Fizik L1 [PDF]

Zitiervorschau

Lycée 1

PHYSİQUE

2015 – 2016

Lycée 1

physique

CHAPITRE I LA NATURE DE LA PHYSIQUE

1

Lycée 1

physique

CHAPITRE I

LA NATURE DE LA PHYSİQUE I) QU’ EST-CE QUE LA PHYSIQUE ?

1 définition La physique est l'étude scientifique de la matière et de l'énergie et comment elles interagissent les unes avec les autres. La physique traite principalement la partie non-vivante de la nature.. La physique forme la base de la plupart de la technologie présente et future. . Les physiciens aiment poser des questions. Ils essayent de trouver des réponses pour presque tous les phénomenes;

La personne qui étudie les domaines de la physique s'appelle un physicien. Les physiciens étudient des objets aussi petits que des atomes et aussi grands que des galaxies. Ils étudient les natures de la matière, l’énergie et comment elles sont reliées entre elles.

2. Les branches de la physique La physique est un domaine d'étude divers et afin de la comprendre , des scientifiques ont été forcés de concentrer leur attention sur un ou deux domaines plus petit de la discipline. La physique couvre tellement de domaine, qu’elle est divisée en plusieurs champs spécifiques d'étude. ●

Acoustique (son et l'audition)

●

Electricité et magnétisme

●

Mécanique

Nucléaire et la physique moderne (quantique, nucléaire, Astronomie, la relativité et de la matière condensée) ●

● ●

Optique (Lumière et Vision) Thermodynamique.

2

Lycée 1

physique

3. La Physique et d'autres secteurs scientifiques La physique peut être considérée comme la plus fondamentale des sciences. Plusieurs parties de la biologie, de la chimie, de la géologie et de la technologie emploient la physique.

4. La méthode scientifique La méthode scientifique a été premièrement présentée par Galilée. Toutes les branches de la science devraient employer la méthode scientifique pour avoir ainsi une solution à un problème. La première étape de la méthode scientifique est d'avoir un problème. Une fois que le problème est énoncé, le scientifique commence à observer. Des théories scientifique sont principalement examinées a partir de l'observation et acceptées, rejetées, ou sont modifiées principalement en raison des données de l'observation. Il y a deux types de base d'observation : quantitative et qualitative. a) L'observation qualitative Les observations qualitatives sont celles qui sont faites en employant nos cinq sens. Quand quelqu'un dit que « l'eau dans la bouilloire est chaude » la personne dit ce rapport selon son observation à partir de la vapeur sortant ou en touchant l'extérieur du recipient. Dans des observations qualitatives le but est une description complète et détaillée. Le chercheur peut seulement savoir approximativement à l'avance ce que il recherche. Le chercheur est l'instrument recueillant les données. b) L'observation quantitative Les observations quantitatives sont celles qui sont faites en utilisant un instrument de mesure. Quand quelqu'un dit que « l'eau dans la bouilloire est à 80°C », il le dit selon sa mesure faite en utilisant un thermomètre. Le chercheur utilise des outils, tels que les questionnaires ou l'équipement pour rassembler des données numériques. Les données sont sous forme de nombres et de statistiques et elles sont objectives. Les données quantitatives sont plus efficaces, et sont capable d’évaluer des hypothèses, mais peuvent manquer quelques détails. 

3

Lycée 1

physique

Tandis que le scientifique fait des observations, il « rassemble des données » également. Une fois que les données sont rassemblées il est temps d’émettre une « hypothèse ». L’ hypothèse Une hypothèse est une tentative d’énoncé qui propose une explication possible à un certain phénomène ou événement. Une bonne hypothèse est un rapport que l’on peut verifier et qui peut permettre une prévision. L’ expérience La prochaine étape vérifie l'hypothèse en exécutant une expérience avec les variables appropriées. Il y a trois genres de variables qui sont nécessaires a être identifiées dans une expérience : indépendante, dépendante, et commandée. -La variable indépendante est la variable qui est manœuvrée (changée) exprès. - La variable dépendante est la variable qui est observée, et qui change suivant la variable indépendante. - Les variables qui ne sont pas changées s'appellent les variables commandées. Les données rassemblées pendant l’expérience devraient être enregistrées et organisées pour avoir un rapport de conclusion. La conclusion La conclusion de projet est un résumé des résultats de l'expérimentation et un rapport de la façon dont les résultats se relient à l'hypothèse. Les raisons pour lesquelles des résultats expérimentaux sont contraires au hypothèses sont incluses. La conclusion peut se terminer en donnant des indications pour les prochains essais.

4

Lycée 1

physique



5

Lycée 1

physique

II/ GRANDEURS PHYSIQUES ET UNITES 1) Les quantités de base et dérivées et leurs unités dans la physique Une quantité physique est une propriété physique caractérisant un certain aspect de la nature qui peut être mesuré ou calculé. Temps, la température, vitesse, énergie sont juste quelques exemples des quantités physiques. Des quantités physiques sont habituellement exprimées par des symboles. Ils ont un nombre-qui montre la grandeur. Les unités d'une valeur énoncent la norme à laquelle le nombre sera comparé. « Le SYSTÈME INTERNATIONAL DES UNITÉS », SI en abrégé, définit sept (7) quantités de base. Six d'entre elles sont employés dans la physique et la septième est employée dans la chimie. Ces quantités sont considérées pour être les bases de la physique. La physique exprime tout dans l'univers à partir de ces quantités de base. a) Unités de base A ce jour, le Système International d’unités, le SI, est constitué de sept unités de base (entre parenthèse le symbole qui la représente de façon unique) :

Il y a sept unités de base du SI : Grandeur de base

Unité SI de base

Nom

Symbole Nom

Symbol e

longueur

l

mètre

m

masse

m

kilogramme

kg

temps, durée

t

seconde

s

courant électrique

I, i

ampère

A

température thermodynamique

T

kelvin

K

quantité de matière

n

mole

mol

intensité lumineuse

Iv

candela

cd

b) Les unités dérivées Les unités dérivées sont nombreuses et viennent compléter les unités de base. Elles peuvent avoir des noms spéciaux (hertz, pascal, becquerel, ...) mais peuvent toujours être exprimées à partir des unités de base..

6

Lycée 1

physique

Il est aussi à noter que ces unités sont reliées entre elles pour former un système cohérent. Enfin, chaque grandeur peut avoir à couvrir une vaste étendue de valeurs. Pour éviter d'avoir à utiliser des facteurs multiplicatifs ou des valeurs avec un grand nombre de zéros, on a recourt à des préfixes.. Quelques exemples d'unités dérivées: Grandeur

Unité

la différence de potentiel, U :

volt (V = W/A)

la capacité électrique, C :

farad (F = C/V)

la résistance électrique, R :

ohm (Ω = V/A)

l'inductance, L :

henri (H = Wb/A)

la quantité électrique, Q :

coulomb (C = A.s)

la puissance, P :

watt (W = J/s)

l'énergie, W :

joule (J = N.m)

l'induction magnétique, B :

tesla (T = Wb/m2)

le champ électrique, E :

volt par mètre (V/m)

le champ magnétique, H :

ampère par mètre (A/m)

la conductance électrique, G :

siemens (S = A/V)

la masse volumique : ρ

kg.m-3

le volume : V

m-3

la force : F

newton (N)

le couple : M

N.m

la pression : p

pascal (Pa)

la fréquence : υ

hertz (Hz)

la vitesse de rotation

(tr/min)

7

Lycée 1

physique

Les préfixes du SI Facteur

Préfixe

Symbole

1012

téra

T

109

giga

G

106

mega

M

103

kilo

k

102

hecto

h

101

déca

da

10-1

déci

d

10-2

centi

c

10-3

milli

m

10-6

micro

µ

10-9

nano

n

10-12

pico

p

8

Lycée 1

Physique III ) LES MESURES

Quand les physiciens travaillent sur des quantités physiques, ils font des expériences. Dans leurs expériences ils font des mesures pour rassembler des données. Ils doivent utiliser les appareils de mesure appropriés.. Il y a deux types de mesure : Direct et indirect. 1. La mesure directe La mesure directe consiste à mesurer exactement la chose que vous cherchez à déterminer. Vous comparez les quantités de la même dimension. Vous utilisez l'appareil de nécessaire dans votre mesure, telle qu'employer un bâton de mètre pour la longueur, une balance pour la mesure de masse , un chronomètre pour le temps, etc.….

