Stage de Pré Rentrée Bases de la Physique

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1 Stage de Pré Rentrée 2010 Bases de la Physique

2 Sommaire 1) Mesures Biomédicales 2) Unités du système international 3) Forces / Pression 4) Vitesse / Accélération / Energie 5) Electricité 6) Bases magnétisme

3 1 ère partie Variabilité, Normalité, Incertitudes

4 1)Variabilité biologique a) Définition Nous disposons tous de caractères différents pouvant être de nature: Qualitatif: morphologie, couleur des yeux Quantitatif +++: taille, poids, dosages... Attention: La variabilité biologique est différente du rythme biologique, qui consiste en la variation cyclique de certains caractères au cours du temps. 4

5 b) Variabilité biologique d un caractère quantitatif Pour un caractère quantitatif, la distribution de ses valeurs dans la population est superposable à une courbe de Gauss: 5

6 c) Influence des maladies Les maladies modifient les valeurs de certains caractères. Par conséquent, pour une population de malades, la courbe est décalée par rapport à celle d une population d individus sains. Les 2 courbes peuvent se couper: il y a un domaine de valeurs communes entre malades et individus sains. 6

7 2)Normalité d une valeur a) Définition de l intervalle de normalité Soit une population de sujets sans maladie : L intervalle de normalité [a ; b] englobe 95 % des sujets. Une valeur est donc normale si elle appartient à cet intervalle. Sinon le résultat est anormal. 7

8 b) Conséquences Un sujet malade peut avoir un résultat normal au début de sa maladie. Un sujet en bonne santé peut avoir un résultat légèrement anormal. Tout résultat d une analyse biologique nécessite une interprétation, d où la difficulté de conclure sur le fait que le patient soit malade ou non à partir d une seule variable biologique. 8

9 3) Erreur et incertitude portant sur la mesure Toute mesure est entachée d erreur pouvant provenir de l appareil de mesure ou de l opérateur. a) Il existe 2 types d erreurs sur une mesure: Les erreurs aléatoires qui varient au hasard +++ Les erreurs systématiques qui se répètent dans le même sens (non envisagées par la suite) 9

10 Soit: x 0 la vraie valeur (toujours inconnue) x le résultat de la mesure x x 0 s appelle l erreur absolue b) Incertitude absolue x Elle est telle que si l on répète la mesure, on aura probablement x - x x 0 x + x donc x - x 0 x Par convention, on écrit: : x 0 = x ± x 10

11 Comment choisir x? En théorie, il doit être choisi: ni trop petit : risque de tromperie sur la précision de la mesure. ni trop grand : on perdrait de l information sur la valeur x 0. En pratique: On répète une mesure: x 1, x 2, x n On en calcule la moyenne: x est alors l écart maximal à la moyenne : x = max ( x 1 - ; x 2 - ; ; x n - ) 11

12 Comment écrire le résultat x ± x? Il faut écrire x et Δx avec les mêmes unités On commence par arrondir x par majoration pour ne garder qu un seul chiffre non nul. Ex: 8,4 9 (rang des unités) 16,2 20 (rang des dizaines) Enfin on arrondit x pour qu il n y ait que des zéros dans les rangs inférieurs à celui de x Ex: 12

13 c) Incertitude relative: Elle correspond au rapport qui n a pas d unité. Elle nous renseigne sur la précision d une mesure. petit bonne précision Comment écrire le résultat? Un seul chiffre non nul et on arrondit par majoration. Calculer quand on peut avec les valeurs non arrondies pour éviter les imprécisions. 13

14 4) Incertitude sur le calcul a) Incertitude sur une somme ou une différence: Ex : (10,1 ± 0,4) + (5,7 ± 0,3) = 15,8 ± 0,7 b) Incertitude relative sur un produit ou un quotient: 14

15 5) Présentation d un résultat de mesure biomédicale (différent d une mesure physique!!!) Il y a 3 règles à respecter: Pas plus de 3 chiffres Unités du Système International ou leurs multiples ou sous-multiples (qui ne sont plus alors du SI) mais exception à cette règle : l unité de volume est le litre (symbole L) On donne l intervalle de normalité 15

16 Les multiples Préfixe SYMBOLE Signification téra T giga G 10 9 méga M 10 6 kilo k 10 3 Les sous-multiples Préfixe SYMBOLE Signification milli m 10-3 micro μ 10-6 nano n 10-9 pico p femto f atto a

17 2 ème partie Unités du système international

18 a) Unités de base Grandeur physique Nom de l unité SI Symbole longueur le mètre m masse le kilogramme kg temps la seconde s intensité électrique l ampère A température le kelvin K nombre de particules la mole mol intensité lumineuse le candela cd

19 b) Unités complémentaires Le radian : unité d angle plan r α L l r Cas particulier: Si l = 2Π.r (périmètre total du cercle), alors α= 2.Π radians

