Chapitre I Rappels de mécanique et d'électromagnétisme classiques. I. Etat dynamique d'un système

Documents pareils
Chapitre 6: Moment cinétique

CHAPITRE VI : Le potentiel électrique

TRAVAUX DIRIGÉS DE M 6

M F. F O Unité: [m. N] La norme du moment de force peut se calculer en introduit le bras de levier d

11.5 Le moment de force τ (tau) : Production d une accélération angulaire

où «p» représente le nombre de paramètres estimés de la loi de distribution testée sous H 0.

Mécanique du point : forces Newtoniennes (PCSI)

CONSTANTES DIELECTRIQUES

PHYSIQUE DES SEMI-CONDUCTEURS

Informations Techniques A7 A141. Roulements à Billes à Gorge Profonde. Roulements à Billes à Contact Oblique. Roulements à Billes Auto-Aligneurs

A la mémoire de ma grande mère A mes parents A Mon épouse A Mes tantes et sœurs A Mes beaux parents A Toute ma famille A Mes amis A Rihab, Lina et

Serveur vidéo IP. caméras analogiques PC serveur. PC Client 1. Serveur de stockage ( optionnel )

FINANCE Mathématiques Financières

DEUXIEME ANNEE TRONC COMMUN TECHNOLOGIE TRAVAUX DIRIGES DE PHYSIQUE VIBRATIONS ONDES

Évaluation de l'incertitude de mesure par une méthode statistique ("méthode de type A") Voir cours d'instrumentation

CIRCULAIRE N 02/04. Elle précise les méthodes de valorisation des titres de capital et des titres de créances contenus dans les actifs de l OPCVM.

Validation CFD axisymétrique de modèle zonal des écoulements gazeux de chambre de combustion de moteur Diesel

Permis de feu. Travail par point chaud. r Soudage r Brasage. r Découpage r Tronçonnage. r Meulage r Autres. r Poste à souder r Tronçonneuse

Magister en : Electrotechnique

Annexe II. Les trois lois de Kepler

Roulements à rotule sur deux rangées de rouleaux en deux parties

Po ur d o nne r un é lan à vo tre re traite

Quelques éléments d écologie utiles au forestier

DiaDent Group International

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique indépendant du temps

Roulements à billes et à rouleaux

Univ. Béjaia, Faculté de la Technologie, Département d électronique

Moments partiels crédibilistes et application à l évaluation de la performance de fonds spéculatifs

PHYSIQUE Discipline fondamentale

tudes & documents ÉCONOMIE ET ÉVALUATION L assurance habitation dans les départements d Outre Mer n 24 Juin 2010

( Mecanique des fluides )

SYSTÈME D ALARME ET PRODUITS TRANSMETTEURS

Guide de l acheteur de logiciel de Paie

Chapitre 1.5a Le champ électrique généré par plusieurs particules

Créer un observatoire de la concurrence. Créer un observatoire de la concurrence. Démarche. ntérêt. C aractéristiques.

CLOUD CX263 MÉLANGEUR

Amélioration des performances des aérogénérateurs

SOMMAIRE. ATRACOM-Centrafrique Manuel de Procédures Administratives Financiers et Comptables

Mémoire de DEA. Modélisation opérationnelle des domaines de référence

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

CARACTERISTIQUES DES SECTIONS PLANES

MODE D EMPLOI ENFANT MINEUR MONFINANCIER LIBERTE VIE

Système binaire. Algèbre booléenne

Cours de. Point et système de points matériels

Premier principe de la thermodynamique - conservation de l énergie

Préface. Le programme d électricité du S2 se compose de deux grandes parties :

DIFFRACTion des ondes

Physique quantique. Dans l UF Physique Quantique et Statistique. 3ème année IMACS. Pierre Renucci (cours) Thierry Amand (TDs)

DEMANDE D OUVERTURE D UN COMPTE EPARGNE REMUNERE (Réservé aux particuliers) Exemplaire Client (à conserver)

Quantité de mouvement et moment cinétique

D'CLICS CONSO. ayez les bons réflexes! Logement, téléphonie, mobilité, budget : soyez acteur de votre consommation!