2. La mesure indirecte La mesure indirecte signifie que vous mesurez quelque chose en mesurant autre chose. vous comparez des quantités entièrement différentes ou faites des calculs pour avoir votre résultat, tel que mesurer la distance couverte dans un intervalle de temps pour trouver la vitesse d'un objet mobile, etc.….

IV) CLASSIFICATION DES GRANDEURS PHYSIQUES La plupart des quantités physiques produites dans la physique sont des quantités de grandeur scalaire ou vectorielle 1) La quantité scalaire Une quantité scalaire est définie comme une quantité qui a seulement la grandeur. Une quantité scalaire n'a aucun composant directionnel, seulement la grandeur. Par exemple, les unités de temps (minutes, jours, heures, etc.) représentent une quantité de temps seulement et n'indiquent rien de la direction. Les exemples typiques des quantités scalaires sont temps, température, volume, densité, masse, énergie et etc. m = 1 kilogramme t = 24 seconde V = 220 volts par exemple 2) La quantité vectorielle Elle est définie comme une quantité qui a une grandeur et une direction. Ces quantités sont représentées par une flèche appelée un vecteur. Un vecteur a une grandeur et une

9

Lycée 1

Physique

direction. La direction indique comment le vecteur est orienté relativement à un certain axe de référence.

Des exemples de quantités vectorielles sont : déplacement, vitesse, accélération, force, poids etc. Par exemple : Une voiture se deplace vers l'Est à 50 km/h => Direction= Est Nombre =50 Unité : km/h: Un objet pèse 600N => Direction : En bas

Nombre : 600

Unité : N

Les quantités vectorielles ont deux caractéristiques, une grandeur et une direction. Les quantités scalaires ont seulement une grandeur. En comparant deux quantités de vecteur de. le même type, vous devez comparer la grandeur et la direction. Pour des grandeurs scalaires, vous devez seulement comparer la grandeur.

EXERCICE DE PHYSIQUE - CHAPITRE 1 A- Complète avec : Qualitative, physique, physiciens, conclusion , indirect, données, voltmètre, hypothèse, dépendant, thermomètre, vecteur, météorologie, galileo galilei, de base, indépendant, incertain, scalaire, chaleur, optique, quantitative, dérivée, direct, systématique, radioactivité, géologie.

1) La différence de potentiel est mesurée par………………… 2) La masse est une grandeur………………. 3) La science qui étudie la matière et l’énergie est appelée…………….

10

Lycée 1

Physique

4) L’application de la physique qui étudie la terre est appelée………….. 5) La méthode scientifique a été appliquée la 1ère fois par………………..

6) La branche de la physique qui étudie le comportement de la lumière dans différents support à travers des corps transparents, s’appelle……………. 7) Nous utilisons nos sens pour une observation……………………………. 8) Une tentative d’explication possible d’un phénomène ou d’un événement est appelée…………………. 9) Les grandeurs telles l’énergie, la puissance, l’accélération, la vitesse sont des grandeurs…………………….et elles sont la combinaison de grandeurs…………….telles la longueur, le temps, la masse. 10) Mesurer la fièvre d’un patient avec un ………………………..… est un exemple de mesure……………………………

11) Les grandeurs qui ont une direction sont des grandeurs…………………… 12) Nous devons mesurer le déplacement et le temps pour avoir la vitesse d’une voiture. Ce type de mesure s’appelle mesure………………………….. 13) L’étude des phénomènes atmosphériques s’appelle………………………..

B/ Dire si les phrases suivantes sont vraies ou fausses. Puis corriger les phrases fausses.

a) La physique est l’étude environnement……….

sociale

sur

la

relation

entre

l’homme

et

son

b) La masse est une grandeur vectorielle et est dirigée vers le centre de la terre. ………

11

Lycée 1

Physique

c) La branche de la physique qui étudie les propriétés magnétiques de la matière est appelée magnétisme. -------------d) Les observations qualitatives dépendent de nos sens.------------e) Einstein fut la première personne à introduire la méthode scientifique. ------------f) Dans la mesure de la vitesse d’un objet, le temps est la variable indépendante, tandis que le déplacement est la variable dépendante._ _ _ _ _ _ g) La calorie est l’unité SI de l’énergie._ _ _ _ _ _ _ _ h) Le travail, la puissance et l’énergie sont des exemples de grandeur de base. _ _ _ _ _ i) On peut mesurer la hauteur d’un building avec un voltmètre. _ _ _ _ _ _ _

j) S’il y a une erreur dans la mesure. La cause est toujours liée à l’expérimentateur. __ _ k) Les grandeurs vectorielles ont une direction. _ _ _ _ _ _ _ _ _ l) Les grandeurs vectorielles sont représentées par les lignes brisées. _ _ _ _ _ _ _ _ C- Ecrire les évènements ou objets ci dessous dans la branche de la physique correspondante 1. Un réfrigérateur refroidit les objets qui s’y trouvent à l’intérieur. 2. Utilisation du microscope pour voir les cellules des plantes. 3. Les poulies servent à soulever les lourdes charges. 4. Les lampes fluorescentes produisent de la lumière et on utilise une boussole pour trouver notre direction. 5. Une infirmière mesure la fièvre d’un patient avec le thermomètre. 6. Une balle de billard en mouvement entre en collision avec une autre balle et cause son mouvement. 7. Une centrale nucléaire utilise l’uranium comme combustible. 8. Regarder une fourmi à travers de magnifiques lunettes. 9. Utiliser un aimant pour rassembler des aiguilles dispersées.

12

Lycée 1

Physique

10. La musique parvient à mes oreilles. 11. L’énergie est produite sur le soleil par des atomes d’hydrogène. Branche

Événement ou objet

Mécanique Electricité Magnétisme Optique Les ondes Thermodynamique Physique nucléaire

D/ Ci-dessous se trouve une liste d’observation qualitative et quantitative. Mettre une croix dans la bonne colonne pour chaque observation.

Observations

qualitative

quantitative

Le temps est nuageux aujourd’hui La police dit que je conduisais à 130 km/h La soupe est très chaude Je ne peux pas voir nettement les objets éloignés L’enfant fait une fièvre de 39°C Le vent souffle avec une vitesse de 20 m/s Le téléphone a sonné 5 fois J’ai apporté 2 kg de pommes hier Cette soupe au piment est piquante Il y a 20 minutes avant la fin de cette leçon Il fait très froid dehors

13

Lycée 1

Physique

Nous avons besoin de 20 mn de tissus

14

Lycée 1

Physique

E/ Compléter les grandeurs suivantes avec leur unité. Dire si ce sont des grandeurs de base ou dérivée. Grandeur

Uni té

1. pression

a. ampère

1 &

2. puissance

b. seconde

2 &

3. longueur

c. kelvin

3 &

4. résistance

d. watt

4. &

5. résistance électrique

e. volt

5. &

6. accélération

f. coulomb

6. &

7. temps

g. kg/m3

7. &

8. masse

h. Newton

8. &

9. charge électrique

i. Candela

9. &

10. courant électrique

j. joule

10. &

11. tension électrique

k. kilogramme

11. &

12. énergie

l. Pascal

12. &

13. température

m. mètre

13. &

14. intensité lumineuse

n. m/s2

14. &

15. densité (masse volumique)

o. ohm

15. &

R e l a t i o n

De base / dérivé e

15

Lycée 1

Physique

CHAPITRE 2 LA MATIERE ET SES PROPRIETES

16

Lycée 1

Physique

CHAPITRE II : LA MATIERE ET SES PROPRIETES

I- LA MATIÈRE ET SES DIFFÉRENTS ÉTATS 1/ Qu’est ce que la matière ? La matière est tout ce qui se trouve autour de nous et dans l’espace. Il existe un nombre infini de sortes de matière, il convient de les classer selon leurs propriétés communes. En les observant d’un point de vue générale, il est possible de les diviser en 4 groupes : 1- les solides 2- les liquides 3- les gaz 4- le plasma Mais comme la connaissance des sciences s’accroît dans le temps, les observations peuvent se développer, les connaissances antérieures peuvent être annulées ou modifiées, il sera possible de faire des changements dans le classement de la matière. Les connaissances en physique étant toujours limitées, on peut accepter aussi la présence d’autres états de la matière dont on ignore encore l’existence. Les observations et les expériences récentes démontrent la présence d’un 4ème état nommé « plasma ».

