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Cours DF 3 ème 1 2013-2014 P.G DEFINITION ET GENERALITES e mot physique (« physikos » en grec) veut dire science de la nature. C’est en effet précisément ce qui intéresse la physique - l’exploration des mystères du comportement de la nature. L’objectif de la physique est de poser toutes les questions imaginables sur le fonctionnement de toute chose, puis de chercher une réponse à ces questions. Il n’y a, semble-t-il, aucune limite précise au champ de la physique : elle cherche à expliquer l’énergie et la matière, et comment ces choses fonctionnent ensemble ; elle étudie les phénomènes naturels, que ce soit à l’échelle la plus large (comme l’Univers tout entier) ou à l’échelle de l’infiniment petit (comme les plus petites parties de l’atome). La physique est la racine de toutes les autres sciences. En effet, tout dans l’Univers, visible ou invisible, peut se ramener aux lois fondamentales de la physique. Tout domaine d’étude concernant le monde matériel – de la chimie à la biologie à l’astronomie et même l’ingénierie – n’est finalement rien d’autre qu’un développement de la physique. Ainsi, le but de la physique est d’expliquer les phénomènes observés par des lois physiques immuables… appelées lois fondamentales d’où la notion de science exacte : il s’agit d’abord de décrire les phénomènes, puis de les expliquer et enfin de les prévoir. Néanmoins, il faut se rappeler que les lois de la physique que nous connaissons sont le fruit de nombreuses expériences entachées elles-mêmes d’erreurs de mesure ; les mesures n’étant jamais exactes, les lois de la physique ne donnent des phénomènes observés qu’une image approximative et non exacte, au sens strict du terme. Et le physicien… cherche des « règles du jeu » c'est-à-dire les lois fondamentales de la nature dans le comportement apparemment chaotique de l’univers physique. Un physicien objectif ne doit jamais considérer une loi ou une théorie comme définitive. Ex : la mécanique classique de Newton a dû être complétée par la mécanique relativiste d’Einstein. La physique est une science quantitative : son langage ou mieux sa manière de penser, c’est les mathématiques. Mode de connaissance en physique : Approche de la physique L

Approche de la physique élève 2013 - …gaypatrick.weebly.com/uploads/1/0/3/5/10355454/approche_de_la... · l’Univers, visible ou invisible, peut se ramener aux lois fondamentales

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Cours DF 3ème 1

2013-2014 P.G

 DEFINITION ET GENERALITES

e mot physique (« physikos » en grec) veut dire science de la nature.

C’est en effet précisément ce qui intéresse la physique - l’exploration des mystères du comportement de la nature. L’objectif de la physique est de poser toutes les questions imaginables sur le fonctionnement de toute chose, puis de chercher une réponse à ces questions. Il n’y a, semble-t-il, aucune limite précise au champ de la physique : elle cherche à expliquer l’énergie et la matière, et comment ces choses fonctionnent ensemble ; elle étudie les phénomènes naturels, que ce soit à l’échelle la plus large (comme l’Univers tout entier) ou à l’échelle de l’infiniment petit (comme les plus petites parties de l’atome). La physique est la racine de toutes les autres sciences. En effet, tout dans l’Univers, visible ou invisible, peut se ramener aux lois fondamentales de la physique. Tout domaine d’étude concernant le monde matériel – de la chimie à la biologie à l’astronomie et même l’ingénierie – n’est finalement rien d’autre qu’un développement de la physique. Ainsi, le but de la physique est d’expliquer les phénomènes observés par des lois physiques immuables… appelées lois fondamentales d’où la notion de science exacte : il s’agit d’abord de décrire les phénomènes, puis de les expliquer et enfin de les prévoir. Néanmoins, il faut se rappeler que les lois de la physique que nous connaissons sont le fruit de nombreuses expériences entachées elles-mêmes d’erreurs de

mesure ; les mesures n’étant jamais exactes, les lois de la physique ne donnent des phénomènes observés qu’une image approximative et non exacte, au sens strict du terme. Et le physicien… cherche des « règles du jeu » c'est-à-dire les lois fondamentales de la nature dans le comportement apparemment chaotique de l’univers physique. Un physicien objectif ne doit jamais considérer une loi ou une théorie comme définitive. Ex : la mécanique classique de Newton a dû être complétée par la mécanique relativiste d’Einstein. La physique est une science quantitative : son langage ou mieux sa manière de penser, c’est les mathématiques. Mode de connaissance en physique :