Equations aux dérivées partielles

TD 9 Problème à deux corps

CHAPITRE IX : Les appareils de mesures électriques

LE LOGEMENT AU NUNAVIK

Mini_guide_Isis.pdf le 23/09/2001 Page 1/14

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

THÈSE. présentée pour obtenir le titre de. DOCTEUR de L ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D ARTS ET MÉTIERS. Spécialité: Génie Electrique.

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

GESTION DE LA SAUVEGARDE DES DONNÉES (SÉCURITÉ ET STOCKAGE)

Les objets très lointains

Sujet. calculatrice: autorisée durée: 4 heures

Chap 2 : Noyaux, masse, énergie.

SDLV120 - Absorption d'une onde de compression dans un barreau élastique

Mini_guide_Isis_v6.doc le 10/02/2005 Page 1/15

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Convertisseurs statiques d'énergie électrique

1 Démarrer L écran Isis La boite à outils Mode principal Mode gadget Mode graphique...

par Alain Bonnier, D.Sc.

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

Unités, mesures et précision

Les calculatrices sont autorisées

ANALYSE SPECTRALE. monochromateur

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

( Codes : voir verso du feuillet 3 ) SPECIMEN

- Cours de mécanique - STATIQUE

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

CHAÎNES ÉNERGÉTIQUES I CHAÎNES ÉNERGÉTIQUES. II PUISSANCE ET ÉNERGIE

5. Les conducteurs électriques

TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie

Chapitre 5. Le ressort. F ext. F ressort

CONDUCTEURS EN EQUILIBRE ELECTROSTATIQUE

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

CH.6 Propriétés des langages non contextuels

Interaction milieux dilués rayonnement Travaux dirigés n 2. Résonance magnétique : approche classique

Google Drive, le cloud de Google

Mécanique Quantique EL OUARDI EL MOKHTAR LABORATOIRE MÉCANIQUE & ÉNERGÉTIQUE SPÉCIALITÉ : PROCÈDES & ÉNERGÉTIQUE. dataelouardi@yahoo.

RÉPUBLIQUE ET CANTON DE GENÈVE Echelle des traitements 2015 Valable dès le Office du personnel de l'etat Indexation de 0.

RAISONNER L INVESTIGATION EN RHUMATOLOGIE

Chapitre n 6 MASSE ET ÉNERGIE DES NOYAUX

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

UNIVERSITE JOSEPH FOURIER GRENOBLE I THESE. présentée par. Ioana - Cristina MOLDOVAN. pour obtenir le grade de DOCTEUR. Spécialité : Physique

Chapitre I- Le champ électrostatique. I.1.1- Phénomènes électrostatiques : notion de charge électrique

Équivalence masse-énergie

CNAM UE MVA 210 Ph. Durand Algèbre et analyse tensorielle Cours 4: Calcul dierentiel 2

Transcription:

