Troisième Résumé de cours de physique

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1 1 Mécanique Troisième Résumé de cours de physique 1.1 Gravitation, poids et masse d un corps Qu est-ce que le système solaire? Le système solaire contient une étoile (le Soleil) et huit planètes qui orbitent autour de lui dans le même sens et dans un plan appelé le plan écliptique. La lumière arrivant sur Terre, provenant du Soleil ou de la Lune, met un temps qui dépend de la distance parcourue. Copernic et Galilée ont permis de faire avancer considérablement la connaissance du système solaire et de sortir à jamais de la vision géocentrique de l Univers (système solaire, étoiles et galaxies). Qu est-ce que la gravitation? L action attractive entre deux objets qui ont une masse est appelée la gravitation. La gravitation dépend de la distance qui sépare les objets en interaction. La gravitation gouverne tout l Univers, système solaire, étoiles et galaxies. La masse d un objet et son poids La masse d un objet est liée à la quantité de matière ; elle ne varie pas en fonction du lieu. L unité de masse dans le système international est le kilogramme, notée kg. Le poids d un objet est l action attractive à distance qu exerce la Terre sur un objet situé dans son voisinage. Le poids se manifeste par un mouvement de chute pour tout objet mais aussi par la présence d un fil tendu pour un objet suspendu. Le poids d un objet s exprime en Newton (N) et se mesure avec un dynamomètre. La direction du poids est verticale et son sens est de haut en bas. Le poids est une action qui s exerce verticalement vers le bas. La relation entre le poids P d un objet et sa masse m La relation mathématique entre le poids P d un objet et sa masse m est avec P en newton (N), m en kilogramme (kg) et g en newtons par kilogramme (N/kg) Le rapport P/m est noté g. Il est appelé intensité de la pesanteur et sa valeur approchée est 10 N/kg. La valeur de g étant constante, cela indique que les deux grandeurs physiques poids P et masse m sont proportionnelles. 1.2 Les différentes formes d'énergie d'un objet qui chute. Energie et sécurité routière L énergie cinétique et son évolution au cours d une chute Un objet en mouvement possède une énergie de mouvement appelée énergie cinétique et notée. Résumé de cours de physique 1/8

2 Un objet de masse m a un poids qui est responsable du mouvement de chute. Du fait de son poids et de sa position par rapport au sol, l eau est capable de chuter. L eau possède une énergie dite énergie de position notée. La relation mathématique exprimant l énergie cinétique d un objet en fonction de sa masse m et de sa vitesse v est : Si la masse ou/et la vitesse de l objet augmentent alors l énergie cinétique ( ) augmente. L énergie cinétique, l énergie de position et l énergie mécanique : quel lien existe-t-il entre ces trois formes d énergie pour un objet qui chute? L énergie de position ( ) est liée à la hauteur, l énergie cinétique ( ) est liée au mouvement (vitesse) d un objet. Dans le cas d une chute, l énergie de position ( ) diminue ; elle est peu à peu convertie en énergie cinétique ( ) qui augmente. L énergie mécanique ( ) d un objet qui chute est la somme de son énergie de position ( ) et de son énergie cinétique ( ), d où la relation :. On dit que l énergie mécanique se conserve. Énergie, sécurité routière et arrêt d un véhicule Le freinage d un véhicule consiste à convertir une grande partie de l énergie cinétique en énergie thermique. En cas d accident avec choc, cette énergie cinétique produit des déformations de la carrosserie et des autres éléments du véhicule. La phase d arrêt d un véhicule comprend la phase de réaction, puis la phase de freinage. La distance d arrêt ( ) est la somme de la distance de réaction ( ) et de la distance de freinage ( ). : La distance de freinage ( ) croît plus rapidement que la vitesse. Résumé de cours de physique 2/8

3 2 Électromagnétisme 2.1 Les métaux et la conduction électrique Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie quotidienne? Le fer, le cuivre, le zinc et l aluminium sont les métaux les plus couramment utilisés. Parmi les métaux précieux, les plus utilisés sont l argent et l or. On peut identifier les métaux par des tests simples : Attiré par un aimant Couleur (non oxydé) Couleur de l oxyde Masse pour 1 Tous les solides conduisent-ils le courant électrique? Ce montage permet de comparer le caractère conducteur de différents solides. Certains solides ne conduisent pas le courant électrique. Tous les métaux conduisent le courant électrique. Comment le courant électrique circule-t-il dans les métaux? Tous les métaux (quand ils sont à l état solide) sont constitués d un empilement ordonné d atomes. Le diamètre d un atome s exprime en nanomètres. 1 nm = m. Un atome est constitué d un noyau, entouré d électrons (Ex. l atome de cuivre et ses 29 électrons). Le noyau d un atome est environ fois plus petit que l atome lui-même. Selon la matière considérée (fer, aluminium, or, etc.) l atome n a pas le même nombre d électrons, et le noyau est différent. Le noyau est de charge électrique positive, et chaque électron est de charge électrique négative. Au total, un atome est électriquement neutre car la charge négative des électrons est exactement compensée par la charge positive du noyau. Dans un métal, le courant électrique est dû à un déplacement d électrons. Ce déplacement s effectue dans le sens opposé au sens conventionnel du courant électrique. 2.2 L alternateur et les possibilités de production de l électricité Comment produire une tension variable dans le temps? Une tension variable dans le temps est obtenue par déplacement d un aimant au voisinage d une bobine (ou inversement). Suivant le sens de ce mouvement, la tension électrique produite sera positive ou négative.le signe de cette tension dépend aussi du pôle nord ou sud qui est présenté à la Résumé de cours de physique 3/8