Approche  de  la  physique  

L

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A. APERÇU HISTORIQUE 1.- Temps reculés --- > XV ème siècle Observation Description qualitative, influencée par la philosophie Astronomie : Aristarque de Samos : Théorie héliocentrique (310 –> 230 av J.-C) Terre = 3ème planète à partir du Soleil Hipparque : 1er catalogue d’étoiles (850) et modèle avec

épicycles (150 av. J.-C). Ptolémée : système géocentrique (130 ap. J.-C) plus

perfectionné qu’Hipparque

2.- XVIème ----> XXème 1543: Copernic met le feu aux poudres (Le Soleil est

considéré comme le centre de l’Univers) 1609 :Kepler élabore un modèle du système solaire avec

7 ellipses représentant la trajectoire des planètes 1610 :Galilée introduit l’expérimentation (lunette astronomique de 4 cm de

diamètre) C’est en observant les phases de Vénus que Galilée apporta la preuve la plus solide contre la théorie géocentrique. Si Vénus avait été en orbite autour de la Terre, ces phases n’auraient eu aucune raison d’exister et la taille apparente de Vénus n’aurait eu aucune raison de changer.

Les travaux en astronomie de Nicolas Copernic, Johannes Kepler et Galilée ont ouvert la voie à une nouvelle façon de considérer la science. L’observation, l’expérience et le raisonnement scientifique ont supplanté les préjugés et les croyances jusque-là en usage. Dès cette période, on introduit les mathématiques de manière systématique comme langage.

B. VALIDITE D’UNE LOI Un contre exemple dans la nature ⇒ la loi n'est plus valable Ex: certains mouvements de planète du système solaire infirmaient le modèle géocentrique comme le mouvement rétrograde de Mars (d’où le modèle héliocentrique c.f image)

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C. QUELQUES BRANCHES DE LA PHYSIQUE L’approche moderne consiste en une description des phénomènes en considérant les éléments les plus petits, constitutifs de la matière (particules élémentaires, noyaux, atomes du grec « atomos » : insécable, molécules). On cherche les lois fondamentales qui régissent les interactions entre ces éléments (mécanique quantique). Ce domaine n’est plus perceptible par nos sens. C’est là qu’intervient la puissance de l’instrument de mesure (microscope à effet tunnel, accélérateurs de particules LHC - CERN). L’astrophysique Cette branche explore l’Univers, en considérant les phénomènes liés à l’existence des étoiles, des galaxies, des trous noirs, des quasars, des pulsars ou des supernovas. Elle applique les principes tels que ceux de la relativité et de la mécanique quantique aux objets situés dans notre système solaire et au-delà. L’optique Il s’agit de décrire le comportement de la lumière Ex: laser, arc-en-ciel, miroir, lentille, microscope, télescope, œil, , ondes,… La mécanique Etude des mouvements Ex: trajectoires des planètes, des exoplanètes, chute d’un corps, force centrifuge, gyroscope, effet Coriolis, relativité d’Einstein, GPS, mécanique quantique,… La thermodynamique Evolution d’un système sous l’effet de la température, transport de chaleur Ex: fonctionnement d’une locomotive à vapeur, d’un moteur, d’un réfrigérateur, zéro absolu, supraconductivité, superfluidité, effet fontaine,… L’électricité et le magnétisme Tout phénomène lié à la présence ou au transport de charges électriques

