Nature ». L’exemple pris sur la radioactivité permettant de faire le lien avec la page précédente.

Durée estimée : 45 min

De même, on pourra travailler avec les élèves sur les idées reçues liées à la radioactivité qui n’est pas toujours (voire peu souvent) d’origine humaine. Attention donc, aussi, quand on qualifie une substance de « naturelle » en chimie : il faut le faire avec recul car cela sort de fait l’être humain de la nature, ce qui est largement discutable… Une dernière remarque sur les notions « artificiel » et « synthétique » : une molécule artificielle est forcément synthétique, pas l’inverse (puisque l’on peut synthétiser des molécules naturelles).

Exercices

Réponses aux questions Page de gauche La notion de risque est bien plus pertinente que celle de danger. En effet, toute substance ou pratique peut être dangereuse. Et nous avons bien conscience que ce qui compte c’est davantage l’exposition à ces dangers, puisque nous prenons la voiture tous les jours, manipulons l’électricité ou buvons des substances dangereuses en permanence (alcool pour ne pas le citer). Le risque considère le danger mais également sa probabilité d’apparition ainsi que les dommages qu’il peut occasionner. Pour aller plus loin : http://www.inrs.fr/demarche/risquesindustriels/definition-risque-industriel.html

p. 140 à 143

1 1. a. Éolienne. b. Centrale thermique nucléaire. c. Centrale photovoltaïque. d. Centrale hydroélectrique. 2. Une éolienne utilise le vent qui est intermittent. Une centrale thermique nucléaire utilise l’uranium. Une centrale photovoltaïque utilise le Soleil qui est intermittent. Remarque : en cas de sécheresse, une centrale hydroélectrique peut être arrêtée car elle utilise l’eau des fleuves, des rivières qui devient alors une source d’énergie intermittente. 2 1. Dans un diagramme de conversion énergétique, on représente les sources d’énergie par des rectangles, les convertisseurs par des ovales et les formes d’énergie par des flèches. 2. Le diagramme de conversion énergétique représenté correspond à celui d’une centrale éolienne. 3. La chaîne de conversion énergétique associée à une centrale solaire thermique est représentée en bas de page.

Page de droite Utiliser le terme « naturel » pour désigner une chose ou une pratique est, au mieux inutile, au pire erroné. En effet, on peut conduire un débat intéressant avec les élèves (texte n°1) pour leur faire comprendre que la notion même de « nature » est tout sauf évidente (voir la séquence pédagogique : 3 1. Dans une pile ou dans un accumulateur, http://www.pedagogie.ac-aixl’énergie est stockée sous forme chimique. marseille.fr/jcms/c_10741197/fr/vous-avez-ditUne pile ou un accumulateur stocke de l’énergie naturel ) chimique. Ensuite, il faut faire remarquer que qualifier un 2. Une pile cesse de fonctionner au bout d’un yaourt de naturel ne nous dit rien sur sa qualité et certain temps lorsque la réserve d’énergie chimique ses vertus nutritives : il pourrait être avarié, sans est épuisée, autrement dit, lorsque les réactifs vitamines, etc., et tout à fait naturel ! présents sont consommés. À l’inverse, un yaourt rempli de substance synthétique (voire artificielle) peut s’avérer être très bon pour la santé. Chaîne de conversion énergétique associée à une centrale solaire thermique Énergie radiative Soleil

Fluide caloporteur

Énergie thermique

Énergie thermique

Générateur de vapeur

Énergie mécanique

Énergie thermique

Alternateur

Énergie électrique

Énergie thermique

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Thème 2 ● Le futur des énergies

4 1. L’élément commun aux centrales hydroélectriques, nucléaires, thermiques solaires et éoliennes est : a. l’alternateur. 2. Une centrale photovoltaïque convertit l’énergie : c. radiative. 3. Le rendement r est défini par : b. r =

Eélectrique Ereçue

5 La source d’énergie est l’eau des mers, des océans qui fournissent de l’énergie mécanique, convertie par un alternateur en énergie électrique utile et en énergie thermique inutile. Le diagramme de conversion énergétique est le suivant : Eau

Énergie mécanique

Alternateur

Énergie électrique

Énergie thermique

6 Le rendement r d’une centrale électrique se calcule en utilisant la relation : r =

Eélectrique Ereçue

, avec

Ereçue et Eélectrique exprimées dans la même unité. Dans le cas de l’éolienne : Ereçue = 1,2 MWh = 1200 kWh. Eélectrique = 360 kWh. Le rendement de l’éolienne est égal à : r=

Eélectrique Ereçue

=

360 kWh 1200 kWh

= 0,3 soit 30 %

7 1. c. b. 2. b. 3. a. b. 4. a. Remarque : La pollution due à l’extraction des matières premières concerne également l’uranium utilisé dans les centrales nucléaires (réponse 1. b), ceci est sous-entendu dans le titre du doc. 2, Des pollutions dans l’industrie minière. En effet, outre la quantité considérable de gaz à effet de serre qu’elle génère pour isoler les métaux rares ou l’uranium et les acheminer vers les pays importateurs, l’industrie minière est l’une des plus polluantes au monde. 8 1. Non, on ne peut pas stocker l’énergie électrique. 2. Le principal inconvénient de ces centrales électriques utilisant des sources d’énergie

renouvelables est l’intermittence de ces sources. 3. Trois dispositifs de stockage de l’énergie : - Une STEP, qui permet de stocker l’énergie sous la forme d’énergie potentielle de position. - Une batterie, qui permet de stocker l’énergie sous la forme d’énergie chimique. - Un supercondensateur, qui permet de stocker l’énergie sous la forme d’énergie potentielle électrostatique. 4. Comme l’énergie électrique n’est pas stockable et que son obtention grâce aux centrales électriques utilisant des sources renouvelables n’est pas contrôlable, il est nécessaire de la convertir sous des formes stockables afin d’en disposer au moment choisi et ainsi d’ajuster la production à la demande. 9 Correction dans le manuel 10 1. The different sources of energy used in the project are : sun and water. 2. The different energy converters are : - Photovoltaic panels : convert radiative energy into electrical energy. - Alternators : convert mechanical energy into electrical energy. - Batteries : convert electrical energy into chemical energy during charge and convert chemical energy into electrical energy during discharge. 11 1. Les deux principaux éléments composant une dynamo sont une bobine de fil de cuivre et un aimant. 2. Le diagramme énergétique de la dynamo est le suivant : Énergie mécanique

Dynamo

Énergie électrique

Énergie thermique

3. Un alternateur permet d’obtenir un courant alternatif à la différence d’une dynamo qui permet d’obtenir un courant continu. 4. Le terme dynamo désigne fréquemment aujourd’hui un alternateur, une génératrice de bicyclette. C’est un abus de langage car le courant obtenu n’est pas un courant continu. 12 1. La source d’énergie utilisée par/dans une centrale géothermique est l’eau. Son diagramme énergétique peut être représenté comme ci-après.

© Éditions Hatier, 2020. 60

Thème 2 ● Le futur des énergies

Énergie thermique

Énergie mécanique

Eau

Énergie électrique Alterna Puits teur

Puits

Énergie thermique

Énergie thermique

2. Le rendement d’une centrale géothermique est 33 %. Or, le rendement r d’une centrale électrique est définie par la relation : r=

Eélectrique

.

Ereçue Eélectrique

Ereçue =

r

=

1 MWh 0,33

= 3,03 MWh.

Ainsi, 3,03 MWh d’énergie sont nécessaires à une centrale géothermique afin d’obtenir 1 MWh d’énergie électrique. 13 L’énergie électrique issue des éoliennes et panneaux photovoltaïques est qualifiée de « verte » car son obtention ne produit pas directement de polluants, ni de gaz à effet de serre. Cependant, la chaîne de production (construction, transport) de ces dispositifs ainsi que leur traitement de fin de vie occasionne émissions de CO2 et pollutions et contribue à l’épuisement des ressources. Par conséquent, si on procède à l’analyse complète du cycle de vie d’une éolienne ou d’un panneau photovoltaïque, on ne peut plus qualifier de « verte » l’électricité issue de ces types de centrales. 14 1. Le rendement du panneau photovoltaïque est : r=

Eélectrique Ereçue

.=

100 MWh 500 MWh

= 0,2 soit 20 %

2. La quantité d’énergie électrique finalement utilisable correspond à la quantité d’énergie électrique obtenue lors de la décharge de la batterie. Le rendement r =

Eélectrique Ereçue

avec :

Eélectrique finale : l’énergie électrique obtenue finalement par la batterie après stockage. Ereçue : l’énergie électrique obtenue par les panneaux solaires et fournie à la batterie pour être stockée. Puisque le rendement de la batterie est : r=

Eélectrique finale Ereçue

=

90 %

=

0,9,

l’énergie

électrique finalement obtenue après stockage est égale à : Eélectrique = Ereçue × r = 100 × 0,9 = 90 MWh. 3. Le rendement global du système panneaubatterie est égal à :

r=

Eélectrique Ereçue

.=

90 MWh 500 MWh

= 0,18 soit 18 %.

4. On remarque que le rendement du système panneau photovoltaïque est relativement faible, très inférieur à celui d’un alternateur (proche de 1 soit 100 %). 15 1. c. potentielle de position. 2. a. constante. 3. a. pompage. 4. b. la nuit. 5. b. 9 h 6. b. inférieure à la demande. 7. a. d’ajuster la production à la demande en énergie 16 1. L’énergie nécessaire au trajet du véhicule est E = 20 kWh = 20 000 Wh La densité énergétique d’un système de stockage (en Wh·kg-1) est égale au rapport : Quantité d' énergie (Wh) Masse de matière (kg)

, donc la masse m est égale

au rapport : m (kg) =

Quantité d'énergie (Wh)

densité énergétique (Wh∙kg−1 )

Masse d’un pack de supercondensateurs : m=

20 000 7

= 2857 kg

20 000 160

= 125 kg

Masse des batteries : m=

2. Le dispositif le plus approprié dans ce cas est la batterie au lithium car sa masse est adaptée au véhicule, la masse du pack de supercondensateurs est beaucoup trop importante. 3. On peut trouver trois arguments en faveur du supercondensateur : - Le supercondensateur dispose d’une plus grande puissance massique, ce qui est plus adapté à une demande élevée en puissance pour le moteur. - Le supercondensateur dispose d’une durée de charge ou de décharge inférieure à celle d’une batterie, donc il est plus adapté pour des redémarrages fréquents. - Le supercondensateur dispose d’un nombre de cycles charge/décharge plus élevé que celui d’une batterie, donc il permet un nombre plus important de redémarrages. 17 1. L’énergie électrique obtenue pendant une année par un réacteur de la centrale de Cruas est égale à : Eélec Nucl = P × Δt = 900 MW × 7 500 h = 6 750 000 MWh = 6 750 GWh.

© Éditions Hatier, 2020. 61

Thème 2 ● Le futur des énergies

2. L’énergie libérée par la fission de 1 g de est égale à : 7,3 × 1010 J =

U

235

7,3 × 10 10 3600

≈ 2,03 × 107 Wh = 20,3 MWh. Le rendement d’une centrale nucléaire étant de 33 %, l’énergie libérée par la fission de1 g de 235 U permet d’obtenir une quantité d’énergie électrique égale à : 0,33 × 20,3 ≈ 6,69 MWh. Énergie électrique (MWh) 6,69

Masse d’uranium (g) 1

6 750 000

?

m(235U) =

6 750 000 6,69

≈ 1 008 717 g ≈ 1009 kg

soit environ 1 tonne d’uranium 235 est nécessaire. 3. L’énergie électrique obtenue pendant une année par une éolienne est égale à : Eélec Éolien = P × Δt = 3 MW × 2000 h = 6 000 MWh = 6 GWh. Le nombre d’éoliennes pour obtenir la même quantité d’énergie électrique que celle obtenue par un réacteur de la centrale de Cruas est : 6 750 GWh 6 GWh

≈ 1 125.

4. 1125 éoliennes représentent un nombre très important et nécessiteraient une surface au sol très importante pour les implanter. 18 1. L’énergie électrique obtenue pendant deux heures par la centrale photovoltaïque est égale à : Eélec Photo = P × Δt = 55 MW × 2 h = 110 MWh. 2. 80 % de cette énergie électrique est convertie par l’électrolyseur en énergie chimique pour être stockée, soit : Echimique = Eélec Photo × 0,8 = 110 × 0,8 = 88 MWh. 3. L’énergie électrique obtenue par la pile tient compte du rendement de 50 % de cette dernière : Eélec Pile = Echimique × 0,5 = 88 × 0,5 = 44 MWh. 4. La chaîne énergétique associée à la centrale et au dispositif de stockage d’énergie peut être représentée comme ci-dessous en bas de page. 5. Le rendement global du dispositif de stockage est égal à :

r=

Eélectrique obtenue Ereçue

avec :

Eélectrique obtenue : énergie électrique obtenue par la pile à hydrogène. Ereçue : énergie électrique obtenue par la centrale photovoltaïque fournie à l’électrolyseur. r=

Eélec Pile Eélec Photo

=

44 MWh 110 MWh

= 0,4 soit 40 %

19 La masse molaire du dihydrogène est 2 g·mol–1 : M(H2) = 2 × M(H) = 2 × 1 = 2 g·mol–1. La combustion d’une mole (soit 2 g) de dihydrogène libère 241 KJ d’énergie. 50 % de cette énergie est convertie en énergie électrique soit : 0,5 × 241 = 120,5 kJ. Il est nécessaire de convertir ce résultat en kWh. Or 1 Wh = 3600 J

120 kJ =

kWh

kJ

1

3 600

?

120,5

120,5 3 600

= 0,0335 kWh

Ainsi, la combustion de 2 g de dihydrogène permet d’obtenir 0,0335 kWh d’énergie électrique. La masse de dihydrogène nécessaire pour obtenir 1 kWh d’énergie électrique est égale à 59,75 g. Énergie électrique (kWh) 0,033 5

Masse de dihydrogène (g) 2

1

?

m(H2) =

2 0,033 5

= 59,75 g.

Chaîne énergétique associée à la centrale photovoltaïque de Guyane et son dispositif de stockage d’énergie Énergie radiative Soleil

Énergie

Énergie

Énergie

chimique électrique électrique Panneau Pile à Électrolyseur photovoltaïque hydrogène

Énergie thermique

Énergie thermique

Énergie thermique

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Thème 2 ● Le futur des énergies

7. OPTIMISATION DU TRANSPORT DE L’ÉLECTRICITÉ Introduction Ce chapitre vise à présenter les pertes par effet Joule et leur minimisation dans la distribution d’électricité le long d’un réseau. Une approche d’abord descriptive du réseau et de l’effet Joule est nécessaire pour poser le problème (activité 1). Ensuite, l’effet Joule est mis en évidence expérimentalement avec un circuit électrique modélisant une ligne à haute tension (activité 2). Enfin, la modélisation mathématique par un graphe orienté d’un réseau de distribution électrique simple permet de traiter la résolution du problème de minimisation des pertes par effet Joule sous contraintes (activité 3).

Activités

p. 146 à 151

① Analyse du réseau électrique français Savoirs du BO Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipée dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur. L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Savoir-faire du BO - Utiliser les formules littérales reliant la puissance à la résistance, l’intensité et la tension pour identifier l’influence de ces grandeurs sur l’effet Joule.

Commentaires pédagogiques Cette activité documentaire vise à présenter le réseau électrique français au niveau de la stratégie du transport de l’énergie électrique en insistant sur le lien entre la valeur de la tension et la distance à parcourir. Une fois ce lien établi, l’effet Joule et son inconvénient dans le transport sont présentés. Les formules littérales et leur représentation graphique reliant la puissance à la résistance, l’intensité et la tension sont exploitées pour étudier l’influence de ces grandeurs sur l’effet Joule. Il est nécessaire de bien définir les grandeurs utilisées et de les affecter correctement. Le choix a été fait d’utiliser des dénominations parlantes pour les élèves mais aussi utilisées dans le domaine électrique telles que : Ptransportée, PJ, Putile et Ualimentation.

Durée estimée : 55 min Différenciation L’activité documentaire peut être partiellement donnée à faire à la maison (p. 146) pour être sûr de la finaliser dans la séance de 55 minutes et de la corriger en classe avant de passer à la page 147. Avec une classe autonome et d’un assez bon niveau, c’est une activité suffisamment guidée pour être totalement faite à la maison (p. 146-147), puis corrigée en classe.

Réponses aux questions 1. Les quatre parties du réseau électrique sont : la production / le transport (avec répartition) / la distribution / la fourniture. 2. Le dispositif qui permet de modifier la valeur de la tension est le transformateur (voir Penser la science p. 154). D’après la courbe du doc. 1 tension en fonction des distances, on constate que, au niveau de chaque transformateur, la valeur est d’abord élevée après la production, puis abaissée petit à petit pendant la distribution selon les besoins d’alimentation de l’usager. 3. Sur de grandes distances (centaines de km), la valeur de la tension doit être élevée alors que sur de faibles distances (quelques km), elle peut être abaissée. 4. L’effet Joule est un inconvénient lors du transport de l’énergie électrique car il entraîne des pertes d’énergie dans les câbles à cause de leur résistance. 5. À partir du diagramme du bilan de puissance d’un câble électrique, on établit la relation : Ptransportée = PJ + Putile (conservation de l’énergie, donc de la puissance pour une même durée car E = P × Δt) 6. À partir des deux formules fournies, la puissance dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique s’écrit : PJ = UR × I. En remplaçant UR par son expression avec la loi d’Ohm, UR = R × I, on obtient : PJ = UR × I = (R × I) × I = R × I2 D’après cette formule, si I diminue alors PJ diminue aussi. L’allure du graphe du doc. 3 est en accord © Éditions Hatier, 2020. 63

Thème 2 ● Le futur des énergies

avec cette formule et rappelle l’allure d’une fonction carré pour PJ = f(I) en accord avec la formule démontrée. 7. D’après la formule Ptransportée = Ualimentation × I, on obtient : I =

Ptransportée Ualimentation

. Par conséquent, pour

Ptransportée constante, si Ualimentation est augmentée (avec un transformateur élévateur) alors I est diminuée. D’après la formule PJ = R × I2, si I est diminuée alors PJ est diminuée aussi. Ce raisonnement à partir de deux formules permet de justifier l’intérêt de transporter l’énergie électrique à haute tension pour diminuer l’intensité du courant parcourant le câble, ce qui provoque une minimisation des pertes par effet Joule.

② Modélisation expérimentale Savoirs du BO Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipée dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur. L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Savoir-faire du BO - Faire un schéma d’un circuit électrique modélisant une ligne à haute tension. - Utiliser les formules littérales reliant la puissance à la résistance, l’intensité et la tension pour identifier l’influence de ces grandeurs sur l’effet Joule.

Durée estimée : 55 min Différenciation Selon le matériel disponible, il est possible d’envisager différents aménagements pour mener cette activité expérimentale : - le poste expérimental élève est équipé pour réaliser les montages A, B et C car le nombre de transformateurs est suffisant ; - le poste expérimental élève est équipé pour réaliser les montages A et B. Le montage C est réalisé à la paillasse du professeur car le nombre de transformateurs est insuffisant. Prévoir un moyen de projeter les résultats expérimentaux (caméra reliée au vidéoprojecteur ou webcam reliée à l’ordinateur, lui-même relié au vidéoprojecteur) ; - selon le matériel disponible, on peut prévoir d’équiper un poste élève sur deux seulement, ou faire des groupes d’élèves par 3 ou 4 ; - les montages A, B et C sont réalisés à la paillasse du professeur faute de matériel suffisant ou par absence de groupe de TP. Prévoir un moyen de projeter les résultats expérimentaux. Remarque : l’utilisation des multimètres pourrait être chronophage et constituer une difficulté supplémentaire s’il faut choisir les calibres. On peut donc prévoir de donner ces calibres ou d’utiliser des multimètres sans choix de calibre pour éviter toute perte de temps.

Réponses aux questions

Commentaires pédagogiques Cette activité expérimentale vise à mettre en évidence l’effet Joule par la modélisation d’une ligne haute tension avec un circuit électrique. Le matériel de laboratoire est le suivant : générateur alternatif, lampe, deux résistances, fils de connexion, quatre multimètres et deux transformateurs par poste. À partir des résultats expérimentaux mesurés avec des multimètres sur trois montages différents, l’observation expérimentale et les calculs de puissance vont permettre de montrer, par comparaison, l’intérêt de transporter l’énergie électrique à haute tension pour minimiser les pertes par effet Joule.

1. Voir tableau en bas de page. Montage A : PG = UG × I = 6,60 × 0,059 ≈ 0,39 W PL = UL × I = 6,59 × 0,059 ≈ 0,39 W Montage B : PG = UG × I = 6,60 × 0,059 ≈ 0,28 W PL = UL × I = 3,753 × 0,059 ≈ 0,16 W PJ totale = 2 × UR × I = 2 × 1,447 × 0,059 ≈ 0,12 W Remarque : PJ totale correspond à la puissance dissipée par effet Joule par les deux résistances (de valeurs identiques), d’où le coefficient × 2 devant UR × I.

Montage A

6,60

UR UL (en V) 6,59

Montage B

6,60

3,753

UG

1,447

I (en A) 0,059

PG 0,39

PL PJtotale (en W) 0,39

0,059

0,28

0,16

0,12

© Éditions Hatier, 2020. 64

Thème 2 ● Le futur des énergies

2. Dans le montage A, la puissance reçue par la lampe est égale à la puissance fournie par le générateur : PG = PL. Alors que dans le montage B, elle est y est inférieure : il y des pertes (de puissance, donc d’énergie électrique) : PG > PL. Remarque : une autre façon de le justifier est de comparer les valeurs de tension et de constater qu’il y a, aux bornes de la lampe dans le montage B, une chute de tension que l’on peut expliquer avec la loi des mailles UL = UG – 2 × UR. 3. À partir des valeurs du tableau de mesures réalisées pour le montage B, on peut remarquer que PG = PJ totale + PL. Donc PJ totale = PG - PL = 0,28 - 0,16 = 0,12 W. Remarque : c’est en accord avec la loi des mailles : UG = 2 × UR + UL. Comme l’intensité est la même en tout point d’un circuit en série, si on multiplie la loi des mailles par I, on retrouve bien la relation précédente entre les puissances. 4. Le transformateur relié au générateur est élévateur de tension tandis que celui relié à la lampe est abaisseur de tension. De plus les deux résistances entre ces deux transformateurs modélisent la résistance des câbles aller-retour pour le transport de l’énergie électrique sur de grandes distances. 5. PJ totale = 2 × UR × I = 2 × 0,72 × 0,021 ≈ 0,03 W Par rapport au montage B, on constate que la puissance totale dissipée par effet Joule est nettement inférieure. Comme la perte par effet Joule est moindre lors du transport de l’énergie électrique à haute tension, on constate que l’éclat de la lampe est supérieur dans le montage C à celui du montage B. Cependant, comme il y a encore des pertes par effet Joule, l’éclat reste inférieur à celui du montage A. 6. Les montages A, B et C représentent trois modèles différents : - le montage A modélise un câble idéal sans résistance où les pertes par effet Joule sont négligeables. - le montage B modélise un câble réel avec résistance où il y a des pertes par effet Joule. - le montage C modélise le transport à haute tension de l’énergie électrique dans un câble réel, avec diminution des pertes par effet Joule. Le montage C montre que les pertes par effet Joule diminuent en élevant la tension d’alimentation des câbles grâce à un transformateur. Avant d’alimenter les utilisateurs (lampe), la tension est abaissée avec un transformateur pour l’adapter.

3 Modélisation graphique pour optimiser un réseau Savoirs du BO Un réseau de transport électrique peut être modélisé mathématiquement par un graphe orienté dont les arcs représentent les lignes électriques et dont les sommets représentent les sources distributrices, les nœuds intermédiaires et les cibles destinatrices. Dans ce modèle, l’objectif est de minimiser les pertes par effet Joule sur l’ensemble du réseau sous les contraintes suivantes : - l’intensité totale sortant d’une source est limitée par la puissance maximale distribuée ; - l’intensité totale entrant dans chaque nœud intermédiaire est égale à l’intensité totale qui en sort ; - l’intensité totale arrivant à chaque cible est imposée par la puissance qui y est utilisée.

Savoir-faire du BO - Modéliser un réseau de distribution électrique simple par un graphe orienté. Exprimer mathématiquement les contraintes et la fonction à minimiser. - Sur l’exemple d’un réseau comprenant uniquement deux sources, un nœud intermédiaire et deux cibles, formuler le problème de minimisation des pertes par effet Joule et le résoudre pour différentes valeurs numériques correspondant aux productions des sources et aux besoins des cibles.

Commentaires pédagogiques Cette activité documentaire vise à résoudre mathématiquement un problème d’optimisation d’un réseau sous trois contraintes. Pour cela il sera d’abord nécessaire de modéliser un réseau de distribution simple par un graphe orienté. Puis, il faudra formuler et résoudre ce problème de minimisation à partir d’une fonction objectif (puissance totale dissipée par effet Joule). Le choix a été fait de résoudre ce problème par lecture graphique et d’expliquer la démarche en amont pour aboutir à la fonction objectif en utilisant les formules travaillées dans les deux activités de ce chapitre. Dans le BO, le modèle du graphe orienté proposé avec la contrainte sur le nœud intermédiaire (loi des nœuds) contredit certains principes de la physique. Le choix a été fait de considérer que le nœud intermédiaire était un répartiteur sans transformateur, donc un simple « carrefour de câbles ». À ce moment-là, c’est bien la loi des nœuds qui impose une contrainte, mais la tension est la même sur tout le graphe orienté, donc sur tout le réseau. Si on considère qu’il y a un transformateur au nœud intermédiaire, la loi des nœuds ne s’applique plus et il faudrait appliquer le principe de conservation de l’énergie, mais ce n’est pas ce que stipule le BO. © Éditions Hatier, 2020. 65

Thème 2 ● Le futur des énergies

Durée estimée : 55 min Différenciation En fonction du nombre d’élèves dans la classe ayant suivi la Spé Maths en 1re et poursuivi cette spécialité ou Maths complémentaires en Tle, cette activité soulèvera des problèmes différents. - Pour faciliter le travail, il est possible de constituer des groupes de travail en affectant un ou plusieurs élèves suivant la Spé Maths ou Maths complémentaires par groupe (s’ils ne sont pas assez nombreux, des élèves suivant des spécialités scientifiques). - Pour faciliter l’activité documentaire, pour chaque question, les documents à utiliser ont été cités. - En début de séance, il peut être opportun de rappeler les formules nécessaires vues auparavant. - Si le niveau de la classe est vraiment faible en sciences, on peut projeter des calculs à compléter ou un exemple de calculs et le suivant est à reproduire.

Réponses aux questions 1. À partir du document 3 c, on calcule la puissance dissipée par effet Joule dans l’arc 4, soit environ 6 % de la puissance utile 4 : PJ 4 =

6 100

× Putile 4 =

6 × 100

36 000 = 2 160 W

Comme PJ 4 = R4 × I4 , on a : PJ 4 2 160 =� R4 0,1

I4 = �

2

≈ 147 A

2. D’après la loi des nœuds, on a : I1 + I2 = I3 + I4 = 27 + 147 = 174 A Comme I1 a une valeur en ampère comprise dans l’intervalle [0 ; 80] (doc. 3 a) et que I1 et I2 sont liées par relation I2 = 174 – I1, I2 a une valeur en ampère comprise dans l’intervalle [94 ; 174]. 3. Par définition (doc 4), la puissance totale dissipée par effet Joule dans le réseau est la somme des puissances dissipées par effet Joule de chaque arc : PJ totale = PJ 1 + PJ 2 + PJ 3 + PJ 4 Avec pour chaque arc, PJ k = Rk × Ik2, on obtient : PJ totale = R1 × I12 + R2 × I22 + R3 × I32 + R4 × I42 = 14× I12 + 5 × I22 + 0,5 × I32 + 0,1 × I42 4. Avec la loi des nœuds (contrainte du doc. 3 b appliquée au nœud intermédiaire) : I1 + I2 = I3 + I4 = 174 A. En isolant I2, on a I2 = I3 + I4 - I1 = 174 – I1. Et on remplace I2 par l’expression précédente dans PJ totale, ainsi qu’avec les valeurs disponibles : PJ totale = 14 × I12 + 5 × (174 − I1)2 + 2520

Ou, en isolant I1, on a I1 = I3 + I4 - I2 = 174 – I2. Et on remplace I1 par l’expression précédente dans PJ totale, ainsi qu’avec les valeurs disponibles : PJ totale = 14 × (174 − I2)2 + 5 × I22 + 2520 5. Par lecture graphique du doc. 4, il faut repérer le minimum de la fonction objectif PJ totale qui correspond à une ordonnée de 115 000 J environ et lire les abscisses correspondantes pour I1 (en rouge) et I2 (en bleu) : I1 ≈ 45 A et I2 ≈ 130 A. Les deux contraintes des doc.3 b et doc. 3 c sur les intensités I1 et I2 sont bien respectées car elles imposent que : - I1 ≤ 80 A et I2 ≤ 310 A. - I1 + I2 = 45 + 130 = 175 A En reprenant la question 1 concernant I4 et le doc. 3 a pour I3, la troisième contrainte est bien respectée aussi.