Chapite I Rappels de mécanique et d'électomagnétisme classiques Ce chapite a pou but de appele quelques notions physiques impotantes pou la compéhension de la stuctue de la matièe et de la stabilité des édifices atomiques et moléculaies. Bien que l'on puisse monte que la physique classique ne peut ende compte coectement de l'existence des atomes et des molécules, elle este poteuse de concepts utiles qui pemettent de pose les poblèmes physiques en les fomalisant dans un langage mathématique. Nous nous attacheons donc à défini des notions impotantes telles que celles d'état dynamique, de gandeus physiques (énegie potentielle et énegie cinétique pa exemple), ainsi que l'équation fondamentale de la dynamique classique ; nous monteons pouquoi ces notions sont essentielles pou compende comment des paticules peuvent este liées ensemble et fome des atomes ou des molécules. I. Etat dynamique d'un système I.1. Définition En mécanique classique, l'état dynamique d'un système de paticules est défini pa l'expession de leus positions et de leus quantités de mouvement (les vaiables dynamiques) en fonction du temps. Dans un epèe catésien, chaque paticule (indicée pa la lette i) est donc epéée pa la donnée de 6 vaiables fonctions du temps : xi (t), yi (t), zi (t), pxi (t), pyi (t), pzi (t) Cet ensemble de elations définit la tajectoie du système de paticules au cous du temps et caactéise totalement son mouvement. C'est ce que l'on cheche à détemine en mécanique classique. I.2. Coodonnées sphéiques Dans le cas d'un poblème à foce centale, c'est-à-die quand la foce qui s'exece su le système ne dépend que de sa distance à un point fixe, (comme le mouvement d'une planète soumise au champ gavitationnel du soleil ou un électon soumis à l'attaction d'un noyau atomique), le choix des coodonnées catésiennes xi, yi et zi n'est pas judicieux : elles conduisent à des équations et une epésentation du mouvement top compliquées. On péfèe utilise les coodonnées sphéiques (, θ, φ) pemettant de simplifie ces équations et de visualise le mouvement de manièe plus simple : 3

II. Gandeus physiques II.1. Définition Oute les positions et vitesses (ou quantités de mouvement), on peut s'intéesse à d'autes gandeus telles que l'énegie cinétique T, l'énegie potentielle V, l'énegie totale E, ou le moment cinétique de chaque paticule : l =! p Ces gandeus sont des fonctions continues des vaiables dynamiques : elles vaient continuement au cous du temps (le long de la tajectoie). En mécanique classique toutes les valeus possibles de l'énegie sont accessibles et cette énegie peut s'échange continuement. II.2. Exemples - Enegie cinétique d'une paticule de masse m : T i 2 mv 2 i = p 2 i 2m Pou paticules, l'énegie cinétique totale est simplement la somme des énegies cinétiques individuelles. T = - Enegie potentielle d'inteaction coulombienne ente deux paticules :! Dans un atome constitué de paticules chagées, l'énegie d'inteaction ente ces paticules est de type coulombien ; elle dépend des chages des paticules et de la distance qui les sépae. Soient deux paticules i et j de chage qi et qj distantes de ij ; leu énegie d'inteaction est (en Joules) : V ij # q iq j ij #! 0 est la pemittivité du vide. T i q i q j ((x i $ x j ) 2 + (y i $ y j ) 2 + (z i $ z j ) 2 ) 1/2 Cette énegie potentielle dépend des positions des paticules i et j. Elle n'est donc pas caactéistique d'une seule paticule. L'énegie potentielle totale ne peut donc pas ête mise sous la fome d'une somme d'énegies potentielles individuelles. Ainsi l'énegie potentielle totale d'inteaction ente électons en obite autou d'un noyau se met sous la fome : 4

V = 5!! La sommation su j > i évite de compte deux fois la même inteaction. Dans le cas de l'inteaction ente un électon et un noyau atomique j beaucoup plus loud et lent, on peut considée ce denie comme fixe et le place à l'oigine des coodonnées (xj = yj = zj = 0). L'énegie potentielle d'attaction à laquelle est soumis l'électon i est alos : j>i V i # q i q j i # V ij q i q j ((x i ) 2 + (y i ) 2 + (z i ) 2 ) 1/2 Elle ne dépend plus des coodonnées du noyau et peut ête considéée comme une énegie potentielle pope à l'électon et due au champ "extene" du noyau. L'énegie potentielle totale d'inteaction de électons avec le noyau est alos : - Enegie totale : V =! L'énegie totale d'un ensemble de paticules est simplement la somme de l'énegie cinétique totale et de l'énegie potentielle totale. Dans le cas d'un atome neute composé de électons de chage e gavitant autou d'un noyau de chage +e (considéé comme fixe et placé à l'oigine des coodonnées), l'énegie totale s'écit : 1 E = T + V ee + V Me =! +!! $ e2 2m 4"# 0 II.3. Invaiant du mouvement p i 2 V i j>i ij! 1 4"# 0 $ e2 i Cetaines gandeus physiques se consevent au cous du mouvement. Elles sevent alos à caactéise le mouvement. On les appelle invaiants ou constantes du mouvement. Dans le cas où les foces déivent d'une énegie potentielle (système consevatif), il en est ainsi de l'énegie totale E : l'énegie totale d'un ensemble de paticules en inteaction est constante au cous du temps. Un aute invaiant du mouvement est le moment cinétique l =! p. C'est un vecteu de coodonnées : " l x = yp z! zp y $ # l y = zp x! xp z $ l z = xp y! yp x