Ex: radio, TV, smartphone, moteur électrique, aimant, panneau solaire … La physique des particules, atomique et nucléaire Elle observe les plus petites choses de l’Univers, atomes et particules subatomiques. C’est l’un des champs scientifiques les plus en vogue à l’heure actuelle ; les physiciens des particules utilisent à la fois la théorie et l’expérience pour explorer les secrets de la matière. Ils cherchent ainsi à répondre aux questions sur l’origine de l’Univers (Big Bang) et sur les constituants élémentaires de la matière (leptons, quarks, bosons… de Higgs découvert en 2012). La physique nucléaire révèle le potentiel énergétique caché du noyau atomique. La physique nucléaire a donné naissance aux armes et aux centrales nucléaires, mais elle a aussi conduit à de nombreuses avancées dans le domaine médical (IRM), dans l’ingénierie et même dans l’exploration de notre histoire (avec les techniques de datation radiométrique telles que le carbone 14). Ex: Accélérateur LHC au CERN, laser, transistors, radioactivité, cellules solaires,…

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D. ORDRE DE GRANDEUR Masse [kg] Notre univers Notre galaxie Soleil Terre Lune 1 kg Molécule d’ADN Atome d’uranium Proton Electron Longueur [m] Galaxie lointaine Rayon Voie Lactée 1 année lumière Système solaire Rayon Terre Everest 1 mètre Globule rouge Molécule Atome hydrogène Noyau d’uranium Particule élémentaire Temps [s] Temps de vie d’un proton Age de la terre Age de la vie sur terre Age de l’homme 1 jour Période de révolution d’un électron

Température [°K] Fusion nucléaire Fusion des métaux Température ambiante Hélium liquide ution d’un électron

E. DIMENSION ET UNITES Grandeur physique = nombre dans une certaine unité Système d’unités internationales (SI) Grandeur     Unité     Abréviation  

 Longueur  L   Mètre   [m]  Masse  m   Kilogramme   [kg]  Temps  t   Seconde   [s]  Vitesse  v   1  m/  1s   [m/s]  Température  T   Kelvin   ou   (Celsius   ou  

Fahrenheit)  [K]  ou  ([C]  ou  [F])  

Force  F   Newton  =  kg  .m  /  s2     [N]  Courant  électrique  I   Ampère   [A]  Energie  E   Joule  =  kg  .  m2  /  s2   [J]   Le mètre est défini par : 1.- la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1 / 299'792’458 de seconde (1983). 2.- 1'650’763,73 longueurs d’onde d’une radiation orangée d’un isotope du Krypton (masse atomique : 86) (1960).

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La masse est définie par la masse de platine iridié du prototype international déposé au bureau international des poids et mesures de Sèvre près de Paris (1889). La seconde est définie par : 1.- par la 86’400e partie du jour solaire moyen. La vitesse de rotation de la Terre ayant progressivement diminué, la valeur choisie pour le solaire moyen est celle de l’année 1900. Il s’agit d’un étalon difficilement reproductible ! 2.- la durée de 9’192’631’770 vibrations de la radiation correspondant à la transition entre 2 niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 (1967). Plus précisément, une seconde équivaut à 9’192’631'770 vibrations de cette radiation. Pour la première fois dans l’histoire de la mesure du temps, la définition est basée sur un phénomène physique et non plus sur le mouvement des astres. Règle Dans toute équation entre grandeur physique, le membre de gauche doit avoir les mêmes dimensions que le membre de droite. Les 2 membres s’expriment dans les mêmes unités. Ex : d = v . t Chemin parcouru = vitesse . temps [m] = [m / s] . [s] [m] = [m] La notation en puissances de 10 (notation scientifique) Imaginons que l’on vous demande de comparer le rayon d’un atome (0,000 000 000 2 [m]) à celui d’un noyau atomique (0,000 000 000 000 005 [m]). Il est évident qu’écrits de cette façon, ces nombres ne sont pas faciles à manier. Les nombres très grands ou très petits doivent être exprimés en puissances de dix. Dans cette notation, on écrit 2.10-10 [m] pour le rayon de l’atome et 5.10-15 [m] pour celui du noyau. Le rapport de leur rayon vaut alors :

Il est souvent utile de désigner les puissances de dix par des préfixes ajoutés à l’unité.