2- Les états de la matière a- L’état solide C’est un état dont les molécules s’attirent avec une très grande force et qui vibrent à leur place. Par conséquent, ces molécules ne se déplacent pas à l’intérieur de leur volume qui leur est consacré. Donc les solides ne sont pas coulant (fluide). Leur masse, leur volume et leur forme sont invariables. L’espace vide entre les molécules est minimal, on peut dire qu’elle n’existe pas. Sauf quelques exceptions.

b- L’état liquide 17

Lycée 1

Physique

Les forces d’attraction entre les molécules n’étant pas si grande comme celles qui existent dans les solides, les molécules vibrent et peuvent se déplacer un peu, c’est pourquoi on peut dire qu’ils sont coulants (fluide). Il y a des espaces vides très petits entre leur molécules. Ils sont incompressibles, ils sont indifférents à l’action d’un aimant. Ils ont un volume propre mais pas de forme précise. Ils prennent la forme des récipients qui les contiennent. c- L’état gazeux Les forces d’attraction entre les molécules sont très petites. D’où les molécules font des mouvements indépendamment. Ils sont coulant (fluide). Ils ont une masse précise mais ils n’ont pas de volume et de forme propre. Il existe beaucoup d’espace entre les molécules. Donc ils sont compressibles. Si on leur fait subit une force pressante, leur volume diminue.

d- L’état plasmique C’est un état qui n’est rencontré fréquemment. On peut exprimer que le plasma est le gaz ionisé. « Etre ionisé », c’est prendre des électrons ou céder des électrons. Les gaz, à des hautes températures ou soumis à des grandes pressions, perdent leurs électrons. Ainsi le plasma est un ensemble de particules chargées d’électrons libres négatives et de noyaux positives. Mais l’ensemble est électriquement neutre. Mais il est un bon conducteur électrique. Puisque le plasma est obtenu avec des grandes pressions, on pense que le plasma existe dans les planètes comme Jupiter, dans lesquelles il y a une grande pression. Si non, on ne peut pas arriver à une pression si grande dans les conditions de laboratoires de notre jour.

Selon la quantité de molécules de gaz ionisés, il existe deux sortes de plasma. Dans la première, le pourcentage d’ionisation est très élevé car l’ionisation se passe à des températures très hautes (des millions de °C). La deuxième sorte de plasma est obtenue à des températures entre 2000 et 10000°C. Ainsi le pourcentage d’ionisation est 50% (la moitié du gaz est ionisé).

18

Lycée 1

Physique

On peut observer l’état plasmique dans les étoiles, dans l’espace entre les étoiles et les planètes et même dans l’atmosphère se trouvant autour des planètes. On dit que 96% de l’Univers est à l’état plasmique.

Le plasma est utilisé dans l’industrie. Il est obtenu dans des fours à hautes températures (entre 1200-1700°C). Il est utilisé pour couper les métaux, le nettoyage des surfaces, le galvanisation des surfaces métalliques et céramique. Surtout les lunettes, les verres et les appareils d’optique. il est utilisé aussi dans l’illumination (les lampes fluorescentes) et dans les ordinateurs, les appareils électroniques et dans les bandes de voix et de vue. Et finalement, il est utilisé dans la stérilisation des produits alimentaires. Autour de notre Terre, la couche appelée « ionisphère » est en état plasmique.

* Propriétés commune à toute la matière : 1ère activité : remplir les cases vides du tableau Nom de la

Couleur

Masse

Volume

Forme

Odeur

Goût

coulant

Matière Bonbon (sucre)

+

+

+

+

Eau de Cologne

+

+

+

-

Air

-

+

+

+

+

Pain Lait 

D’après le tableau, quelles sont les propriétés commune de ces matières ?



Est-ce que ces propriétés communes sont valables pour toute la matière de la nature ? Y-a-t-il des matières qui ne possèdent pas ces propriétés ?

19

Lycée 1

Physique

3. Les propriétés de la matière On examine la matière par ses propriétés physiques et chimiques. Puis on rassemble ces propriétés par celles qui sont communes et distinctives. En comparant deux matières, les conditions d’ambiance doivent être les mêmes. a)Les propriétés communes Les propriétés communes de la matière ne servent pas à voir la différence entre ces deux matières mais les propriétés distinctives font voir cette différence. La masse, le volume sont parmi les propriétés communes. Toute sorte de matière peut avoir la même masse et le même volume. En sachant la masse et le volume, nous ne pourrons pas faire une différence entre deux matières. Trois blocs de verre, de bois ou d’acier peuvent avoir le même volume ou la même masse, pourtant ils sont faites de 3 matières différentes.

b) Les propriétés distinctives On appelle « propriétés distinctives » de la matière, celles qui restent fidèle à la matière même si on modifie sa quantité ou ses dimensions. Exemple, la couleur, l’odeur, le goût, la dureté, l’élasticité, etc. Ces propriétés dont on cite, sont celles que l’on peut examiner à l’aide de nos organes de sens. L’eau issue d’une même source, possède la même couleur, la même odeur et le même goût.

Il existe plusieurs propriétés distinctives. L’odeur, le goût, la couleur sont parfois insuffisantes pour saisir la différence. Chaque matière réagit différemment à certaines phénomènes comme à la chaleur, au courant électrique ou à la poussée exercée par les fluides.

La propriétés propre à la matière, qui n’appartient pas à une autre matière, est appelée « propriété distinctive ». Les plus connues sont : la masse volumique (la densité), la conductivité électrique, la conductivité thermique, la dilatation, les températures de fusion, d’ébullition, la chaleur spécifique etc.

Deux matières dont une des propriétés citées ci-dessus se manifestant autrement, sont dites deux matières différentes.

20

Lycée 1

Physique

Vérifions nos connaissances 1- Une bille en fer est battue pour en faire devenir une monnaie. Lesquelles de ces quantités sont elles changées ? I-

Sa masse

II-

Ses dimensions

III-

Son volume

Réponse : II (seule la forme du fer peut changer)

2- On peut attendre un verre d’eau pure, à la température constante pour une longue durée de temps. Quelles sont les qualités qui peuvent être changées ? I-

Son goût

II-

La hauteur d’eau dans le verre

III-

Sa masse

Réponse II et III (car l’eau peut s’évaporer, sa masse et son volume diminueront mais son goût est sa propriété distinctive, elle ne changera pas)

3- Un enfant veut savoir si deux corps solides sont faits de même matière. I-

Il mesure leur masse

II-

Il les jette dans un récipient plein d’eau

III-

Il mesure leur température à laquelle ils commence à se fondre

Quelle est l’opération qui ne servira point à aboutir son but. Réponse : I (car la masse est la propriété commune de la matière. Deux corps différents peuvent avoir la même masse)

21

Lycée 1

Physique

4- On exerce une force pressante sur un ballon rempli d’eau afin de ne pas faire l’éclater. quelles sont les quantités variées lors de cette action ? I-

Sa masse

II-

Ses dimensions

III-

Son volume

Réponse : II (la forme du ballon peut changer seulement) II ETUDE DES PROPRIÉTÉS COMMUNES DE LA MATIÈRE : LA MASSE ET LE VOLUME 1) Introduction La quantité de matière est appelée la masse. Elle dépend du nombre de proton, de neutron des atomes. A part les réactions chimiques, la masse est une grandeur qui reste constante à toute pression ou température. La masse est une grandeur scalaire. Son unité est le kilogramme et elle est mesurée avec une balance. La notion de masse prouve que la matière occupe une place dans l’espace. la place occupée dans l’espace prend le nom de « volume ». La pression ne change pas le volume des liquides et des solides. Elle peut seulement changer leur forme. Mais la variation de température peut provoquer un changement de volume. Le volume d’un gaz est égale au volume du récipient qui le contient. Le volume est aussi une grandeur scalaire. Il est représenté par V et son unité est le mètre-cube (m3)

Tant qu’un liquide ou un solide se trouve dans un récipient, une autre matière ne peut pas prendre de la place dans le même récipient. C’est pourquoi un objet solide, jeté dans un liquide, remplace une quantité de liquide égale à son volume, ainsi le liquide déborde.

Pourtant, si un ballon contient un gaz, on peut y ajouter un 2 ème gaz, ils auront le volume total égal toujours au volume du ballon.

22

Lycée 1

Physique

2. Comment mesurer le volume d’un corps solide ? Les corps solides sont divisés en deux selon leur aspect externe. 1- les solides qui ont une forme géométrique 2- les solides qui on une forme quelconque Ainsi le volume d’un corps peut être calculé ou être mesuré. On calcule le volume d’un corps dont la forme est géométrique. On donne les formules de volume suivant la forme géométrique : cylindre: Volume : R²h Aire latérale : 2 Rh sphère: Aire : 4 R²

Volume : 4/3

R³

cube: Volume : c³ Surface : 6c²

cône: Volume : ( R²h)/3

parallelepipède rectangle

volume = axbxc pyramide: Volume : (A×h)/3

Pour les corps dont la forme n’est pas simple ou géométrique, la recherche du volume sera faite à l’aide d’une éprouvette graduée ou d’un vase débordeur. 23

Lycée 1

Physique

Pour cela l’objet solide doit être complètement immergé dans le liquide. On constate une variation de niveau du liquide. La différence entre le volume final (V 2) et initial (V1) du liquide correspondant au volume d’objet solide.