20 Le stéradian: unité d angle solide => Il délimite une surface S sur une sphère de rayon r r S O Il se mesure de la façon suivante: r S r² O Ω surface S Cas particulier: Si S = 4.Π.r² (totalité de l aire de la sphère), alors Ω= 4.Π stéradians

21 c) Unités dérivées Ce sont des combinaisons des unités de base : m.s -2 Ex: Pour le calcul du poids: P = m.g Masse volumique m En kg.m -3 V Densité Newtons kg ρ air = 1,293 kg.m -3 (air sec, 0 c et 1 atm) ρ eau = 10 3 kg.m -3 ρ mercure = 13, kg.m -3 d eau sans unité

22 d) Unités de température L unité de base du système international est le Kelvin: T Celsius = T Kelvin Autre unité utilisée: le degré Fahrenheit 0 C=32 F et 100 C=212 F Conversion: T Fahrenheit = T Celsius.1,8 + 32

23 3 ème partie Forces / Pression

24 3) Forces / Pression F a) Force Caractérisée par son origine, sa direction, son sens et sa norme Unité: le Newton N F b) Pression P Elle est la conséquence de l application d une force perpendiculairement à une surface S : P F S en N.m -2 = Pascal Cas particulier d une colonne d eau au repos: F P m. g V P.. g h.. g S S S S F uniformément et F V S S h

25 c) Application pour le tube en U: Mercure h eau Eau A h mercur e B Pour un même liquide et au même niveau, la pression exercée des deux côtés du tube est de la même valeur. Donc ici au niveau des points A et B: P P A atm P B h eau. g. P h. g. eau atm mercure mercure

26 d) Unités de Pression: 1 atm = 760 mmhg = 1013,25 kpa (pression au niveau de la mer en conditions normales) 1 atm (>) 1 bar = 10 5 Pa 1 bar (>) 10 m d eau e) Evolution de la pression en fonction de l altitude ou de la profondeur: 10 km => 0,25 P 0 5 km => 0,5 P 0-0,1 atm par kilomètre P 0 =1 atm 10 m => 2 atm 20 m => 3 atm + 1 atm tous les 10 mètres

27 4 ème partie Vitesse / Accélération / Energie

28 4) Vitesse / Accélération/ Energie a) Vitesse M dl v dl v en m.s -1 dt b) Vitesse angulaire O dα r l l r radians d en rad.s -1 dt

29 Relation entre la vitesse d un point et sa vitesse angulaire: d dt dl dt 1. r v r c) Accélération M T v dv dt T N N dv Avec : T dt v² N r ² r en m.s -2

30 d) Le travail M dl F W F. dl En N.m -1 = Joule => correspond donc à une énergie! e) La puissance La puissance nécessaire pour apporter une variation d énergie s écrit de la forme: P de dt En J.s -1 = Watt Remarque: une variation de chaleur s écrit de la même manière : P dq dt Watt

31 5 ème partie Electricité

32 1) Quantité d électricité ou charge électrique: C est une collection de charges électriques élémentaires d un signe donné. Unité SI : le coulomb C L électron porte une charge électrique élémentaire négative : e = - 1, C Unité hors SI : le faraday : N charges élémentaires = C Rappel : les charges électriques de même signe se repoussent et de signes différents s attirent. 32

33 2) Champ électrique Toute charge Q produit dans l espace un champ E appelé champ électrique. Toute charge ponctuelle q placée dans le champ électrique est soumise à une force F: Unité SI: N/c ou V/m F=q E 33

34 3) Loi de Coulomb Si q et q sont deux charges ponctuelles : Chaque charge exerce sur l autre une force. Ces forces sont: Égales en intensité q q q K = cste = SI Dirigées selon la droite qui joint les 2 charges Leur sens: selon le signe des charges r constante diélectrique ε = 1 dans le vide ε = 80 dans l eau 34

35 4) Potentiel électrique A chaque champ électrique on peut associer un champ de potentiel. Unité SI: le volt (V) Définition: Par convention E > 0; si dr > 0, alors dv < 0 où dr est un petit déplacement le long de E En suivant le sens de E, le potentiel diminue Par ailleurs, on a vu que F=q E, donc une charge positive se déplace dans le sens de E spontanément Une charge positive se déplace dans le sens des potentiels décroissants et une charge négative se déplace dans le sens des potentiels croissants. 35

36 5) Intensité du courant électrique Définition: un courant électrique est un déplacement de charges dans la matière (ex: électrons dans un fil). Si la charge dq traverse la section droite ds pendant le temps dt, alors l intensité i du courant vaut : e - S Unité SI: l ampère A 36

37 6) Résistance électrique La différence de potentiel U entraîne un déplacement d électrons, autrement dit une intensité I, qui dépend de R, la résistance du conducteur, définie par la loi d Ohm: U = RI Unité SI: l Ohm Ω (V.A -1 ) 37

38 Conséquence de la résistance: Echauffement du fil conducteur La chaleur Q dissipée pendant t est donnée par la loi de Joule: Q = R.I². t La puissance électrique consommée est : 38