Penser la science

p. 154 à 155

Commentaires pédagogiques Les textes de la page 154 permettent de discuter le rôle de Tesla dans la production et le transport de l’électricité. Les textes de la page 155 ont pour objectif d’interroger le rôle des réseaux « intelligents » dans la gestion des énergies renouvelables.

Durée estimée : 45 min Réponses aux questions Interroger l’histoire Le travail de Tesla a été décisif à plus d’un titre. Mais on insistera surtout sur son rôle dans la guerre des courants : ses inventions, dont la machine synchrone, ont été décisives car fournissant des solutions pratiques et peu onéreuses pour produire, transformer et utiliser le courant alternatif. On pourra insister aussi sur les interactions entre science et société : la guerre des courants fut une controverse technique, politique et scientifique, dont l’issue fut tranchée à la fois pour des raisons scientifiques mais également financières et pratiques, les avantages et inconvénients de chaque solution (alternatif et continu) pouvant être encore discutées. Les problèmes rencontrés par le courant continu ont été depuis en partie résolus, mais le réseau actuellement construit pour le transport du courant alternatif est un frein important à son utilisation.

© Éditions Hatier, 2020. 66

Thème 2 ● Le futur des énergies y

Pour aller plus loin https://www.lesechos.fr/2014/07/nikola-teslacontre-thomas-edison-la-guerre-des-courants1103109

Interroger les mots

Pour aller plus loin https://www.enedis.fr/smart-grids-reseauxintelligents

Focus maths

p. 156 à 157

1 y 5 4 3

ƒ

2 1 0

1

25 20 15

Les énergies intermittentes posent souci car leur production est variable. Pour palier cela, plusieurs solutions existent et celle des réseaux électriques intelligents en est une. En effet, être capable d’adapter la production à la consommation est indispensable si l’on souhaite éviter tout risque de black-out. En permettant de connaître plus finement la consommation, on peut alors adapter la production des énergies intermittentes, mais également informer les consommateurs des aléas de celles-ci. Bien entendu, les smart grids posent la question de l’accès aux données des utilisateurs. On pourra aussi faire remarquer que l’intermittence est différente selon le type d’énergie (quotidienne, mensuelle, hebdomadaire).

0

30

2

3

4

5

x

La fonction f dont la courbe représentative est tracée est définie sur l’intervalle [0 ; 5]. Elle y admet un maximum qui vaut 4,5 (lecture sur l’axe des ordonnées) et qui est atteint en x = 2 (axe des abscisses). Cela amène ainsi aux réponses suivantes : 1. Réponse a. 0 ≤ x ≤ 5 2. Réponse b. 4,5 3. Réponse b. 2 2 À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation suivante :

g

10 5 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 x

À l’aide éventuellement des fonctions « zoom », on observe que la fonction g atteint son maximum sur l’intervalle [2 ; 10] en x = 10 et ce maximum vaut 25,75. En revanche, cette fonction atteint son minimum en x = 3 sur cet intervalle et ce minimum vaut 1,25. Cela conduit ainsi aux réponses suivantes : 1. Vraie. 2. Fausse. 3. Spé Maths (Réinvestissement du programme de 1re) On reconnaît l’expression d’une fonction polynôme du second degré en la variable x. En effet, g(x) s’écrit ax2 + bx + c avec a = 0,5 ; b = −3 et c = 5,75. Comme a = 0,5 > 0 et que

b

- 2a = 3, la fonction g est

strictement décroissante sur [2 ; 3] et strictement croissante sur [3 ; 10]. Son minimum est alors atteint en x = 3 : l’affirmation 2 est ainsi fausse. Ensuite, de ces variations, on déduit que le maximum sur [2 ; 10] est atteint soit en x = 2 soit en x = 10, toute autre valeur étant exclue. Or, en remplaçant x par 2 puis par 10 dans l’expression de g, on a : g(2) = 1,75 et g(10) = 25,75. L’affirmation 1 est ainsi vraie. 3 1. Yoan souhaite construire un enclos rectangulaire de dimensions L et l avec 25 mètres de grillage. Cela conduit à la relation 2 (L + ℓ) = 25 (périmètre du rectangle) et par suite, à la contrainte d’égalité : L + ℓ = 12,5. 2. L’expression de L en fonction de ℓ est : L = 12,5 – ℓ. 3. La plus petite valeur que peut prendre la largeur est théoriquement 0 : 0 ≤ ℓ. Cela signifierait de construire un enclos rectangulaire d’aire nulle ! Pour déterminer la plus grande valeur que peut prendre la largeur, il faut prendre en compte deux conditions. La première condition découle de la contrainte d’égalité L + ℓ = 12,5 établie à la première question : par suite, la largeur ne peut pas excéder 12,5. La deuxième condition « implicite » est que la largeur doit être inférieure ou égale à la longueur L, ce qui amène à la conclusion suivante : ℓ ≤ 6,25.

© Éditions Hatier, 2020. 67

Thème 2 ● Le futur des énergies

Surface totale (en cm2)

4. Par définition, l’aire de cet enclos est L × ℓ. En utilisant la question 2, on a : L × ℓ = (12,5 −ℓ) × ℓ. 5. À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation graphique suivante :

3 500 3 000 2 500

Aire de l’enclos (en m2)

2 000

40

1 500 1 000

30

500 0

20

1

0

2

3

4

10

15

20 25 Rayon r (en cm)

Il semblerait que la surface soit minimale pour un rayon proche de 5 cm. La précision demandée étant le millimètre, on peut utiliser la table obtenue avec une calculatrice ou un tableur.

10 0

5

0

5 6 7 Largeur (en m)

L’aire de l’enclos est maximale pour ℓ = 6,25 m. Spé Maths (Réinvestissement du programme de 1re) On reconnaît l’expression d’une fonction polynôme du second degré en la variable ℓ. En effet, (12,5 − ℓ) × ℓ s’écrit a ℓ2 + b ℓ + c avec a = −1 ; b = 12,5 et c = 0. Comme a = −1 < 0 et que −

b 2a

= 6,25,

la

fonction

étudiée

est

strictement croissante sur [0 ; 6,25]. Son maximum est alors atteint en ℓ = 6,25 m. 6. Comme la largeur ℓ vaut 6,25 m, alors par la contrainte d’égalité, la longueur L vaut également 6,25 m. Cet enclos est donc de forme carrée.

4 1. Le volume en cm3 d’une boîte en fonction de h et de r est : πr2h. 2. D’après l’énoncé, la boîte a une contenance de 850 cm3. On a alors la contrainte d’égalité suivante : πr2h = 850 ce qui implique que h =

850 π r2

(expression de h en fonction de r). 3. Une expression littérale de la surface latérale de la boîte de conserve en fonction de r et de h est : 2πrh. 4. La surface totale du métal utilisé pour une telle boîte de conserve est : (surface du couvercle et du fond de la boîte) + (surface latérale, question 3), c’est-à-dire 2 × (πr2) + 2πrh. En utilisant la question 2, on en déduit une expression de cette surface en fonction uniquement de r : 2πr2 + 2πr ×

850 π r2

=

1700 r

+2πr2.

5. À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation graphique suivante (surface totale du métal utilisé en fonction du rayon r) :

Le rayon r serait proche de 5,1 cm et par suite, h=

850 π r2

≈ 10,4 cm.

6. Spé Maths. Réinvestissement du programme de 1re La fonction définie à la question 4 est définie et dérivable sur l’intervalle ]0 ; +∞[ et sa dérivée est donnée par : −

1700 r2

4πr3 - 1700 r2

+ 4πr =

. Le

dénominateur étant strictement positif, le signe de la dérivée est le signe de son numérateur : 3

4πr3 - 1700. Ce numérateur s’annule en � 3

1700 [ 4π

est strictement négatif sur ]0 ; � 3

strictement positif sur ] �

1700 4π

1700 , 4π

il

et il est

; +∞[. La fonction

étudiée est ainsi strictement décroissante sur 3

]0 ; � 3

1700 4π

]� 3

1700 [ 4π

1700 4π

�

et

strictement

croissante

sur

; +∞[. Elle atteint ainsi son minimum en

≈ 5,1.

© Éditions Hatier, 2020. 68

Thème 2 ● Le futur des énergies

5 La rigidité de la poutre est proportionnelle au produit de sa largeur ℓ et du cube de sa hauteur h donc à ℓ × h3. La problématique est alors de déterminer pour quelles dimensions ℓ et h, ℓ × h3 est maximale. Le tronc de l’arbre étant de 40 cm d’après l’énoncé, il s’ensuit la contrainte d’égalité suivante : ℓ2 + h2 = 402 = 1600 (application du théorème de Pythagore). On peut exprimer la largeur

I1 + I2 = I3 + I4 = 26 + 100 =126 A. En isolant I2, on a I2 = 126 − I1. En remplaçant I2 par l’expression précédente dans PJ totale, on obtient : PJ totale = = 70·I12 + 30·(126 − I1)2 + 17 028. 3. À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation graphique suivante : Puissance (en W) 600 000

ℓ en fonction de la hauteur h : ℓ = �1600 − h . L’expression ℓ × h3 s’écrit par suite uniquement en fonction de h de la manière suivante : 2

400 000

�1600 − h2 × h3. À noter que la dimension h ne peut prendre que des valeurs dans l’intervalle [0 ; 40]. À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation graphique suivante : 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0

0

5

10

15

20

25

30 35 40 Dimension h (en cm)

Par lecture graphique, la hauteur h devrait être proche de 35 cm et par conséquent, comme �1600 − 352 ≈ 19, la largeur ℓ proche de 19 cm.

Calcul mental 1. Produit et carré a. R × I2 = 0,5 × 122 = 0,5 × 144 = 72. b. R × I2 = 0,25 × 102 = 0,25 × 100 = 25. c. R × I2 = 1 × 252 = 625.

b. c.

6 100 6 100 6 100

× 1,5 × 106 = × 16 × 106 =

9 × 106 = 9 × 104 = 100 96 × 106 = 96 × 104 100

0

0

10

20

30

40 50 Intensité I1 (en A)

Par lecture graphique, la valeur de l’intensité I1 pour laquelle les pertes par effet Joule sont minimales est d’environ 40 A. Par la contrainte appliquée au nœud intermédiaire, la valeur de l’intensité I2 serait d’environ 126 − I1 = 86 A. 4. Spé Maths Réinvestissement du programme de 1re En développant l’expression de PJ totale en fonction de l’intensité I1 (utilisation d’une identité remarquable), on obtient : PJ totale = 100·I12 – 7 560·I1 + 493 308. On reconnaît l’expression d’une fonction polynôme du second degré en la variable I1. En effet, PJ totale s’écrit aI12 + bI1 + c avec a = 100 ; b = −7560 et c = 493 308. Comme a = 100 > 0 et que b 2a

= 37,8, PJ totale est strictement décroissante sur

[0 ; 37,8] et strictement croissante sur [37,8 ; 50]. PJ totale (exprimée en fonction de l’intensité I1) atteint alors son minimum en I1 = 37,8 A et par suite, I2 vaut 126 − 37,8 = 88,2 A.

2. Pourcentages a.

200 000

90 000.

7 1. Source distributrice

Cible destinatrice C1

S1

I1

I3

= 960 000.

× 36 × 10 = 3

216 100

Nœud intermédiaire

× 10 = 216 × 10 = 2 160. 3

6 1. Par définition, la puissance totale dissipée par effet Joule dans le réseau est la somme des puissances dissipées par effet Joule de chaque arc : PJ totale = PJ 1 + PJ 2 + PJ 3 + PJ 4 avec pour chaque arc PJ k = Rk × Ik2. On obtient : PJ totale = R1 × I12 + R2 × I22 + R3 × I32 + R4 × I42. En remplaçant par les valeurs, on obtient : PJ totale = 70 × I12 + 30 × I22 + 3 × 262 + 1,5 × 1002 = 70·I12 + 30·I22 + 17 028. 2. Avec la loi des nœuds (contrainte appliquée au nœud intermédiaire) :

I2

I4

S2

C2 Cible destinatrice

Source distributrice

2. On consultera le document 3 c de l’activité 3 pour le rappel de la contrainte sur les intensités arrivant aux cibles. On calcule la puissance dissipée par effet Joule dans l’arc 3, soit environ 6 % de la puissance utile 3 : PJ 3 =

6 100

× Putile 3 = =

6 100

× 12 000 = 720 W

Comme PJ 3 = R3 × I3 , on a : 2

© Éditions Hatier, 2020. 69

Thème 2 ● Le futur des énergies

I3 =

PJ

b

720

� R 3 = � 0,4 ≈ 42 A.

2a

3

On calcule la puissance dissipée par effet Joule dans l’arc 4, soit environ 6 % de la puissance utile 4: PJ 4 =

6 100

× Putile 4 = =

6 100

× 36 000 = 2 160 W

I4 =

PJ 4

�R = 4

2160 � 0,2

1168 23

sur [0 ; [

1168 23

≈ 51, PJ totale est strictement décroissante 1168 23

] et strictement croissante sur

; 65]. PJ totale (exprimée en fonction de

l’intensité I1) atteint alors son minimum en I1 =

Comme PJ 4 = R4 × I4 , on a : 2

=

1168 23

≈ 51 A

et

par

suite,

I2

vaut

146 − 51 ≈ 95 A. ≈ 104 A

3. Avec la loi des nœuds (contrainte appliquée au nœud intermédiaire) : I1 + I2 = I3 + I4 = 42 + 104 =146 A. 4. Par définition, la puissance totale dissipée par effet Joule dans le réseau est la somme des puissances dissipées par effet Joule de chaque arc : PJ totale = PJ 1 + PJ 2 + PJ 3 + PJ 4 avec pour chaque arc PJ k = Rk × Ik2. On obtient : PJ totale = R1 × I12 + R2 × I22 + R3 × I32 + R4 × I42. En remplaçant par les valeurs, on obtient : PJ totale = 15 × I12 + 8 × I22 + 0,4 × 422 + 0,2 × 1042 = 15·I12 + 8·I22 + 2868,8. En isolant I2 dans la relation établie à la question 3, on a I2 = 146 – I1. En remplaçant I2 par cette expression dans PJ totale, on obtient : PJ totale = 15·I12 + 8·(146 – I1)2 + 2868,8. 5. À l’aide d’un outil numérique, on peut obtenir la représentation graphique suivante :

Exercices

p. 158 à 161

8 a = usagers de l’énergie électrique. b = câbles (ou lignes) de transport de l’énergie électrique. c = centrale de production de l’énergie électrique. d = transformateur élévateur ou abaisseur de la tension d’alimentation des câbles. Ordre : c-d-b-d-b-d-b-a pour respecter le doc. 1 de l’activité 1 p. 146. Remarque : il faut au moins un transformateur élévateur et un transformateur abaisseur, ce qui équivaut à : c-d-b-d-a. 9 1. Puissance dissipée par effet Joule

Puissance transportée

PJ totale(en W)

Puissance utile

200 000 150 000

2. Ptransportée = PJ + Putile.

100 000 50 000 0

0

10

20

30

40

50 60 70 Intensité I1(en A)

Par lecture graphique, la valeur de l’intensité I1 pour laquelle les pertes par effet Joule sont minimales est d’environ 50 A. Par la contrainte appliquée au nœud intermédiaire, la valeur de l’intensité I2 serait d’environ 146 − I1=96 A. La valeur minimale de PJ totale est comprise entre 110 000 W et 120 000 W. 6. Spé Maths Réinvestissement du programme de 1re En développant l’expression de PJ totale en fonction de l’intensité I1 (utilisation d’une identité remarquable), on obtient : PJ totale = 23·I12 – 2 336·I1 + 173 396,8. On reconnaît l’expression d’une fonction polynôme du second degré en la variable I1. En effet, PJ totale s’écrit a aI12 + bI1 + c avec a = 23 ; b = −2 336 et c = 173 396,8.

Comme

a = 23 > 0

et

que

-

10 1. Une partie de l’énergie électrique transportée dans un câble est convertie en énergie : a. thermique. 2. Transporter l’énergie électrique à haute tension permet de diminuer : a. diminuer l’intensité du courant. 3. Connaissant la résistance R du câble et l’intensité I qui le parcourt, la puissance dissipée par effet Joule est définie par : b. PJ = R × I2. 11 1.

I

A

+ –

G

UR

V

2. PJ = UR × I = 3,451 × 0,073 = 0,25 W. © Éditions Hatier, 2020. 70

Thème 2 ● Le futur des énergies

3. PJ = R × I2 donc R =

PJ I2

0,25

=

0,0732

= 47 Ω

12 1. A et D = sources distributrices. C = nœud intermédiaire. B et E : cibles utilisatrices (destinatrices). 2. D’après la loi des nœuds : I1 + I2 = I3 + I4 = 40 A. Donc I1 = I3 + I4 – I2 = 25 + 15 – 12 = 40 – 12. I1 = 28 A. 13 1. I1 prend ses valeurs en ampère dans l’intervalle [0 ; 100]. 2. La fonction objectif PJ totale est minimale pour l’ordonnée (environ) 180 000 J et l’abscisse correspondant à : I1 = 40 A. 14 Correction dans le manuel 15 1. D’après le graphique I en fonction de Ualimentation, I diminue quand Ualimentation augmente pour une puissance transportée fixée (c’est une fonction inverse). D’après le graphique PJ en fonction de I, PJ diminue quand I diminue pour une puissance transportée fixée (c’est une fonction carré). C’est donc bien en accord avec la phrase du site EDF. 2. P est la puissance transportée Ptransportée en W ; U est la tension d’alimentation du câble Ualimentation en V ; I est l’intensité du courant circulant dans le câble en A ; R est la résistance du câble de transport ; PJ est la puissance dissipée par effet Joule en W. Avec la formule P = U × I, si on isole I on obtient :

I=

Ptransportée Ualimentation

et on retrouve que I diminue si on

augmente Ualimentation. Avec la formule PJ = R × I2, on constate qu’en diminuant I, PJ diminue aussi (avec R constant qui ne dépend que du câble). C’est donc bien en accord avec la phrase du site EDF. 16 1. PJ max = PJ max =

6 100

6 100

× Ptransportée

est grand, plus sa masse augmente et rend son utilisation difficile. Remarque : le diamètre d’un câble a une influence sur la résistance du câble que l’on peut expliquer avec la formule de la résistance d’un conducteur cylindrique R =

d 2 2

section du fil en m2 avec S = π × � � où d est le

diamètre du câble en m. En faisant apparaître S dans la formule de R, puis en isolant d, on aboutit

à:d= �

PJ = R × I donc R = Cas A : I=

500 000 230 500 000 20 000

.

17 1. Ptransportée = Ualimentation × I donc I =

I=

104 × 106 225 000

I=

Ptransportée Ualimentation

Ptransportée Ualimentation

.

= 462 A.

2. R = 2 × 120 × 0,06 = 14,4 Ω 3. PJ = R × I2 = 14,4 × 4622 = 3,07 × 106 W = 3,07 MW Pj × Ptransportée

3,07 100 = 104 × 100 = 3,0 %. La condition n’est donc pas vérifiée car le pourcentage calculé est supérieur à 2 %. 5. En doublant le nombre de câbles, on divise par 2 les pertes par effet Joule dans un seul câble tout en transportant la même puissance répartie sur deux câbles.

4.

V I

PJ

G

et

A

R

UR

R

I2

= 2 174 A et R =

Cas B : I=

π×R

Les calculs ont été effectués avec ρ(cuivre) = 1,7 × 10−8 Ω·m. 3. En augmentant la tension d’alimentation, cela diminue l’intensité du courant et permet d’avoir un câble de résistance plus élevée donc d’un diamètre plus petit. Le câble est alors moins lourd. Le transformateur est un élément indispensable car il permet d’augmenter la tension d’alimentation des câbles, puis de l’abaisser pour l’adapter à l’usager.

2. a. Avec les formules suivantes :

2

4×ρ×L

18 1.

donc

où ρ est la résistivité du métal

en Ω·m, L la longueur totale du câble en m et S la

× 500 = 30 kW.

Ptransportée = Ualimentation × I

ρ×L S

= 25 A et R =

30 000 2

2 174

30 000 252

V

= 6,3 × 10−3 Ω

= 48 Ω

b. En comparant le diamètre des câbles correspondant aux cas A et B, un seul est envisageable : le cas B. Plus le diamètre d’un câble

I

R

A

UR

G m>1

R

1 m’ = — m 0.

© Éditions Hatier, 2020. 73

Thème 2 ● Le futur des énergies

8. CHOIX ÉNERGÉTIQUES ET IMPACTS SUR LES SOCIÉTÉS Introduction Ce chapitre est ancré dans l’actualité puisqu’il traite de la transition écologique amorcée à l’échelle mondiale. L’important est d’arriver à faire ressentir aux élèves l’intérêt de bien comprendre les arguments scientifiques qui permettent des choix éclairés. Un choix n’est ni bon ni mauvais, il est un consensus entre les retombées positives et négatives. Il a forcément un caractère arbitraire.

Activités

p. 164 à 169

① Vers une étude systémique de la Terre Les savoirs du BO

Pour que soit mise en œuvre une adaptation efficace aux changements inéluctables et qu’en soit atténué l’impact négatif, les choix énergétiques supposent une compréhension globale du système Terre.

Commentaire pédagogique Le but de cette activité est de s’approprier les informations présentes dans les documents afin d’en tirer une analyse des impacts des choix énergétiques sur le système Terre.

Durée estimée : environ 1 h Cette activité peut être préparée à la maison (environ 30 min), puis corrigée en classe (15 min). Cela laisse 15 min environ pour une synthèse de cours sur le système Terre et les transitions énergétiques.

Pour aller plus loin Lien vers une conférence sur l'état actuel des connaissances sur le changement climatique paru sur planet-terre.ens-lyon : https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/GIECSeferian-2019.xml

Réponses aux questions 1. Les constituants du système Terre sont la terre profonde, la lithosphère, l’hydrosphère, la biosphère et l’atmosphère. Parmi ces constituants, les plus impactés par les choix énergétiques des sociétés sont l’hydrosphère, l’atmosphère et la biosphère.

- Concernant l’hydrosphère, les impacts les plus importants sont l’augmentation globale du niveau des océans, la diminution des calottes glaciaires, l’augmentation de la température de surface des océans et la diminution du pH de l’eau. - Concernant l’atmosphère, on peut citer l’augmentation globale de la température et l’augmentation de la concentration en GES, notamment en dioxyde de carbone. - Concernant la biosphère, on peut citer la désertification de certaines régions et un appauvrissement de la diversité biologique. 2. La SST constitue une avancée dans l’étude du changement climatique car elle étudie la Terre dans sa globalité. Les constituants du système Terre sont non seulement analysés individuellement mais aussi dans leurs interactions les uns avec les autres. 3. Le remplacement du bois par le charbon, pendant la révolution industrielle (XVIIIe) ou le recours massif à l’énergie électrique ont été des transitions énergétiques rapides. À l’inverse, le remplacement du charbon par le pétrole au XXe siècle s’est fait de façon plus progressive. 4. La transition énergétique amorcée dans les années 1990 est une transition écologique. Elle vise à continuer de répondre aux besoins en énergie de l’humanité, besoins toujours croissants, tout en minimisant les effets néfastes sur le système Terre. Penser la science Il peut paraître difficile d’être à la fois expert et force de proposition. C’est pourtant le rôle difficile qui est confié au GIEC : à la fois, réaliser un état des lieux de l’état de la planète et de l’impact de l’activité humaine et, d’autre part, proposer des préconisations pour améliorer la situation. Il peut sembler difficile de rendre compte avec le plus d’objectivité possible du résultat de son analyse tout en étant convaincant sur les mesures à adopter.

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Thème 2 ● Le futur des énergies

② L’exemple du nucléaire français Les savoir-faire du BO

Analyser d’un point de vue global les impacts de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire.

Commentaire pédagogique Le débat permet de travailler la communication orale. La préparation du débat peut se faire à la maison. Les principaux arguments sont donnés dans les documents proposés.

Durée estimée : 1 h en classe Différenciation Quelques-uns des arguments et contre-arguments ci-dessous peuvent être donnés comme coups de pouce pour les groupes qui seraient en difficulté.

Réponses aux questions Quelques arguments et contre-arguments à ne pas manquer ! - Écologiquement, c’est une énergie décarbonée, mais la sécurité et la sûreté sont problématiques et les déchets encombrants. - Économiquement, le parc nucléaire est en place et satisfait aux besoin d’une grande partie de l’électricité française, mais le vieillissement du parc augure de frais importants. - Historiquement, la France a beaucoup investi dans la recherche pour le nucléaire, elle dispose pourtant d’un potentiel intéressant pour se tourner vers les énergies renouvelables. Aurait-elle pris du retard dans ce domaine ? - Sociologiquement, certains territoires français trouvent leur dynamisme grâce à la présence d’une centrale qui est un bassin d’emploi important, mais la promotion des énergies renouvelables ne pourraitelle pas être un facteur d’essor important ? - Scientifiquement, les progrès de la recherche vont probablement permettre à terme de résoudre le problème des déchets et de maîtriser la fusion, mais cela va-t-il permettre de respecter les échéances des accords de Paris ? Penser la science Les échelles de temps politiques et écologiques sont souvent mal synchronisées. Les choix politiques doivent souvent être opérés sur des temps courts alors que la préservation de la planète nécessite une modification des pratiques sur des temps longs.

③ Deux exemples de choix énergétiques Les savoirs du BO

- Ces choix doivent tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, impacts (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales. L’analyse de ces éléments de décision conduit le plus souvent à une recherche de diversification ou d’évolution des ressources (mix énergétique). - Les durées longues, liées l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont confrontées l’urgence de l’action. - La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique, comme sur l’invention de nouveaux comportements individuels et collectifs (consommations, déplacements, relations Nord-Sud).

Les savoir-faire du BO Dans une étude de cas, analyser des choix énergétiques locaux selon les critères et les paramètres mentionnés.

Pour aller plus loin Le magazine « Pour la science » n° 510 d’avril 2020 consacre trente pages en partenariat avec ENGIE sur la diversité des solutions qui pourront nous permettre d’atteindre la neutralité énergétique d’ici 2020. Ce dossier comporte 14 articles qui peuvent être utilisés comme support d’analyse documentaire.

Durée estimée : 1 h en classe Différenciation L’utilisation du hatier-clic (hatier-clic.fr/est169) peut permettre de rendre les documents plus simples à exploiter.

Réponses aux questions Géographique Royaume-Uni France Éolien en offshore et Éolien en offshore et onshore. onshore. Dynamisation de certaines zones rurales en installant des centrales nucléaires. Politique et géopolitique Royaume-Uni France Présence de pétrole en Le XXe siècle a été marqué mer du Nord et grand par une volonté empire colonial : peu de d’indépendance énergétique, problèmes d’indépendance notamment pendant les deux énergétique jusqu’en guerres mondiales et lors 2005. des chocs pétroliers.

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Thème 2 ● Le futur des énergies Sociologique Royaume-Uni France Importance des Redynamisation des zones mouvements ouvriers rurales par l’installation de (passage du charbon au centrales nucléaires. pétrole lors des luttes sociales dans les mines. Économique Royaume-Uni France Utilisation tardive du Quelques réticences à pétrole produit à un coût renoncer au nucléaire à moindre. cause du coût des mutations technologiques. Scientifique ou technologique Royaume-Uni France Procédé de fabrication du Forte implication dans la coke par Darby et de la recherche nucléaire. machine à vapeur par Watt. Historique Royaume-Uni France Maîtrise du procédé de Plusieurs prix Nobels fabrication du coke français dans le domaine (DARBY) et invention de du nucléaire : la machine à vapeur - Physique 1903 : Henri (WATT). Becquerel avec Pierre et Marie Curie. - Chimie 1911 : Marie Curie - Chimie 1935 : Frédéric et Irène Joliot-Curie Écologique Royaume-Uni France Volonté plus ou moins grande de répondre à l’urgence climatique.

Penser la science

p. 172 à 173

Commentaires pédagogiques Les textes de la page 172 permettent de présenter différents chiffres en lien avec la production et la consommation d’énergie électrique liée au nucléaire, puis d’interroger ceux-ci afin de questionner les choix politiques en matière énergétique. Les textes de la page 173 concernent l’accident de la centrale de Tchernobyl et son traitement médiatique.

Durée estimée : 1 h 30 Réponses aux questions Page gauche Chaque choix en matière d’énergie doit d’appuyer en premier lieu sur des données objectives et fiables. Celles qui sont présentées ici peuvent être bien entendu discutées voire remises en cause, mais leur source est fournie et la méthode permettant de les obtenir est largement acceptée.

