En physique, on s interesse particulièrement que l on peut mesurer. Les grandeurs physiques les plus courantes sont :

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1 Chapitre 1 De l atome aux galaxies I. Une grandeur physique : la longueur I.1. Unité En physique, on s interesse particulièrement que l on peut mesurer. Les grandeurs physiques les plus courantes sont : Nom de la grandeur Symbole de la grandeur Unité légale Symbole de l unité Longueur L mètre m Durée t seconde s Masse m kilogramme kg Si le mètre est bien adapté à la mesure de la taille d un humain, pour mesurer l épaisseur d un cheveu ou la distance Terre / Soleil c est plus difficile... Comment faire? Le plus simple : avoir recours aux puissances de 10! I.2. Puissances de 10 La taille d un cheveu est environ 0,0001 m. Comment se représenter cela à partir du mètre? On remarque que : 0, 0001 = L épaisseur d un cheveu est donc dix mille fois plus petit que le mètre. En mettant cheveux cote à côte on obtient une longueur de 1 m. Trop de zéros? Rappel : 10 0 = 1; 10 1 = 10; 10 4 = : nombre de 0 identique à l exposant 10 1 = 0, 1 ; 10 3 = 0, 001 : le 1 est aux 3ème rang après la virgule. La taille d un cheveu est 10 4 m. Frise des dimension En fait la taille d un cheveu n est pas exactement 10 4 m mais plutôt p162 m. La valeur 10 4 m est appelée ordre de grandeur de la taille du cheveu. C est la puissance de 10 la plus proche de la taille du cheveu. Les ordres de grandeurs sont Ex 13,6 p170 1

2 C.DENIS CHAPITRE 1. DE L ATOME AUX GALAXIES très utilisés en physique pour avoir une estimation d une grandeur physique. Dans les calculs on utilise les règle suivantes : Règles de calcul : 10 a 10 b = 10 a+b ; (10 a ) b = 10 a.b 1 ; = 10 a ; 10a = 10 a b 10 a 10 b I.3. Unités dérivés On peut remplacer certaines puissances par un préfixe ansi : 10 2 est remplacé par le préfixe centi noté : c. On a alors : 10 2 m = m = 1 cm. Nom Symbole Valeur en m Rapport au mètre Gigamètre Gm 10 9 un milliard de fois plus grand Megamète Mm 10 6 un million de fois plus grand Kilomètre km 10 3 mille fois plus grand mètre m 1 égal millimètre mm 10 3 mille fois plus petit micromètre µm 10 6 un million de fois plus petit nanomètre nm 10 9 un milliard de fois plus petit picomètre pm mille milliard de fois plus petit fentomètre fm un million de milliard de fois plus petit! II. Faire et écrire une mesure II.1. Réaliser une mesure On mesure l épaisseur d un morceau de sucre à l aide de trois instruments : Grande règle graduée de 1m : e=1 cm Double décimètre : e=1,1 cm Pied à coulisse : e=1,08 cm Ces trois mesures ne sont pas contradictoires, pourtant les nombres : 1; 1,1 et 1,08 sont différents. En fait on ne connait pas exactement e. Suivant la précision de l instrument, on peut en donner une mesure plus ou moins proche de e.en physique écrire e=1,1 cm ne signifie pas que e vaut exactement 1,1 cm, cela signifie que e est compris entre 1,05 et 1,15. Plus la mesure est précise plus elle utilise de chiffre, ces chiffres sont appelés chiffres significatifs. En physique on distingue 1,0 cm et 1 cm! Ex 3 p170 Camera pou mesure du sucre au bu reau TP p 169 II.2. Ecriture scientifique et calcul Il s agit d écrire la valeur de la mesure sous la forme : a 10 n,a est un décimal comportant le bon nombre de chiffres significatifs et n est un entier relatif. Comment calculer des grandeurs physiques? 2

3 C.DENIS CHAPITRE 1. DE L ATOME AUX GALAXIES On va mesurer la surface d une pièce de monnaie. On trouve d = 2, 18 cm au pied à coulisse. On rappelle que S la surface est donnée par : S = π d2 4 Calculons : S = π 2,182 = 3, 73 cm, il faut mettre 3 chiffres significatifs dans le 4 résultats les autres données ne sont pas des mesures. Dans un calcul, le résultat a autant de chiffres significatifs que la mesure la moins précise. Ex : 9 et 30 p170 II.3. Conclusion Une mesure ou un résultat physique comporte une valeur numérique avec le bon nombre de CS et une unité. Tout ce qui a été dit ici pour les longueurs est vrai pour les autres grandeurs physique que nous allons voir dans la suite. 3