V1 = ________ ___

V2 = ________ ___

Vsolide = V2 – V1 = _____ - _____ = ________ ___

1)

Un corps Y de masse 120g, fait allourdir un récipient plein de liquide de 100g. En déduire la masse du liquide débordé.

Réponse : M liq.débordé = 20g

2)

Un coté d’un cube mesure 3cm.

a)

Calculer son volume

b)

Combien de cubes de 3cm peut-on introduire dans ce cube ? Réponse :

a) V=27cm3 b) n=9

24

Lycée 1 1)

Physique

On construit un cylindre de rayon r , a partir d’une sphère de rayon r. De combien sera sa hauteur ? (en fonction de r) Réponse : h= 4/3 r

2) Une éprouvette cylindrique de rayon 20cm et de hauteur 50cm contient de l’eau. Si on introduit un cône de même rayon et de même hauteur que l’éprouvette, combien de litres d’eau restera dans l’éprouvette ? Réponse : V= 40litres

On remplit le récipient avec de l'eau de manière qu'il reste 40cm3 de vide. Un objet Y de volume 120cm3 est jeté dans l'eau

6)

Quel est le volume d'eau débordée?

Y

Rép. : V eau débordée = 80cm3 7) Une éprouvette graduée contient du sable jusqu'à la moitié. Pourquoi peut-on verser de l'eau plus que la moitié de son volume?

Rép. : Entre les grains de sable, il y a de l'espace vide rempli d'air. C'est pourquoi l'eau pénètre aussi à l'intérieur du sable.

ACTIVITE 4 A) vrai ou faux: ----Le groupement de la matière et des événements est une des méthodes scientifiques; et cette méthode est appelée « classification ». 1. ---- On appelle « matière » tout ce qui a des dimensions et tout ce qu'on saisit directement ou indirectement par les organes de sens. 25

Lycée 1

Physique

2. ---- L'état solide de la matière est l'état pour lequel les molécules s'attirent fortement, se vibrent et en même temps elles font des mouvements de translation (mouvement libre à l'intérieur de leur volume) 3. ---- Le plasma est l'état pour lequel les particules sont en intéraction continue.Il est bon conducteur de chaleur et de courant électrique. Il s'influence aussi de l'aimant. 4. ---- Pour la comparaison des matières, il faut des mêmes conditions. Ces conditions sont la pression et la température. 5. ---- Si deux matières ont certaines propriétés distinctives les mêmes, aux mesures dans les mêmes conditions, ces deux matières sont absolument les mêmes. 6.

----- La masse est une grandeur indépendante du nombre de protons et de neutrons.

7.

----- La pression ne peut pas changer le volume des liquides et des solides. B) Indiquer les prépositions correctes: LIQUIDE

COULEUR

MASSE

M.VOLUMIQUE

X

BLEU

M

ρ

Y

BLEU

2M

2ρ

Z

ROUGE

M

ρ

Que peut-on dire de ces trois liquides dont les mesures sont faite à la même température?

I.

Ils sont le même liquide

II.

X et Z peuvent etre le même. Y est un liquide différent.

III.

X et Y peuvent etre le même. Z est un liquide différent.

IV.

Y et Z peuvent etre le même. X est un liquide différent.

V.

Ils sont des liquides différents.

2- Un parmi les cinq n'est pas un état? Lequel? 26

Lycée 1

Physique

a) solide b) liquide

c) ion

d) plasma e) gaz

3- Qu'est-ce qui n'est pas à conseiller à une personne qui voudra savoir si deux liquides inodores et de même couleur, sont de même matière?

a) Gouter des deux liquides b) Comparer la poussée d'Archimèdes qu'exercent ces deux liquides c) Comparer les températures d'ébullition d) Comparer les volumes de meme masse e) Comparer les températures de fusion

4-Lesquels peuvent être comprimés?

Le solide

I)

II) Le liquide

III) Le gaz

IV) Le plasma

a) Seulement II b) Seulement III c) I et II d) II et III e) III et IV

5-Dans quel état, les particules de la matiere peuvent executer le mouvement de translation?

I-Solide

II-Liquide

III-Gaz

IV- Plasma

a) Seulement II b) Seulement III c)

I et II

d) I, II et III

27

Lycée 1

Physique

e) II, III et IV 6- Une éprouvette graduée contient un liquide jusqu'à la moitié on y jette un corps solide, insoluble dans ce liquide et qui ne fait pas déborder de liquide. Choisissez les énoncés correctes.

a) Le volume du liquide augmente mais sa hauteur ne change pas b) Le volume et la hauteur du liquide augmentent c) Le volume du liquide ne change pas , sa hauteur augmente d) Le volume du liquide diminue, sa hauteur augmente

7- Une bille suspendue au plafond d'un contenant qui a un volume V d'air et de l'eau de hauteur h. Si le fil est coupé, la bille gagne le fond, que peut-on dire de V et de h?

V (air)

Eau

h

h

V

a) augmente

augmente

b) augmente

Ne change pas

c) ne change pas

Augmente

d) augmente

Diminue

e) diminue

Augmente

8- Une boule d'air formée au fond d'un lac, augmente de volume en s'élevant a la surface a cause de la diminution de pression. A quoi est lié cet événement ? a) Les gaz ne sont pas influencés du champ magnétique b) Les molécules des gaz font des mouvements de translation

28

Lycée 1

Physique

c) Les gaz chauffés se dilatent d) Le volume des gaz est exactement égal au volume du contenant e) Les gaz sont compressibles

9- Qu'est-ce qui n'est pas le plasma? a) le soleil b) l'éclair c) la lave du volcan d) la lampe fluorescente e) la lampe de néon

11- Un vase dont la masse est 500g et le volume interne est 100 cm3. On y ajoute du sable sec jusqu’à sa moitié et la masse du vase augmente de 800g. on verse dessus de l’eau. mais à partir de 60 cm3, l’eau déborde.

En déduire le volume d’air entre les grains de sable. Quelle est la masse volumique du sable ?

Rép : 100 cm3 2g/cm3

12- Un récipient de 1000 cm3 de volume est rempli par des billes de masse volumique de 3 g/cm3. Sachant que la masse du récipient augmente de 2,7 kg, trouver l’espace vide (air) entre les billes. Rép : 100 cm3 13- Une éponge a une masse de 0,1 g et un volume de 100 cm 3. Elle absorbe jusqu’à 80 g d’eau. Calculer la masse volumique de l’éponge. 29

Lycée 1

Physique

rép : 5 10 –3 g/cm3 14/

Y

Un objet solide Y a une masse volumique égale à 8g/cm 3. Quand il est abandonné dans un liquide, la masse du récipient augmente de 50 g. Sachant que 30 g du liquide déborde, déterminer la masse volumique du liquide.

Rép : 3 g/cm3

15/ Une boule métallique pleine a un volume égal à 80 cm 3 s’est transformé en un cube vide. La masse volumique de la boule est 2 g/cm3 , celle du cube est 0,4 g/cm3. D’où, déterminer le volume de la partie vide (cavité) dans le cube.

Rép : 320 cm3

30

Lycée 1

Physique

III ETUDE DE LA SOLİDİTE ET DE LA TENSİON SUPERFİCİELLE 1. LA SOLIDITE : Si on varie les dimensions d’un objet, la surface de section (SS) , la surface superficielle (SSf) et le volume (V) de cet objet changent. Le rapport SS/V est appelé la solidité d’un objet. Quand on varie les dimensions d’un objet de même quantité, le poids (le volume i.e. la masse i.e. le poids ) de l’objet augmente plus que sa surface de section.