Partant de ce constat et en prenant pour objectif de réduire les émissions de CO2 à l’échelle nationale, on peut donner les arguments suivant : - le nucléaire fait partie des sources d’énergie les moins polluante (en termes d’émission de gaz à effet de serre) ; - le nucléaire induit des déchets radioactifs dont le traitement et la conservation pendant des milliers d’années pose problème ; - l’éolien et le photovoltaïque sont des énergies intermittentes et en faire une source d’énergie électrique majoritaire ne pourrait se faire qu’en augmentant la part de centrales thermiques (voir https://jancovici.com/transitionenergetique/renouvelables/pourrait-on-alimenter-lafrance-en-electricite-uniquement-avec-de-leolien/); - les énergies fossiles émettent beaucoup de gaz à effet de serre, mais permettent d’adapter facilement la production à la consommation ; - le parc hydraulique français a presque atteint sa capacité maximale ; - les énergies chimiques de stockage permettant de réguler l’intermittence de certaines énergies renouvelables posent la question de la pollution liée à l’extraction de terres rares ; - produire de l’énergie électrique avec des éoliennes et des panneaux photovoltaïques entraîne l’émission de CO2 mais en quantité assez faible en comparaison des centrales thermiques à charbon ou gaz. Page de droite Communiquer des informations au public dans des situations de catastrophe industrielle est complexe : il faut informer, sans créer de panique, alerter et fournir des connaissances en temps réel alors que celles-ci sont parfois partielles ou manquantes, considérer si les effets d’une absence d’informations seront plus néfastes que leur divulgation, etc. Dans l’exemple de Tchernobyl, la défaillance constatée des autorités à communiquer s’est appuyée sur l’idée que les doses reçues sur le territoire français n’étaient pas problématiques et qu’en conséquence il ne fallait pas « trop informer ». Cependant ce choix n’implique pas que les informations ont été fausses ou mensongères. C’est ce que révèlent plusieurs enquêtes menées ces dernières années, à partir des sources (journaux TV et papiers) de l’époque.

Pour aller plus loin https://www.afis.org/La-legende-urbaineconfrontee-a-la-realite https://www.lepoint.fr/societe/l-increvable-mythe-dunuage-de-tchernobyl-03-10-2019-2339144_23.php https://www.youtube.com/watch?v=HxPcKayB07w

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Thème 2 ● Le futur des énergies

Exercices

p. 174 à 177

1 a. Vrai. b. Faux. Au paléolithique, la Terre était dans une période glaciaire. Elle s’est brusquement réchauffée au néolithique pour atteindre la température moyenne de 15 °C. Depuis la révolution industrielle, on assiste à un nouveau réchauffement très rapide. c. Vrai. d. Faux. Le GIEC est un groupe d’expert mandaté pour évaluer les impacts sur le système Terre de l’activité humaine et proposer des préconisations pour en limiter les impacts négatifs. e. Vrai. f. Vrai. 2 a. La biodiversité, une température modérée (15 °C en moyenne sur l’année et sur l’ensemble de la planète), la présence d’océans pour réguler la température et l’atmosphère pour filtrer une partie du rayonnement solaire sont des caractéristiques de la Terre qui ont permis à la vie telle que nous la connaissons de s’y maintenir. L’activité humaine de ces deux derniers siècles a créé une modification significative de ces entités, modifications entremêlées les unes avec les autres impactant de façon globale le « système Terre ». L’analyse systémique de la Terre permet une meilleure compréhension des modifications subies par la planète afin d’en limiter les effets négatifs. b. L’histoire des ressources énergétiques a été marquée par des ruptures. C’est le cas, par exemple, du passage de la biomasse au charbon lors de l’invention de la machine à vapeur. Mais elle s’est faite aussi par de lentes substitutions d’une ressource par une autre. C’est le cas lorsque le pétrole a peu à peu remplacé le charbon. Ces transitions énergétiques ont été dictées essentiellement par des besoins de croissance. La transition énergétique amorcée depuis les années 1990 a pour but d’endiguer le réchauffement climatique. C’est donc un enjeu environnemental qui a poussé l’humanité à réduire l’utilisation de ressources carbonées pour se tourner peu à peu vers des ressources renouvelables. c. La ressource nucléaire est une ressource énergétique non carbonée. À ce titre, elle est un bon candidat pour lutter contre le réchauffement climatique. Cependant, elle présente un risque technologique : destruction possible à cause de catastrophes naturelles ou provoquées susceptibles de libérer de la radioactivité. Elle libère, d’autre part, des déchets toxiques que l’on peut difficilement supprimer.

d. Les choix énergétiques opérés par les états modifient le mix énergétique, c’est à dire la répartition des ressources énergétiques en pourcentage utilisées pour répondre à la demande en énergie. Différents critères vont influer dans l’orientation du mix énergétique. Les critères économiques par exemple, conduisent à se tourner vers la ressource qui est la moins chère. 31. La réaction de fission de l’uranium 235 utilisé dans les centrales nucléaires libère : a. des isotopes radioactifs. 2. La ressource nucléaire constitue 75 % du mix électrique français car : b. elle a permis de réduire la consommation en pétrole. d. historiquement, la France a joué un rôle capital dans la recherche sur le nucléaire. 3. La transition énergétique actuelle sera réussie si elle parvient à : b. minimiser l’émission de gaz à effet de serre. d. optimiser la consommation de l’énergie. 4. La plupart des pays font peu à peu décroître la part du nucléaire dans leur mix énergétique car : b. ces pays évoquent des risques technologiques trop importants. 4 1. Le principal intérêt écologique de l’utilisation de l’énergie nucléaire est la quasi-absence d’émission de gaz à effet de serre, notamment de dioxyde de carbone : c’est une énergie décarbonée. 2. Les limites résident dans des risques technologiques importants et dans l’émission de déchets radioactifs que nous ne savons pas encore traiter. 5 Le ...a... d’un pays est un reflet de ses choix en matière d’énergie. Ces choix peuvent être guidés par de nombreux critères. a = mix • Critère ...b... : un pays exposé à des vents réguliers et importants fera croître l’éolien. b = géographique • Critère ...c... : de nombreux pays essaient de choisir des ressources non carbonées. c = écologique • Critère ...d... : les progrès impulsés par de nouvelles inventions orientent les choix vers certaines techniques. d = technologique 6 Correction dans le manuel

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Thème 2 ● Le futur des énergies 7 1. Sur la figure 1, on lit une augmentation de 0,6 °C environ. 2. Sur la figure 2, on peut voir que lorsque la température augmente la solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau diminue. On peut légitimement en déduire que sa concentration dans l’atmosphère augmente puisque le dioxyde de carbone désolubilisé est relâché dans l’atmosphère. 3. Le dioxyde de carbone étant un gaz à effet de serre, l’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère contribue à faire augmenter la température de l’atmosphère. C’est l’effet de serre. 4. Schéma obtenu :

5. C’est une rétroaction positive car elle amplifie le phénomène de réchauffement de la Terre. 8 1. En 2050, le scénario « négaWatt » prévoit de consommer 1 000 TWh au lieu de 2 400 TWh avec un scénario tendanciel. Aujourd’hui la consommation totale en France est de 2 800 TWh. 2. Éteindre les bureaux inoccupés et les usines la nuit, réduire l’étalement urbain, réduire les emballages sont des exemples d’usages contribuant à la sobriété. L’efficacité dans la consommation consiste à mieux isoler les bâtiments et à concevoir des appareils qui ont un meilleur rendement. L’efficacité dans la production consiste à améliorer le rendement des centrales électriques (cogénération par exemple).

3. Deux autres intérêts du scénario « négaWatt » : - Disparition des ressources fossiles dans le mix énergétique : diminution des GES. - Disparition des ressources nucléaires dans le mix énergétique : plus de problèmes de déchets et de risque nucléaire. 9 a. Il est vrai que l’océan est un régulateur de température. Cependant, lorsqu’il se réchauffe, il rejette du dioxyde de carbone (GES) qui contribue au réchauffement climatique (voir exercice 7). L’effet de l’océan a donc des limites. b. Le réchauffement de l’atmosphère accroît l’évaporation de l’eau de l’hydrosphère. Or, l’eau est un gaz à effet de serre. L’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère renforce l’effet de serre et par conséquent le réchauffement climatique. On a donc une réaction positive entre l’hydrosphère et l’atmosphère via l’eau. c. Ici, les deux arguments n’ont rien à voir l’un avec l’autre. C’est donc la conjonction « puisque » qui n’est pas correcte. L’eau est bien un gaz à effet de serre puisque l’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère contribue à renforcer la faculté qu’a l’atmosphère de renvoyer vers la Terre les rayons infrarouges. Cet effet de serre a favorisé le développement de la vie sur Terre telle que nous la connaissons puisqu’il a contribué à stabiliser une température moyenne de 15 °C sur Terre. Mais ce n’est pas tout. L’eau est le milieu sans lequel la vie ne peut naître : elle est consubstantielle à toute existence, depuis la naissance de tous les organismes, jusqu'à leur mort. d. La disparition des ours polaires est un phénomène très médiatique qui est souvent cité lorsque l’on évoque la menace de la biodiversité. En effet, la fonte des calottes glaciaires qui accompagne le réchauffement climatique prive ces mammifères de leur habitat naturel : la banquise. S’il est vrai que l'ours polaire est une espèce vulnérable dont la population devrait décliner de 30 % dans les prochaines décennies, elle est loin d’être la seule. En effet, une liste rouge des espèces vivantes menacées d’extinction recense environ 31 000 espèces. Ces espèces sont classées de « least concerned : peu concerné » à « extinct : éteint » suivant 7 catégories. « Vulnérable » est dans le milieu de l’échelle. L’ours polaire est donc un cas emblématique mais pas forcément le plus menacé.

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Thème 2 ● Le futur des énergies

e. Il n’y a rien de positif dans l’augmentation du niveau des océans contrairement à ce que l’on pourrait imaginer. Si l’eau est le berceau de la vie, l’augmentation du niveau des océans est très négative pour la plupart des populations. En effet, 60 % de la population mondiale vit dans des zones côtières. Celles-ci risquent d’être ensevelies à terme ou de subir de plus en plus fréquemment des inondations. 10 1. IPCC signifie Intergovernmental Panel on Climate Change. L’acronyme français est GIEC : Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. 2. L’IPCC a été créé en 1988. 3. L’objectif de ce rapport est de proposer des pistes pour atteindre l’objectif de + 1,5 °C au maximum d’ici 2100 tout en maintenant un développement soutenable et en apportant un soutien aux plus pauvres. 11 a. Jugement b. Fait scientifique c. Fait scientifique d. Jugement e. Jugement 241

12 1. Un noyau 95 Am contient 95 protons et 146 neutrons soit 241 nucléons. 242 1 2. 241 95𝐴𝐴𝐴𝐴 + 0𝑛𝑛 → 95𝐴𝐴𝐴𝐴 X1 est donc de l’américium 242. Le noyau X1 est radioactif, émetteur β-. Il apparaît un noyau X2 et une particule. 0 242 3. 242 95𝐴𝐴𝐴𝐴 → 96𝐶𝐶𝐶𝐶 + −1𝑒𝑒 X2 est donc du curium. La quasi-totalité des noyaux X2 obtenus subit une désintégration α. Un noyau X3 est produit ainsi qu'une particule. 238 4 4. 242 96𝐶𝐶𝐶𝐶 → 94𝑃𝑃𝑃𝑃 + 2𝐻𝐻𝐻𝐻 La demi-vie radioactive (t1/2) de l'américium 241 vaut 432 ans ; celle du noyau X1 vaut 16 heures et celle du noyau X2 vaut 163 jours. 5. La demi-vie d’un noyau radioactif est la durée notée t1/2 nécessaire pour que la moitié des noyaux présents dans un échantillon se soit désintégrée. 6. Cette méthode permet de remplacer des noyaux radioactifs à temps de demi-vie long par des noyaux radioactifs à temps de demi-vie plus court. Ainsi, la décroissance radioactive est plus rapide et les déchets seront nuisibles moins longtemps.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Thème 3 – Une histoire du vivant Introduction La biodiversité qui peuple notre planète a évolué dans le temps et dans l’espace mettant en avant sa réelle dynamique. Cette grande diversité d’êtres vivants (dont l’espèce humaine) s’inscrit dans une longue histoire évolutive, outil précieux, offrant une grille de lecture du monde vivant. La dynamique de cette biodiversité est modélisée par les mathématiques de façon à décrire son évolution. Les modèles sont construits et souvent adaptés de façon à traduire au mieux la réalité du terrain. Un écart trop grand au modèle peut conduire à une invalidation de ce dernier. Par la création d’un langage destiné à commander des machines, l’humain poursuit son pouvoir d’action.

Chapitre 9 - La biodiversité et son évolution Ce premier chapitre, qui ouvre le thème 3, à savoir « Une histoire du vivant », met en exergue le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique (lien qui va par ailleurs traverser le thème), à partir de l’étude de la biodiversité (dont l’humain fait partie). La biodiversité a fait, et fait toujours, l’objet de nombreuses études afin d’en connaître à la fois la diversité des espèces, leurs effectifs ainsi que les variations individuelles au sein des populations. La comparaison entre les modèles mathématiques probabilistes (Hardy-Weinberg) et les fréquences alléliques montrent des écarts au modèle, indiquant que la biodiversité est en perpétuelle évolution, sous l’action de forces évolutives mais, peut-être aussi, menacée par certaines actions de l’espèce humaine. Un des enjeux est donc de pouvoir sauvegarder cette biodiversité, les sciences participatives peuvent permettre à l’échelle des élèves de construire une posture de citoyen éclairé.

Chapitre 10 - L’évolution comme grille de lecture du monde Ce chapitre, s’appuyant sur la construction verticale des concepts liés à l’évolution (mutations, forces évolutives), repris dans le chapitre 9, ainsi que celle du citoyen sur les grands enjeux liés à la santé et à l’environnement (chapitre 9), offre de nouvelles explications à la compréhension de l’anatomie de certains organes en convoquant des notions de contrainte, de compromis et de contingence mais aussi en proposant un éclairage nouveau sur les

pratiques humaines qu’elles soient médicales ou agricoles. Plus généralement ce chapitre invite à une lecture de l’évolution, basée sur les concepts de la biologie évolutive.

Chapitre 11 - L’évolution humaine Ce chapitre propose de construire une histoire raisonnée de l’évolution humaine en remobilisant les prérequis des classes antérieures (cycle 4), notamment sur la lecture d’un arbre phylogénétique et la notion de liens de parenté, tout en mettant l’accent sur la démarche scientifique permettant l’élaboration d’une histoire évolutive buissonnante de la lignée humaine. Les archives fossiles permettent d’étudier les relations de parenté entre les espèces actuelles et les fossiles d’hominidés car elles aident à l’identification des innovations évolutives communes donc transmises. Certains caractères transmis de façon » non génétique » (par exemple, le microbiote) font également partie de l’histoire de la lignée humaine. Ce chapitre permettra également de lutter contre les clichés et les préjugés en replaçant l’humain dans la biodiversité au même titre que toutes les autres espèces.

Chapitre 12 - Les modèles démographiques Ce chapitre permet de modéliser l’évolution des populations mais aussi celles des ressources qui leur sont indispensables. On s’interrogera sur l’adéquation entre ressources et population grandissante (exemple de la population humaine). Une étude statistique permet de construire une représentation graphique de l’évolution d’une population de façon à dégager des tendances générales mais aussi de constater des différences. Ces données statistiques vont permettre des modélisations de façon à proposer des prévisions démographiques : le modèle linéaire et le modèle exponentiel qui seront interrogés sur leur pertinence. Un débat pourra être engagé sur la controverse autour du malthusianisme.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Chapitre 13 - L’intelligence artificielle Ce chapitre, en évoquant le pouvoir d’action des humains qui n’a cessé de croître sur le monde, interroge sur le transfert de « l’intelligence humaine » vers une « intelligence artificielle » capable de réaliser des tâches jusqu’alors effectuées par les humains. L’élaboration d’un mode de pensée algorithmique permet de faire fonctionner des machines. Mais il ne faut pas oublier qu’il est toujours nécessaire d’utiliser de façon intelligente des machines qui ne le sont pas ! Chapitre

Activité

Chapitre 9 La biodiversité et son évolution

Activité 1 La mesure de la biodiversité (activité documentaire) Activité 2 Échantillonner des populations (tâche complexe) Activité 3 L’évolution génétique des populations (activité documentaire) Activité 4 Les impacts des êtres humains sur la biodiversité (activité documentaire/classe inversée)

Chapitre 10 L’évolution comme grille de lecture du monde

Activité 1 Structures anatomiques, témoins de l’évolution des espèces (activité documentaire) Activité 2 Résistance aux antibiotiques et mécanismes évolutifs (activité documentaire) Activité 3 Pratiques agricoles et impacts sur l’évolution de la biodiversité (tâche complexe)

Chapitre 11 L’évolution humaine

Activité 1 Les relations de parenté entre l’espèce humaine et les autres primates (activité documentaire) Activité 2 Une histoire évolutive possible de la lignée humaine (activité documentaire) Activité 3 La transmission de caractères non génétiques dans la lignée humaine (travail en équipe/activité documentaire)

Chapitre 12 Les modèles démographiques

Activité 1 Étude statistique des populations (activité documentaire) Activité 2 Modélisation à l’aide de suites (activité documentaire) Activité 3 Le modèle linéaire (activité documentaire) Activité 4 Le modèle exponentiel et les suites géométriques (activité documentaire)

Chapitre 13 L’intelligence artificielle

Activité 1 Le traitement automatique de l’information (activité documentaire) Activité 2 Numérisation des données (activité documentaire) Activité 3 Correction d’un programme (activité expérimentale) Activité 4 L’intelligence artificielle (tâche complexe) Activité 5 Inférence bayésienne et régression (activité documentaire) Activité 6 L’apprentissage automatique (activité expérimentale) Activité 7 Les limites de l’intelligence artificielle (tâche complexe)

Commentaires Prérequis : - biodiversité (SVT, cycle 4 et 2de) - microbiote (SVT, cycle 4 et 2de) - gènes et allèles, diversité génétique (SVT, cycle 4 et 2de) - notion d’espèces et arbre phylogénétique (SVT, cycle 4 et 2de) - liens de parenté (SVT, cycle 4) - calcul de probabilités (Maths, cycle 4 et 2de) et fluctuation d’échantillonnage (Maths, 2de) - fonctions affines et représentation graphique de droite (Maths, cycle 4 et 2de) - fonction, variable et notation f(x) (Maths, cycle 4 et 2de) - programmation en Scratch (Maths et Techno, cycle 4) et en Python (Maths, SNT, PC et SVT, 2de) Outils mathématiques utilisés : - échantillonnage et fluctuation - estimation et intervalle de confiance - ajustement d’un nuage de points par une droite - taux de variation, variation absolue, variation relative - utilisation de la calculatrice Lien avec les programmes des spécialités de Terminale : - génétique et évolution : inéluctable évolution des génomes au sein des populations (spécialité SVT) s’appuyant sur l’équilibre théorique du modèle de Hardy-Weinberg - la notion de suite et la fonction exponentielle sont étudiées en spécialités maths en 1re / les limites de suites sont étudiées en spécialité maths en Terminale

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Bibliographie [1] Guillaume Lecointre, Guide critique de l’évolution, Belin, 2009 [2] Mark Ridley, Évolution biologique, De Boeck Université, 1997 [3] Thierry Lefèvre, Michel Raymond, Frédéric Thomas, Biologie évolutive, De Boeck Université, 2016 [4] Hervé Le Guyader, L’évolution, Belin-Pour la Science, 1998 [5] Jean-Pierre Henry, Pierre-Henri Gouyon, Précis de génétique des populations, Dunod, 2008 [6] Robert Barbault, Écologie générale, structure et fonctionnement de la biosphère, Dunod, 2008 [7] Claude Faurie, Christiane Ferra, Paul Médori, Jean Dévaux, Jean-Louis Hemptinne, Écologie, approche pratique et scientifique, Lavoisier, 2011 [8] Roger Dajoz, Précis d’écologie, Dunod, 2019 [9] Collectif, Le feu dans la nature, mythes et réalité [10] Christian Lévêque, Jean-Claude Mounolou, Biodiversité, dynamique biologique et conservation, Dunod, 2008 [11] Richard B. Primack, François Sarrazin, Jane Lecomte, Biologie de la conservation, Dunod, 2012 [12] Michel Gauthier-Clerc, Sciences de la conservation, De Boeck, 2014

Dossiers Pour la science : La conquête des espèces, no 65 L’Évolution : rien ne l’arrête, no 63 Évolution, la saga de l’humanité, no 94

Ressources EDUSCOL sur les notions mathématiques du programme https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/22/4/RA20_Lycee_G_T_ ES_Sous-theme_3-5_inferencebayesienne_1238224.pdf https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/22/2/RA20_Lycee_G_T_ ES_Sous-theme_34_modeles_demographiques_1238222.pdf https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/54/4/RA20_Lycee_G_T_ ES_sous-theme_3-5_Ordinateurs_1247544.pdf https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/22/3/RA20_Lycee_G_T_ ES_Sous-theme_3-5_IA_1238223.pdf

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Thème 3● Une histoire du vivant

9. La biodiversité et son évolution Introduction La biodiversité et son évolution sont au cœur de ce chapitre. Il s’agit d’en comprendre la dynamique ainsi que les impacts des activités humaines à travers l’étude de sa mesure à différentes échelles spatiales et temporelles. Plusieurs principes d’étude de la biodiversité sont utilisés afin de mesurer et d’estimer la taille d’une population ou bien la proportion d’individus possédant un caractère donné. Les humains ne cessent d’exploiter les ressources de la planète avec des conséquences de plus en plus alarmantes. Protéger cette biodiversité nécessite d’en suivre l’évolution. Ainsi les modèles mathématiques probabilistes sont présentés afin d’en comprendre les écarts au modèle et identifier les forces évolutives à l’œuvre à l’échelle de quelques générations. Cette partie, fortement redondante avec le programme de terminale spécialité, servira de prérequis horizontal à l’enseignement de ce dernier au cours duquel il faudra comprendre la modification d’un modèle pour valider une hypothèse de sélection et produire ainsi, une courbe prédictive de l’allèle récessif (exemple : différence de fréquence de l’allèle drépanocytaire dans la population mondiale). Sauvegarder cette biodiversité consiste à convoquer une posture de citoyen avec une proposition de classe inversée, afin que l’élève puisse construire, dans le temps hors scolaire également, une position par rapport aux perturbations des écosystèmes liées aux activités humaines et comprendre que des solutions pour y remédier sont envisageables.

Prérequis

p. 186 (correction p. 294)

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger des acquis et/ou représentations initiales des élèves concernant les notions suivantes. Prérequis 1 : la notion d’allèle qui a été vue en classe de troisième puis de seconde, est réinvestie (sous forme de schéma ici pour bien fixer cette connaissance) afin d’appréhender l’idée de fréquence allélique. Prérequis 2 : base nécessaire à la compréhension des modèles mathématiques probabilistes traités dans ce chapitre. Prérequis 3 : la dérive génétique, étudiée en classe de seconde, est réinvestie afin de comprendre au cours du chapitre que cette force évolutive peut expliquer des écarts au modèle de Hardy-Weinberg.

Prérequis 4 : la représentation initiale des élèves au sujet de la sélection naturelle doit-être clairement vérifiée car cette force évolutive va traverser le thème 3.

Activités Compétences Pratiquer des démarches scientifiques Communiquer et utiliser le numérique Utiliser des outils et des méthodes pour apprendre Adopter un comportement éthique et responsable Être autonome et acteur de la construction de son savoir

p. 188 à 195 Capacités Comprendre le lien entre phénomènes naturels et langage mathématique Formuler une hypothèse, raisonner avec rigueur Comprendre un modèle Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement des données Recenser, extraire, organiser et exploiter des documents pour apprendre. Apprendre à organiser son travail Identifier l’incidence (bénéfices et nuisances) des activités humaines sur l’environnement à différentes échelles

Activités Activités 2 et 3 Activités 2 et 3 Activités 2 et 3 Activités 1, 2, 3 et 4

Activité 4 Activité 4 (classe inversée)

① La mesure de la biodiversité Les savoirs du BO Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue. La biodiversité se mesure par des techniques d’échantillonnage (spécimens ou ADN) qui permettent d’estimer le nombre d’espèces (richesse spécifique) dans différents milieux. Les composantes de la biodiversité peuvent aussi être décrites par l’abondance (nombre d’individus) d’une population, d’une espèce ou d’un plus grand taxon.

Les savoir-faire du BO - Exploiter des données obtenues au cours d’une sortie de terrain ou d’explorations scientifiques (historiques et/ou actuelles) pour estimer la biodiversité (richesse spécifique et/ou abondance relative de chaque taxon). - Quantifier l’effectif d’une population ou d’un taxon plus vaste à partir de résultats d’échantillonnage.

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Thème 3● Une histoire du vivant

Commentaires pédagogiques À travers cette activité, les élèves découvriront d’une part les aspects historiques de l’étude de la biodiversité et d’autre part des aspects plus récents aujourd’hui utilisés par les chercheurs. Ils seront amenés à utiliser des bases de données publiques, internationales, en ligne, pour étudier un cas concret. BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) est un algorithme qui permet de : - comparer une séquence d’intérêt à une banque de données constituée de milliards de séquences ; - déterminer l’identité de cette séquence (« de quelle séquence ma séquence est la plus proche ») : à quelle espèce elle appartient, et quelle est la fonction de cette séquence. Voir le protocole : hatier-clic/est189

Durée estimée : 1 h 30 Différenciation - On peut simplifier la recherche sur la base de données BLAST en modifiant le fichier initial. Ainsi, au lieu d’avoir 5 séquences, on pourra n’en donner que 2 aux élèves (par exemple, les séquences B et C). - On pourra également demander aux élèves (les plus rapides) d’effectuer des recherches complémentaires sur les espèces identifiées par BLAST et de les présenter aux autres binômes.

Réponses aux questions 1. Au sein des bactéries, seulement 0,01 % des espèces ont été découvertes. Il faudrait donc rechercher dans ce groupe en particulier (faire réfléchir les élèves sur le pourcentage très faible des espèces de mammifères à découvrir). 2. Avant l’avènement de la métagénomique, l’étude de la biodiversité reposait sur des méthodes naturalistes et sur l’observation directe des spécimens ou des ossements. Les naturalistes ont ainsi décrit de nombreuses espèces. Aujourd’hui, la métagénomique permet d’étudier la biodiversité d’un écosystème à partir, non pas d’échantillons macroscopiques, mais de molécules d’ADN. Ces molécules, une fois extraites, sont séquencées et comparées à des banques de données existantes, ce qui permet d’identifier les séquences (et donc les espèces) retrouvées. Cette méthode permet également d’obtenir une quantification relative immédiate. 3. La biodiversité a pu et peut être inventoriée par l’étude de spécimens (vivants ou morts) et/ou par l’étude de l’ADN des individus, soit en le prélevant

directement sur ces derniers, soit en le prélevant dans le milieu (métagénomique). Partie métagénomique avec BLAST : Séquence

Nombre de séquences dans l’échantillon

A

102

B

107

C

104

D

10

E

1

Espèce Emiliana huxleyi Autolykivirida e Synechococc us Ulva ulva Sardina pilchardus

Lien vers la séquence 1 2 3 4 5

Lien vers la séquence

1 2 3 4 5

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NC_007288.1?rep ort=fasta&from=4936&to=5583 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MG592663.1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/S39338.1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/DQ286543.1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NC_009592.1?rep ort=fasta&from=14645&to=15785

Calcul de l’abondance relative des bactéries : Ici, Synechococcus sont les seules bactéries. Abondance relative des bactéries nombre de séquences de bactéries = nombre total de séquences 104 10 000 = 4 7 2 = 10 010 111 1+10+10 +10 +10 = 9,98 × 10–4 Penser la science Autres pistes pour s’engager dans les sciences participatives : - SPIPOLL pour entrer dans le chapitre : https://www.spipoll.org - Pour réaliser des sorties biodiversité, dans une ville par exemple : www.vigienature.fr ; www.sauvagepaca.fr - Pour approfondir le travail sur le projet TARA : https://oceans.taraexpeditions.org/

Pour aller plus loin Article Pour La Science portant sur la métagénomique : https://www.pourlascience.fr/sd/genetique/laven ement-de-la-metagenomique-7575.php

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Thème 3● Une histoire du vivant

② Échantillonner des populations Les savoirs du BO Il existe plusieurs méthodes permettant d’estimer un effectif à partir d’échantillons. La méthode de « capturemarquage-recapture » repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Si on suppose que la proportion d’individus marqués est identique dans l’échantillon de recapture et dans la population totale, l’effectif de celle-ci s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle. À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100 % en raison de la fluctuation des échantillons. Pour un niveau de confiance donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est grande.

Les savoir-faire du BO - Estimer une abondance par la méthode de capture, marquage, recapture, fondée sur le calcul d’une quatrième proportionnelle. - À l’aide d’un tableur, simuler des échantillons de même effectif pour visualiser la fluctuation d’échantillonnage. - En utilisant une formule donnée pour un intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 %, estimer un paramètre inconnu dans une population de grande taille à partir des résultats observés sur un échantillon.