4 bobine. La valeur de la tension électrique n est pas constante; on parle alors de tension variable dans le temps. Comment fonctionne un alternateur de vélo et que produit-il? Un alternateur de vélo se compose d une partie fixe (stator) la bobine, et d une partie mobile (rotor) l aimant, qui est entraîné par un galet. C est la rotation(3) de l aimant au voisinage de la bobine qui est à l origine de la production d une tension électrique. L alternateur de vélo reçoit de l énergie mécanique lorsqu on fait tourner le galet ; il la convertit en énergie électrique à condition d être connectée à un circuit fermé de dipôles récepteurs. Les conversions d énergie au niveau de l alternateur sont traduites par un diagramme d énergie. Les centrales électriques Pour une centrale hydraulique, c est l eau en mouvement qui fournit l énergie mécanique à la turbine. Pour une centrale éolienne, c est le vent qui fournit l énergie mécanique aux pales de l éolienne. Pour une centrale thermique, c est de la vapeur d eau en mouvement qui fournit l énergie mécanique à la turbine. Les combustibles (ex : gaz, charbon, pétrole ) alimentant ces centrales appartiennent à la famille des énergies non renouvelables. L alternateur est la partie commune de ces trois centrales électriques. Il est relié à une turbine ou aux pales. Toute l énergie mécanique reçue par l alternateur n est pas convertie en énergie électrique; une partie est «perdue». Cette perte doit figurer dans le diagramme d énergie. Diagramme d énergie d une centrale électrique (éolienne ou hydraulique) : 2.3 Tension continue et tension alternative périodique Différentes tensions électriques. La valeur de la tension électrique aux bornes d une pile est la même au cours du temps, elle est constante, on la nomme tension continue. Un générateur très basse fréquence (GTBF ou TBF) fournit à ses bornes, une tension variable car sa valeur varie au cours du temps. Le courant change de sens alternativement,c est-à-dire qu il circule dans un sens puis dans l autre. Les DEL s allument alors l une après l autre. Quelle tension fournit une GTBF? Si les variations d une tension se répètent de façon identique à elles-mêmes au cours du temps, alors la tension est périodique. Il est alors possible d identifier un motif, c est-à-dire une zone minimum du graphique qui Résumé de cours de physique 4/8

5 correspond à la répétition de ces variations de tension. La durée d un motif fixe la période ; se note T et s exprime en seconde (s). La plus grande valeur d une tension variable est appelée tension maximale, et se note Umax ; la plus petite valeur est appelée tension minimale, et se note Umin. À quoi correspond une tension alternative sinusoïdale? Une tension alternative prend des valeurs positives puis négatives au cours du temps, qui se «compensent». La forme sinusoïdale est caractéristique de la tension sinusoïdale. Voici son allure. Si une tension est alternative et de forme sinusoïdale, on parle alors de tension alternative périodique et sinusoïdale. Il est alors possible de déterminer la période T, Umax, Umin, et dans ce cas : Umin =- Umax 2.4 L oscilloscope, un instrument de visualisation de tensions électriques et de détermination Réglages initiaux de l oscilloscope et repérage Résumé de cours de physique 5/8