Les êtres vivants et leurs dimensions Les êtres vivants émettent de l’énergie proportionnellement avec leurs surfaces superficielles. Mais ils produisent de l’énergie proportionnellement avec leurs volumes. Ex : la souris → le rapport SSf/V est grand par rapport à un éléphant. Comme la perte d’énergie de la souris sera grande, son métabolisme doit être rapide (Les oreilles de l’éléphant (augmentant la SSf pour la perte facile de chaleur) lui permettent de réguler sa température corporelle) La perte de chaleur des etres vivants

≈ SSf (=L2)

La chaleur produite par le métabolisme ≈ V (=L3)

31

Lycée 1

Physique

2. Tension superficielle dans les liquides Tout d'abord, il est important de savoir que la tension superficielle est également appelée tension de surface ou énergie d'interface ou bien encore énergie de surface. -La tension superficielle ; c’est la tendance des liquides à réduire leur surface exposée ( SSf) à la plus petite surface possible.( La tension superficielle (aussi appelée énergie de surface) est due aux attractions inter-moléculaires. Cette tension est assez élevée dans le cas de l'eau.) La sphère est la forme de surface la plus petite possible.

-

C’est une force existant au niveau de toute interface entre deux milieux différents. En effet, les molécules préférant être entourées par leurs congénères –hemcins-, le système tend à minimiser la surface de contact entre les deux milieux.

Exemples (pour la tension. Superficielle) : 1) la forme sphérique des bulles de savon 2) la forme bombée de la surface d’un verre un peu trop rempli 3) la stabilité de la goutte de rosée à la surface d’une feuille 4) certains insectes qui marchent sur l’eau 5) un objet léger qui se maintient à la surface d’un liquide 6) les phénomènes de capillarité, etc

LES FIGURES : Ce phénomène explique par exemple la forme sphérique des bulles de savon, il s’agit de la surface minimale pour un volume de gaz donné. Un autre exemple : la forme bombée de la surface d’un verre un peu trop rempli. Sans cette force de tension superficielle, qui s’oppose à l’accroissement de la surface,l’eau déborderait… Et un dernier avec cette goutte de rosée à la surface d’une feuille. Trois milieux sont en présence : l’eau, l’air et la feuille. Au lieu de s’étaler sur 32

Lycée 1

Physique

la feuille, la goutte minimise sa surface de contact avec elle.

(C'est donc cette force, la tension superficielle, qui permet à la goutte d'eau de ne pas s'étaler sur une feuille, ou à certains insectes de marcher sur l'eau, ou bien encore qui permet cette forme bombée de l'eau dans un verre à ras bord avec la notion de capillarité.) Les molécules dans les liquides sont attirées également de tous les cotés (la résultante R=0), mais aux près de la surface subissent des attractions inégales et sont donc attirées vers le centre du liquide par cette nette force. La surface apparait alors agissant comme une membrane extrêmement mince.

33

Lycée 1

Physique

La résultante des forces s'exerçant sur les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide . Ce phénomène tend la surface.

Fig. 1 - Réunion de deux gouttes pour réduire l'énergie d'interface

REMARQUE : La forme et la grandeur de surface d’un liquide est fourni par le mouvement de ses molécules ; par la cohésion et par l’adhésion des molécules.

II) force de cohésion : c’est la force d’attraction entre les atomes et les molécules de la même matière III) force d’adhésion : c’est la force d’attraction entre les atomes et les molécules de deux matières différentes.

Exemple : Eau ↔ Eau

Eau ↔ Verre

COHESION

ADHESION

34

Lycée 1

Physique

La cohésion engendre –cause- la formation des gouttes d’eau, la tension superficielle cause les gouttes à être presque sphèrique, et l’adhésion garde les gouttes en place.

CONCLUSION : La tension superficielle est le résultat de la cohésion et la capillarité est le résultat de la combination de la cohésion et de l’adhésion. Une goutte d’eau par exemple, tend à prendre la forme d’une sphère. Le phénomène est attribuable à la cohésion ; les forces d’attraction agissant entre les molécules du liquide.

35

Lycée 1

Physique

Unité de mesure de la tension superficielle L'unité de mesure de la tension superficielle est le newton par mètre (N.m-1) qui est équivalent aux joules par mètre carré (J.m-2) qui est l'unité d'énergie de surface (ou dyne/cm). La tension superficielle est la force qu'il faut appliquer à un liquide pour provoquer l'extension de sa surface. On peut définir l'énergie d'interface comme un surplus d'énergie chimique lorsque les molécules de surface se trouvent à l'intérieur du liquide. REMARQUE : La tension superficielle diminue avec l’augmentation de température. Elle diminue aussi, quand on verse une certaine quantité de détergent dans l’eau.

Effet capillaire

La capillarité engendre –s l'effet bombé de l'eau dans un verre. Pour expliquer ce phénomène simplement, on peut dire que le verre exerce une attraction sur les molécules d'eau, et c'est pour cela que celles-ci montent et forme un ménisque –

L'eau est bombé vers le bas car l'eau remonte le long des parois. IVapplications 1.

36

Lycée 1

Physique

La capillarité, ensemble des phénomènes observés à la surface d'un liquide lorsqu'il est en contact avec un corps solide, tel que les parois d'un tube. Ce phénomène est notamment visible dans les tubes capillaires (du latin capillus, qui signifie « cheveu »), c'est-à-dire dans les tubes de très faible diamètre. La capillarité dépend de la tension superficielle du liquide et du mouillage des parois du tube.

III- LA MASSE VOLUMIQUE DES MÉLANGES

Un ensemble de matières sans réaction chimique forme un mélange. L’eau de mer, les aliments que nous mangeons ou le thé sont quelques exemples de mélange. On peut aussi parler de la masse volumique des mélanges. ρ = M mélange / V mélange

Si les volumes des constituants sont égaux, la masse volumique du mélange est : ρ mélange = (ρ1+ρ2+........+ρn )/n n : nombre de constituants

Si les masses sont égales, à ce moment-là la masse volumique du mélange est

ρmélange =(M 1 + M2 +.........Mn)/ (V1 + V2+........Vn )

37

Lycée 1

Physique

38

Lycée 1

Physique

Position. Vitesse. Accélération 1. Référentiel, Repère a) Cinématique du point La cinématique est l’étude du mouvement des corps. Les grandeurs physiques de la cinématique sont le temps, la position, la vitesse et l’accélération. "Etudier le mouvement" veut dire : 

Trouver l’équation de la trajectoire du mobile.



Trouver la relation mathématique (= équation) entre vitesse et temps.



Trouver la relation entre position et temps.



Trouver la relation entre vitesse et position.

b) La description du mouvement n’est pas la même dans tous les référentiels La description d’un mouvement se fait par rapport à un corps (ou un système de plusieurs corps immobiles les uns par rapport aux autres), choisi comme référence, appelé référentiel. Voici quelques référentiels couramment utilisés : o Terre (avec tous les corps en repos par rapport à la Terre : salle de classe,...) ; o train, voiture, avion en mouvement par rapport à la Terre ; o système formé par le centre de la Terre et trois étoiles fixes (= référentiel géocentrique). Exemple Deux voyageurs Ali et Burak sont assis dans un wagon en mouvement. Le voyageur Ali observe Burak et conclut : Burak est immobile. Can se trouvant sur le quai où passe le train, observe Burak et conclut : Burak est en mouvement. Ces deux observations sont-elles contradictoires ? Non, car elles sont faites dans deux référentiels différents : Ali fait ses observations dans le référentiel du wagon, Can fait ses observations dans le référentiel lié à la Terre. 39

Lycée 1

Physique

Pour décrire mathématiquement les caractéristiques d’un mouvement, un observateur utilise un repère (repérage de la position) et une horloge (mesure du temps) liés au référentiel d’observation. Un repère est déterminé par une origine O et par une base. Le plus souvent la base est orthonormée : le repère est alors appelé repère cartésien (O, i , j , k) ! Les axes Ox et Oy perpendiculaires entre-eux, forment un plan. L’axe Oz est perpendiculaire à ce plan. Souvent le mouvement se déroule dans un plan et un repère 

(O, i , j ) à 2 dimensions définissant ce plan suffit. Si le mouvement est rectiligne, un seul axe Ox parallèle au mouvement suffit. Ce sera le cas des mouvements rectilignes .

c) Le temps (t) est une grandeur physique fondamentale Dans le domaine des sciences comme dans la vie courante, le temps intervient de deux manières : 1) La durée ou l’intervalle de temps qui s’écoule entre deux événements. 2) La date ou l’instant auquel un événement a lieu. Toute durée est une différence de deux dates, et est donc indépendante de l’origine des temps ! Si deux événements se produisent à des instants t1 et t2 > t1, alors l’intervalle de temps (ou la durée) entre ces événements est t2 t1 > 0. Le temps est mesuré à l’aide d’horloges . L’unité S.I. (Système International d’unités) du temps est la seconde (s). La trajectoire du point dépend du référentiel

La trajectoire est l'ensemble des positions successives occupées par le mobile M lors de son mouvement. Elle est représentée par une courbe dans l’espace. Comme toute courbe, la trajectoire est déterminée, dans un repère donné, par son équation mathématique. La forme de la trajectoire dépend du référentiel choisi. 40

Lycée 1

Physique

2. Position d’un mobile a) Vecteur position et coordonnées cartésiennes 

Soit M le mobile et (O, i , j ) le repère choisi. La position de M à chaque instant est repérée par les coordonnées (ou composantes) x, y du vecteur position ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ �.