Complément d’information au BO https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/22/1/RA20_Lycee_G_T_ ES_Sous-theme_3-1_CMR_1238221.pdf

Commentaires pédagogiques Cette activité va permettre aux élèves de découvrir deux principes d’estimation à partir d’un même échantillon : - le principe de la méthode de capture-marquagerecapture qui permet d’estimer la taille d’une population ; - l’estimation d’une proportion d’individus présentant un caractère donné en utilisant les notions d’intervalle de confiance associé à un niveau de confiance. Elle met en application ces outils sur un exemple concret en écologie. Toute l’activité 2 est enrichie par l’utilisation du tableur disponible en Hatier-clic (hatierclic.fr/est191)

Durée estimée : 1 h 30 Différenciation Différents niveaux de complexité sont proposés pour cette tâche complexe qui mobilise à la fois le traitement des données informatiques et la maitrise d’un outil mathématique pour la compréhension des phénomènes naturels :

- Parcours intermédiaire : les élèves estiment un effectif en utilisant la méthode de CMR, et le graphique de l’évolution de la population en fonction du temps se trace automatiquement. L’élève est ensuite amené à calculer une moyenne de 2004 à 2008 et à comparer cette valeur à celle de 2019. - Parcours confirmé : les élèves estiment l’effectif mais doivent faire le lien avec le calcul de la moyenne « avant les feux ». Ils tracent le graphique par eux-mêmes. - Parcours expert : en plus de la version « confirmé », les élèves doivent supposer que la population est croissante linéairement entre 2009 et 2019. Le taux de croissance annuel est 154 opossums par an. La valeur moyenne avant les incendies était de 3193 opossums, et la valeur juste après est 1209. Les élèves doivent trouver que les 3192 opossums seront atteints entre 2021 et 2022. Les captures d’écran utiles du tableur figurent en pages 7-8. Attention : les populations naturelles ne suivent pas des croissances linéaires, mais plutôt exponentielles ou logistiques ; ce modèle est ici utilisé pour une simplification des calculs (début de réflexion sur la construction d’un modèle). Deux parcours sont également proposés pour le calcul de l’intervalle de confiance : dans le tableur Excel, des feuilles correspondant à chaque parcours sont proposées. Les captures d’écran utiles figurent en pages 9-10.

Réponses aux questions Tâche complexe avec aide à la résolution dans le tableur. ► Le gouvernement australien vous demande d’estimer la taille de la population d’opossums dans la forêt en 2019. Première session : n1 = 82 individus capturés Seconde session : n2 = 67 individus capturés, p = 2 individus recapturés Taille estimée de la population : n1 × n2 ÷ p = 82 × 67 ÷ 2 = 2 747 ► Pour savoir si la population contient assez de femelles pour continuer à croître, le gouvernement veut connaître leur proportion le plus précisément possible. Discuter si la valeur de 49 % observée est précise à ±10 %, en détaillant la méthodologie utilisée.

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Thème 3● Une histoire du vivant

Les calculs (voir captures tableurs ci-après) permettent bien de conclure que la fréquence observée est précise à ±10 %. Il faudrait cependant un échantillon de taille plus grande pour une estimation plus précise. Complément sur l’influence de la taille de l’échantillon sur la précision de l’estimation Considérons une population d’opossums de taille connue (par exemple, à la suite d’une estimation par CMR) de 1 076 individus. Certains individus sont malades mais on ne peut pas compter directement, dans toute la population, le nombre réel d’individus malades. On estime la proportion d’individus malades dans la population totale à l’aide d’un échantillon. • Avec un échantillon de 30 individus dont 7 sont malades - La fréquence observée est 7 ÷ 30 = 0,23. - On détermine l’intervalle de confiance pour un niveau de confiance de 95 % grâce à la formule du Focus maths p. 200, en commençant par calculer la marge d’erreur : ε = 1,96�

0,23 × 0,77

= 0,15. 30 - L’intervalle de confiance est : [0,23 – 0,15 ; 0,23 + 0,15] = [0,08 ; 0,38]. Selon cet échantillon, la proportion d’opossums malades se situerait entre 8 % et 38 %.

• Avec un échantillon de 96 individus dont 22 sont malades - La fréquence observée est 22 ÷ 96 = 0,23. - On détermine l’intervalle de confiance pour un niveau de confiance de 95 % : ε = 1,96�

0,23 × 0,77

= 0,08. 96 - L’intervalle de confiance est : [0,23 – 0,08 ; 0,23 + 0,08] = [0,15 ; 0,31]. Selon cet échantillon, la proportion d’opossums malades se situerait entre 15 % et 31 %. L’estimation obtenue avec ce second intervalle est plus précise (amplitude de l’intervalle = 16 %). En conclusion, plus la taille de l’échantillon est petite, plus l’amplitude de l’intervalle de confiance est grande et moins l’estimation est précise. Inversement, plus la taille de l’échantillon est grande, plus l’amplitude de l’intervalle de confiance associé est petite et plus l’estimation est précise (voir l’exercice 6 du Focus maths p. 201).

Pour aller plus loin Publication portant sur la dynamique des effectifs d’opossums en lien avec les incendies en Australie. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ mec.13279

Estimation de l’effectif de la population – 3 niveaux de différenciation - Intermédiaire (corrigé)

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Thème 3● Une histoire du vivant

- Confirmé (corrigé)

- Expert (corrigé)

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Thème 3● Une histoire du vivant

Estimation de la proportion de femelles dans l’échantillon - Niveau intermédiaire

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Thème 3● Une histoire du vivant

- Niveau expert

③ L’évolution génétique des populations Les savoirs du BO Au cours de l’évolution biologique, la composition génétique des populations d’une espèce change de génération en génération. Le modèle mathématique de Hardy-Weinberg utilise la théorie des probabilités pour décrire le phénomène aléatoire de transmission des allèles dans une population. En assimilant les probabilités à des fréquences pour des effectifs de grande taille (loi des grands nombres), le modèle prédit que la structure génétique d’une population de grand effectif est stable d’une génération à l’autre sous certaines conditions (absence de migration, de mutation et de sélection). Cette stabilité théorique est connue sous le nom d’équilibre de Hardy-Weinberg. Les écarts entre les fréquences observées sur une population naturelle et les résultats du modèle s’expliquent notamment par les effets de forces évolutives (mutation, sélection, dérive, etc.).

Les savoir-faire du BO - Pour la transmission de deux allèles dans le cadre du modèle de Hardy-Weinberg, établir les relations entre les probabilités des génotypes d’une génération et celles de la génération précédente.

- Produire une démonstration mathématique ou un calcul sur tableur ou un programme en Python pour prouver ou constater que les probabilités des génotypes sont constantes à partir de la seconde génération (modèle de Hardy-Weinberg). - Utiliser des logiciels de simulation basés sur ce modèle mathématique. - Analyser une situation d’évolution biologique expliquant un écart par rapport au modèle de Hardy-Weinberg.

Complément d’information au BO https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_ mathematiques_de_l_ES/82/3/RA20_Lycee_G_T_ ES_sous-theme-3-1-Hardy-Weinberg_1241823.pdf

Commentaires pédagogiques Cette activité permet à l’élève d’appréhender le concept d’évolution sur un laps de temps plus réduit, en comprenant le lien entre le modèle mathématique, celui de Hardy-Weinberg, et les phénomènes naturels en présence, de façon à discuter de l’impact des forces évolutives dans les populations naturelles. Cette étude sera basée sur un exemple concret, les populations d’araignées paon, dans lesquelles plusieurs forces évolutives

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Thème 3● Une histoire du vivant

sont à l’œuvre : sélections naturelle et sexuelle, dérive génétique. Toute l’activité 3 est basée sur le tableur Excel disponible en Hatier-clic (hatier-clic.fr/est193b).

Durée estimée : 1 h 15 Différenciation On peut ici proposer différents parcours : - Parcours intermédiaire : donner le tableur aux élèves avec tous les coefficients déjà remplis, et discuter de l’allure des courbes - Parcours confirmé : donner le tableur en les laissant moduler les valeurs des coefficients - Parcours expert : ne pas leur donner le tableur et les faire réfléchir sur la façon dont on peut obtenir une valeur de fréquence allélique à la génération n + 1 à partir de la valeur à la génération n et d’un coefficient de sélection (valeur en n + 1 = coefficient × valeur en n) - Prolongement possible : discuter de l’impact éventuel de la dérive génétique

Réponses aux questions

Dans la population naturelle, on observe également que l’allèle A augmente en fréquence au cours du temps. Cela signifie donc que les individus homozygotes portant l’allèle A (les individus AA) ont plus de chances de se reproduire que les autres. Ils ont donc un avantage à la reproduction, procuré par cet allèle, qui leur permet d’avoir des motifs plus contrastés. On dit qu’ils sont sélectionnés sexuellement. La population est donc soumise à l’effet de la sélection sexuelle. 3. Toutefois, les valeurs exactes de la population naturelle (doc. 3) et celles simulées en tenant uniquement compte de la sélection sexuelle (onglet Question 3 du tableur) ne sont pas identiques. La population doit donc être soumise à une autre force évolutive. La sélection naturelle pourrait donc également être à l’œuvre, puisqu’on nous indique dans le doc. 4 que les individus richement colorés sont également plus vulnérables à la prédation. En choisissant les paramètres suivants dans le tableur :

1. D’après le doc. 2, une population est à l’équilibre de HW si, à chaque nouvelle génération, les fréquences alléliques sont égales à celles de la génération précédente. On voit dans le doc. 3 que la fréquence de l’allèle A n’est pas constante. Cela signifie donc que la population n’est pas à l’équilibre de HW. D’après le doc. 1, cela signifie donc qu’une des hypothèses portant sur la population de départ, à savoir « Population de taille infinie, pangamie et panmixie / Espèce considérée diploïde et à reproduction sexuée / Générations non chevauchantes », ou sur les mécanismes évolutifs (absence de mutation / migration /sélection) est fausse.

Valeur sélective des homozygotes AA = 1,6 Valeur sélective des hétérozygotes Aa = 1 Valeur sélective des homozygotes aa = 0,4

2. Dans l’onglet Question 2 du tableur fourni, on peut faire varier le coefficient de sélection sexuelle pour chaque génotype : AA, Aa et aa. Ce nombre correspond à l’avantage (s’il est positif) de l’allèle, ou à son coût pour l’individu (s’il est négatif). Si le coefficient est de 1,1, cela signifie que les individus ont 10 % de chances de plus de se reproduire à chaque génération. On observe que lorsque le coefficient de sélection sexuelle des individus AA est réglé à 1,1 (signifiant que ces individus sont positivement sélectionnés), la fréquence de l’allèle A augmente au cours du temps.

4. Une population naturelle peut donc être soumise à diverses forces évolutives : la sélection naturelle et la sélection sexuelle. En utilisant l’onglet Question 4 du tableur, on peut également faire varier un dernier paramètre, à savoir l’intensité de la dérive génétique. On constate que la modulation de ce paramètre a des conséquences sur l’évolution des fréquences alléliques. La dérive génétique est donc, en sus des deux modes de sélection, une force évolutive à l’œuvre dans les populations naturelles.

Mortalité supplémentaire des homozygotes AA due à la prédation (entre 0 = très faible et 1 = très élevée)

0,1

On constate que les valeurs obtenues pour la fréquence de l’allèle A sont exactement identiques à celles du document 2 (celles réellement observées). Cela signifie donc que la population d’araignées paon est soumise à la fois à la sélection naturelle et à la sélection sexuelle.

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Thème 3● Une histoire du vivant

Pour aller plus loin Publication portant sur les bumps des araignées paons et leurs contributions à la sélection sexuelle https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rs pb.2019.0589

④ Les impacts des êtres humains sur la biodiversité Les savoirs du BO Les activités humaines (pollution, destruction des écosystèmes, combustions et leurs impacts climatiques, surexploitation d’espèces...) ont des conséquences sur la biodiversité et ses composantes (dont la variation d’abondance) et conduisent à l’extinction d’espèces. La fragmentation d’une population en plusieurs échantillons de plus faibles effectifs entraîne par dérive génétique un appauvrissement de la diversité génétique d’une population. La connaissance et la gestion d’un écosystème permettent d’y préserver la biodiversité.

Les savoir-faire du BO - Utiliser un modèle géométrique simple (quadrillage) pour calculer l’impact d’une fragmentation sur la surface disponible pour une espèce. - À partir d’un logiciel de simulation, montrer l’impact d’un faible effectif de population sur la dérive génétique et l’évolution rapide des fréquences alléliques. - Analyser des documents pour comprendre les mesures de protection de populations à faibles effectifs. - Identifier des critères de gestion durable d’un écosystème. Envisager des solutions pour un environnement proche.

Commentaires pédagogiques À travers cette activité de classe inversée (préparation à la pédagogie la plus courante dans le supérieur), les élèves découvrent la biologie de la conservation (avec un temps d’exposition à un savoir augmenté) à travers sa transversalité (discipline à l’interface science/société), son ancrage historique et ses différents leviers d’action afin de maintenir voire de restaurer la biodiversité. Une première vidéo introductive est donnée à l’élève pour être traitée hors classe puis réinvestie en présentiel lors d’un travail d’investigation. L’exercice Je vérifie que j’ai compris peut également être donné en amont, ou fait en classe. Je m’entraîne à est à réaliser en classe. L’exemple choisi ici est la conséquence de la construction d’une nationale sur une population de chauvessouris. Exemple construit à partir des travaux de thèse de Fabien Claireau, écologue (thèse disponible ici : http://www.theses.fr/2018MNHN0018).

Pour aller plus loin : Introduction à l’écologie de la conservation, François Ramade (Professeur émérite d’écologie Paris-Sud 11), TEC & DOC (Éditions), 2020

Durée estimée : 1 h en amont de la classe et 45 min en classe Différenciation Les activités proposées s’apparentent à des tâches complexes. Cela permettra de mesurer l’autonomie de l’élève et de proposer des aides individualisées en fonction des obstacles rencontrés par certains élèves. Ainsi on pourra, par exemple, pour Je vérifie que j’ai compris, laisser choisir l’élève entre une trace écrite rédigée (en donnant des mots clés pour les élèves qui souhaitent une aide) ou bien une trace écrite sous forme de schéma (en proposant une base comme document d’aide) Pour le document 2 (Je m’entraîne à), on peut demander à l’élève : - soit uniquement une réponse qualitative ; - soit une réponse quantitative, en utilisant l’échelle fournie. On peut également travailler sur la mise en relation des documents (2, 3 et 4). On demande une base sous forme de tableau au brouillon, pour ensuite proposer de rédiger la trace écrite, qui sera la réponse à l’effet de la fragmentation.

Réponses aux questions Je vérifie que j’ai compris Document 1 Il est nécessaire de bien vérifier les acquis sur les trois échelles de la biodiversité afin de permettre une organisation de la réponse. (Voir la vidéo (hatier-clic.fr/est194). Les activités humaines ont des conséquences diverses sur la biodiversité, à différentes échelles : écosystèmes, populations, individus. - À l’échelle des écosystèmes, ces activités provoquent une destruction des habitats (exemple des forêts en Indonésie), ainsi qu’une fragmentation de ces derniers. Non seulement les surfaces disponibles au vivant se réduisent, mais celles-ci sont de moins en moins connectées.  Limiter la destruction des habitats en créant des réserves naturelles + maintenir des corridors écologiques. - À l’échelle des populations, ceci se traduit par des flux génétiques amoindris, pouvant diminuer la diversité génétique au sein d’une population en

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Thème 3● Une histoire du vivant

augmentant la consanguinité. Les populations génétiquement homogènes se retrouvent fragilisées en cas, par exemple, d’infection par un parasite.  Maintenir des corridors écologiques et introduire de nouveaux individus génétiquement différents. - À l’échelle des individus, on peut également mentionner la surpêche ou la pollution qui diminuent l’espérance de vie, et donc la probabilité de se reproduire et de pérenniser l’espèce.  Prendre des mesures pour limiter l’exploitation des espèces et contrôler le rejet des déchets (physiques et chimiques) dans l’environnement.

Je m’entraîne à … Document 2 - Sans nationale, la population est continue. Les individus se déplacent librement et les échanges génétiques sont donc possibles. Pour aller plus loin : on peut même calculer la surface disponible pour la population : 42 carrés de 2 km × 2 km = 4 km2 chacun, soit 168 km2. - Avec nationale, la population est divisée en deux sous-populations isolées. Chacune des deux a une surface disponible moindre, et le flux génétique entre les deux populations est donc interrompu. • Surface disponible pour la population « violette » : 20 carrés de 2 km × 2 km = 4 km2 chacun + un triangle de surface ½ carré, soit 82 km2. • Surface disponible pour la population « jaune » : 21 carrés + un triangle soit 86 km2 (on suppose dans tout cela que la surface de la nationale est négligeable). Document 3 - Pour la colonie sans séparation par une 2 × 2 voies, on observe que la distance génétique augmente de manière quasi linéaire en fonction de la distance géographique. Des individus plus loin géographiquement sont donc plus éloignés génétiquement. - Pour la colonie séparée, on observe que pour une même distance géographique, la distance génétique est plus importante. Au sein de la sous-population « jaune » (du côté du point B), la distance génétique évolue également de manière linéaire en fonction de la distance géographique. Document 4 A la lecture de l’interview de Fabien Claireau, on note que les chiroptéroducs (photo du manuel : visible sur l’A89 entre Clermont-Ferrand et Lyon) permettent de rétablir en partie la connexion entre les sous-populations qui avaient été isolées par une route. La localisation exacte de ces passages doit

être anticipée en étudiant en comportement des populations franchissement de la route.

amont le lors du

Mise en relation des documents et trace écrite attendue Dans cet exemple, on voit qu’une population existait avant la construction de la nationale. Au sein de celle-ci, les migrations étaient possibles et les flux génétiques étaient donc réalisables d’un « bout » de la population à l’autre bout, de proche en proche. La construction de la nationale a coupé le lien génétique entre les deux sous-populations. Ces deux populations sont aujourd’hui : - plus petites, prises indépendamment ; - moins connectées. Les deux populations sont donc plus susceptibles de voir leur diversité génétique s’appauvrir, d’être vulnérable à un parasite… À long terme, on peut même imaginer que les deux sous-populations finissent par être trop différentes pour se reproduire de nouveau. Une solution pour résoudre ce problème serait la construction d’un chiroptéroduc, qui rétablirait le flux génétique entre les 2 sous-populations. Même si cela n’est pas précisé dans les documents, on pourrait également envisager de réintroduire des individus de la population « violette » dans la population « jaune », et vice-versa. Prolongement possible : travail à l’oral

Pour aller plus loin Publication du chercheur interviewé Fabien Clairaut, sur les chiroptéroducs et leurs effets sur la génétique des populations : https://www.sciencedirect.com/science/article/ab s/pii/S0006320718315702

Penser la science

p.198 à 199

Commentaires pédagogiques Préserver la biodiversité est un enjeu majeur au même titre que la lutte contre le changement climatique. Une journée internationale de la biodiversité a été créée par l’ONU depuis 1993 et est effective tous les 22 mai depuis l’année 2000. Si les images et les annonces médiatiques sur la disparition alarmante de la biodiversité se multiplient et sensibilisent de plus en plus le grand public à cette question, elles se focalisent trop souvent sur des lieux communs sans examiner la complexité du phénomène.

© Éditions Hatier, 2020. 92

Thème 3● Une histoire du vivant

Durée estimée : 1 heure (page gauche et droite)

Commentaires scientifiques et ressources

Réponses aux questions

Diversité fonctionnelle et diversité phylogénétique

Interroger les images Les images médiatiques renvoient souvent à la diversité spécifique : quelles espèces sauver ? Question à laquelle il est bien difficile de répondre (les espèces rares ? les espèces emblématiques ? les espèces bio-indicatrices ? les espèces utiles ? etc.). Le premier exemple illustre l’importance de préserver une diversité fonctionnelle (ou écologique). La biodiversité est avant tout un réseau d’interactions et d’interdépendances. Ainsi, pour reconstituer la forêt atlantique, il faut favoriser les animaux et les végétaux qui interagissent dans le fonctionnement de cet écosystème. Un second document aborde un indicateur récent, la diversité phylogénétique qui fait référence à la richesse de l’histoire évolutive des espèces. Celle-ci améliore la productivité des écosystèmes. Enfin, un troisième document plaide en faveur d’une conservation évocentrée, sur le long terme. Les activités humaines impactent fortement les écosystèmes et les choix que font les humains restreignent le potentiel évolutif global de la biodiversité et donc ses capacités futures d’adaptation. Or ces choix, anthropo-centrés, sont souvent guidés par les services que nous rendent les écosystèmes et non par des considérations plus éthiques qui assureraient non seulement le bien-être des humains mais aussi celui des non-humains. Interroger les mots Les documents présentés nuancent la notion de crise d’extinction massive souvent utilisée par les médias pour qualifier l’érosion dramatique – et bien réelle – de la biodiversité. Les chiffres actuels de la biodiversité sont comparés à un registre disponible de 500 ans (l’érosion de la biodiversité actuelle est ensuite estimée sur la base de modélisations). Par ailleurs, l’interprétation hâtive de certains chiffres peut laisser croire à une extinction massive de certaines espèces là où ils évoquent en réalité une perte du nombre d’individus au sein de ces espèces. Enfin, s’il ne fait aucun doute qu’il existe actuellement une crise, il faut se demander quelles en sont les victimes, sur le court terme et sur le long terme.

Les critères utilisés par les décideurs politiques pour créer de nouvelles aires protégées (actuellement 14,8 % des terres et 5,1 % des océans) sont souvent la vulnérabilité des espèces et la diversité spécifique. Les travaux d’une équipe du laboratoire d’écologie alpine de Grenoble Laura J. Pollock, Wilfried Thuiller et Walter Jetz montrent que la prise en compte de deux autres indicateurs - la diversité fonctionnelle et la diversité phylogénétique - permettrait de mener une politique de conservation plus efficace. Ainsi, en tenant compte de ces deux indicateurs, une augmentation de 5 % des aires protégées suffirait pour tripler la variété d’espèces d’oiseaux et de mammifères sauvegardées. Voir ici l’article (Nature, mai 2017) : Pollock, L. J., Thuiller, W., & Jetz, W. Large conservation gains possible for global biodiversity facets La diversité fonctionnelle prend en compte les réseaux trophiques et le rôle écologique des espèces au sein d’un écosystème. Un écosystème riche en diversité fonctionnelle se compose donc d’herbivores, de carnivores, d’insectivores, d’animaux nocturnes et diurnes, de pollinisateurs. La mesure de la diversité phylogénétique d’un écosystème se base sur les relations de parenté entre les espèces. Cet indicateur privilégie la conservation d’espèces ayant une longue histoire évolutive (qui ont divergé des autres il y a longtemps), ou les assemblages d’espèces qui contiennent des espèces éloignées les unes des autres et qui sont de ce fait ‘‘complémentaires’’. La diversité fonctionnelle comme la diversité phylogénétique sont associées à la stabilité et à la productivité d’un écosystème. Voir à ce sujet un article récent (Science, jan. 2019) qui montre que c’est la diversité phylogénétique des abeilles, et non leur diversité spécifique, ni même leur abondance, qui rend les meilleurs services de pollinisation : Grab, H., Branstetter, M. G., Amon, N., Urban-Mead, K. R., Park, M. G., Gibbs, J., ... & Danforth, B. N. Agriculturally dominated landscapes reduce bee phylogenetic diversity and pollination services.

Changer notre regard sur la biodiversité Voir l’article complet sur une politique de conservation évo-centrée (Science, fev 2016) : Sarrazin, F., & Lecomte, J. Evolution in the Anthropocene.

© Éditions Hatier, 2020. 93

Thème 3● Une histoire du vivant

Le GIEC de la biodiversité L’IPBES plateforme intergouvernementale scientifique et politique sur la biodiversité et les services écosystémiques - est un groupe pluridisciplinaire et international d’experts sur la biodiversité qui a été créé en 2012. En avril 2019, il a produit un rapport exhaustif de l’évaluation de la biodiversité, fruit de 3 ans de travail. Ce dernier se penche sur la situation mondiale de la biodiversité, les services que celle-ci rend dans le monde, et les principaux facteurs de son érosion. À ce titre, le rapport propose, de manière inédite, une hiérarchie des principales causes dont la plupart sont, sans surprise, d’origine humaine : 1. les changements d’usage des terres et des sols ; 2. l’exploitation directe de certains organismes ; 3. le changement climatique ; 4. la pollution ; 5. les espèces exotiques envahissantes. Il met aussi en lumière les savoirs locaux et autochtones importants pour sa conservation et propose plus globalement de solutions pour agir. Pour en savoir plus : un communiqué de presse synthétique ; le rapport complet.

Ressources bibliographiques complémentaires Ouvrage grand public : Collectif Scientifique du Patrimoine Naturel de la Biodiversité (2007, 2008, 2012), La Biodiversité à travers des exemples. Volets 1, 2 et 3. Ministère de l’Ecologie, du Développement durable, des Transports et du logement. Mise à disposition gratuite : ici. Ces ouvrages fournissent de nombreux exemples très accessibles pour les élèves. Ouvrages de vulgarisation : - Lise Barnéoud (2013), La biodiversité ? Comprendre vite et mieux. Infographie. Belin. - Collectif de chercheurs du CNRS et de l’INEE (2010), BiodiversitéS. CNRS Le cherche midi. - Patrick De Wever et Bruno David (2015), La biodiversité de crise en crise. Albin Michel. - Robert Barbault (2006), Un éléphant dans un jeu de quilles. Seuil. Beau-Livre : Histoire des sciences : Hervé Le Guyader, Julien Norwood (ill.) (2019), L’aventure de la biodiversité, de Ulysse à Darwin, 3000 ans d’expéditions naturalistes. Belin.

Focus maths

p. 200 à 201

Commentaires pédagogiques Cette double page a pour objectif de se focaliser sur l’estimation d’une proportion d’un caractère présent dans une population. La taille de la population étudiée étant connue, cela est naturellement équivalent à estimer l’effectif des individus possédant le caractère dans cette population. Cela est relatif aux extraits suivants du programme : - À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100 % en raison de la fluctuation des échantillons. Pour un niveau de confiance donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est grande. - En utilisant une formule donnée pour un intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 %, estimer un paramètre inconnu dans une population de grande taille à partir des résultats observés sur un échantillon.

Quelques remarques sur la rubrique Cours. « Échantillon » Outre le fait que l’échantillon doit être représentatif de la population étudiée, sa taille n ne peut pas excéder 10 % de celle de la population. « Intervalle de confiance » Il existe une multitude d’intervalles de confiance. L’intervalle de confiance donné ici est défini si les trois conditions suivantes sont satisfaites : n ≥ 30 ; n × fobs ≥ 5 et n × (1 – fobs) ≥ 5 « Niveau de confiance » Pour un niveau de confiance de 95 %, k est égal à 1,96. Pour un niveau de confiance de 99 %, k est égal à 2,58. D’une manière générale, lorsque ce niveau augmente (en restant naturellement inférieur à 100 %), l’amplitude de l’intervalle de confiance augmente : donc la précision sur la proportion inconnue (la précision de l’estimation) diminue.

1 Dans ce QCM sans contexte, on se familiarise avec l’expression de l’intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 % donnée. 1. La fréquence observée est le centre de l’intervalle de confiance : 0,07+0,29 2

=

0,36 2

= 0,18 soit 18 %.

 Réponse b.

2. L’amplitude est la différence entre la borne supérieure et la borne inférieure de l’intervalle : 0,29 – 0,07 = 0,22 soit 22 %.  Réponse b.

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Thème 3● Une histoire du vivant

3. L’amplitude est le double de la marge d’erreur. Ainsi, la marge d’erreur est la moitié de l’amplitude : 0,22 2

= 0,11 soit 11 %.

 Réponse a. On pourrait poser ici la question supplémentaire suivante : « Quel est le nombre d’individus possédant le caractère dans cet échantillon ? » La réponse est : 18 % de 50, c’est-à-dire 9 individus. 2 Dans ce QCM contextualisé, on se familiarise avec les notions présentées dans le cours mais cette fois-ci dans un contexte. 1. 150 lapins sont prélevés dans la population.  Réponse c. 2. 12 lapins s’avèrent infectés sur 150. La fréquence observée de lapins infectés dans cet échantillon vaut alors :

12 150

=

2 25

= 0,08 soit 8 % de

l’échantillon.  Réponse a. 3. La marge d’erreur vaut ici : 4,3 %. Les bornes de l’intervalle de confiance sont ainsi : 8 % – 4,3 % = 3,7 %, soit 0,037 et 8 % + 4,3% = 12,3 % soit 0,123.  Réponse a. On interprète cela de la manière suivante : « La proportion de lapins touchés par la myxomatose dans ce département se situerait, selon cet échantillon, entre 3,7 % et 12,3 %. » 3 L’objectif est, sans le justifier, de sensibiliser les élèves à l’impact de la taille de l’échantillon sur l’estimation. 1. On compte 35 chiffres (« 0 » et « 1 ») dont 14 fois le chiffre « 1 ». En utilisant les notations du cours, on a : n = 35 (taille de l’échantillon) et nE = 14 (individus possédant le caractère dans l’échantillon). On en déduit la fréquence observée du caractère dans l’échantillon :

fobs =

14 35

= 0,40 soit 40 %.