Cette gandeu physique n'est cependant invaiante que dans le cas de foce centale. III - Equation fondamentale de la dynamique L'équation fondamentale de la mécanique, ou équation de Newton, pemet de détemine l'état dynamique et donc la tajectoie des paticules. III.1. Notion de foce Nous nous limiteons aux foces consevatives : pa définition, la foce consevative qui s'exece su une paticule i déive de l'énegie potentielle à laquelle est soumise cette paticule. F i =! " i V, soit su chaque axe : # F xi =! "V "xi $ F yi =! "V "yi F zi =! "V "zi Si l'énegie potentielle V dépend des coodonnées de plusieus paticules, il en est de même pou la foce. On dit alos que les mouvements de ces paticules sont couplés Une fois connues les positions, les vitesses et les foces à un instant donné, il est théoiquement possible de détemine exactement ces gandeus à n'impote quel instant gâce à l'équation de Newton. III.2. Equation de Newton Pou chaque paticule i, on définit une équation aux déivées patielles qui elie la foce à l'accéleation! i : F i =! "V " = m d v i i dt = m d 2 i = m # i soit pou chaque composante dans le epèe catésien : $ ' F xi =! "V = m d 2 x i "x i F yi =! "V = m d 2 y i "y i F zi =! "V = m d 2 z i "z i 6 = m# xi = m# yi = m# zi On obtient donc, si l'on veut décie N paticules, un ensemble de 3N équations difféentielles aux déivées patielles dont la ésolution (analytique ou numéique) nécessite la

donnée de conditions initiales pou les positions et les vitesses. S'il existe une énegie potentielle d'inteaction ente les paticules alos ces équations sont couplées : la foce qui s'exece su une paticule dépend de la position des autes paticules. Il s'en suit une complication mathématique insumontable qui fait qu'au delà de 2 paticules on est confonté au poblème à N cops : les équations mathématiques sont insolubles à cause de cette inteaction ente les paticules. On se contente le plus souvent de cheche des solutions appochées. Exemple : dans le cas de l'étude du système solaie, on néglige en pemièe appoximation l'inteaction gavitationnelle ente les planètes, qui est beaucoup plus faible que l'inteaction avec le soleil. On décit alos le mouvement de chaque planète indépendamment des autes dans le seul champ du soleil supposé fixe. Dans le cas de l'inteaction coulombienne, cette appoximation est délicate ca la épulsion ente les électons gavitant autou du noyau atomique est du même ode de gandeu que l'attaction du noyau. IV - Etats liés ou libes La compétition ente l'énegie cinétique et l'énegie potentielle est d'une impotance cuciale pou détemine si une paticule se déplace libement dans tout l'espace ou si au contaie elle este attachée à une potion seulement de l'espace. Dans le pemie cas on dit que la paticule est libe, dans le second, on dit qu'elle est dans un état lié ou liant. Exemple : Cas d'une paticule se déplaçant su un axe x'0x soumise à un "puits de potentiel caé" ente 0 et L. L'énegie potentielle pend la fome suivante : Si l'énegie cinétique initiale est non nulle et inféieue à la hauteu du puits, le système va évolue au cous du temps selon la ligne hoizontale (1). La tajectoie de la paticule est confinée ente les deux bods du puits de potentiel. La paticule est donc pisonnièe du segment [0, L]. On dit qu'elle est liée au segment. L'existence de ce "puits de potentiel" est à l'oigine de ce phénomène. Si au contaie l'énegie cinétique initiale est plus gande que la hauteu du puits, alos la tajectoie à énegie totale constante ne enconte jamais la coube d'énegie potentielle (ligne 2), et la paticule peut alos se déplace su l'axe x'ox. Elle n'est pas liée au segment et est dite libe. 7