6 Avant de visualiser une tension à l oscilloscope, la trace lumineuse doit être affinée (3 et 4), et centrée (5 et 6) sur l écran. Verticalement, l oscilloscope permet de déterminer une tension électrique ; horizontalement, il permet de déterminer une durée. Le bouton rotatif (7) appelé sensibilité verticale ( ) agit sur le déplacement vertical du spot ; il est utilisé pour déterminer une tension positive ou négative suivant le sens de déplacement vers le haut ou vers le bas du spot. Le bouton rotatif (8) appelé balayage agit sur le déplacement horizontal du spot, de la gauche vers la droite plus ou moins rapidement. En l absence de balayage (11) (position dite «XY»), le spot lumineux forme sur l écran un segment vertical si une tension variable est appliquée aux bornes d entrées (9 et 10) de l oscilloscope. Détermination d une tension lien (4) Il suffit d appliquer la relation :, où représente la valeur de la sensibilité verticale, d représente le nombre de divisionsde la déviation verticale du spot par rapport à sa position correspondant à 0 V. Détermination d une durée (exemple : la période T) Il suffit d appliquer la relation :, où représente la valeur de la sensibilité horizontale (ou balayage), d représente le nombre de divisions correspondant à un motif. Lien entre la fréquence et la période La fréquence f d une tension périodique est liée à sa période par la relation : f = 1/T.La fréquence s exprime en hertz, de symbole Hz. À partir de la fréquence exprimée en hertz, on peut connaître la période en utilisant la relation T= 1/f, dans ce cas, la période T s exprime en seconde. 2.5 Voltmètre en alternatif, tension du secteur, puissance électrique Le voltmètre en mode alternatif. La mesure d une tension alternative à l aide d un multimètre, s effectue avec un voltmètre Résumé de cours de physique 6/8

7 réglé en mode alternatif.on agit sur ce bouton de façon à voir s afficher les lettres «AC». Le sens de branchement du voltmètre, réglé en mode alternatif, n a pas d importance quand on veut effectuer une mesure de tension alternative (contrairement à une tension continue). Un voltmètre réglé en mode «alternatif» mesure une tension efficace notée Ueff quand il reçoit à ses bornes une tension alternative. Elle se différencie de la valeur maximale Umax qui est obtenue à partir d un oscilloscope. La tension du secteur. Pour une tension alternative sinusoïdale, les deux grandeurs Ueff et Umax sont proportionnelles (le rapport Umax / Ueffest égal à 2). Les valeurs de tension apparaissant sur les alimentations ou les appareils usuels sont des tensions efficaces. La tension du secteur est le nom de la tension présente aux bornes d une prise électrique. En France, elle présente les caractéristiques suivantes : tension alternative et sinusoïdale fréquence de 50 Hzet une périodede 20 ms. valeur efficace Ueff de 230 V. La tension du secteur est très dangereuse car elle peut provoquer des électrisations ou des électrocutions. La puissance électrique. Sur la plaque signalétique des appareils électriques, les constructeurs indiquent la puissance électrique correspondant à leur bon fonctionnement. Cette valeur de puissance est appelée puissance nominale. La puissance électrique, notée P est une grandeur physique qui s exprime en watt dans le système international et le symbole de son unité est W. Les puissances nominales des appareils domestiques peuvent varier de quelques watts à plusieurs kilowatts. Pour un dipôle ohmique, la puissance électrique est donnée par la relation : P = U I avec P en watt (W), U en volt (V) et I en ampère (A). U et I étant alors des grandeurs efficaces. Cette relation est une bonne approximation pour de nombreux appareils électroménagers. Résumé de cours de physique 7/8

8 2.6 Coupe-circuit et énergie électrique Le coupe-circuit La circulation du courant électrique dans un conducteur provoque l échauffement de celuici. En cas d échauffement important, le conducteur présente un risque d incendie. Ces trois dispositifs sont des coupe-circuits. Les diapositifs 2 et 3 sont présents dans les tableaux électriques des installations domestiques. Pour les dispositifs 1 et 2, appelés fusibles, le fil qu ils contiennent fond en cas de surintensité. Le dispositif 3 est un disjoncteur qui doit être réarmé en cas de surintensité en positionnant le levier vers le haut. Les indications des fabricants permettent de connaître les valeurs maximales de puissance, de tension ou d intensité (par application de la relation P = U I qui, rappelonsle, est une bonne approximation). En cas de dépassement de l intensité maximale, il y a surintensité. Le coupe-circuit est un dispositif de protection qui ouvre le circuit en cas de surintensité. L énergie électrique Un appareil électrique en fonctionnement, reçoit de l énergie électrique et la convertit sous différentes formes : énergie thermique (résistance), énergie lumineuse et énergie thermique (lampe), énergie de mouvement et énergie thermique (moteur). L énergie électrique convertie par un appareil, dépend de sa puissance nominale et de sa durée de fonctionnement. La relation suivante traduit ce transfert d énergie : E = P t où P est la puissance nominale et t la durée de fonctionnement. Dans le système international : E est en joule (J), P est en watt (W), t en seconde (s). Dans le cadre d une utilisation quotidienne domestique, les unités suivantes sont plus simples à utiliser (cas du compteur électrique d une installation domestique) : Si E est en kilowattheure (kwh), alors P est en kilowatt (kw) et t en heure (h). Résumé de cours de physique 8/8

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