Mathématiquement : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ � x y a) Deplacement

OM =

x 2 y2

Remarque

On note usuellement par x la différence « valeur finale de la grandeur x » moins « valeur initiale de la grandeur x » : x = xfinal xinitial

Ainsi x < 0 si le mouvement se fait dans le sens négatif de la trajectoire ! Si l’on veut que le déplacement soit positif, on n’a qu’à prendre la valeur absolue de x !

41

Lycée 1

physique

3. Vitesse d’un mobile La rapidité avec laquelle un mobile change de position est indiquée par sa vitesse. On distingue vitesse moyenne et vitesse instantanée. La vitesse (v) est définie comme la distance parcourue par un objet par unité de temps. distance parcourue vitesse = temps écoulé v=

d t

L'unité SI de la vitesse est le m/s (mètre par seconde). La vitesse est une quantité scalaire. Un objet a une vitesse constante s'il parcourt la même distance pendant des périodes de temps égales. Une vitesse constante est un exemple de mouvement uniforme. La vitesse moyenne (v(moy)) est la distance totale parcourue pendant un intervalle de temps, divisée par cet intervalle de temps. vitesse moyenne =

v(moy) =

distance totale parcourue temps écoulé

d T

La vitesse instantanée est la vitesse scalaire d'un objet à un instant précis. Le vecteur vitesse( temps.

) est le déplacement d'un objet (changement de la position) par unité de

vecteur vitesse =

déplacement temps écoulé

 = --t L'unité SI du vecteur vitesse est le m/s. Le vecteur vitesse est, comme son nom l'indique, une quantité vectorielle. Un objet possède un vecteur vitesse constant s'il parcourt la même distance pendant les mêmes intervalles de temps.

42

Lycée 1

physique

Un vecteur vitesse constant est un exemple de mouvement uniforme.

Le vecteur vitesse moyen ( (moy)) est le déplacement total d'un objet durant un certain intervalle de temps, divisé par cet intervalle de temps. ( 1- 2) -------= (moy) t =

 --t

Le vecteur vitesse instantané est la vitesse algébrique instantanée dans une direction indiquée. Un graphique de la position en fonction du temps ou un graphique du déplacement en fonction du temps sert à analyser le mouvement d'un objet en une dimension. La pente donne le vecteur vitesse de l'objet. La pente d'un segment de courbe entre deux points du graphique fournit le vecteur vitesse moyen durant cet intervalle. La pente de la tangente à la courbe en un moment précis donne le vecteur vitesse instantané à ce moment précis. La pente se calcule en divisant le changement de position par le changement de temps sur un graphique de la position en fonction du temps.

*

Direction et sens de v Lorsque t devient très petit, t2 tend vers t1, et M2 tend vers M1. La norme du vecteur déplacement tend vers zéro, et sa direction tend vers la tangente à la trajectoire au point M1. Son sens reste orienté de M1 vers M2 = sens du mouvement.

Le vecteur vitesse instantanée v est à chaque instant tangent à la trajectoire. Son sens est celui du mouvement. 43

Lycée 1

physique

d) Coordonnées du vecteur vitesse instantanée 

Dans la base (O, i , j ), v s’exprime par :

v x v y .

L’intensité v est donnée par la relation de Pythagore : v  vx v 2y Mouvement plan :

v 

2 v 2x  v y







Dans l’exemple de la figure : vx > 0 et vy < 0 Exemple : vx = 4 m/s et vy = -3 m/s, alors v = 5 m/s.

44

Lycée 1

physique

4. Accélération Lorsque la vitesse v d’un mobile varie, on aimerait connaître la rapidité avec laquelle elle varie. C’est justement l’accélération a du mobile qui comporte cette information ! L’accélération a (= vecteur accélération) indique de combien la vitesse v (= le vecteur vitesse) varie en 1 seconde. Attention : v peut varier en intensité et en direction ! Une forte accélération a (forte intensité du vecteur accélération) signifie que la vitesse varie vite. Une faible accélération signifie qu’elle varie lentement. L’accélération a indique donc la rapidité de variation de la vitesse v . Exemples *

*

*

Mouvement rectiligne uniforme

Mouvement uniforme mais non rectiligne

Mouvement rectiligne mais non uniforme



v ne varie pas



a =0



v varie en direction; par contre v (intensité de v ) reste constant



a  0



v varie; par contre la direction de v reste constante  a  0







On distingue l’accélération moyenne a m au cours d’un intervalle de temps t, et l’accélération instantanée a à un instant donné. a) Accélération moyenne * Le mobile M devient de plus en plus rapide

A l’instant t1, le mobile se trouve en M1 avec la vitesse

1

.

45

Lycée 1

physique

A l’instant t2 , le mobile se trouve en M avec la vitesse

2

Au cours de l'intervalle de temps t = t2 – t1, la vitesse varie de   moyenne �m vaut :  moy  t

2



1

et l'accélération

* Le mobile M devient de plus en plus lent

Les formules sont exactement les mêmes. On voit que l'angle que fait point M est un angle obtus.

am

1. Notations et vocabulaire Un vecteur est noté avec une petite flèche. Le vecteur vitesse par exemple est noté : v . L’intensité du vecteur est notée sans flèche. L’intensité du vecteur v est notée v. Les termes intensité, module et norme d’un vecteur sont équivalents. L’intensité d’un vecteur est un nombre strictement positif. Les composantes ou coordonnées d’un vecteur sont notées avec les indices x, y, et z. Celles du vecteur v par exemple sont notées vx, vy, vz. Elles sont les projections du vecteur sur chaque axe. Ce sont des nombres algébriques (donc positifs ou négatifs) !

46

Lycée 1

physique

. Mouvements rectilignes Nous les étudions dans un repère cartésien comportant un seul axe Ox parallèle au mouvement. . a) Mouvement rectiligne uniforme (MRU) C'est un mouvement à vecteur accélération nul! *

Conditions initiales (C.I.) t = 0  x = x0

(1)

vx = v0x *

Accélération a 0  a x 0

*

(2)

t

Vitesse v x v 0x

*

t

Position x v 0x t x 0

47

Lycée 1

physique

b) Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV) C'est un mouvement à vecteur accélération constant! * Conditions initiales (C.I.) t = 0  x = x0

(1) (2)

vx = v0x * Accélération a constant ax constant

*

Vitesse v x a x t v 0x

*

t

t

(4)

Position

1

x  a xt 2 v 0x t x 0

t

(6)

En éliminant t entre (4) et (6) on obtient une relation entre les vitesses et les abscisses : v x v 0x 2a x (x x 0 )



v    2a x

48

Lycée 1

physique

Forces

1 1.1

Rappel

Pour décrire les effets d’une force, nous devons préciser toutes ses propriétés : • son point d’application ; • sa droite d’action, c’est-à-dire sa direction ; • son sens ; • son intensité. On peut réunir toutes ces propriétés en une seule grandeur mathématique, le vecteur ; une force est donc représentée par un vecteur force (figure1). droite d'action point d'application

˛ F

sens

Figure 1 – Une force est représentée par un vecteur ⃗⃗⃗ sera La norme du vecteur est égale à l’intensité de la force. L’intensité du vecteur force � notée F . L’unité d’intensité de force dans le Système international est le newton (N).

1.2 1.2.1

Mesurer des forces Corps élastiques, corps plastiques

Un corps solide soumis à une force se déforme. S’il reprend sa forme initiale après la suppression de la force, on l’appelle corps élastique, dans le cas contraire il s’agit d’un corps plastique.