4 Chapitre 2 Lumière et mesure de longueur I. Information lumineuse I.1. Propagation de la lumière Dans le vide, la lumière se propage en ligne droite à la vitesse de : 3, m/s. La lumière émise par une source lumineuse peut être considérée comme un ensemble de rayon lumineux se propageant en ligne droite. TP taille d un cheveu microscope? si le milieu est homogèn I.2. Voir loin, c est voir dans le passé Ex : 7,15 p 186 Définition: Année lumière : C est la distance parcouru par un rayon lumineux pendant une durée de 1 an. Activité p 182 II. Ombre et mesure de longueur La taille de notre ombre varie au cours de la journée. Quelle lien existe-t-il entre la taille de notre ombre et notre taille? Thalès a répondu à cette question, il a plus de 2000 ans! Activité p 184 Réponses aux questions : 1. Thalès cherche à mesurer la hauteur de la pyramide. 2. A un moment précis de la journée, les ombres sont égales à la taille des objets. 3. Figure avec rayons inclinés de 45, ainsi BO = BO. 4. Oui, la mesure peut s effectuer pour toute inclinaison des rayons lumineux en utilisant le théorème de Thalès. Taille de Thalès Hauteur de la pyramide = BO BO 5. Oui, il s agit de la méthode de visée : Mesure de la taille du batiment 4

5 C.DENIS CHAPITRE 2. LONGUEUR LUMIÈRE ET MESURE DE règle graduée H Oeil d h D D après le théorème de Thalès, on a : Fig. 2.1 Méthode de visée d D = h H Ainsi si on vise un batiment, on mesure d, D et h directement. Par le calcul on atteint H selon : H = D h d Ex : 25 p190 5

6 Chapitre 3 Mouvement et Forces I. Comment décrire un mouvement? I.1. Une même situation, différents points de vue Le référentiel est l objet que l on considère immobile et par rapport auquel on étudie le mouvement d un autre objet appelé : système. On a vue que d un référentiel à un autre un objet pouvait être immobile ou en mouvement. De même la vitesse d un objet aura un signification que si l on dit par rapport à quel référentiel elle est mesurée. I.2. La trajectoire d un objet dépend-elle du référentiel choisi? Voir TP laché d une balle d un vélo par exemple. Diaporama sur la relati vité du mouvement II. II.1. Actions mécaniques : comment les représenter? De quoi est capable une action mécanique qui agit sur un système? Une action mécanique agissant sur un système est capable de mettre en mouvement, modifier la trajectoire ou déformer ce système. Exemples : déformation d un ressort étiré par une masse, déviation d une bille d acier par un aimant, mise en mouvement d un ballon après un shoot. Remarque : la modification de la trajectoire causée par une force donnée dépend de la masse de l objet. II.2. Comment modéliser une action mécanique? II.2.a) Notion d interaction Une brique est posée sur une table. Etudions le système brique dans le référentiel du sol. Avec quels objets est en interaction le système : brique? Pour représenter 6

7 C.DENIS CHAPITRE 3. MOUVEMENT ET FORCES cette situation, on utilise un diagramme : diagramme interaction objet DIO. Méthode : A chaque interaction correspond une force subit par le système II.2.b) Modélisation de la force Quels sont les caractéristiques de la force exercée par la table sur le bloc? Comment représenter la force exercée par la table sur le bloc? Caractéristiques d une force :Une force est caractérisée par un point d application, une direction, un sens et une intensité qui est sa valeur en newton (symbole : N) III. Travail d une force III.1. Quand peut-on dire qu une force travaille et quels sont les effets de ce travail? On dira qu un force travaille si son point d application se déplace. On verra plus tard la définition du travail. Effets du travail d une force sur un système : déplacement, déformation ou augmentation de température. diaporama III.2. Définition Le travail d une force vecf lors d un déplacement de A vers B ( AB vaut : W A B ( F) = F AB cosα avec α l angle entre la force et le déplacement. Unités : Le travail W s exprime en joules noté J; F est la valeur de la force F en newtons noté N et AB la longueur du segment AB en mètre. III.3. Cas particuliers 1. Fet AB ont même direction et même sens alors WA B ( F) = F AB on cos 0 =1 remarque que le travail favorise le déplacement, on dit qu il est est moteur. (W 0) 2. Fet AB ont même direction et mais sont de sens contraire alors WA B ( F) = F AB on remarque que le travail lutte contre le déplacement, on dit que cos 180 =-1 le travail est résistant. (W 0) 3. Fet ABsont orthogonaux alors on dit que le travail est nulle. (W=0) cos 90 =0 7

8 C.DENIS CHAPITRE 3. MOUVEMENT ET FORCES III.4. Définition Le travail d une forcefdont le point d application se déplace de A vers B s écrit W A B ( F) = F ABet s exprime en joules (J). Il s agit donc d une énergie. 8

9 Chapitre 4 Gravitation I. Interaction gravitationnelle et poids I.1. Poids d un corps Calculer le poids P d un corps dont la masse est m=70 kg. P = m.g = 70 9, 81 = 687 N Quelle est la cause de cette force? I.2. Force de gravitation Newton a montré que : Deux masses m1 et m2 distantes de d, s attirent mutuellement. On note F m1 m 2 la force exercée par m 1 et subit par m 2. On a alors : TERRE d LUNE F Lune / Terre F Terre / Lune Fig. 4.1 légende F m1 m 2 = G m 1 m 2 d 2 Unités :en N, en kg et d en m. G est appelée constante de gravitation universelle et vaut : 6, SI. 9