2. On remplace dans les formules données n par 35 ; nE par 14 et fobs par 0,40. On a alors : ϵ = 1,96�

0,40(1 – 0,40) 35

et IC ≈ [0,24 ; 0,56].

≈ 0,16

3. Similairement, on a : n = 100 ; nE = 40

;

fobs = 0,40 ; ϵ = 1,96�

0,40(1 – 0,40) 100

≈ 0,10

et IC ≈ [0,30 ; 0,50]. 4. Pour le premier échantillon, l’amplitude est d’environ 32 % (56 % − 24 %) ; pour le deuxième échantillon, l’amplitude est d’environ 20 % (50 % − 30 %). Seule la taille de l’échantillon diffère ; ainsi il semblerait que plus la taille augmente plus l’amplitude diminue et donc la précision sur la proportion inconnue (précision de l’estimation) augmente. 4 1. D’après l’énoncé, la fréquence observée sur l’échantillon vaut 10 % et la marge d’erreur 2,94 %. Les bornes de l’intervalle de confiance sont ainsi : 10 % − 2,94 % = 7,06 % soit 0,0706 et 10 % + 2,94 % = 12,94 % soit 0,1294. 2. Cette deuxième question est un réel réinvestissement des connaissances de Seconde sur les fonctions de référence. Néanmoins, on peut proposer aux élèves, dans le cadre d’une différenciation, une résolution à l’aide d’un tableur par exemple en précisant que l’inconnue est à valeurs dans ℕ. 1,96�

0,1 × (1 – 0,1) = 0,0294 n 2

0,1 × 0,9 � =0,02942 ⇔1,96 �� n 2

⇔1,962 ×

0,1 × 0,9 = 0,02942 n 0,02942

1 ⇔ = n 1,962 × 0,1 × 0,9 1 ⇔ = 0,0025 n 1 ⇔n = = 400 0,0025

L’échantillon était constitué de 400 individus. 5 Cet exercice est similaire à l’exercice précédent. En revanche, les données sont ici les bornes de l’intervalle de confiance. On en déduit la fréquence observée qui est le centre de cet intervalle et la marge d’erreur qui est la moitié de son amplitude : 8 + 15 15 – 8 = 11,5 (%) et = 3,5 (%). 2 2 La fréquence observée vaut ainsi 11,5 % soit 0,115 et la marge d’erreur 3,5 % soit 0,035.

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Thème 3● Une histoire du vivant

Similairement à l’exercice 4, on en déduit la taille de l’échantillon : 1,96�

0,115 × (1 – 0,115)

L’échantillon 319 individus.

n était

= 0,035 ⇔ n ≈ 319

composé

d’environ

6 1. L’amplitude de l’intervalle de confiance IC au niveau de confiance de 95 % est le double de la marge d’erreur comme défini dans le cours, ce qui amène à : f (1 – fobs ) 2 × 1,96 � obs n = 3,92

�fobs (1 – fobs ) √n

(Propriété des racines carrées étudiées en seconde).

2. Le maximum est

1 2

1

atteint en t = . 2

Vers la spécialité. La dérivée est : t ⟼

1 – 2t 2�t(1 – t)

(t ∈ ]0;1[). Son signe dépend du signe de 1 – 2t. La fonction étudiée est ainsi strictement croissante 1

1

sur �0 ; � et strictement décroissante sur � ; 1�. 2

Elle atteint ainsi son maximum en t =

1 2

2

1

qui vaut . 2

3. Cela résulte directement des deux questions précédentes : 1 1,96 �f (1 – fobs ) ≤ 3,92 × 2 = 3,92 obs √n √n √n 4.

« Plus la taille de l’échantillon augmente, plus la marge d’erreur diminue » et « Pour diviser la marge d’erreur par deux, il faut multiplier la taille de l’échantillon par quatre ». Vers la spécialité. Il convient d’étudier les variations de la fonction t ⟼

1,96 √t

pour justifier le « diminuer ».

Pour la deuxième phrase, il suffit de constater que : 1,96 1 1,96 × = . 2 √4n √n Calcul mental Proportion et effectif 17,5 ; 55,5 ; 62,5 30 ; 9 ; 24 50 ; 1500 ; 2 800

7 1. L’axe des abscisses indique le numéro de l’échantillon ; l’axe des ordonnées les fréquences (non exprimées en %) ; les points de couleur rose les fréquences observées sur les échantillons. 2. Les fréquences observées fluctuent selon les échantillons et donc les bornes des intervalles de confiance. Cela est relatif à la fluctuation d’échantillonnage. 3. Un seul échantillon, l’échantillon 9, ne contient pas la proportion p qui vaut 30 %. Le pourcentage d’intervalles de confiance ne contenant pas la proportion p est alors de 1 sur 20 ce qui est équivalent à 5 %. Oui, cela était prévisible car relatif au niveau de confiance de 95 % qui peut être interprété comme suit : « sur un très grand nombre d’échantillons, environ 95 sur 100 d’entre eux contiendraient la proportion p ». 4. La proportion p n’est pas au centre de chaque intervalle et elle n’est pas proche de ses extrémités. On en déduit que : « si la proportion appartient à l’intervalle, il n’y a pas plus de raison qu’elle soit près du centre que de ses extrémités ». Attention aux mauvaises interprétations. Une fois l’échantillon prélevé, on ne peut plus parler de probabilités. Soit la proportion appartient à l’intervalle soit elle n’y appartient pas. 5. Voir fichier numérique.

8 1. n = 145 ; nE = 25 ; fobs =

25 145

≈ 0,17

© Éditions Hatier, 2020. 96

Thème 3● Une histoire du vivant

25

25

(1 – ) 145 145 2. ϵ = 1,96 � ≈ 0,06 et IC ≈ [0,11 ; 0,23]

145

Cela peut s’interpréter de la manière suivante : « la proportion de chatons touchés par le coryza dans ce département se situerait, selon cet échantillon, entre 11 % et 23 % ». 3. L’amplitude de l’intervalle précédent est d’environ 12 % (0,23 – 0,11 = 0,12 soit 12 %). Si on suppose que la fréquence observée du caractère étudié reste identique, alors la taille 𝑛𝑛 de l’échantillon recherchée doit vérifier l’égalité suivante (voir exercices 4, 5 et 14) : 25

25

× (1 – ) 145 145 1,96� = 0,04

⇔ n ≈ 343. n Sous cette condition, l’échantillon devrait être constitué de 343 individus. Sinon, on peut utiliser le raisonnement de l’exercice 6. La marge d’erreur est définie par : f

1,96 � obs

(1 – fobs ) n

. La fréquence observée n’étant

pas connue à l’avance, on utilise le fait que �fobs (1 – fobs ) est majorée par 0,5. Cela amène donc à s’intéresser à : 1,96 ×

Or,

0,98 √n

0,5 √n

=

= 0,04 ⇔ n =

11 a. La fragmentation d’une grande population en plusieurs sous-groupes entraîne, par dérive génétique, un appauvrissement de la diversité génétique. b. La technique de capture/marquage/recapture est une méthode d’échantillonnage permettant d’estimer l’effectif d’une population sans avoir accès à l’ensemble des individus la composant.

0,98 √n

0,98

.

2

0,042

= 600,25.

Par conséquent, si l’échantillon est constitué d’au minimum 601 personnes, la marge d’erreur est d’au plus 4 %.

Exercices

sous l’effet du hasard : c’est la dérive génétique. Son effet est d’autant plus fort que l’effectif de la population est faible. En effet, il est nettement plus probable qu’un allèle disparaisse ou qu’un autre se fixe quand le nombre de possibilités au moment de désigner un reproducteur est faible. Un appauvrissement génétique découle donc d’une dérive génétique s’exerçant d’autant plus fortement que l’effectif du groupe considéré est réduit. b. Vrai. c. Faux. Au contraire, les hypothèses du modèle de Hardy-Weinberg excluent formellement les forces évolutives : absence de mutations, absence de migrations, aucun caractère avantageux ou désavantageux (pas de sélection naturelle), population de taille infinie, pangamie et panmixie qui excluent la dérive génétique. d. Faux. La majeure partie des espèces n’a pas encore été découverte notamment chez les insectes, les nématodes et encore plus les bactéries.

p. 202 à 205

9 1. Certaines actions ont comme conséquence sur la biodiversité : b. une diminution de l’abondance de certaines espèces à la suite d’une surexploitation des écosystèmes. 2. Le modèle de Hardy-Weinberg : d. découle d’une démonstration mathématique montrant que dans certaines conditions, la fréquence des allèles dans une population reste inchangée au cours des générations. 10 a. Faux. La fragmentation a pour effet de réduire une grande population en plusieurs petites populations à effectifs réduits. La fréquence des allèles transmis lors de la reproduction sexuée varie

12 Collecte des données dans l’exercice : n1 = nombre d’individus capturés et marqués lors de la première session = 57 n2 = nombre d’individus capturés lors de la deuxième session = 48 p = nombre d’individus marqués parmi ceux capturés lors de la deuxième session = nombre d’individus recapturés = 19 Application de la formule de l’indice de Lincoln Petersen : 57 × 48 n1 p = donc N = n1 ×p n2 = = 144 n2 N 19 On peut donc estimer la taille de la population totale à 144 lions de mer de Steller. 13 L’histogramme fourni nous présente les résultats obtenus pour deux parcelles étudiées : l’une où l’on a enlevé les joncs de Gérard et l’autre où on les a laissés (parcelle témoin). Le paramètre mesuré est le nombre d’espèces de plantes par unité de surface, soit la richesse spécifique du milieu.

© Éditions Hatier, 2020. 97

Thème 3● Une histoire du vivant

Dans le cas d’un milieu sans Juncus gerardi, le milieu présente 4 espèces différentes par unité de surface. Dans le cas d’un milieu avec Juncus gerardi, le milieu présente 8 espèces différentes par unité de surface. La présence de Juncus gerardi (paramètre que l’expérimentateur fait varier) permet donc de doubler le nombre d’espèces végétales installées sur une même surface. On peut donc interpréter que la présence du jonc de Gérard favorise l’implantation d’autres espèces à travers ses caractéristiques facilitatrices : ombre fournie aux autres plantes, limitation de l’accumulation de sel, transport de dioxygène dans le sol amélioré. L’hypothèse des scientifiques est donc vérifiée : cette plante favorise l’installation d’autres espèces végétales dans les marais salants. 14 Correction dans le manuel 15 1. Dans le cadre de l’équilibre de HardyWeinberg, les fréquences alléliques et génotypiques restent constantes au cours des générations. Dans les régions industrielles, la fréquence de la forme typica passe de 99 % à 6 % entre 1848 et 1950 quand la fréquence de la forme carbonaria passe de 1 % à 94 %. Les deux formes sont dues à deux allèles du gène cortex. Si les pourcentages des deux formes varient, c’est que les fréquences respectives des deux allèles responsables varient en conséquence. Les fréquences alléliques varient donc au cours du temps et on ne peut donc pas parler d’équilibre de Hardy-Weinberg. 2. En considérant un milieu pollué où les troncs sont noircis, la forme la plus avantagée est la forme carbonaria moins visible des prédateurs. Au contraire, la forme typica est beaucoup plus repérable. De ce fait, la forme carbonaria est moins

consommée donc survit plus longtemps et sa fréquence augmente. Elle se reproduit donc davantage et transmet l’allèle responsable de ce caractère. L’allèle carbonaria se propage donc dans la population, expliquant le passage de 1 % à 94 % en un siècle. 3. Les travaux de Majerus (document 3) semblent indiquer le contraire. Les expériences de Majerus montrent en effet qu’une proportion plus importante de papillons sombres meurt, tués par les prédateurs, comparativement aux papillons clairs. Ces expériences menées entre 2001 et 2007 permettent d’avancer l’hypothèse d’une pollution en régression ce qui expliquerait que les carbonaria soient plus visibles et plus fortement consommés au cours de cette période. Face à ces résultats, il semble donc peu probable que la fréquence de l’allèle carbonaria continue d’augmenter, la tendance qui se dégage serait plutôt celle d’une diminution. 16 Voir tableau en bas de page. 17 1. Le constat de changement de proies par les orques a été fait au début des années 1970. Si l’orque s’attaque à une nouvelle proie, on doit donc s’attendre à ce que l’effectif de l’espèce considérée diminue au cours du temps. Quand on analyse le document 2, on constate que la population relative de loutres de mer diminue au cours du temps. Elle passe en effet de 100 % de la population initiale à environ 20 %, entre 1972 et 1997. Le déclin de cette population s’est donc amorcé au début des années 1970 et on peut donc relier cela au constat du changement alimentaire des orques, qui est contemporain. La nouvelle proie des orques serait donc la loutre de mer.

Tableau de l’exercice 16 Facteurs directs - Outre le fait que l’espèce est endémique de l’île, la présence de deux de ses prédateurs en grand nombre est à l’origine de son déclin. Python Chien - Destruction de l’habitat du cerf-cochon. La surface totale de son habitat est donc fortement diminuée.

Facteurs indirects Détruire l’habitat a une autre conséquence : la zone de répartition est détruite mais aussi fragmentée. La population originelle a donc été divisée en plusieurs sousgroupes, à l’origine d’un appauvrissement génétique par dérive génétique.

Solutions - Limiter le nombre de prédateurs du cerf-cochon, notamment les chiens sauvages dont la présence découle de celle de l’humain et de sa mauvaise gestion. Contrôler l’abandon des chiens et le développement des pythons - Limiter la destruction des milieux naturels, zone d’habitation du cerf-cochon en créant des réserves naturelles. - Maintenir des corridors écologiques entre les différentes sous-populations de cerfs-cochons séparées par la fragmentation de l’habitat originel. - Introduire de nouveaux individus génétiquement différents (compliqué car l’espèce est endémique, se tourner éventuellement vers des parcs)

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Thème 3● Une histoire du vivant

Suite du corrigé de l’exercice 17 2. Le document 1 nous présente une chaîne alimentaire typique de l’écosystème marin proche des îles Aléoutiennes. Les algues (faisant partie du varech) sont mangées par les oursins, eux-mêmes chassés par les loutres de mer. Au-delà de la disparition progressive des loutres entre 1972 et 1997 dégagée dans la question 1, on constate que la biomasse d’oursins augmente considérablement durant cette période passant de 20 g/m2 à plus de 300 g/m2. La population d’oursins a donc été multipliée par 10 durant cette période. Parallèlement à cela, la densité d’algues est passée de 10 individus par m2 à 4 individus par m2. Les algues ont donc connu un déclin de leur effectif sur la période étudiée. En ajoutant les orques au sein de la chaîne alimentaire, ces dernières se nourrissant de loutres, l’équilibre de l’écosystème est modifié. En effet, les orques étant de féroces prédateurs des loutres, l’effectif de ces dernières a fortement chuté en 25 ans. Les loutres sont elles-mêmes des prédateurs des oursins. Comme nous l’avons vu, la biomasse d’oursins s’est considérablement accrue au cours de la même période. On peut expliquer cela par la disparition progressive des loutres qui ne régulent plus la population d’oursins, en s’en nourrissant. De la même façon, le déséquilibre se répercute à l’étage précédent. Les oursins se reproduisant plus et survivant plus longtemps, leur nombre toujours plus important est défavorable au bon développement du varech. Plus il y a d’oursins, plus une grande quantité de varech est broutée et sa densité ne cesse de diminuer. L’introduction d’une espèce (ici l’orque) dans un écosystème peut donc déséquilibrer l’ensemble à travers les variations d’abondance qui en découlent. Ici, le plus inquiétant reste la disparition progressive du varech. Les végétaux constituent la base d’une chaîne alimentaire et la porte d’entrée de l’énergie et de la matière dans le système (énergie lumineuse et matière minérale transformées en énergie chimique et matière organique par photosynthèse). La disparition complète du varech impacterait à terme tous les maillons de la chaîne en cascade. 18 De nombreux exemples de sélection dans la nature permettraient de la qualifier de directionnelle. En effet, un caractère avantageux dans un environnement donné confère aux individus le possédant une meilleure aptitude à la survie et donc une plus grande probabilité de reproduction et de transmission de ce caractère. Ce caractère se

propage alors dans la population. Mais dans certaines populations, on peut observer que deux allèles permettant l’expression de deux formes différentes se côtoient et se maintiennent sans pour autant qu’un des allèles ne se propage plus que l’autre. Cette sélection est alors qualifiée de divergente. En quoi le cas fourni des vipères péliades y fait-il écho ? En regardant le document 1, on constate qu’il existe deux morphes de Vipera berus : - un morphe qualifié de « en zigzag » largement répandu dans les zones tempérées et possédant des écailles claires et des écailles sombres en zigzag ; - un morphe qualifié de mélanique plus répandu dans les régions les plus nordiques et donc les plus froides et entièrement noir. Comment expliquer cette répartition ? Si on regarde le document 2 présentant l’évolution de la température interne des deux morphes au cours d’une journée, on note que le morphe mélanique conserve une température plus élevée tout au long de la journée que le morphe en zigzag. Ainsi, le morphe mélanique présente une température interne qui passe de 25 °C à 8 h à pratiquement 35 °C à 12 h. Sa température se maintient aux alentours de 33 °C jusqu’à 18 h puis diminue pour atteindre 25 °C à 20 h. Dans le cas du morphe en zigzag, la température interne est de 17 °C à 8 h. Elle suit les mêmes variations en augmentant jusqu’à midi pour atteindre 30 °C puis diminue plus tôt dans la journée, dès midi passé, pour revenir à 15 °C à 20 h. À l’aide de ces observations, on peut faire deux interprétations : - La température des serpents semble dépendre de celle du milieu et de l’exposition au soleil. Quand le soleil est à son zénith à midi, c’est le moment chez les deux morphes où la température interne est la plus élevée. - Le morphe noir absorbe mieux les radiations lumineuses et se réchauffe donc plus que le morphe en zigzag. Quelle est la conséquence d’une telle différence de température ? Le document 3 nous présente le succès reproducteur d’un individu en fonction de sa masse. Plus la masse d’un mâle est importante, plus il aura un succès important auprès des femelles. Un mâle ayant une masse de 2 UA aura un succès reproducteur d’environ 2 UA quand un mâle ayant une masse de 6 UA un succès reproducteur 5 fois plus important.

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Thème 3● Une histoire du vivant

En effet, on peut imaginer qu’une plus grande masse est un critère de sélection par les femelles et un avantage en cas de combat avec un autre mâle en compétition. Or on sait que la masse d’un mâle dépend de son métabolisme et de sa température interne. Plus la température interne sera élevée, plus le métabolisme sera intense et donc plus l’individu présentera une masse élevée et plaira aux femelles. Or nous avons vu que les individus présentant une température interne élevée sont les individus mélaniques. On peut donc expliquer la prépondérance de cette forme dans les régions les plus nordiques. Ces régions étant les plus froides, ce sont des régions où conserver sa température interne élevée est plus difficile qu’ailleurs. Les morphes mélaniques y sont donc considérablement avantagés. Cela leur confère un avantage métabolique à l’origine d’une masse plus importante et donc d’un succès reproducteur plus élevé. Ce morphe est donc avantagé et devient majoritaire dans ces contrées. Mais comment expliquer que le morphe en zigzag se maintienne à travers une sélection divergente ? Pourquoi est-il majoritaire dans des régions plus tempérées ? Si la couleur noire fournit un avantage très net en milieu froid, cet avantage est moins important dans des contrées tempérées. Cependant, on note une nette domination du morphe en zigzag dans les régions tempérées indiquant un clair avantage possédé par ces derniers.

Analysons le document 4. A travers des expériences de capture, on cherche à déterminer quel est le morphe le plus visible des prédateurs. Sur les cinq sites étudiés, on constate que c’est systématiquement le morphe mélanique qui est le plus repéré (en moyenne un taux de prédation de 10 % plus élevé). Ce morphe est donc plus repérable par les prédateurs au contraire du morphe en zigzag plus discret dans le milieu. Dans un milieu tempéré, où la température n’est pas un facteur limitant, le morphe en zigzag est plus avantagé car il échappe davantage aux prédateurs sans pour autant subir un déséquilibre de température aussi important qu’en milieu froid. Il peut donc survivre plus aisément, se reproduire plus fréquemment et c’est donc l’allèle responsable de la forme zigzag qui est transmis préférentiellement dans ce type d’environnement. On peut donc conclure que cet exemple illustre bien un cas de sélection divergente. Les deux morphes présentent des avantages et des inconvénients en termes de survie expliquant à la fois leur maintien mais aussi leur répartition. La forme mélanique est plus repérable mais plaît davantage aux femelles du fait d’une meilleure régulation thermique interne en milieu froid et donc une meilleure prise de masse, critère recherché par la femelle. La forme en zigzag est moins avantagée du point de vue métabolique mais est moins repérable dans le milieu par les prédateurs. L’une est donc avantagée dans les milieux froids et l’autre dans les milieux où le froid n’est pas un facteur limitant au détriment de la prédation.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

10. L’ÉVOLUTION COMME GRILLE DE LECTURE DU MONDE Introduction Les élèves arrivant en classe de Terminale ont été formés, au cours du secondaire, aux concepts liés à l’évolution (phylogénies, mutations génétiques, sélection naturelle, dérive génétique). En parallèle, ils ont été amenés à s’interroger sur divers aspects sociétaux et environnementaux des grands enjeux actuels liés à la santé (micro-organismes, utilisation des antibiotiques, des vaccins, prévention des cancers, maladies, etc.), à l’environnement (gestion des agrosystèmes, gestion des énergies fossiles, etc.). L’objectif de ce chapitre est d’offrir une nouvelle piste d’explication sur l’origine de certaines structures et caractéristiques anatomiques, mais également sur les conséquences de certaines pratiques humaines (médicales et agricoles) en convoquant la biologie évolutive.

Prérequis

p. 206

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger les acquis et/ou représentations initiales concernant les notions suivantes (correction page 295). Prérequis 1 : la lecture d’un arbre phylogénétique mais aussi sa construction (vues en classe de 3e) est un acquis fondamental à la compréhension de la mise en perspective des liens de parenté. La définition d’ancêtre commun et d’innovations génétiques est renforcée. Prérequis 2 : prérequis vertical (classe de 3e, de 2nde et de 1re spécialité) et horizontal (chap. 9) qui convoque de nouveau la sélection naturelle (force évolutive à l’action) à partir de l’exemple de la phalène du bouleau (traité dans l’exercice 15 page 204). Prérequis 3 : le rôle bénéfique de certains microorganismes, notamment celui des bactéries symbiotes (microbiotes) est réaffirmé. Prérequis 4 : la notion d’agrosystème et la nécessité d’apporter des intrants afin de rééquilibrer de façon dynamique la perte de l’écosystème (évoqué en classe de 2nde), de façon à comprendre l’impact des pratiques humaines sur la biodiversité.

Activités

p. 208 à 213

Compétences Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre Pratiquer des démarches scientifiques Adopter un comportement éthique et responsable Communiquer et utiliser le numérique

Capacités

Activités

Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations

Activités 1, 2 et 3

Interpréter des résultats et en tirer des conséquences Comprendre les responsabilités individuelle et collective en matière de préservation de la santé Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : le schéma

Activité 3

Activités 2 et 3

Activité 3

① Structures anatomiques, témoins

de l’évolution des espèces Les savoirs du BO

Les structures anatomiques présentent des particularités surprenantes d’un point de vue fonctionnel, pouvant paraître sans fonction avérée ou bien d’une étonnante complexité. Elles témoignent de l’évolution des espèces, dont la nôtre. Les caractères anatomiques peuvent être le résultat de la sélection naturelle mais certains sont mieux expliqués par l’héritage de l’histoire évolutive que par leur fonction.

Les savoir-faire du BO

- Expliquer l’origine d’une structure anatomique en mobilisant les concepts de hasard, de variation, de sélection naturelle et d’adaptation (exemple de l’œil). - Interpréter des caractéristiques anatomiques humaines en relation avec des contraintes historiques (comme le trajet de la crosse aortique), des contraintes de construction (comme le téton masculin), des compromis sélectifs (comme les difficultés obstétriques) ou des régressions en cours (comme les dents de sagesse).

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Commentaires pédagogiques

Pour aller plus loin

Les trois exemples choisis doivent permettre aux élèves de s’interroger sur des structures ou des fonctions connues. Ainsi : - L’étude de l’œil tend à leur faire rechercher et comprendre les limites de cet organe chez les vertébrés. - La mise en évidence de certaines voies, rallongées par les contraintes anatomiques permet de leur faire constater des limites dans l’organisation. - Les caractéristiques de l’accouchement dans l’espèce humaine permettent également de leur faire comprendre certaines difficultés obstétriques. L’existence même de ces trois particularités doit amener les élèves à les expliquer par d’autres biais que la sélection naturelle et le hasard, en convoquant des mécanismes évolutifs mais aussi l’héritage d’une histoire évolutive.

Bien que le champ de vision de l’œil humain soit d’environ 180°, le cerveau ne peut analyser qu’une partie des informations à un instant donné en raison du nombre limité de fibres nerveuses reliant l’œil au cerveau. Une pression sélective a probablement favorisé l’apparition de muscles permettant aux yeux de bouger. Ainsi, en considérant l’œil des vertébrés dans le contexte de l’évolution, les défauts apparaissent comme un héritage de son histoire évolutive.

Bibliographie [1] Pour la Science n° 408, L’évolution de l’œil, octobre 2011 [2] Pour la Science n° 293, L’évolution de l’enfantement, mars 2002 [3] Thomas De Boeck, Biologie évolutive [4] Denis Poinsot, Maxime Hervé, Diversité animale : Histoire, évolution et biologie des Métazoaires, De Boeck

Durée estimée : 1 h Différenciation Une séance d’une heure peut-être dédiée à l’étude de l’œil souvent qualifié de « cauchemar de Darwin » à partir l’étude d’une lame de rétine, mais également en travaillant à la réalisation d’une phylogénie plus aboutie prenant en compte le hatier-clic (hatierclic.fr/est208) sur l’œil simple et l’œil composé.

Réponses aux questions 1. Les défauts dans l’organisation de l’œil humain : - rétine inverse : les rayons lumineux sont obligés de traverser deux couches de neurones (ganglionnaires et bipolaires) avant d’atteindre les photorécepteurs situés sur la face arrière (les prolongements et les corps cellulaires des neurones dispersent la lumière et dégradent la qualité de l’image). - les fibres nerveuses issues de la rétine se rassemblent pour former le nerf optique au niveau du point aveugle, zone dépourvue de photorécepteurs (donc pas vision possible à cet endroit). - les vaisseaux sanguins qui parcourent la surface interne de la rétine projettent des ombres parasites sur la couche des photorécepteurs.

2. Schéma plus complet sur l’évolution (Pour la Science n° 408, L’évolution de l’œil, octobre 2011). La structure de l’œil et le développement embryonnaire chez la myxine et la lamproie révèlent comment l’œil humain de type caméra a évolué et comment il fonctionnait à ses premiers stades. - L’œil de myxine possède une rétine avec deux couches de cellules au lieu de trois (cellules ganglionnaires et photorécepteurs). Il est protégé par une peau translucide mais il est dépourvu de cornée, d’iris, de cristallin et de muscles de soutien. Cet œil ne participe pas à la vision mais renseigne sur la luminosité. - L’œil de la lamproie possède une rétine à trois feuillets : la couche de cellules bipolaires s’est développée à partir de photorécepteurs ciliés (par ressemblance avec eux) et est insérée entre celle des photorécepteurs et celle des neurones de sortie. Cet œil est doté d’un cristallin, d’une cornée et de muscles de soutien (non légendés sur le schéma simplifié). Contrairement à l’œil de myxine qui permet de percevoir uniquement la luminosité, celui de la lamproie, plus complexe, participe à la vision (traitement des signaux lumineux par des neurones). 3. L’œil est un organe complexe, c’est une succession de milieux transparents qui laissent passer la lumière : - le cristallin (= lentille convergente) qui concentre les rayons lumineux sur la rétine, - l’iris (= diaphragme) qui régule la quantité de lumière entrant dans l’œil, - la rétine avec des cônes (vision des couleurs en fort éclairement) et des bâtonnets (vision en noir et blanc à faible éclairement), organisation variable des réseaux de neurones le long de la rétine (faible ou forte acuité visuelle), fovéa (zone de forte acuité visuelle) placée au centre de la rétine (maximum de rayons lumineux reçus), muscles de soutien permettant le mouvement des yeux (augmentation du champ de vision).