Par exemple, k désigne kilo qui signifie mille (103), et 2,36 [km] vaut donc 2,36.103 [m]. De même, m désigne milli qui signifie millième, de sorte que 6.4 [ms] = 6,4 .10-3 [s].

Les chiffres significatifs On dit que 15,6 [m] a 3 chiffres significatifs, même si le dernier chiffre (6) n’est peut-être pas certain. Le résultat 15,624 a 5 chiffres significatifs, et 4 est incertain. Notons que les zéros à droite qui déterminent un nombre entier ne sont pas nécessairement significatifs : Ex : si quelqu’un affirme que 12000 spectateurs assistent à une partie de hockey, on ne considère pas habituellement que tous les zéros sont significatifs : il peut bien y avoir 12234 spectateurs. Dans ce cas, on écrira : 1,2.104 spectateurs (2 chiffres significatifs). Pour éviter d’écrire les résultats d’un calcul avec une précision incorrecte, on peut utiliser la règle suivante : dans le cas des produits et des quotients, le résultat final doit avoir le même nombre de chiffres significatifs que celui des facteurs qui a le moins de chiffres significatifs. Ex :

Même si l’on garde des chiffres superflus dans les étapes intermédiaires du calcul, on ne fait figurer dans le résultat final que les 2 chiffres significatifs de 2,6.

4515

10

1041052

][105][102

⋅=⋅=⋅

⋅−

mm 36,479 2,6 (6,387) 6,4

14,85⋅

= =

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Dans les additions et les soustractions, on ne gardera que le nombre de décimales de la valeur qui en a le moins. Ainsi, 17,524 + 2,4 – 3,56 = (16,364) = 16,4. Lorsque le nombre est exprimé en notation scientifique, les chiffres significatifs sont les chiffres de la mantisse. Généralement, 3 chiffres significatifs est une règle communément acceptée. Exercices 1.- La masse volumique de l’eau est égale à 1g/cm3. Que vaut-elle en unités fondamentales SI ? 2.- Exprime les nombres suivants en utilisant la notation en puissance de dix : a) 1,002/4,0 b) (8,00.106)-1/3 c) 0,000 763 00 3.- Transforme les valeurs suivantes en notation scientifique : a) la distance Terre - Soleil, 149 500 000 000 [m] b) la longueur d’onde de la raie jaune du sodium, 0,000 000 589 3 [m] 4.- Précise le nombre de chiffres significatifs dans chacune des valeurs suivantes : a) 23,001 [s] b) 0,5 . 10-2 [m] c) 0,00203 [kg] 5.- Exprime les valeurs suivantes en unités sans préfixes : a) 6,5 [ns] b) 12,8 [µm] c) 20'000 [MW] d) 0,3 [mA] 6.- Sachant que π = 3,141 59, trouve l’aire d’une sphère de rayon 0,46 m 7.- A quelle vitesse une personne située à l’équateur se déplace-t-elle par rapport au pôle Nord en raison de la rotation de la Terre ?

Illustrations : 1.- Eclipse 2.- Les 4 saisons 3.- Croissant de Lune 4.- Les phases de la Lune 5.- Année bissextile 6.- Carte céleste hémisphère nord 7.- Mouvement rétrograde héliocentrique (Copernic) 8.- Mouvement rétrograde géocentrique (Ptolémée) 9.- Soleil-Terre-Lune 10.- Système solaire 11.- L’Univers 12.- La Comète de Halley 13.- Constellations du Zodiaque 14.- Théorie des épicycles 15.- Atmosphère 16.- Les phases de la Lune