V. Ondes électomagnétiques V.1. Notion d'onde A côté de la mécanique classique coexiste indépendamment la théoie de Maxwell de l'électomagnétisme. Dans ce cade, la lumièe visible ou invisible est décite pa une onde, c'est à die une oscillation du champ électomagnétique dans le temps et l'espace. Une onde électomagnétique est décite pa la donnée du champ électique E et du champ magnétique B comme fonctions de l'espace et du temps. La popagation de l'onde est décite pa les équations de Maxwell. Dans le vide, il suffit de ésoude pou chaque composante de E ou B (notée Ψ) :! 2 "!x +!2 " 2!y +!2 "! 2 " 2!z 2 c 2!t 2 La solution d'une telle équation est de la fome (pou une popagation suivant l'axe x) :! =! 0 expi( kx " #t) où k est le vecteu d'onde et ω la pulsation, liée à la féquence du ayonnement pa la elation : ω = 2πν. La longueu d'onde λ et le nombe d'onde! sont définis pa : V.2. Enegie électomagnétique! = 2" k = c # # Les ondes lumineuses tanspotent de l'énegie. L'énegie électomagnétique U disponible à un instant donné pa unité de volume est popotionnelle au caé du module du champ électique (on néglige le champ magnétique). Pou une onde plane se déplaçant dans le vide, on a : U =! 0 E 2 L'intensité lumineuse I est définie comme l'énegie tanspotée pa unité de temps à taves une unité de suface. Elle est popotionnelle à la moyenne tempoelle du caé du module du champ électique. Pou une onde plane se déplaçant dans le vide, l'intensité lumineuse s'expime pa la elation : I =! 0 c E 2 Dans cette fomule, le symbole signifie "moyenne tempoelle". 8

La conséquence de l'existence de cette énegie électomagnétique est que tout cops qui émet un ayonnement et donc ped de l'énegie sous fome électomagnétique doit en vetu du pincipe de consevation de l'énegie totale pede de l'énegie mécanique (cinétique ou potentielle). V.3. Inteféences lumineuses La popiéte d'inteféence est inhéente à tout phénomène ondulatoie. C'est en paticulie une manifestation typique du caactèe ondulatoie de la lumièe. L'inteféence se poduit losque l'on combine deux ondes. Appelons Ψ 1 et Ψ 2 les amplitudes de deux ondes se combinant. Dans le cas de la lumièe se popageant dans un milieu isotope, ces amplitudes sont des amplitudes de champ électique, ca ce denie est la gandeu physique vectoielle caactéistique de l'onde électomagnetique. D'apès le pincipe de supeposition, l'amplitude de l'onde ésultante est la somme des amplitudes Ψ 1 et Ψ 2 :! =! 1 +! 2 L'intensité ésultante est popotionnelle au caé de l'amplitude Ψ. En négligeant (pou simplifie les notations) la moyenne tempoelle, on a donc : I! " 2 = " 1 2 + " 2 2 + 2 # " 1 " 2 Les intensités ne s'ajoutent pas et il appaaît un teme supplémentaie dit d'inteféence. Losque ce teme est négatif, il diminue l'intensité lumineuse globale ; l'inteféence est dite destuctive. Losqu'il est positif, l'intensité globale est plus impotante que la somme des intensités de Ψ 1 et Ψ 2 ; l'inteféence est dite contuctive. L'expéience illustative de cette popiété d'inteféences est celle des fentes de Young. Diffaction du ayonnement électomagnétique pa des tous d Young. En pointillé, l intensité I 1 (x) ou I 2 (x) du flux diffacté pa un tou unique. En tait plein, l intensité I(x) diffactée pa deux tous. 9