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Thème 3 ● Une histoire du vivant L’œil possède des limites fonctionnelles : rétine inverse, point aveugle et vaisseaux sanguins parasites. 4. Un exemple de contrainte historique, le nerf laryngé. Ce nerf existe chez tous les vertébrés, avec un parcours similaire, caractérisé par le contournement de la crosse aortique. L’apparition du cou chez les tétrapodes ayant considérablement allongé la distance entre la crosse aortique et le larynx, le trajet du nerf laryngé se trouve également allongé. Il s’agit ici d’un héritage de l’histoire évolutive. Un exemple de compromis sélectif, l’accouchement chez les humains : il convient de faire prendre conscience aux élèves que l’espèce humaine est celle où le taux de mortalité lié à l’accouchement

est le plus important (1 500 femmes par jour qui en meurent dans le monde, en Afrique surtout). Le compromis s’établit en relation avec les états dérivés de la lignée humaine, notamment la forme du bassin (liée à la bipédie) et l’augmentation du volume crânien. Comme le montrent les schémas cidessous et la vidéo du hatier-clic (hatierclic.fr/est209), le passage de la tête du fœtus nécessite différents retournements qui aboutissent à une direction de tête vers le bas. Si la mère veut saisir seule son enfant, elle risque de lui affliger de graves lésions nerveuses. L’accouchement humain nécessite une assistance afin d’éviter tout problème chez l’enfant et la mère. L’évolution de l’accouchement illustre ainsi un compromis entre deux contraintes : forme du bassin et augmentation du volume crânien.

Comparaison des modalités d’accouchement chez les chimpanzés (à gauche) et l’être humain (à droite), bassins vus de dessus.

② Résistance aux antibiotiques et

mécanismes évolutifs Les savoirs du BO

L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant une importance médicale. L’évolution rapide des organismes microbiens nécessite d’adapter les stratégies prophylactiques, les vaccins et les antibiotiques.

Les savoir-faire du BO

Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer comment des populations microbiennes pourront à longue échéance ne plus être sensibles à un vaccin (ou un antibiotique).

Commentaires pédagogiques Cette activité a pour première intention de donner les ressources nécessaires aux élèves n’ayant pas suivi l’enseignement de spécialité SVT afin de comprendre : - La mise en place de campagnes d’informations sur l’utilisation raisonnée des antibiotiques « Les antibiotiques, ce n’est pas automatique ». - L’origine génétique et évolutive de la résistance des populations bactériennes aux antibiotiques. - Les étapes de mise en place de mesures prophylactiques.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Bibliographie [1] Pour la Science n° 331, Consommation d’antibiotiques et résistance des bactéries, mars 2005 [2] Pour la Science - n° 469, Résistance aux antibiotiques, une menace grandissante, novembre 2016 - Site INSERM : https://www.inserm.fr/information-ensante/dossiers-information/resistanceantibiotiques - Lien OMS : http://www.euro.who.int/fr/health-topics/diseaseprevention/pages/news/news/2012/11/antibiotic -resistance-a-growing-threat - Résistance aux vaccins : https://www.lexpress.fr/actualite/societe/sante/s emaine-de-la-vaccination-comment-les-bacteriesdeviennent-resistantes_1509892.html

- Faire la même chose pour les 4 autres tubes en prenant une nouvelle pastille de papier et des pinces fines propres pour chaque tube. - Fermer la boîte de Pétri avec le couvercle à la fin. - Observer les résultats au bout de quelques minutes. Sécurité et précautions de la manipulation :

Résultats obtenus Boîte de Pétri avec Agar + 20 gouttes de BBT (30 gouttes, bleu plus foncé).

Durée estimée : 40 min Différenciation

► Une séance de TP si dédoublement Le mécanisme de résistance bactérienne peut-être mis en évidence en utilisant un protocole de simulation d’un antibiogramme à l’aide de produits de substitution. Matériel - 1 boîte de Pétri avec un gel d’agar coloré au BBT (Bleu de Bromothymol) = indicateur coloré qui change de couleur (jaune) en présence d’acide chlorhydrique. Préparer le gel d’agar selon le protocole classique en y ajoutant 20 à 30 gouttes de BBT au moment du chauffage et en remuant pour homogénéiser la couleur. Verser l’agar coloré dans une boîte de pétri et laisser refroidir sans couvercle. Le BBT représente la culture bactérienne. - 5 petits tubes contenant de l’eau distillée (tubes n° 2-3-5) ou du HCl (tube n° 1 à 1 mol/L ; tube 4 à 0,25 mol/L) sur 1 portoir. Le produit de chaque tube correspond à un type d’antibiotique (types au choix de l’enseignant : céfotaxime, pénicilline). - 5 pinces fines - 5 pastilles de papiers filtre faites à la perforeuse - 1 feutre indélébile - Gants et lunettes de protection Protocole expérimental - À l’aide du feutre indélébile, noter les emplacements des 5 futures pastilles (1 à 5) sous la boîte. - À l’aide d’une pince fine, tremper une pastille de papier dans le tube 1 et la déposer sur la gélose audessus du repère 1. Refermer soigneusement le tube.

► Proposition de différenciation pour les élèves suivant la spécialité SVT à partir du doc. 2 page 210. Une remobilisation des notions vues en classe de première sur la relation génotypes et différents niveaux de phénotypes en utilisant le logiciel RASTOP. Un exposé peut-être proposé au reste de la classe afin d’expliquer la réalité physique de la résistance bactérienne. Capture écran de la liaison de l’enzyme β-lactamase à l’antibiotique céfotaxime - Logiciel RASTOP (fichier « betalactamasecefotaxime.pdb ») :

► Proposition de travail sur la communication et plus précisément sur la pertinence des représentations graphiques à partir d’un tableau brut des résultats : ici l’utilisation d’une courbe est non pertinente car le phénomène étudié n’est pas continu. En revanche, il convient de privilégier des représentations en histogramme ou secteur (production 2). La consommation quotidienne d’antibiotiques est mesurée dans différents pays (chiffres pour 1 000 habitants), en parallèle avec le pourcentage de bactéries résistantes.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant Dose d'antibiotiques consommés pour 1 000 habitants

Catégories d'antibiotiques

France

Italie

Suède

17

12

3

1

0

2

Céphalosporines

4

5

1

Tétracyclines

4

0

6

Quinolones

2

2

2

Macrolides

10

7

2

Pénicillines large spectre Pénicillines spectre étroit

à à

Pourcentage de multirésistances de bactéries pneumocoques. France

Italie

Suède

Plus de 50 %

10 à 25 %

1à5%

Exemples de productions 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

France

Italie

suède

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

France

Italie

suède

Réponses aux questions 1. Un antibiogramme est une technique de laboratoire visant à tester la sensibilité d'une souche bactérienne vis-à-vis d'un ou de plusieurs antibiotiques. On étale la culture bactérienne sur un gel d’agar dans une boîte de Pétri que l’on met en présence d’un ou de plusieurs antibiotiques (pastilles). On observe ensuite les conséquences sur le développement ou la survie des bactéries : si on observe la présence d’un halo autour de la pastille, les bactéries sont détruites, elles sont donc sensibles à l’antibiotique. Si en revanche on remarque l’absence de halo autour de la pastille, les bactéries survivent donc elles sont résistantes à l’antibiotique. Plus le diamètre du halo est grand, plus l’antibiotique est efficace. On observe un halo autour des pastilles AMC (amoxicilline), IMP (imipénème), FEP (céfoxitine) et C (chloramphénicol), mais pas autour des autres pastilles (CTX = céfotaxime, FT = furanes). Le diamètre des halos est de plus en plus petit : FEP > IMP > AMC > C. On en déduit que certaines bactéries ont été détruites et qu’elles sont sensibles aux antibiotiques AMP, IMP, FEP et C (limite vu la taille du halo). Celles qui ne sont pas détruites sont donc résistantes aux antibiotiques CTX et TF. Les bactéries étudiées sont plus sensibles à FEP et IMP qu’à AMP et C. 2. Doc. 2 : pour expliquer la résistance à l’antibiotique céfotaxime, on compare le gène codant l’enzyme β-lactamase chez une bactérie sensible SHV1 (enzyme non fonctionnelle) et chez une bactérie résistante SHV2 (enzyme fonctionnelle qui détruit l’antibiotique). On observe une mutation par substitution (G devient A au 700e nucléotide) : il y a eu création d’un nouvel allèle codant la βlactamase chez la bactérie SHV2 qui explique sa résistance. Il existe donc un lien possible entre la séquence d’ADN et la séquence d’acide aminés et donc sur la configuration spatiale de la β-lactamase (synthèse des protéines-1re spécialité). Doc. 3 : soumises à l’antibiotique z, les bactéries résistantes, possédant l’allèle muté, survivent et se multiplient alors que les bactéries sensibles meurent. Les bactéries résistantes transmettent ainsi l’allèle muté : c’est la sélection naturelle. Remarque : Le phénomène de transfert horizontal de gènes entre bactéries accentue l’augmentation des populations résistantes. La résistance bactérienne s’explique donc par les mutations (hasard) et la sélection naturelle.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant 3. On observe que plus la consommation d’antibiotiques est importante dans un pays, plus les bactéries sont résistantes à ces antibiotiques. Exemple : en France la consommation est plus forte qu’en Suède (120 doses /habitants contre 40) et la résistance du pneumocoque y est plus importante (supérieure à 50 % contre 1 à 5 %). 4. Il convient d’évaluer, en France, les antibiotiques pour lesquels on observe une grande résistance (par exemple la pénicilline) et d’éviter leur utilisation en cas d’épidémie. Cette étude est spécifique de chaque pays (par exemple en Italie, pénicilline et quinolones). Il est nécessaire également d’accentuer les campagnes d’informations relatives : - aux gestes de santé individuelle et en milieu hospitalier, - à l’utilisation raisonnée des antibiotiques en milieu agronomique et vétérinaire, - aux recherches sur la mise en place de nouveaux antibiotiques.

③ Pratiques agricoles et impacts sur l’évolution de la biodiversité Les savoirs du BO

Depuis la révolution agricole, la pratique intensive de la monoculture, la domestication et l’utilisation de produits phytosanitaires ont un impact sur la biodiversité et son évolution.

Les savoir-faire du BO Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer comment l’utilisation de produits phytosanitaires favorise le développement de ravageurs des cultures qui y sont résistants.

Commentaires pédagogiques L’intention de cette activité est de faire comprendre, par le biais des mécanismes évolutifs, qu’une évolution de la biodiversité est observée depuis le développement de l’agriculture intensive, à savoir : - augmentation du nombre de populations d’insectes résistant aux insecticides, - diminution de la biodiversité naturelle, soit par la pollution, soir par la domestication.

Durée estimée : 2 h Différenciation Des activités plus naturalistes sont possibles : - Sensibilisation à la biodiversité de leur environnement : http://www.vigienature.fr/ - Visite dans des exploitations agricoles pour appréhender la gestion des produits phytosanitaires, des commandes de semences, etc. Un travail interdisciplinaire avec les SES et l’Histoire peut être envisagé pour évaluer l’impact de l’évolution agricole sur la biodiversité (utilisation des pesticides, élimination des bocages, etc.).

Réponses aux questions Tâche complexe avec aide pour les documents 1 à 5. ► Montrer l’impact des pratiques agricoles illustrées sur la biodiversité. Présenter le bilan sous la forme d’un schéma. 1re heure : les élèves travaillent par îlots sur des thèmes différents (les insecticides, la biodiversité, la pollution et la domestication). Ils peuvent également compléter les informations des documents par des recherches supplémentaires (travail sur la recherche documentaire ainsi que la légitimité des articles relevés). Ils produisent ensuite par groupe, un tableau récapitulant les données essentielles ainsi que le ou les mécanismes à l’œuvre. 2e heure : mise en commun, avec des représentants de chaque groupe initial. Confrontation des idées, débat éventuel (fiche méthode à la fin de manuel) et production d’un schéma bilan par îlot. Saisie des informations Documents

1

Bibliographie [1] Campbell, Biologie, De Boeck [2] Rapport CNEV (Centre National d’Expertise sur les Vecteurs), Utilisation des insecticides et gestion de la résistance, février 2014 [3] INRA, Agriculture et biodiversité - Site nature France : http://indicateursbiodiversite.naturefrance.fr/fr [4] Pour la Science - n° 439, Les pérégrinations du pommier domestiqué, mai 2014

2

Informations Présentation de l’insecte ravageur. Mise en place des tactiques d’élimination par pyréthrinoïdes. Expansion très rapide de populations résistantes à cette famille d’insecticides. Mode d’action des pyréthrinoïdes sur la commande nerveuse de l’insecte.

Lien avec les mécanismes évolutifs

Mécanisme de

sélection naturelle.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

3

Proposition de Schéma

Causes physiologiques de résistance : physique (cuticule plus résistante) chimique (protéine bloquant l’action). Le déterminisme est génétique. Les insectes résistants survivent aux épandages, se reproduisent davantage et transmettent davantage leurs allèles.

4

Présentation des types d’oiseaux (généralistes ou spécialistes). Baisse continue du nombre d’oiseaux spécialistes en faveur des généralistes. Baisse plus importante dans les zones agricoles.

5

Principe de domestication = hybridation entre plusieurs variétés et sélection humaine de caractères intéressants (résistance aux maladies). Constats de présence de gènes de pommiers domestiqués chez les pommiers sauvages = hybridation entre les domestiqués et les sauvages.

Action sur la biodiversité = changement des espèces présentes dans une région. Les oiseaux spécialistes ont plus de contraintes vis-àvis de leur environnement et sont plus sensibles que les généralistes aux changements (sélection naturelle).

Penser la science

p. 216 à 217

Commentaires pédagogiques Le PLS du chapitre 10 met en lumière le temps long de la science. Il revient sur les fondements historiques de la théorie de l’évolution qui s’est consolidée et affinée après Darwin. Une évolution de la théorie de l’évolution qui se poursuit encore aujourd’hui et qui montre la fécondité de la pensée du naturaliste anglais.

Durée estimée : 1 h Réponses aux questions

Baisse de biodiversité chez les pommiers sauvages et domestiqués. Sélection artificielle.

Page de gauche L’élève doit ici repérer un changement de paradigme majeur : le passage des fixismes des XVIIIe et XIXe siècles au transformisme du XIXe siècle. - Le fixisme est lié au créationnisme et soutient que les espèces vivantes sont immuables dans leurs formes et leurs caractères. Linné et Cuvier sont par exemple deux scientifiques fixistes (mais le fixisme auquel ils adhèrent n’est pas de même nature). - Le transformisme, à l’inverse, postule le changement des organismes. Lamarck est reconnu comme le fondateur de cette doctrine. Il s’intéresse à l’origine de la variation à l’échelle de l’individu. Pour lui, elle résulte de l’usage ou du non-usage de ses organes en fonction des contraintes imposées par le milieu. C’est en quelque sorte le milieu qui « instruit » la variation à l’échelle de l’individu. Pour Darwin, et ce sont là des différences importantes avec Lamarck, les variations sont indépendantes du

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Thème 3 ● Une histoire du vivant milieu. Le milieu filtre/sélectionne les variations naturellement présentes au sein d’une population d’individus. À l’échelle des populations, cette sélection par le milieu est à l’origine d’une transformation de l’espèce. Remarque : Lamarck comme Darwin admettaient tous deux l’hérédité des caractères acquis (sans toutefois en connaître le support à leur époque). Page de droite Le développement de la génétique (et en particulier de la génétique des populations) dans la première moitié du XXe siècle a permis de comprendre que les mutations génétiques peuvent expliquer certaines variations (mêmes si les gènes n’expliquent pas tout, voir commentaires scientifiques et ressources). En 1979, Stephen Jay Gould et Richard Lewontin formulent une critique de l’adaptationisme : les entités biologiques ne résultent pas uniquement de contraintes sélectives (adaptation), mais aussi de contraintes de construction (développement) et historiques (phylogénie). Aujourd’hui, le principe de la sélection naturelle est étendu à toutes les échelles, depuis les cellules (et même les protéines) jusqu’aux cultures et ouvre de nouvelles perspectives (application dans le domaine médical notamment, voir commentaires scientifiques). Remarque : la sélection naturelle se manifeste lorsqu’il y a variation, transmission et contraintes du milieu. Lorsqu’il n’y a pas de contraintes du milieu, rappelons que c’est la dérive génétique qui se manifeste.

Commentaires scientifiques et ressources Fixismes, transformisme et sélection naturelle Il existe trois sortes de fixismes (et donc trois sortes de créationnismes). - celui de Linné (1707-1778), de facture traditionnelle, se réfère directement à la Bible : il n’existe qu’une seule création, celle qui est rapportée dans la genèse. - celui de Cuvier (1769-1832), qui est un fixisme « à répétition » : du fait de catastrophes universelles qui entraînent des destructions générales, il faut bien qu’il y ait de nouvelles créations. - celui du naturaliste français André de Férussac (1786-1836) qui est créationnisme « continu » : les espèces sont fixes, elles meurent plutôt que de se transformer, mais elles ne le font pas toutes ensemble sous le coup d’un catastrophe. Comme elles meurent chacune à leur tour, elles disparaissent et sont remplacées « discrètement ».

Voir l’entrée « Fixisme » du Dictionnaire du Darwinisme et de l’évolution de P. Tort. S’agissant du transformisme, on peut penser à d’autres scientifiques ou penseurs qui, avant Lamarck, avaient l’intuition que les espèces changeaient. C’est le cas notamment de Maupertuis (1698-1759), de Diderot (1713-1784), de Buffon (1707-1788) ou encore du grand père de Darwin, Erasme Darwin (1731-1802). Voir à ce sujet les pages 34 à 36 du Guide critique de l’évolution. Pour des compléments sur le transformisme de Lamarck, on pourra se référer à l’entrée « transformisme » du Dictionnaire du Darwinisme et de l’évolution. L’hypothèse de la sélection naturelle comme explication au changement des espèces a été formulée par Darwin, mais on peut également citer le naturaliste Alfred Russel Wallace (1823-1913) qui est arrivé à la même hypothèse au même moment et de manière indépendante. Les preuves expérimentales de la sélection naturelle viendront en 1898 avec les travaux quantitatifs de W. F. Weldon et K. Pearson qui mesurent statistiquement les effets de la sélection naturelle sur des populations de crustacés, puis avec J. B. S. Haldane et R. Fischer dans les années 1930 qui démontrent mathématiquement que des gènes conférant de petits avantages sélectifs peuvent se fixer rapidement dans les populations. Critique de l’adaptationisme Stephen Jay Gould et Richard Lewontin ont repris les travaux du paléontologue allemand Adolph Seilacher et notamment son triangle « ConstructionMorphologie » publié en 1970. Chaque organe est le résultat de plusieurs types de contraintes dans différentes proportions.

Diagramme adapté à partir de celui d’Adolf Seilacher. Source : Published in Journal of experimental zoology. Part B, Molecular and developmental evolution 2017 Seilacher, Konstruktions-Morphologie, Morphodynamics, and the Evolution of form. Derek E. G. Briggs

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Thème 3 ● Une histoire du vivant La place et l’expression des gènes Dans l’encadré en haut à gauche de la page 217, la dernière phrase « En plus des gènes, on a découvert au XXIe siècle d’autres facteurs qui sont responsables des variations. » mérite d’être expliquée aux élèves. Depuis la fin du XXe siècle, on sait en effet que les gènes n’expliquent pas à eux seuls les variations individuelles. En particulier, les conditions du milieu peuvent influencer les modalités d’expression des gènes (voir les marques épigénétiques et la plasticité phénotypique des organismes). Par ailleurs, l’expression des gènes dans une cellule est aléatoire : on parle d’expression stochastique des gènes. Elle dépend par exemple de la quantité d’activateurs transcriptionnels, variable dans le temps au sein d’une cellule, mais aussi de l’encombrement moléculaire et des différences d’accessibilité à l’ADN. En conséquence, le concept de programme génétique est définitivement abandonné (mettant un coup de canif au dogme central de la biologie moléculaire énoncé par Watson et Crick en 1958). Pour illustrer la part des gènes, de l’environnement et du hasard dans la transmission des caractères, on pourra s’appuyer utilement sur le Hors-série n° 21 La Recherche, L’hérédité, ce que nous transmettons vraiment, ainsi que sur l’ouvrage L’hérédité sans gènes. Pour le concept de plasticité phénotypique, on pourra s’appuyer sur le chapitre 13 de Biologie évolutive. Pour le concept d’expression stochastique des gènes, qui a ouvert la voie à une biologie probabiliste, on pourra s’appuyer sur les articles de T. Heam, Le hasard dans l’expression des gènes et de J. J Kupiec, L’ADN entre contraintes et hasard dans le n° 385 Pour La Science, Hasard et incertitude. Pour l’abandon de la notion de programme génétique, on pourra s’appuyer sur le chapitre 6 de La Vie et Alors ? La variation, transmission et sélection à différentes échelles. Applications médicales. On pourra donner des exemples de transmission à l’échelle des comportements et des cultures en s’appuyant sur les pages 679-680 du chapitre 4 de Biologie évolutive. L’extension de la sélection darwinienne à toutes les échelles du vivant ouvre des perspectives dans le domaine médical. À ce titre, on peut proposer l’exemple du traitement du cancer. En effet, les cellules souches tumorales sont très variables et prolifératives par défaut. C’est la perte de contact des cellules avec leur environnement et non pas une origine génétique (les mutations des cellules

cancéreuses sont un effet collatéral) qui induit un cancer. De nouveaux traitements s’appuient désormais sur un rétablissement de la sélection naturelle à l’échelle de la cellule (en particulier un rétablissement de la signalisation cellulaire). Voir l’article de J-P Capp, Cancer, ces cellules qui perdent le contact, dans le n° 450 Pour la science Avril 2015, ainsi que le n° 505 Pour La Science, Théorie de l’évolution contre cancer, des thérapies adaptatives à l’essai.

Bibliographie Ouvrages de vulgarisation [1] Collectif, sous la direction de Guillaume Lecointre, Guide critique de l’évolution, Belin, 2011 [2] Andràs Pàldi, L’hérédité sans gènes, Le Pommier, 2009 [3] Collectif, sous la direction de J-J Kupiec, La Vie, et Alors ?, Belin, Pour la science, 2013 [4] Guillaume Lecointre, Descendons-nous de Darwin ?, Le Pommier, 2015 Ouvrage spécialisé [5] Thomas, Lefèvre et Raymond, Biologie évolutive, De Boeck, 2010 [6] Collectif, sous la direction de Kupiec, Gandrillon, Morange et Silberstein, Le hasard au cœur de la cellule, Matériologiques, 2013 [7] Collectif, sous la direction de Heams, Huneman, Lecointre et Silberstein, Les mondes Darwiniens, l’évolution de l’évolution Vol 1 et 2, Matériologiques, 2011 [8] Pour La Science n° 385, Hasard et incertitudes, novembre 2009 [9] Pour La Science n° 450, Les routes de la 5e génération, avril 2015 [10] Pour La Science n° 505, Théorie de l’évolution contre le cancer, novembre 2019 [11] La Recherche Hors-série n° 21, Hérédité, ce que nous transmettons vraiment, avril 2017 Dictionnaire scientifique érudit [12] Patrick Tort, Dictionnaire du darwinisme et de l’évolution, Paris, Presses Universitaires de France, 1996 Ouvrage jeunesse [13] J-B de Panafieu, La grande aventure de l’évolution, Milan, 2014 Applications interactives pour les élèves Samba Soussoko, Modules La variation et ses conséquences, La sélection sexuelle, La sélection par prédation. Laetoli Production, Innervision, soutien Ministère de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Exercices

p. 218 à 221

1 1. L’œil humain : d. est un organe hérité d’une longue histoire évolutive depuis les premiers vertébrés aquatiques. 2. Les caractères anatomiques humains : b. sont le résultat de compromis évolutifs. 3. L’utilisation des antibiotiques : b. favorise la survie des bactéries résistantes par sélection naturelle lorsque cette utilisation est abusive. 4. Les pratiques agricoles intensives : a. favorisent des espèces résistantes par sélection naturelle. 2 a. L’utilisation massive de produits phytosanitaires a un impact sur l’évolution de la biodiversité en modifiant les populations. b. Les caractères anatomiques peuvent être le résultat de la sélection naturelle et d’un héritage de leur histoire évolutive. c. Les stratégies prophylactiques visent à utiliser des antibiotiques qui limitent l’évolution rapide des bactéries résistantes. 3 L’appendice humain serait un vestige hérité de vertébrés herbivores qui possédaient un appendice iléo-caecal plus développé. Il semble être un organe inutile puisque son ablation en cas d’infection (appendicite) n’empêche pas le bon fonctionnement de l’appareil digestif. Pourtant, il abrite une flore bactérienne de réserve en cas d’infection dans l’intestin (les bactéries de l’appendice se rendent sur le lieu de l’infection et favorise son élimination). L’homme pourrait donc être plus sensible aux infections intestinales. 4 a. Le temps qui s’écoule entre l’introduction d’un antibiotique et l’émergence d’une bactérie résistante est variable selon la classe d’antibiotique utilisée : 15 ans pour les pénicillines, 15 ans (introduction 1945, émergence en 1960), 1 à 2 ans pour les glycopeptides (1978-1980). Les antibiotiques introduits plus récemment depuis les années 1980 (fluoroquinolones, glycopeptides), font émerger des bactéries résistantes plus

rapidement que les premières classes d’antibiotiques utilisées. b. Hypothèse : la période de transition entre l’introduction de l’antibiotique et l’apparition de bactéries résistantes peut s’expliquer par les mécanismes évolutifs de mutation et sélection naturelle qui ont lieu chez les bactéries au cours des générations. c. Le problème de santé publique soulevé par cette étude est d’utiliser les antibiotiques de façon raisonnée pour limiter le développement de bactéries résistantes car à long terme, aucun antibiotique ne sera efficace contre celles-ci et il faudra mettre au point de nouveaux traitements. 5 Correction dans le manuel 6 1. On observe que le trajet des canaux déférents est plus long chez les mammifères (animaux à sang chaud) que chez les amphibiens (animaux à sang froid) 2. On observe ainsi un compromis entre deux contraintes : - La relation des testicules avec les canaux déférents, héritées du développement de l’appareil génital des vertébrés (contrainte historique). - La migration des testicules dans le scrotum, assurant ainsi une spermatogénèse optimale (contrainte sélective). 7 1. Une théorie scientifique est une explication à un phénomène naturel. Elle est basée sur des faits, prouvés et reconnus par la communauté scientifique. 2. Il est important de faire réfléchir les élèves sur le mode de représentation de construction d’une théorie scientifique. La représentation linéaire, chronologique ne sert que de repères temporels, et ne montre en rien les périodes de stases scientifiques, les convergences d’idées, de travaux et l’impact des avancées technologiques. Il conviendrait de privilégier une schématisation plus buissonnante (représentation reprise dans le chapitre 11 afin d’évoquer l’histoire évolutive de la lignée humaine).

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

8 1. On observe qu’à partir de l’application de l’insecticide DDT, la fréquence des allèles Esters 1 et 2 diminue (chiffrage attendu) et celle de l’ester 3 augmente. On en déduit que l’allèle Ester 3, responsable de la résistance au DDT, a été sélectionné au cours des générations. L’origine de cette résistance au DDT est donc la sélection naturelle (définition attendue). 2. On observe qu’après l’arrêt des traitements au DDT, la fréquence de l’allèle Ester 3 diminue (chiffrage). En effet, il est responsable de caractères peu avantageux hors traitement et par sélection naturelle sera moins transmis dans la population.

9 1. Hypothèse de départ : les chevaux botaïs domestiques sont à l’origine de nos chevaux domestiqués, car les plus anciens retrouvés. Test de l’hypothèse par des études génétiques entre les chevaux considérés comme sauvages (Przewalski) et les domestiqués (botaïs et chevaux actuels). Résultats du test : l’hypothèse n’est pas validée, les botaïs sont les ancêtres des Przewalski. Ceux-ci sont d’anciens chevaux domestiqués retournés à l’état sauvage. 2. Certains caractères confèrent un désavantage sélectif dans des conditions sauvages, ainsi le caractère robe tachetée lié à une mauvaise vision nocturne par sélection naturelle, ces caractères sont moins transmis. Les Przewalski actuels n’ont pas de robe tachetée.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

11. L’ÉVOLUTION HUMAINE Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données

Introduction L’objectif de ce chapitre est de permettre à l’élève de comprendre la démarche scientifique qui a permis de construire une histoire raisonnée de l’évolution humaine. Cette dernière fait toujours l’objet de détracteurs, il est donc important de montrer que le caractère buissonnant de cette évolution, rencontrant aujourd’hui un consensus, est basé sur un système formé d’hypothèses et de règles logiques.

Prérequis

p. 222

Il s’agit pour ce chapitre de faire émerger les acquis et/ou représentations initiales concernant les notions suivantes (correction page 296). Prérequis 1 : prérequis vertical (classe de 3e) et horizontal (chapitre 10) qui permet de consolider la notion « d’ancêtre commun » et d’innovations génétiques. Prérequis 2 : permet de convoquer à nouveau la définition d’espèce, fondamentale pour la compréhension du chapitre mais également pour la construction du citoyen. Prérequis 3 : basé sur la lecture d’un arbre afin d’en comprendre les relations de parenté. Ce prérequis permettra de faire émerger les représentations des élèves, souvent fausses lorsqu’il s’agit de lien de parenté. Prérequis 4 : également vertical (classes de 3e et 2nde) et transversal (chapitre 10).