49

Lycée 1

physique

Loi de Hook La figure3 montre le schéma du dispositif expérimental. On mesure l’allongement du ressort en faisant varier l’intensité F de la force de 0 N à 1 N.

x

Remarque : une masse de 100 g exerce approximativement une force de 1 N dirigée verticalement vers le bas. règle graduée

R x

ressort

masse

en absence de forces

�

⃗� ⃗ force exercée ; ⃗⃗⃗ réaction du ressort

Figure 3 – Étude de l’allongement d’un ressort

Loi de Hooke Un ressort initialement en équilibre se déforme sous l’effet d’une force. La déformation (allongement ou compression) x est proportionnelle à l’intensité F de cette force : F = kx La facteur de proportionnalité k est appelée constante de raideur du ressort, son unité de raideur est le N/m. La constante de raideur indique l’i te sité de la force nécessaire pour allonger ou comprimer le ressort d’u e unité de longueur. Elle fait intervenir les caractéristiques physiques du ressort : sa longueur, son épaisseur, le matériau, . . .

F

ressort à forte raideur k 1 élevé

ressort à faible raideur k 2 bas

x 50

Lycée 1

physique Figure 5 – Comparaison de la raideur de deux ressorts avec k1 > k2

Le diagramme de la figure5 montre que pour déformer différents ressorts d’une même distance, la force nécessaire est d’autant plus intense que la raideur du ressort est élevée. De façon équivalente, on constate que pour une même force, la déformation est d’autant plus grande que la raideur du ressort est petite. 1.5.1

Méthode de résolution d’un problème à trois forces

Pour résoudre un problème comme celui posé dans l’exemple1.3, vous allez systématique- ment appliquer la procédure suivante :

T

boule en acier N

G

S

Fmag

Figure 12 – La boule soumise à trois forces est en équilibre

1re méthode : Utilisez la relation vectorielle : ⃗ = �⃗ 1 +� ⃗ 2 = −�⃗ 3

qui indique que l’une des trois forces appliquées est égale et opposée à la somme géométrique des deux autres. Rappelons que le vecteur ⃗ = −�⃗ 3 est la diagonale du parallélogramme formé par �⃗ 1 et � 2

2e méthode : Projetez la relation vectorielle sur deux axes perpendiculaires de façon à obtenir des relations algébriques entre les intensités des trois forces. 3e méthode : Décomposez une des forces suivant les directions des deux autres. Utilisez ensuite la condition d’équilibre pour deux forces sur chacune des di- rections. Les notions de projection et de décomposition d’un vecteur seront présentées dans les deux sections suivantes. Il est important de bien maîtriser ces techniques mathé matiques. 1.5.2

Projection d’un vecteur

On choisit un système d’axes perpendiculaires Ox et Oy. La projection du vecteur � sur l’axe Ox est obtenue en traçant deux perpendiculaires à cet axe qui passent par les extrémités du vecteur ; la projection Fx est le segment de droite sur 51

Lycée 1

physique

l’axe Ox délimité par les deux perpendiculaires (figure13). On procède de la même façon pour déterminer la projection Fy du vecteur sur l’axe Oy.

M'

Fy

M O

H Fx

x

Figure 13 – Projections d’un vecteur sur deux axes perpendiculaires Pour calculer les mesures algébriques des projections, on considère le triangle rectangle MHM t . Dans ce triangle, l’intensité F est l’hypoténuse, Fx est le côté adjacent et Fy le côté opposé à l’angle α. On a : cos α =

Fx ⇒ F x = F cos α F

sin α =

Fy ⇒ Fy = F sin α. F

et :

52

Lycée 1

1.5.3

physique

Décomposition d’un vecteur

⃗⃗⃗ consiste à écrire le vecteur comme une somme de deux La décomposition d’un vecteur � ⃗⃗⃗⃗⃗ et � ⃗⃗⃗⃗ appelés composantes du vecteur : +La figure15amontre le vecteur autres vecteurs�

� et les directions (1) et (2) suivant lesquelles on veut le décomposer. Sur ces directions on construit le parallélogramme dont � est la diagonale. Les composantes cherchées ⃗⃗⃗⃗⃗ � et ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ � sont alors les côtés du parallélogramme (figure 15b). (1) F1

(2)

(a) Directions de la décomposition

F2

(b) Composantes du vecteur

Figure 15 – Décomposition d’un vecteur suivant deux directions quelconques � = ⃗⃗⃗⃗⃗ � + ⃗⃗⃗⃗⃗ �

53

Lycée 1

physique

2. Les lois de Newton 2.1 1ere loi de Newton : Principe d’inertie 2.1.1 Le centre d’inertie Expérience 1.5 Lançons un solide sur une table à coussin d’air horizontale (figure16). On observe le mouvement de deux points du solide : le point P situé à sa périphérie et son centre de masse G. Observation : Le centre de masse G se déplace toujours sur une ligne droite et à vitesse constante. Interprétation : Dans un référentiel galiléen, si la somme vectorielle des forces qui s’exercent sur un solide est nulle (  F

0

), le vecteur vitesse  G de son centre d’inertie ne varie pas.

Réciproquement, si le vecteur vitesse  G du centre d’inertie d’un solide ne varie pas, la somme des forces qui s’exercent sur ce solide est nulle. Figure 16 – Solide en mouvement sur une table horizontale

54

Lycée 1

2.2

physique

2eme loi de Newton : principe fondamental de la dynamique

Dans un référentiel galiléen, si un solide est soumis à un ensemble de forces de somme  F non nulle : - il en résulte une variation du vecteur vitesse  G de son centre d’inertie ; - > Enoncé complet de la deuxième loi de Newton - Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle  F ext des forces extérieures appliquées à un solide est égale au produit de la masse du solide par le vecteur accélération de son centre d’inertie : -

2.3

F

ext

= m a

3eme loi de Newton : Principe de l’action et de la réaction Principe d’interaction Lorsqu’un corps A exerce sur un corps B la force ⃗⃗⃗ � ⃗ le corps B exerce sur le corps A la force � B/A .

A/B,

alors

A

Figure 17 – Principe d’interaction Cette interaction est telle que (figure17) : • �⃗ A/B et �⃗ B/A ont la même droite d’action ; •�⃗ A/B = −�⃗ B/A .

Exemple 1.7 Une brique qui repose sur une table exerce une force �⃗ B/T sur la table. La table réagit avec une force �⃗ T /B sur la brique. brique

table

55

Lycée Fizik1

9

.Sınıf

physique 4. Ünite

Enerji

Chapitre 4 Travail, Puissance et Energie .

106 56

Lycée 1

physique

Travail et puissance d'une force 1. Travail d’une force constante sur un chemin rectiligne a) Force parallèle au déplacement Déplacement rectiligne :

⃗⃗⃗⃗⃗

Le travail de la force F s’écrit donc : W( � ) = � ⃗⃗⃗

b) Force perpendiculaire au déplacement

� n’agit pas suivant le déplacement � n’influence pas le mouvement











c) Force quelconque = angle entre � et

Le travail de la force � est nul : W( � ) = 0.

.

On décompose � en � t (composante tangentielle au déplacement) et en � n (composante normale au déplacement). Donc :

Or :

� � t � n W(� ) W(� t ) W(� n ) .  W( � t ) = � t� = Fcoss et : W( � n ) = 0.

57

Lycée 1

physique

Finalement, le travail de la force � au cours du déplacement s vaut : W( F) = Fscos

On retrouve que si = 0, alors W = Fs, et si = 90°, alors W = 0 !

⃗⃗⃗ constante au cours d’un déplacement rectiligne s d) Définition du travail d’une force � Exemple :

W( � ) = Fscos=Fs

F = 3 N; s = 2 m; = 30°.

⃗⃗⃗ ) = Fscos= 3 N2 mcos30° = 5,2 J. Travail de F : W(� e) Unité S.I. : le joule (J) ⃗⃗⃗ ) = 1 Nm = 1 joule = 1 J. Pour = 0, si F = 1 N et s = 1 m, alors W(� f) Rappel : produit scalaire de deux vecteurs ⃗ et ⃗

Soient ⃗ (ux, uy) et (vx, vy), alors :

⃗  = uxvx + uyvy = uvcos





(= angle entre u et v)

g) Travail moteur et travail résistant *

0°90° cos0 W 0 : travail moteur, car la force contribue au mouvement!

*

= 90° cos= 0 W = 0 : la force ne travaille pas!

*

90°180° 58

Lycée 1

physique

cos0 W 0 : travail résistant, car la force s’oppose au mouvement!