10 C.DENIS CHAPITRE 4. GRAVITATION I.3. Comparaison F m1 m 2 et P Calculer la force de gravitation exercée par la Terre sur une masse de 70 kg posée sur le sol. Données : M T = 5, kg, R T = 6370 km F MT m = G M T m d 2 = 688 N On en conclut que le poids est en fait la force de gravitation exercée par la Terre sur la masse m. Conséquence : Calculons g en comparant le poids et la force de gravitation : F MT m = G M T m = P = m g en simplifiant par m, on obtient l expression de g : g = G M T d 2 d 2 = 9, 8 N/kg On retrouve la valeur connue de g : intensité de pesanteur sur Terre. Et sur la Lune que vaut l intensité de pesanteur? Et le poids d une masse de 70 kg? On donne M L = 7, kg, R L = 1740km. g L = G M L = 1, 62 N/kg d2 P = m g L = 113 N II. Système Terre / Lune II.1. Position du problème On ne considère ici que l interaction Terre / Lune toutes les autres interactions seront négliglées. Sachant que la distance Terre / Lune est d = km, calculer la force d attraction exercée par la Terre sur la Lune. II.2. F Terre Lune = 2, N Avec telle force, la Lune ne devrait-elle pas s écraser sur Terre? Lancé de projectile On trace l allure des trajectoires pour différentes vitesses initiales. Si la vitesse initiale est très grande la distance parcourue avant de retomber sur Terre peut être R T! Alors? Deux cas se présentent : 1. La vitesse est très grande 6 km/s, l obejt échappe à l atraction terrestre 2. La vitesse est entre 2 et 6 km/s, l objet est satellisé : il tourne autour de la Terre : comme la Lune.. 10

11 C.DENIS CHAPITRE 4. GRAVITATION II.3. Mouvement de la Lune Orbite de la Lune LUNE Trajectoire de la Lune si elle était isolée Fig. 4.2 légende Dans cette partie, on étudie le mouvement de Lune dans le référentiel géocentrique 1. Le mouvement de la Lune autour de la Terre est circulaire uniforme. En négligrant l interaction Lune / Soleil, la Lune ne subit qu une force : celle de gravitation exercée par la Terre. Imaginons qu à un instant t, la Lune ne subise plus la force d attraction, elle est alors isolée. D après le principe d inertie, sa mouvement est alors rectiligne uniforme (trajectoire en pointillée). On comprend que la force de gravitation ramène constament la Lune vers la Terre, globalement cette trajectoire est quasi circulaire. On dit aussi que la Lune tombe constament sur Terre. 1 Référentiel géocentrique : référentiel lié à la Terre, sans tenir compte de la rotation de la Terre sur elle même 11

12 Chapitre 5 Equation des gaz parfaits I. Description d un gaz I.1. Description microscopique Un gaz est constitué de molécules qui se déplacent dans tous le volume disponible. On parle d agitation moléculaire.on observe des chocs entre ces molécules et la paroi. Ces molécules ont une certaine vitesse moyenne. Un gaz contient un nombre donné de particules : quantité de matière. Combien de molécule de gaz dans un litre de gaz? V m = 24 L/mol et N A = 6, mol 1 I.2. Description macroscopique Etant donné le nombre de molécules dans un litre d air, on ne pourra pas décrire excactement le comportement de chaque molécule (d ailleurs cela n a pas d intérêt). On introduit les grandeurs macroscopiques suivantes : pression, P en Pa se mesure avec un manomètre. remarque : 1 bar=10 5 Pa volume, V en m 3 température,t en K et n la quantité de matière en mol. II. Relations entre les grandeurs macrocopiques II.1. Dilatation d un gaz On chauffe un gaz fermé. Quelles sont les grandeurs qui se conservent? Quelle est l influence de la température sur le gaz. à V constant, P est proportionnelle à T (température absolue) II.2. Loi de Boyle et Mariotte Dispositif : seringue, manomètre. On mesure P et V. On constate que P.V = Cte 12

13 C.DENIS CHAPITRE 5. EQUATION DES GAZ PARFAITS II.3. Equation des gaz parfaits PV = nrt R = 8, 31 SI Application : Quelle est le volume d une mole de gaz parfait à 0 C et sous P = 10 5 Pa? exercice : Le gaz de remplissage d une lampe à incandescence en fonctionnement est à une pression de 1,00 bar et de 96 C. Le volume est de 88 ml. 1. Quelle est la pression du gaz quand la lampe ne fonctionne pas. La température ambiante étant de 18 C 2. Le gaz de remplissage est du krypton dont la masse molaire est 83,8 g/mol. Calculer la masse de krypton dans l ampoule. Réponses : p 2 = T 2 T 1 p 1 = 0, 79 bar puis n = 2, mol. 0,240 g de Kr. 13