Activités Compétences

Pratiquer des démarches scientifiques

Communiquer et utiliser le numérique

p. 224 à 229 Capacités Justifier et expliquer une théorie, un raisonnement

Concevoir, créer, réaliser

Utiliser des outils et méthodes pour apprendre

Coopérer et collaborer dans une démarche

Activité 2

Activités 1, 2 et 3

Activité 3 (travail en équipe)

Bibliographie https://www.pourlascience.fr/sd/paleontologie/un e-evolution-buissonnante-4871.php [1] Le monde, Un phénomène d’évolution en mosaïque, 10 octobre 2002 [2] Pour la science, Évolution en mosaïque, 7 juin 2017 https://planet-vie.ens.fr (hominini)

Activités

Activités 1 et 2 Interpréter des résultats et en tirer des conclusions Communiquer sur ses démarches, ses résultats en argumentant

Communiquer à l’oral Identifier et choisir des notions, des outils, des techniques pour mettre en œuvre une démarche scientifique Recenser, extraire, organiser et exploiter des informations à partir de documents

① Les relations de parenté entre l’espèce humaine et les autres primates Les savoirs du BO

Activités 1 et 3

L’espèce humaine actuelle (Homo sapiens) fait partie du groupe des primates et est plus particulièrement apparentée aux grands singes avec lesquels elle partage des caractères morpho-anatomiques et des similitudes génétiques. C’est avec le chimpanzé́ qu’elle partage le plus récent ancêtre commun.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Commentaires pédagogiques

Réponses aux questions

Doc. 1 et 2 : il s’agit ici d’expliquer aux élèves comment construire un arbre phylogénétique et de constater qu’une seule étude anatomique ne suffit pas à mettre en perspective les liens de parenté : celle-ci doit se poursuivre, par exemple, par une étude moléculaire. Il est alors possible de trouver des arbres « contradictoires », permettant ainsi d’ouvrir un débat sur le statut d’un arbre qui propose un ensemble d’hypothèses. Doc. 3 à 5 : il s’agit de faire comprendre aux élèves que l’étude seule d’un gène (comme on peut le faire en classe) ne permet pas aux scientifiques d’établir des relations de parenté précises. Il faut pour cela étudier les génomes entiers, ce qui est long et fastidieux. Il est important d’évoquer le travail sur des molécules homologues. Les fossiles que l’on peut retrouver ne sont en aucun cas des ancêtres, obstacle lexical ici, le plus souvent. Le fait qu’un ancêtre commun, n’ait pas d’existence propre, constitue souvent un obstacle majeur à la compréhension du chapitre.

1. Arbre phylogénétique correspondant à la première matrice :

Arbre phylogénétique correspondant à la seconde matrice :

Durée estimée : 1 h 45 min

Différenciation Doc. 1 et 2 : pour construire un arbre phylogénétique, la lecture de la matrice de caractères est un point de départ important. Il est nécessaire de repérer le caractère à l’état ancestral et celui à l’état dérivé. En effet, les arbres ne se construisent que sur le partage de caractères à l’état dérivé. Plusieurs matrices peuvent être proposées afin de promouvoir le travail en équipe et procéder par la suite à une mise en commun avec possibilité de débat. Doc. 3 à 5 : à partir du hatier-clic (hatierclic.fr/est225) qui propose des séquences de différents gènes, il est possible de travailler en îlots et lors d’une mise en commun, de montrer que les arbres peuvent être contradictoires.

Les deux arbres ne sont pas identiques : en fonction des innovations choisies, on obtient une phylogénie différente avec le positionnement du gibbon. 2. Une tendance se dégage tout de même : l’Homme est plus apparenté au chimpanzé, au gorille et à l’orang-outan. 3. À partir de l’étude comparative de la séquence d’un gène NAD chez les grands singes, l’Homme partage avec le chimpanzé le plus fort pourcentage d’identité ( 89,03 %). 4. Il est important d’utiliser différentes méthodes d’analyses de façon à proposer un arbre phylogénétique qui met en perspective un ensemble d’hypothèses les plus cohérentes. 5. Un ancêtre commun n’a pas de réalité, il s’agit juste d’un « portrait-robot », d’une construction théorique et en aucun cas d’un fossile.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

② L’étude des caractères, un incontournable Les savoirs du BO

Des arguments scientifiques issus de l’analyse comparée de fossiles permettent de reconstituer l’histoire de nos origines. L’étude de fossiles datés de 3 à 7 millions d’années montre des innovations caractéristiques de la lignée humaine (bipédie prolongée, forme de la mandibule). Le genre Homo regroupe l’espèce humaine actuelle et des espèces fossiles qui se caractérisent notamment par le développement de la capacité crânienne. Plusieurs espèces humaines ont cohabité sur Terre.

Commentaires pédagogiques Il s’agit ici de montrer que l’étude de caractères dérivés est incontournable pour proposer une histoire évolutive de la lignée humaine, cette dernière étant toujours source de discussions. Bien penser au côté « buissonnant » et non linéaire des différentes espèces de la lignée humaine. Points de vigilance - Il faut bien distinguer homininés et lignée humaine (l’ensemble constituant les Hominini), afin de choisir dans notre arbre le chimpanzé comme groupe frère. Le groupe frère permet soit « d’enraciner » l’arbre, soit lui donner un point de départ. - La bipédie en tant que telle n’est pas un caractère dérivé (car le caractère n’est pas propre à la lignée humaine) contrairement aux caractères « fémurs obliques et bassin court ». Proposition de débat Exploiter la coexistence d’Homo sapiens et H. neanderthalensis afin de reconvoquer la notion d’espèce et les éventuels brassages.

Durée estimée : 1 h Différenciation Adopter un code couleur pour identifier dans le document 1 les caractères dérivés. Versions différentes du doc. 2, avec plus ou moins de caractères dérivés placés dessus. Parcours initiation ou expert. Proposition de TP puis mise en commun Manipulation possible pour évaluer et comparer la capacité crânienne de la lignée humaine : - Choisir une série de crânes (ex : Pan, Australopithecus afarensis, Homo habilis, Homo erectus, Homo sapiens, Homo neanderthalensis, etc.). - Remplir chacun d’eux avec du sable (ou de la semoule). - Mesurer (éprouvette graduée) et comparer ensuite le volume contenu pour chacun d’eux.

Réponses aux questions 1. A : Australopithecus afarensis B : Homo neanderthalensis C : Homo erectus 2. Découvertes de restes fossiles d’un singe aux caractéristiques peu communes chez les chimpanzés actuels. Il pourrait être le plus ancien fossile des homininés et remettrait en cause celui actuellement proposé. 3. Coexistence de ces deux espèces durant environ 10 000 ans et ayant en commun 4 % de leur génome. Il y aurait donc eu la possibilité de croisement entre 2 espèces a priori différentes. La discussion reste donc ouverte et met de nouveau en perspective la définition d’espèce comme étant un concept inventé afin d’inventorier la biodiversité. 4. Histoire buissonnante car plusieurs espèces ont coexisté dans le temps et dans l’espace et pas les unes après les autres. Arbre phylogénétique proposé à partir de ce que l’on sait et beaucoup de choses restent à découvrir, ne font pas l’unanimité d’où histoire complexe et mal connue.

③ La transmission de caractères non génétiques dans la lignée humaine Les savoirs du BO

Certains caractères sont transmis de manière non génétique : microbiote, comportements appris dont la langue, les habitudes alimentaires, l’utilisation d’outils…

Commentaires pédagogiques L’un des objectifs de cette activité est de préparer au grand oral en utilisant les outils de la prise de parole en public car les notions présentées dans cette activité ne présentent aucune difficulté (prérequis majeurs). L’autre objectif est le travail en équipe avec concertation et régulation. Travail par équipes avec présentation orale de 10 minutes, puis phase de mutualisation afin de réaliser un bilan sous forme de schéma.

Durée estimée : 1 h, voire plus si le travail est préparatoire au grand oral

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Différenciation

Durée estimée : 1 h (lecture et rédaction)

Laisser les orateurs en herbe s’exprimer et construire une grille de réussite avec les autres élèves observateurs (la voix, la posture, les gestes et tics de langage, etc.). Construire un canevas pour l’oral. Travail sur la trace écrite par équipe ou individuel Construire une carte mentale, facile dans ce cas, car le thème est simple. Cela peut constituer soit la préparation à la prise de parole, soit une préparation de discussion avec le jury. 1. Utiliser une feuille A3 en « mode paysage » ou un logiciel adapté (Frindmap, etc.). 2. Créer le cœur du sujet à savoir le thème traité que l’on place au centre dans une forme géométrique colorée ou non. 3. Construire des branches qui partent de ce centre pour tous les sous thèmes liés. Cela permet de hiérarchiser les idées du plus important vers les points de détails. 4. Identifier une idée par branche sous forme de mots clés. 5. Rassembler si nécessaire les mêmes idées avec une même couleur.

Réponses aux questions Exemple de schéma bilan

Penser la science

p. 232 à 233

Commentaires pédagogiques Le PLS du chapitre 12 montre comment la théorie de l’évolution a pu être récupérée et dévoyée (voir les commentaires scientifiques pour aller plus loin). Le PLS du chapitre 11, illustre quant à lui, quelques idées fausses à son sujet qui continuent d’être diffusées par les médias et entravent toujours la bonne compréhension de cette théorie.

Réponses aux questions Idée reçue n° 1 : l’humain descend du singe Elle relève d’une part d’une incompréhension de la distinction entre phylogénie et généalogie et d’autre part d’une vision erronée de l’évolution qui n’est pas linéaire mais buissonnante (elle empreinte plusieurs directions distinctes). Cette idée reçue véhicule une conséquence philosophique, l’anthropocentrisme, puisque l’humain est ici montré comme un aboutissement - et unique aboutissement – de l’évolution. Idée reçue n° 2 : il existe différentes races d’humain Le racisme consiste à utiliser à mauvais escient une catégorisation scientifique pour aboutir à une différenciation des droits (aspect juridique) selon des catégories d’humain. Remarque : quand bien même cette catégorisation se justifierait-elle sur le plan scientifique, elle ne justifierait rien en droit. Elle devrait rester découplée des applications pernicieuses que certains voudraient en faire. Le racisme est avant tout un problème philosophique (l’essentialisme), moral et social (quelle société voulons-nous ?). Idée reçue n° 3 : l’humain contrôle son environnement et n’est pas soumis à la sélection naturelle L’espèce humaine, malgré sa volonté de tout contrôler, n’échappe pas à la sélection naturelle. Deux exemples sont donnés : la lutte contre des parasites hautement pathogènes présents naturellement dans l’environnement et la lutte contre les pollutions de son environnement qu’il a lui-même produites (l’humain modifie l’environnement pour créer des conditions de vie plus favorables, mais ces transformations créent de nouveaux problèmes). Idée reçue n° 4 : l’humain du futur, maigre, grand et sans poils L’évolution étant par définition contingente, on ne peut pas prédire précisément les caractéristiques qui vont être sélectionnées ou non dans le futur. L’humain du futur est souvent imaginé à travers une conception lamarckienne, et non darwinienne, de l’évolution et s’appuie sur la vision que s’en fait le monde occidental.

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Commentaires scientifiques et ressources Idée reçue n° 1 On se référera utilement aux pages 92 à 94 et 120 du Guide critique de l’évolution pour expliquer la distinction entre phylogénie et généalogie et pour déconstruire l’idée d’une évolution linéaire. Ce même ouvrage fournit en outre toute une panoplie d’autres idées fausses et de métaphores malencontreuses sur l’évolution : le « chaînon manquant », les « fossiles vivants », les « espèces primitives », la notion de « plan d’organisation ». Il explique aussi comment des doctrines philosophiques telles que le finalisme et l’anthropocentrisme se nichent au cœur de ces concepts à la fois flous et erronés. Voir en particulier le chapitre 5, pages 98 à 129. Idée reçue n° 2 On pourra nourrir la discussion avec les élèves en s’appuyant sur l’excellent ouvrage : « Nous et les autres, des préjugés au racisme », qui compile à la fois des contributions scientifiques mais aussi des faits d’actualité et des témoignages de citoyens. Idée reçue n° 3 On pourra proposer à l’élève d’autres exemples et aborder plus précisément la notion d’évolution bioculturelle : les humains sont sélectionnés à la fois par des « pressions » de l’environnement (évolution biologique), mais aussi par des pressions liées à des processus culturels qui changent la façon dont les gènes se répandent dans les populations. Exemples de la tolérance au lactose, des mariages, des langues : - voir l’article d’Evelyne Heyer « Comment la culture agit sur notre évolution », sur le site de la Société Française d’écologie et d’évolution (2017) ou encore son exposé lors de la 8e édition de l’Agora des savoirs (2017) « Évolution et diversité génétique de notre espèce : rôle de l’interaction entre culture et génétique ». - « L’homme, acteur de sa propre évolution » : voir l’article de Laland et Coolen dans le Hors-Série n° 21 de la Recherche. Exemples de la langue, de la religion, des pratiques matrimoniales, des comportements et des modes de vie : - « Comment la culture influence la diversité génétique de l’homme » p. 679-680 dans Biologie évolutive. Exemple de l’obésité comme conséquence de la surnutrition : - « Les racines de l’épidémie d’obésité actuelle sont le résultat d’un conflit entre un patrimoine génétique façonné par des millénaires de restriction alimentaire

et suréquipé en gènes « économes », et un environnement récent caractérisé par une surabondance alimentaire », extrait de l’ouvrage de Bernard Swynghedauw, « Quand le gène est en conflit avec son environnement ». L’exemple de l’obésité est traité p. 175 à 186 est précédé par une comparaison des habitudes alimentaires et du mode de vie au paléolithique et au XXIe siècle. L’ouvrage aborde de nombreux autres exemples d’interactions entre les gènes et l’environnement : les conséquences biologiques du réchauffement climatique et des pollutions, l’origine de l’accroissement des maladies auto-immunes et des allergies ou encore des cancers etc.

Bibliographie Ouvrage de vulgarisation [1] Collectif, sous la direction de Guillaume Lecointre, Guide critique de l’évolution, Belin, 2011 [2] Collectif, sous la direction d’Evelyne Heyer, Nous et les autres, des préjugés au racisme, La Découverte, 2017 [3] Kevin N. Laland et Isabelle Coolen, L’homme acteur de sa propre évolution, Hors-série n° 21 La recherche, avril 2017 [4] Bernard Swynghedauw, Quand le gène est en conflit avec son environnement, une introduction à la médecine darwinienne, De Boeck, 2009 [5] Guillaume Lecointre, L’évolution, question d’actualité ?, Quae, 2014 [6] Claude Lafon, Idées reçues en biologie, Ellipses, 2004 Ouvrage scientifique plus spécialisé [7] Thomas, Lefèvre et Raymond, Biologie évolutive, pages 679-680, De Boeck, 2010

Exercices

p. 234 à 237

1 a. Faux. L’être humain est un singe. b. Vrai. c. Faux. Ils ont coexisté et pourraient être des espèces différentes. d. Vrai. e. Faux. Plus les espèces partagent de caractères à l’état dérivé plus elles sont apparentées. 2 1. Humain, gorille, chimpanzé. 2. Grands singes : humain, gorille, chimpanzé. 3. Gorille et chimpanzé car ils partagent l’innovation « queue réduite ».

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Thème 3 ● Une histoire du vivant 3 Certains primates autres que l’humain (chimpanzé, etc.) sont capables de se déplacer sur leurs membres postérieurs. Ils pratiquent donc transitoirement la bipédie dite « non exclusive ». On ne peut donc, pas affirmer, que cette caractéristique soit spécifique de la lignée humaine.

4 Arbre corrigé.

5 On compare ici le pourcentage d’identité de deux gènes, celui du NAD et de la cytoxydase entre l’espèce humaine et les autres grands singes. Le bonobo et le chimpanzé possèdent un pourcentage d’identité de gène de la cytoxydase à hauteur de 97,4 % avec l’espèce humaine et de 89 % d’identité pour le NAD. Ces pourcentages d’identité sont supérieurs à ceux relevés chez les autres grands singes. Chimpanzé et bonobo sont donc plus proches.

6 Correction dans le manuel 7 1. Le document présenté représente un schéma proposant une mise en parallèle à la fois de quelques innovations mais également d’événements « non génétiques » (vie sociale, etc.). 2. Il s’agit d’un arbre le plus probable mais hypothétique en partie car de nombreuses questions subsistent encore aujourd’hui. La position de l’homme de Florès n’est donc qu’une proposition construite en synthétisant les connaissances acquises, mais qui peut être modifié au gré des découvertes à venir.

8 1. Abel et Toumaï sont deux fossiles identifiés comme bipèdes (doc. 2). Or, ces deux crânes fossiles ont été retrouvés à l’ouest du rift, là où la végétation était luxuriante (doc. 1) et donc où la bipédie n’était pas indispensable (doc. 1). Cela remet donc en cause la théorie émise par Coppens qui proposait que tous les singes de l’ouest du rift étaient restés quadripèdes. 2. La théorie a été émise avant la découverte de ces deux fossiles, afin d’expliquer la séparation entre la lignée humaine et les grands singes. Elle était basée sur des faits : on avait trouvé des individus bipèdes qu’à l’est du rift. Cette théorie (proposition réfutable) est ensuite soumise à discussion avec les avancées scientifiques : quand les fossiles d’Abel et de Toumaï

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117

Thème 3 ● Une histoire du vivant ont été découverts, Yves Coppens lui-même s’est rendu compte que son hypothèse était erronée. C’est le principe d’une théorie scientifique : elle cherche à expliquer des faits de la manière la plus rationnelle possible, mais elle est réfutable, modifiable avec le temps. Piste : c’est un exercice qui permet de travailler l’esprit critique. 9 1. Caractères ancestraux Faible capacité crânienne

Caractères dérivés Pelvis avancé (bipédie affirmée)

Prognathisme très Grandes jambes et réduit longs bras (vie arboricole) Pascal Picq considère que le changement évolutif survient dans quelques parties ou systèmes du corps sans que celui-ci soit simultané dans tout le corps (cf. tableau). 2. La découverte d’une nouvelle espèce dotée de traits « archaïques » et de caractères dérivés implique une redéfinition du genre Homo. En effet, durant la même période, plusieurs représentants du genre humain cohabitaient : Homo habilis, H. rudolfensis, H. ergaster, etc. Et Pascal Picq disait : « Nous sommes très éloignés de la définition de l’Homme avec un cerveau développé et des mâchoires assez réduites ». L’évolution de la lignée humaine serait donc « un phénomène d’évolution en mosaïque ». 10 Afin d’identifier la phalange trouvée, les chercheurs ont utilisé de l’ADN mitochondrial. En effet, en comparant les ADN mitochondriaux de plusieurs espèces, ils peuvent dater le moment où les espèces ont divergé. Ici, on remarque les phalanges de Denisova possèdent plus de différences qu’avec Homo sapiens ou Homo neandertalensis : cela signifie qu’il s’agit d’une lignée qui a divergé il y a très longtemps, et qui est donc moins proche d’Homo sapiens que ne l’est Homo neandertalensis, par exemple. Cela a conduit les chercheurs à émettre l’hypothèse selon laquelle l’homme de Dénisova serait une nouvelle espèce. Pour les spécialité SVT : possibilité de travailler avec la totalité du document (Pan) afin d’affiner la relation de la taille des branches avec le degré de parenté.

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118

Thème 3 ● Une histoire du vivant

12. LES MODÈLES DÉMOGRAPHIQUES Introduction Ce chapitre est consacré à l’étude de l’évolution de populations en s’appuyant sur l’exemple historique de Thomas Robert Malthus (17661834). Après une réactivation des connaissances en statistiques, on introduit la notion de suite arithmétique et du modèle linéaire. Puis, on caractérise les suites géométriques et le modèle exponentiel. Ces deux modèles sont utilisés pour faire des projections avec un regard critique sur leur réalisme.

Activités

Utiliser une formule analogue à celle employée pour l’Amérique du nord. - Aide 2 (question 5) : à l’aide du doc. 2, calculer le nombre de millions de naissances en Afrique.

Réponses aux questions 1. La hausse de 1911 s’explique par la canicule ; les hausses de 1918 et 1944 s’expliquent par les 1re et 2e guerres mondiales. 2.

p. 240 à 245

① Étude statistique des populations Les savoir-faire du BO - Produire et interpréter des graphiques statistiques traduisant l’évolution d’effectif d’une population ou de ressources.

Compétences mathématiques travaillées Chercher, représenter, calculer.

Commentaires pédagogiques L’étude des populations se fait à partir de données statistiques qui sont généralement résumées dans un tableau et/ou représentées par un graphique. Il est donc essentiel de comprendre un graphique : comment le construire et comment le lire et l’interpréter. Les données sont résumées par des caractéristiques comme la moyenne.

Durée estimée : environ 45 min Différenciation

Amérique du nord Océanie Europe (Russie incluse) Amérique latine Asie Afrique Total

80×0,36+78×0,04+77×0,74+75×0,63+72×4,42+59×1,19 0,36+0,04+0,74+0,63+4,42+1,19

=

524,6 7,38

≈71,084 ≈ 71 ans

4. Le diagramme circulaire représenté page suivante peut être obtenu par un logiciel tableur ou par un algorithme (voir fichiers Prof dans le manuel numérique). Pour une représentation manuelle, il faut calculer l’angle de chaque secteur. Continent

- Aide 1 (question 4) : pour calculer l’angle de chaque secteur : Continent

3. La durée de vie moyenne en 2015 d’un être humain dans le monde est égale à la moyenne des durées de vie par continent pondérées par la taille de la population de chaque continent.

Population (en milliards) 0,36 0,04 0,74 0,63 4,42 1,19 7,38

Angle (en degrés) 0,36 7,38

× 360 ≈ 18

Amérique du nord Océanie Europe (Russie incluse) Amérique latine Asie Afrique Total

Population (en milliards) 0,36 0,04 0,74

Angle (en degrés) 18 2 36

0,63 4,42 1,19 7,38

31 215 58 360

Prof 360

Fichiers logiciel

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

Déterminer le nombre N de périodes de 25 ans dans trois siècles et en déduire p(N) et r(N), puis le rapport de ces deux valeurs.

Réponses aux questions

5. Pour retrouver les 29 % de naissances en Afrique du doc. 3, on utilise les données du doc. 2 en déterminant le nombre de naissances en Afrique : 1,19 × 34,8 ‰ = 0,041 412 milliards = 41,412 millions. Le pourcentage de naissances en Afrique est égal à

41,412 140

≈ 0,29 soit 29 %.

② Modélisation à l’aide de suites Les savoir-faire du BO Une grandeur discrète u varie de manière linéaire en fonction d’un palier entier n si sa variation absolue u(n+1) – u(n) est constante. Dans ce cas, les points (n ; u(n)) sont situés sur une droite. La suite de terme général u(n) est arithmétique. Une représentation graphique d’une suite est le nuage des points (n ; u(n)).

Compétences mathématiques travaillées Modéliser, chercher.

Commentaires pédagogiques Les suites sont connues des élèves ayant suivi la spécialité Mathématiques en 1re : ces élèves auront plus l’habitude de travailler avec la notation un que u(n) ; les formules des termes généraux des suites arithmétiques et géométriques sont connues. Il est donc nécessaire de les introduire pour les autres élèves. Le cas particulier des suites arithmétiques est traité dans cette activité.

Durée estimée : environ 30 min Différenciation - Aide 1 (question 2) : déterminer une équation de la droite passant par le nuage de points. - Aide 2 (question 3) : la liste associée à la population est p(0) = 1 = 20, p(1) = 2 = 21, p(2) = 4= 22, …, p(8) = 256 = 28. La liste associée aux ressources est r(0) = 1 = 0 + 1, r(1) = 2 = 1 + 1, r(2) = 3 = 2 + 1, …, r(8) = 9 = 8 + 1.

1. a. - Liste 1 : 1 ; 2 ; 4 ; 8 ; 16 ; 32 ; 64 ; 128 ; 256 ; … Suite u définie par u(0) = 1 et pour tout n ∈ ℕ, u(n + 1) = 2 × u(n) ; donc si u(8) = 256 alors u(9) = 2 × 256 = 512 . - Liste 2 : 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; … Suite u définie par u(0) = 1 et pour tout n ∈ ℕ, u(n + 1) = u(n) + 1 ; donc si u(8) = 9 alors u(9) = 9 + 1 = 10. - Liste 3 : 1 ; Suite

u

u(n) =

1 n+1

1 2

;

1 3

;

définie,

1 4

;… pour

n ∈ ℕ,

tout

; donc u(0) = 1 et u(4) =

1

4+1

par : 1

=5.

- Liste 4 : 4 ; 9 ; 16 ; 25 ; … Suite u définie, pour tout n ∈ ℕ, par : u(n) = (n + 2)2; donc u(0) = 4 et u(4) = (4 + 2)2 = 36. - Liste 5 : 3,5 ; 2 ; 0,5 ; −1 ; … Suite u définie par u(0) = 3,5 et pour tout n ∈ ℕ, u(n + 1) = u(n) −1,5 ; donc si u(3) = −1 alors u(4) = −1−1,5 = −2,5 . b. Les listes pouvant être associées aux premiers termes d’une suite arithmétique sont les listes n°2 et n°5, car on ajoute ou soustrait toujours le même nombre pour passer au terme suivant. - Liste 2 : pour tout n ∈ ℕ, u(n + 1) − u(n) = 1 ; la raison est 1. - Liste 5 : pour tout n ∈ ℕ, u(n + 1) − u(n) = −1,5 ; la raison est −1,5. 2. Dans le doc. 3, on observe que les points du nuage sont alignés et appartiennent à la droite d’équation y = 2x – 1 (coefficient directeur : 2 ; ordonnée à l’origine : −1). Les points du nuage ont pour coordonnées (n ; u(n)) donc, pour tout n ∈ ℕ, u(n) = 2n – 1.

3. On appelle p la suite associée à la croissance de la population (il s’agit de la liste 1). On appelle r la suite associée à la croissance des ressources (il s’agit de la liste 2). Deux siècles comportent 8 périodes de 25 ans. p(8) = 256 et r(8) = 9 ;

p(8) r(8)

=

256 9

.

De même, trois siècles comportent 12 périodes de 25 ans. p(12) = 24 × p(8) = 16 × 256 = 4096 et r(12) = r(8) + 4 × 1 = 9 + 4 = 13 ;

p(12) r(12)

=

4096 13

© Éditions Hatier, 2020. 120

Thème 3 ● Une histoire du vivant

③ Le modèle linéaire Les savoir-faire du BO Dans la réalité, pour une population dont la variation absolue est presque constante d’un palier à l’autre, on peut ajuster le nuage de points qui la représente par une droite (modèle linéaire).

Compétences mathématiques travaillées Chercher, modéliser.

Commentaires pédagogiques On modélise des données réelles à l’aide de suites arithmétiques (déjà connues par les élèves ayant suivi la spécialité Mathématiques en 1re). Dans le cas d’un nuage de points presque alignés, on introduit le modèle linéaire puis on réalise des prédictions. Les calculatrices ou les tableurs permettent d’obtenir un modèle linéaire (voir Fiche Maths p. 292).

Durée estimée : environ 50 min Exploitation d’une suite arithmétique

Différenciation - Aide 1 (question 2) : le chevreuil n’est pas un cerf. - Aide 2 (question 3) : qu’est ce qui fait qu’un chevreuil va grossir ? - Aide 3 (question 4) : observer la diminution des termes de la suite m.

c. Les valeurs de la colonne C sont négatives ; en effet, plus la population est nombreuse, plus la masse des jeunes chevreuils baisse, car à quantité constante de ressources à partager, il y a moins de nourriture pour chaque animal. 4. Chaque terme de la suite m vaut en moyenne 0,46 de moins que le terme précédent, donc il semble adéquat de modéliser la situation par une suite arithmétique de raison −0,46.

Régression linéaire

Différenciation - Aide 1 (question 3) : dans l’équation de droite de régression, x représente le rang (nombre d’années écoulées depuis 1793) et y le nombre d’habitants correspondant à l’année 1793 + x.

Réponses aux questions 1. L’absence de données avant 1793 peut s’expliquer par l’absence de recensement (et d’autres mises en place scientifiques de mesures) avant la Révolution française de 1789 et l’instauration de la République. L’absence de données entre 1911 et 1921 peut s’expliquer par la Première Guerre mondiale et la baisse entre 1936 et 1946 par la Deuxième Guerre mondiale. 2. Les points du nuage obtenu sont presque alignés, donc on choisit un modèle linéaire.

Réponses aux questions 1. Dans la colonne C, on calcule la différence entre deux termes consécutifs (la variation absolue) de la suite m. 2. L’ONCFS impose une précision de 200 g au minimum pour les autres espèces que les cerfs, autres espèces dont font partie les chevreuils. Or les valeurs données dans le doc. 2 sont données à 0,05 kg = 50 g près, donc la précision est bien respectée. 3. a. Formule tableur à saisir en C3 : = B3 – B2. b.