2. Travail d’une force constante sur un chemin quelconque

Le corps se déplace de A vers B suivant 2 chemins différents : chemin rectiligne (1) et chemin curviligne quelconque (2). Il est soumis à la force constante � . Remarque : Le travail d’une force �

constante est indépendant du chemin suivi entre le

point de départ A et le point d’arrivé B

WAB (� ) � ⃗⃗⃗⃗⃗ FABcos 

59

Lycée 1

physique

3. Exemple 1 : travail du poids d’un corps

La force nécessaire pour soulever, en ligne droite et à vitesse constante, un corps de poids P est F = P (principe d’inertie!). Cette force est exercée par un opérateur, par exemple. Ou bien elle est la résultante de plusieurs forces qui ont pour effet d’équilibrer le poids. En tout cas : W(� ) = W( ⃗ ) = +mgz

4. Exemple 2 : travail de la tension d’un ressort a) Force nécessaire pour tendre un ressort

On définit un axe Ox des abscisses : Origine O : extrémité libre du ressort non tendu;

� :

Direction : parallèle à la direction de la tension ⃗ ;

Orientation tel que l’allongement x > 0. force exercée par un opérateur sur le ressort, nécessaire pour tendre le ressort d’une

longueur x.

⃗ :

tension du ressort = force exercée par le ressort tendu sur l’opérateur = force de rappel

qui tend à ramener le ressort dans son état non tendu.

Principe des actions réciproques : � =  ⃗

60

Lycée 1

physique

Intensités : F = T

Rappel de la loi de Hooke : T = kx Unités S.I. : Attention :

où k est la raideur du ressort.

k en N/m. Tconstant, T varie au cours du déplacement (T augmente si x augmente, T diminue si x diminue).

61

Lycée 1

physique

b) Expression mathématique du travail de la tension d’un ressort étiré à partir de son état non-déformé. On tend le ressort de raideur k d’un point initial A d’abscisse xi = 0 (origine O = point A), jusqu’à un point final B d’abscisse xf > 0.

Remarque : La valeur absolue du travail d’une force correspond à l’aire en dessous de la courbe représentant l’intensité de la force en fonction du déplacement parallèlement à la force.

L’aire entre la courbe T = f(x) et l’axe Ox pris

 !

entre xi et xf est égal à W ⃗

W=

�. � .

�



Or W( ⃗ ) résistant W( ⃗ ) < 0. Donc :

  kx 2

W ⃗

Travail de la force nécessaire pour tendre le ressort Cette force est la force � =  ⃗

 

1 1 .Donc : W  F  kxf2 xi2    kx 2  2 2 

62

Lycée 1

physique

5. Puissance P d’une force constant a) Définition *

P = travail effectué par la force par seconde. Donc, si une force effectue un travail W pendant la durée t, sa puissance P vaut :

P=

�

b) Unités S.I. : le watt (W) W en J et t en secondes, alors P = en watt (W)

c) Relation entre puissance et vitesse de déplacement du corps Il faut que la force ⃗⃗⃗ � soit constante et que la vitesse v de déplacement soit constante (mouvement rectiligne uniforme) ! Dans ce cas : W(� ) = Flcos

et : l = vt.

La puissance P de la force s’écrit alors :

p=

�.�.�� � ∆

P Fv cos α � 

d) Autre unité pour le travail : le kilowatt-heure (kWh) On a : W = P t. *

Si P = 1 kW et t = 1 h, alors W = 1 kW1 h = 1 kWh.

*

1 kWh = 1000 W3600 s = 3,6106 J

63

Lycée 1

physique

6. Expression mathématique de l’énergie potentielle de pesanteur Un opérateur soulève, à vitesse constante, un corps de l’altitude z = 0 (niveau de référence, Ep pes = 0) à l’altitude z > 0. L’énergie potentielle de pesanteur d’un corps de masse m situé à l’altitude z vaut : Ep pes = mgz Elle dépend du niveau de référence choisi ! La variation de l’énergie potentielle de pesanteur d’un corps de masse m vaut : Ep pes = mgz = W( ⃗ ) Elle est indépendante du niveau de référence choisi.

7. Expression mathématique de l’énergie potentielle élastique Un opérateur tend à vitesse constante un ressort de la position x = 0 (ressort non tendu) . à la position x > 0 à l’aide des forces � op et � mur *

Système : Ressort de raideur k.

*

Forces extérieures : Fop et Fmur . 

L’énergie potentielle élastique d’un ressort de raideur k, tendu ou comprimé d’une longueur x (repérée à partir du niveau de référence correspondant au ressort non déformé) vaut :

Epel = K x2

64

Lycée 1

physique

8. Expression mathématique de l’énergie cinétique a) Energie cinétique d’un corps ponctuel Un opérateur lâche un corps ponctuel de masse m à l’altitude z > 0 avec une vitesse initiale nulle. Le corps tombe en chute libre.

*

Système : corps de masse m (dans le champ de pesanteur).

*

Forces extérieures : aucune (le poids étant une force intérieure).

L’énergie cinétique d’un corps ponctuel de masse m animé d’une vitesse v vaut :

Ec = mv2

65

Lycée 1

physique

9. Théorème de l’énergie cinétique c) Enoncé du théorème de l’énergie cinétique La variation d’énergie cinétique d’un solide indéformable est égale la somme des travaux des forces extérieures qui s’exercent sur lui. E c   Wext

Ec2 – Ec1 = Fnet . X

10. théorème de l’énergie mécanique a) Les différentes formes de l’énergie mécanique E *   

L’énergie mécanique d’un système se présente sous plusieurs formes : énergie cinétique Ec; énergie potentielle de pesanteur Ep pes; énergie potentielle élastique Ep élast.

*

Un système peut avoir de l’énergie mécanique sous toutes les formes en même temps. Dans ce cas : E = Ec + Ep pes + Ep élast

*

L’énergie mécanique d’un système peut se transformer d’une forme en une autre.

b) Variation de l’énergie mécanique d’un système : théorème de l’énergie mécanique Si plusieurs forces extérieures, de résultante Fr , agissent sur un système, alors la variation de l’énergie mécanique du système est égale à la somme des travaux des forces extérieures :

E Wext W(Fr )

66

Lycée 1 c)

physique Echange d’énergie mécanique entre deux systèmes

* Si deux systèmes interagissent l’un sur l’autre, ils échangent l’énergie mécanique égale à Wforce d'interaction . * L’énergie reçue par l’un est égale à l’énergie cédée par l’autre. * Au cours de l’échange, l’énergie mécanique peut changer de forme. d) Conservation de l’énergie mécanique Em d’un système isolé ( � r = 0)

Em2 = Em1

Le système isolé n’échange pas d’énergie mécanique avec l’extérieur. Son énergie mécanique est conservée.

11. Rendement

Pour qu’une machine puisse fonctionner, il faut lui fournir le travail Wfourni. La machine effectue sur un corps le travail Wutile qui est en pratique inférieur au travail fourni. En général, la partie du travail fourni transformé par un système en travail utile est donnée par le rendement du système. Définition Le rendement η d’un système est égal au rapport du travail utile Wutile effectué par ce système et du travail Wfourni nécessaire à son fonctionnement : Wutile η= Wfourni

Le rendement est un nombre sans unité exprimé le plus souvent en %.

67

Lycée 1

physique

CHAPİTRE

68

Lycée 1

1

physique

La température

Définition La température T d’un corps est une mesure de l’agitation thermique des particules qui le constituent : plus l’agitation thermique est importante, plus la température du corps est élevée. thermomètre

agitation (Le mouvement désordonné des particules d’un corps est appelé agitation thermique.) L’unité S.I. de la température est le kelvin (K). Souvent on mesure la température en degrés Celsius (◦C), avec 0 ◦C et 100 ◦C correspon- dant respectivement à la température de fusion et d’ébullition de l’eau. Pour une température exprimée en ◦C est notée θ, on a les relations de conversion suivantes : T(K) = θ(◦C) + 273 ⇐⇒ θ(◦C) = T(K) − 273. Formules pour passer d’une température a une autre

. 69

Lycée 1

2

physique

La Chaleur

Une autre façon de faire varier l’énergie interne d’un corps est de le mettre en contact avec un autre corps de température différente. Exemple Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l’eau chaude à la température Teau > T (figure4).

eau Teau > T

corps T

Q> 0

U¬

Figure 4 – Transfert d’énergie interne de l’eau vers le corps Le contact avec l’eau chaude fait augmenter la température du corps en fer et résulte en une augmentation de son énergie interne. Si la variation de l’énergie interne est due au contact avec un autre corps de température différente, le mode de transfert d’énergie interne est appelé chaleur. La quantité de chaleur est notée Q et s’exprime en joule (J). Définition La chaleur est un mode de transfert d’énergie interne entre deux corps de température différente. En absence d’autres transferts d’énergie, la variation de l’énergie interne est égale à la chaleur : Q>0 si la chaleur est reçue par le système; ∆U = Q Q