3. Le rang de l’année 2030 est : 2030 – 1793 = 237. 1 206,56 × 237 + 13 991,46 = 299 946,18 On peut donc estimer la population de Strasbourg en 2030 à 300 000 habitants. 4. On saisit les données dans la calculatrice puis on renseigne les paramètres du mode « RégLin(ax + b) ».

© Éditions Hatier, 2020. 121

Thème 3 ● Une histoire du vivant

Réponses aux questions 1 012 000 = 1 000 000 1 036 434 ≃ 1,012 1 024 144 1 061 457 ≃ 1,012 1 048 871

1. a.

On entre dans le choix «Calculs » et on obtient :

u(n + 1) - u(n) u(n)

= =

④ Le modèle exponentiel et les suites géométriques Les savoir-faire du BO

- Une grandeur discrète u varie de manière exponentielle en fonction d’un palier entier n si sa variation absolue u(n + 1) – u(n) est proportionnelle à sa valeur courante u(n). Dans ce cas, sa variation relative (ou taux de variation) est constante et la suite de terme général u(n) est géométrique.

Compétences mathématiques travaillées Calculer, modéliser.

Commentaires pédagogiques À l’aide du doc. 1, on introduit les suites géométriques (déjà connues par les élèves ayant suivi la spécialité Mathématiques en 1re). Le modèle exponentiel (la fonction exponentielle est traitée en Spécialité Mathématiques dès la 1re) est introduit pour modéliser les données du doc. 2. Les calculatrices ou les tableurs permettent d’obtenir un modèle exponentiel (voir Fiche Maths p. 292).

Durée estimée : environ 50 min Suite géométrique et modèle exponentiel

Différenciation - Aide 1 (question 2c) : commencer par déterminer le rang (pas forcément un nombre entier) correspondant à 32 années écoulées.

; ;

1,012 ;

La taille de la population croît donc de 12 ‰ chaque année. (+20 ‰ – 8 ‰ = +12 ‰). b. On a pour tout nombre entier naturel n, u(n+1) = u(n) + 12 ‰ × u(n) = (1 + 12 ‰) × u(n) = (1 + 0,012) × u(n) = 1,012 × u(n) c.

Penser la science Il y a corrélation entre deux séries de valeurs si on peut trouver une fonction mathématique qui les relie, alors qu’il y a causalité s’il y a une influence réelle d’une série sur l’autre. (voir Chapitre 3 Le climat du futur, p. 69.)

1 024 144 = 1 012 000 1 048 871 ≃ 1,012 ; 1 036 434 1 074 195 ≃ 1,012. 1 061 457

1,012 ;

1,012 × u(n) - u(n) u(n) 0,012 × u(n) = 0,012. u(n)

Le taux de variation de la suite u est constant à 0,012 donc la suite u est géométrique de raison 1,012. 2. a. Le rang de l’année 1997 est : x=

1997 - 1960 10

= 3,7.

0,216 × 3,7

450,5 × e ≃ 1001,8 et 3,7 450,5 × 1,241 ≃ 1001,5. Les deux résultats sont presque égaux. b. e0,216 ≃ 1,241 donc 450,5 × e0,216x = 450,5 × (e0,216)x ≃ 450,5 × 1,241x. Les deux expressions sont équivalentes (aux erreurs d’arrondis près). c. Une période de 32 ans correspond à 3,2 rangs. e0,216 × 3,2 ≃ 2 ou 1,2413,2 ≃ 2 ; la population est donc multipliée par deux : elle double.

Les limites du modèle exponentiel

Différenciation - Aide 1 (question 1.a.) : écrire e0,010 687 514 36 sous la forme 1 +

t 100

pour en déduire le taux t

d’augmentation. - Aide 1 (question 3) : la production de blé d’une année A peut être calculée à partir de celle de l’année 1961 à l’aide de la formule : 222 357 232 × 1,0358A - 1961. (ou formule analogue à partir de l’année 1981).

Réponses aux questions 1. a. e0,010 687 514 36 ≃ 1,010745 ≃ 1,011 soit un taux de variation annuel moyen de +1,1 %. b. En 1901 : y = 0,000 000 054 657 × e0,010 687 514 36 × 1901 ≃ 36,4 et en réalité 41,5. En 1951 : y = 0,000 000 054 657 × e0,010 687 514 36 × 1951 ≃ 62,1 et en réalité 50,3.

© Éditions Hatier, 2020. 122

Thème 3 ● Une histoire du vivant

En 2015 : y = 0,000 000 054 657 × e 0,01068751436 × 2015 ≃ 123,1 et en réalité 64,875. Le modèle utilisé est assez pertinent à court terme mais ne l’est pas à long terme. 2. Les points du nuage représentant la production mondiale de blé sont presque alignés donc un modèle linéaire peut être appliqué. 3. a. En utilisant la production de l’an 1961, on obtient : 222 357 232 × 1,03581990 – 1961 ≃ 616 669 618. En utilisant la production de l’an 1981, on obtient :449 633 987 × 1,03581990 – 1981 ≃ 617 081 166. Ces deux estimations sont très peu différentes entre elles, et légèrement supérieures à la réalité. b. En utilisant la production de l’an 1981, on obtient, pour l’an 2017 : 449 633 987 × 1,03582017 – 1981 ≃ 1 595 114 166 (ou, à partir de 1961 : 222 357 232 × 1,03582017 - 1961 ≃ 1 594 050 344). Cette estimation est environ deux fois plus grande que la production réelle (2 × 771 718 580 = 1 543 437 160). Le modèle utilisé n’est pas pertinent. Le modèle ne convient que sur un temps court.

Penser la science

p.248 à 249

Interroger un modèle

Commentaires pédagogiques Pour contourner le problème de temps de lecture qui pourra être très variable d’un élève à l’autre, on peut demander de faire cette activité à la maison, réfléchir aux questions posées, mais surtout déjà lire les textes et regarder la vidéo.

Durée estimée : 10 min (hors temps de lecture des documents) Réponses aux questions - Liste des mots relatifs aux suites ou modèles étudiés : accroissement, progression géométrique, progression arithmétique

- La première prévision de Verhulst d’une stabilisation de la population française à 40 millions était erronée puisque la population française en 2019 est estimée à 67 millions.

Interroger l’histoire

Commentaires pédagogiques Cette page revient sur l’accusation de malthusianisme faite à l’encontre de la pensée darwinienne. Cette accusation traduit une incompréhension de la théorie de la sélection naturelle présentée par Darwin dans L’Origine des espèces (1859) qui ne concerne pas les sociétés humaines. Il est nécessaire d’envisager la lecture de la page 248 avant celle de la page 249 afin que l’élève puisse cerner le modèle mathématique de Malthus.

Durée estimée : 50 min (lecture la page précédente incluse) Réponses aux questions C’est en lisant, en 1838, l’Essai sur le principe de population (1798) de l’économiste et révérend Thomas Robert Malthus que Darwin y trouve l’élément de modélisation mathématique qui va précipiter chez lui la formulation de la loi sélective. Mais pour autant, Darwin n’a jamais été « malthusien ». Pour Malthus, la population humaine s’accroît selon une progression géométrique (2, 4, 8, 16, etc.) tandis que les ressources alimentaires dont elle dispose ne s’accroissent que de façon arithmétique (1, 2, 3, 4 etc.) (voir p. 248). Il en résulte une surpopulation qui conduit à une lutte entre les individus sur des territoires limités par leur superficie. Malthus recommande alors plusieurs mesures de limitations à l’encontre des classes pauvres (paragraphe du haut p. 249). Darwin saisit ce modèle - que Malthus appliquait aux populations humaines – uniquement pour l’appliquer et le délocaliser aux populations animales (humain non compris) et végétales : la sélection naturelle naît de cette lutte pour l’existence et entraîne la survie des organismes les mieux adaptés au milieu. Rappelons ici que pour Darwin, cette lutte n’entraîne pas automatiquement la survie du plus fort (paragraphe de gauche p. 249). En 1871, dans La Filiation de l’Homme, Darwin aborde la question du devenir de la sélection dans le cadre de la civilisation c’est-à-dire dans le cadre des sociétés humaines. Il rejette alors explicitement les recommandations malthusiennes au nom de la morale, © Éditions Hatier, 2020. 123

Thème 3 ● Une histoire du vivant

l’éducation, la socialisation et l’empathie qui sont à l’œuvre dans les sociétés humaines. Selon Darwin, elles contrebalancent de beaucoup une lutte pour l’existence qui serait néfaste aux plus démunis (paragraphe de droite p. 249).

Commentaires scientifiques et ressources Finalement, la seule « erreur » de Darwin aura été d’attendre 11 ans entre la publication de L’Origine des espèces et La Filiation de l’Homme. Un silence « anthropologique » qui a permis à certains de pratiquer une extension de sa théorie aux sociétés humaines… Ce malentendu qui persiste à l’égard du darwinisme n’est qu’un exemple parmi d’autres. En complément, il peut être intéressant de s’appuyer sur d’autres exemples qui illustrent le dévoiement de la pensée du naturaliste anglais. Dévoiements à replacer dans le contexte d’une Angleterre victorienne contrastée où se côtoyaient croissance économique d’un côté, misère des classes populaires, travail des enfants et soutien à l’esclavagisme de l’autre. - En 1862, l’ingénieur et philosophe anglais Herbert Spencer (1820-1903), farouche défenseur du libéralisme économique, va se servir de la sélection naturelle pour justifier une compétition entre les humains aboutissant à une disparition des « moins aptes » ou des « moins méritants ». Ainsi, pour Spencer, il ne faut prendre aucune mesure de protection, de sauvegarde ou de secours à l’égard de ces derniers au nom d’une « nature » qui effectue automatiquement un tri des meilleurs. Cela conduira selon lui à une amélioration de la société. Spencer est ainsi le père de ce que l’on appelle encore le « darwinisme social », une malheureuse expression formulée par le journaliste français Emile Gautier en 1880. - Vers le milieu des années 1860, l’anthropologiste et statisticien Francis Galton (1822-1911) − cousin de Charles Darwin – est à l’origine de l’eugénisme. Il prône une intervention de l’état pour garantir une société optimale sur les plans biologique et intellectuel, les existences « médiocres » conduisant selon

lui à une dégénérescence de celle-ci. Il fonde alors sa doctrine eugéniste sur l’application d’une sélection artificielle au sein des sociétés humaines, en se basant sur le modèle de l’amélioration des animaux d’élevage.

Ressources bibliographiques utiles Ouvrages de vulgarisation - Patrick Tort (2000), Darwin et la science de l'évolution (Vol. 397). Gallimard. En particulier pages 130 à 140. - Sous la direction de Guillaume Lecointre et Patrick Tort (2015), Le monde de Darwin. La Martinière. En particulier les chapitres « Lieux communs et idées fausses » et « Un homme renversant. Réflexion sur l’escamotage de l’anthropologie de Darwin ». - Collectif, sous la direction de Guillaume Lecointre (2011), Le guide critique de l’évolution. Belin. En particulier le chapitre 6, pages 130 à 161, « La théorie de l’évolution récupérée ou combattue ». Dictionnaire scientifique érudit : Patrick Tort (1996), Dictionnaire du darwinisme et de l’évolution. Paris, Presses Universitaires de France. Voir les définitions : Darwinisme social, Malthus, Galton et Spencer.

S’exercer

p. 250 à 253

1 1. et 2. Le solde naturel est la différence entre le nombre de naissances et le nombre de décès. Voir tableau en bas de page. 2 1. La croissance de la population a : a. une variation absolue presque constante. 2. Le modèle utilisé pour ajuster le nuage est : a. le modèle linéaire. 3. Une estimation de la population en Italie en 2021 est : b. 60 158 milliers, car on observe une perte d’environ 105 milliers d’habitants par an. La réponse a. correspondrait plutôt à la réponse 2022 et la réponse c. à 2020.

Tableau de l’exercice 1 Année 2010 2011 2012 2013 2014

Population au 1er janvier 64613 64934 65242 65565 65907

Nombre de naissances vivantes 832,8 823,4 821,0 811,5 811,4

Nombre de décès 551,2 545,1 569,9 569,2 558,7

Solde naturel +281,6 +278,3 +251,1 +242,3 +252,7

Solde migratoire évalué +39 +30 +72 +100 +30

© Éditions Hatier, 2020. 124

Thème 3 ● Une histoire du vivant

3 1. Augmenter de 60 % revient à multiplier par 1,60 : 0,1 × 1,60 = 0,16. Sa taille est de 0,16 mm. 2. Une semaine compte 7 jours : 0,1 × 1,607 ≃ 2,68. Sa taille après une semaine est d’environ 2,68 mm. 4 1. Augmenter de 6 % revient à multiplier par 1,06 donc on passe d’un terme au suivant en multipliant par 1,06 : U(n + 1) = 1,06 × U(n) ; la suite est bien géométrique de raison 1,06. 2. On a, pour tout nombre entier naturel n, U(n) = U(0) × 1,06n donc U(5) = U(0) × 1,065 ; 5

1,06 ≃ 1,338 = 1 +

33,8 100

;

donc

cela

correspond à une augmentation est de 33,8 % environ. Le journaliste se trompe.

5 1. Faux. Le rang 0 correspond à l’année 1951 et le rang 6 à 2011 donc entre deux rangs il s’écoule 10 ans ; le rang 1 correspond à l’année 1961. 2. Faux car la courbe verte n’est pas une droite. 3. Vrai. 4. Vrai car pour x = 0, on obtient y = 373 et pour x = 6, on obtient y ≃ 1323 ; ces deux résultats sont cohérents avec la courbe tracée.

5. L’an 2025 a pour rang 25. y = –4 706,5 × 25 + 293 131 = 175 468,5 ≃ 175 469.

9 1. On note R(n), la quantité restante d’antibiotique au bout de n heures ; on a : R(n) = 500 × 0,6n. La suite R est géométrique de raison 0,6 et de premier terme R(0) = 500. 2. Si on élimine 450 mg d’amoxicilline, la quantité restante est de 50 mg. La suite R est strictement décroissante. Il faut déterminer à partir de quel entier n, R(n) < 50. On trouve R(4) ≃ 64,8 et R(5) ≃ 38,9. Donc 5 heures sont nécessaires. 10 1. La suite U est arithmétique de raison –1,2 d’après la ligne 4. Le premier terme est U(0) = 2,1 car SuiteU(0) renvoie 2,1. La suite V est géométrique de raison 0,8 d’après la ligne 4. Le premier terme est V(0) = 2,1 car SuiteV(0) renvoie 2,1. 2. Pour tout nombre entier naturel n, U(n) = 2,1 – 1,2n ; V(n) = 2,1 × 0,8n. 3.

11 1. Nuage des points (xi ; yi).

6 Correction dans le manuel 7 1. u(1) – u(0) = u(2) – u(1) = u(3) – u(2) = –76 donc on reconnaît les premiers termes d’une suite arithmétique de raison –76. 2. Le signe $ fixe le nombre ou la lettre qui le suit. Les formules b. et c. conviennent. 3. u(7) = u(0) + 7 × (–76) = 511 – 532 = –21. 8 1. et 4.

2. Les points du nuage sont presque alignés donc le modèle linéaire est adéquat. 3. Le logiciel donne : y = –4706,5x + 293131. 4. Cette droite passe par exemple par les points (6 ; 264892) et (16 ; 217827).

2. À l’aide d’un logiciel ou d’une calculatrice, on obtient :

L’équation du modèle est : y = 8,2943 × e 1,1239x ou y = 8,2943 × 3,0768x. 3. 2021 = 2015 + 6, donc à l’année 2021 correspond le rang 6 ; y = 8,2943 × e 1,1239 × 6 ≃ 7 037. En 2021 la population de volailles est estimée à 7 037. © Éditions Hatier, 2020. 125

Thème 3 ● Une histoire du vivant

n

est donnée par :

12 1. Nuage des points (ai ; bi).

= u(0) ×

80

1 - qn+1 . 1-q

On a : 2000 = 1000 + 40 × 25, donc on calcule 40

75

∑2

1994

70

k =0

2004

1999

65

2009 30 35

40

45

50

2014 55

60

k

= 1 ×

1 - 241 1-2

= 241 – 1 ≈ 2,2 × 1012 soit

plus de 2 000 milliards de membres de la famille dans l’arbre généalogique entre 1000 et 2000.

60 55

u(0) + … + u(n)

k =0

Hommes élus au Parlement européen (en %)

25

∑ u (k ) =

65

70

Naissances hors mariage en Europe (en %)

2. Les points étant presque alignés, on peut utiliser le modèle linéaire. 3. L’utilisation d’un modèle ne permet pas d’en déduire un lien de cause à effet. Dans le cas présent, rien ne justifie de rechercher un lien de causalité (voir p. 69). 13 1. Si n est le nombre de générations (de 25 ans) remontées depuis l’an 2000, on note A(n) le nombre d’aïeuls à cette n-ième génération. - En 2000 soit 2000 – 25 × 0, le lecteur est seul : A(0) = 1 = 20. - Une génération avant, en 1975 soit 2000 – 25 × 1, il a deux parents : A(1) = 2 = 21. - Deux générations avant, en 1950 soit 2000 – 25 × 2, il a quatre grands-parents : A(2) = 4 = 22. À chaque génération précédente, il y a deux fois plus d’aïeuls, car chacun a deux parents : A(n + 1) = 2×A(n). Alors, la suite A est la suite géométrique de raison q = 2 et de premier terme A(0) = 1 On en déduit que, pour tout nombre entier naturel n, le nombre d’aïeuls en (2000 – 25 × n) est : A(n) = A(0) × qn = 2n On vérifie : 1900 = 2000 – 25 × n ⇔ n = 4. A(4) = 24 = 16 ; 1800 = 2000 – 25 × n ⇔ n = 8. A(8) = 28 = 256 ; 1700 = 2000 – 25 × n ⇔ n = 12. A(12) = 212 = 4 096 ; 1000 = 2000 – 25 × n ⇔ n = 40. A(40) = 240≈ 1,0995 ×1012 ≈ 1 010 × 109. 2. Spé Maths (programme de 1re) La formule générale de la somme des termes consécutifs d’une suite u géométrique de raison q entre son premier terme u(0) et le terme u(n)

14 1. On n’utilise que les données à partir de l’année 2007 où la tendance décroissante est régulière. 2. À partir de l’année 2007, les points sont presque alignés donc on peut utiliser un modèle linéaire. 3. Année 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Indice 125 110 104 97 86 85 Année 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Indice 76 66 60 53 42 41 4. À l’aide d’un logiciel ou d’une calculatrice, on obtient l’équation : y = –7,507x + 15 186,573. y = –7,507 × 2020 + 15 186,573 ≈ 22,4. L’indice de l’année 2020 est égal à environ 22,4. 5. y = –7,507 × 2030 + 15 186,573 ≈ –52,6. Avec ce modèle, l’indice de l’année 2020 serait égal à environ –52,6, ce qui est impossible. Le modèle utilisé n’est pas pertinent à long terme. 15 1. a. p(0) ≃ 3,627199. p(1,5) ≃ 4,247101. p(3) ≃ 4,800882. b. Les résultats obtenus sont très proches des tailles des populations observées. 2. a. À l’an 1890 correspond le rang t = 7,5 (car t est égal au dixième du nombre d’années écoulées depuis 1815) ; p(7,5) ≃ 6,132348, soit environ 6 132 348 habitants. b. 6 132 348 – 6 069 321 = 63 027. On constate une erreur de 63 027 personnes, soit une erreur d’environ 1 %. Sur un temps pas trop long, le modèle de Verhulst est performant. 3. a. Quand le nombre t est grand, le nombre 100,7643107 – 0,0326563t est presque nul (en Spé Maths, on dirait que la limite est 0 quand t tend vers +∞) et alors p(t) ≃ 9,439 soit une taille maximale d’environ 9 400 000 âmes. b. La population d’environ 11 millions d’habitants en 2011 dépasse largement le maximum prévu par le modèle de Verhulst. On © Éditions Hatier, 2020. 126

Thème 3 ● Une histoire du vivant

en déduit que le modèle proposé ne doit être utilisé qu’à court terme. 16 1. a. Voir 2.a. : nuage de points rouges. b. Le modèle linéaire et le modèle exponentiel ne sont pas adaptés à la forme du nuage de points. 2. a. Nombre de ténébrions 1750 1500

b. La courbe représentative de la fonction f passe très près des points du nuage donc cette courbe réalise un bon ajustement. c. Spé Maths (programme de Terminale, mais approche déjà faite en 1re) lim −0,093x= −∞ , d’où lim e--0,093x = 0, puis x→+∞

x→+∞

lim 1 + 172 × e--0,093x = 1. La limite de la

x→+∞

fonction f en l’infini est donc égale à 1730. Le modèle proposé indique une stabilisation du nombre de ténébrions vers 1730 individus.

1250 1000

y=

750

1730 1 + 172e--0,093x

500 250 0

20 40 60 80 100 120 140 160 Nombre de jours écoulés

© Éditions Hatier, 2020. 127

Thème 3 ● Une histoire du vivant

13. L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE 146 200

c.

Les activités 1 et 2 se focalisent sur le traitement automatique de l’information, jusqu’à la numérisation des données, l’activité 1 ayant un caractère historique. L’activité 3 est une proposition d’activité expérimentale avec Python (prérequis de mathématiques 2de) afin de traiter la question des bogues et de leurs conséquences. Les activités 4 à 7, en se focalisant sur la partie du programme concernant précisément l’intelligence artificielle (IA), proposent des documents pour appréhender théories et techniques qui recouvrent ce sujet aux nombreuses branches, ainsi que l’importance de la qualité des données. Le Focus Maths permet d’approfondir l’inférence bayésienne présentée en activité 5.

personnes.

Prérequis

p. 254 (correction p. 294)

Pour les Mathématiques, il s’agit d’un réinvestissement de la partie « Information chiffrée » (statistiques et probabilités) autour de la notion de proportion et de la partie « Algorithmique et programmation » autour de la notion de fonction. Pour la partie SNT, il s’agit de réinvestir quelques notions étudiées dans le thème 4 intitulé : « données structurées et leur traitement ». Pré-requis 1 : faux. 1 To = 8 × 1012bits. Pré-requis 2 : 1. - Nom du fichier : img001.jpg - Format du fichier : jpg - Taille en octets dans la mémoire : 2 215 936 2. Autres formats d’images numériques : png, bmp, gif, tiff, etc. Pré-requis 3 - Nom de la fonction : comparer - Paramètres : a et b - Affichage après exécution : 2*10**3

12 18 30

61 49 110

110 11 = soit 55 % des personnes. 200 20 12 3 = soit 6 % des personnes. 200 50

2. a. b.

42 18 60

(146 = 85 + 61) soit 73 % des

Activités

p. 256 à 263

① Le traitement automatique de l’information Les savoirs du BO Jusqu’au début du XXe siècle, les machines traitant l’information sont limitées à une ou quelques tâches prédéterminées (tisser grâce à un ruban ou des cartes perforées, trier un jeu de carte perforées, séparer des cartes selon un critère, sommer des valeurs indiquées sur ces cartes, …) Turing a été le premier à proposer le concept de machine universelle qui a été matérialisé dix ans plus tard avec les premiers ordinateurs. Ceux-ci sont constitués a minima d’un processeur et d’une mémoire vive.

Commentaires pédagogiques Les documents 1 et 2 répondent au 1er savoir du BO cité ci-dessus, les documents 3 et 4 au second. Le document 5 de l’activité 1, comme son titre l’indique, illustre l’évolution des différents supports numériques. Enfin, Turing est présenté dans la rubrique Homme de Science. Remarque : on peut recommander aux élèves le film Imitation game qui concerne ce scientifique, ses travaux et le contexte historique (https://www.acparis.fr/portail/jcms/p2_1057890/imitation-gamefilm)

Réponses aux questions 1. (doc. 1) Le métier à tisser de 1725 stocke l’information sur un ruban perforé. 2. (doc. 2) En 1949 la machine peut trier 1 000 cartes par minutes. Si la carte cherchée est en dernière position, il faudra 15 minutes et 30 secondes (environ) à la machine pour la retrouver.

Pré-requis 4 ≤30 >30 TOTAL

=

73 100

Introduction

TOTAL 115 85 200

3. La table d’action indique à la machine l’action à réaliser. Cette action dépend de deux paramètres : l’état dans lequel se trouve la machine et le symbole que la tête de lecture voit sur le ruban. 4. Un processeur et une mémoire.

© Éditions Hatier, 2020. 128

Thème 3 ● Une histoire du vivant

5. a. Si la joggeuse se contente de lancer une application qui va automatiquement enregistrer son parcours et différents paramètres tels que sa vitesse, son rythme cardiaque, etc., alors elle ne programme pas la machine, elle exécute un programme qui effectue des tâches automatiques. b. La joggeuse produit effectivement des données numériques (géolocalisation au minimum) qui peuvent alimenter le Big Data.

(instruction conditionnelle) » et « notion de fonction ».

② Numérisation des données

3. enInfraction(2.1,100) ainsi que enInfraction(2.1,140) renvoient False et pourtant, le véhicule est en infraction. Fonction corrigée :

Les savoirs du BO Un ordinateur peut manipuler des données de natures diverses une fois qu’elles ont été numérisées : textes, images, sons. Les programmes sont également des données : ils peuvent être stockés, transportés, et traités par des ordinateurs En particulier, un programme écrit dans un langage de programmation de haut niveau (Python, Scratch…) peut être traduit en instructions spécifiques à chaque type de processeur.

Réponses aux questions 1. Extensions possibles : - pour un fichier son : mp3, wav, ogg, etc. ; - pour un fichier image : jpg, png, bmp, etc. ; - pour un fichier vidéo : mp4, avi, mov, .etc. ; - pour un fichier texte : txt, odt, etc. ; - pour un fichier exécutable : exe. 2. (doc. 2) : En ASCII, chaque caractère est codé sur un octet, il faudra donc 1 447 octets. 3. - Une photographie numérique occupe quelques Mo ; - une chanson de 3 mn occupe également quelques Mo ; - une vidéo de 2 h occupe quelques centaines de Mo.

③Correction d’un programme Les savoirs du BO Un programme peut comporter jusqu’à plusieurs centaines de millions de lignes de code, ce qui rend très probable la présence d’erreurs appelées bogues (ou bugs). Ces erreurs peuvent conduire un programme à avoir un comportement inattendu et entraîner des conséquences graves.

Commentaires pédagogiques / différenciation Cette activité requiert uniquement des connaissances de seconde : partie « Algorithmique et programmation », en particulier « Savoir utiliser les variables et les instructions élémentaires

Réponses aux questions 1. L’exécution renvoie False. 2. Pour le couple (h,v), on peut tester toutes les combinaisons suivantes : (1.8,80) ; (1.8,100) ; (1.8,140) ; (2.1,80) ; (2.1,100) ; (2.1,140)

def enInfraction(h,v): if h>2 and v>90: enFaute = True elif h130 : enFaute = True else : enFaute = False return enFaute 4. L’amélioration du programme pour qu’il détermine automatiquement le nombre de points perdus et le montant de l’amende encourue figure en haut de la page suivante. (Selon le site legipermis.com, à la date d’impression.)

④ L’intelligence artificielle Les savoirs du BO Le terme « intelligence artificielle » (IA) recouvre un ensemble de théories et de techniques qui traite de problèmes dont la résolution fait appel à l’intelligence humaine.

Différenciation/pistes d’exploitation - Doc. 1. L’apprentissage automatique Lire le document 1 ainsi que le vocabulaire associé. Se concentrer sur les deux exemples présentés. Pour chaque exemple, on pourrait se poser les questions suivantes : ► Quel est l’objectif / le résultat souhaité ? ► Comment devrait-on procéder sans utiliser « l’apprentissage automatique » ? ► Que permet « la machine » ? - Doc. 2. Le fonctionnement de l’apprentissage automatique Après l’étude du document 1, lire le document 2 et se focaliser sur le schéma ainsi que sur le dernier paragraphe. Pour chaque exemple présenté dans le document 1 et étudié précédemment, on pourrait

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Thème 3 ● Une histoire du vivant

identifier ce que l’on appelle « sortie » et « entrées fournies ». Après avoir lu la définition de l’intelligence artificielle dans le bloc vocabulaire mais aussi la rubrique Femme de Science, on pourrait revenir sur le terme « combinaison » employé dans ce document 2 : qu’est-ce qui est implémenté/programmé dans la machine qui, à partir des entrées fournies, propose une sortie qui devrait être proche du résultat souhaité ? On peut évoquer ici l’activité 5, Pour info. - Doc. 3. Ajuster les paramètres par apprentissage machine Après la lecture du document 3 et du bloc Actualité science, on peut se poser les questions suivantes en s’appuyant éventuellement encore une fois sur les exemples du document 1 : ► Le résultat obtenu est-il toujours le résultat escompté ? ► Quelle en serait la cause ? ► Comment procède-t-on pour améliorer les résultats ? On peut évoquer ici l’activité 6 : Quelles données fournir au réseau de neurones d’une machine ?

def enInfraction(h,v): #On calcule le dépassement de vitesse if h>2: depassementVitesse=v-90 else: depassementVitesse=v-130 #Si le résultat est négatif, on n'est pas en infraction if depassementVitesse