ENSEIGNEMENT DE PHYSIQUE

ENSEIGNEMENT DE PHYSIQUE

Enseignant : Gildas MERRIEN

gildas.merrien@univ-brest.fr

Bureau 207

Enseignement de physique :

Au semestre 1 : unité d’enseignement 1.1 (U.E.1.1)

M.1.1.2 : physique12 h cours12 h travaux dirigés12 h travaux pratiques

Au semestre 2 : unité d’enseignement 1.2 (U.E2.1)

M.2.12. : physique appliquée12 h cours12 h travaux dirigés12 h travaux pratiques

Thèmes :

Optique, thermodynamique, électricité

Pour récupérer les documents de cours sur internet :

http://pagesperso.univ-brest.fr/~gmerrien

INTRODUCTION : UNITÉS ET GRANDEURS

En sciences expérimentales, rôle crucial de la mesure.

En sciences expérimentales, rôle crucial de la mesure.

On mesure une grandeur X

X = 121, 334

X = 121, 334

N’A DE SENS QUE SI L’ON AFFECTE UNE UNITÉ AU RÉSULTAT

• Communication entre scientifiques.

• Sécurité du citoyen.

• Production industrielle.

• Commerce.

1. Historique : la longue marche vers un système cohérent d’unités.

Vers 3400 – 3100 avant J.C. : émergence de l’état sumérien.

Vers 3150 avant J.C. : émergence de l’état égyptien.

Invention de l’écriture et nécessité d’unités :

- Surfaces agricoles

- Calendrier et temps

- Masses et volumes

Scribe sumérien Scribe égyptien

Unités d ’abord basées sur l’homme :

• Distance en jours de marche

• Surface en journée de labour

À mesure que la société se complexifie, nécessité de standardisation.

• Le gur, unité de volume fixée par le roi Narâm Sin (-2254 ; -2218) pour unifier son royaume.

• Le deben, unité de masse des égyptiens, utilisée pour rémunérer les ouvriers en grain.

Jusqu’au XVIIIè siècle, les unités sont liées à l’autorité politique.

En 1795 en France : 700 unités.

En 1795 en France : 700 unités.

Par exemple pour la distance : Le doigt, la palme, le pied, la coudée, le pas, la brasse, la toise…

En 1795 en France : 700 unités.

Par exemple pour la distance : Le doigt, la palme, le pied, la coudée, le pas, la brasse, la toise…

Leur valeur peut varier selon la province, la ville, la décision du seigneur, l’objet mesuré (surface des planchers en pieds carrés, des tapis en aunes carrées).

Obstacle majeur à la communication !

XVIIIè siècle : philosophie des Lumières.

Idée de Condorcet : établir l’invariabilité des mesures en les rapportant à des étalons basés sur des phénomène physiques.

XVIIIè siècle : philosophie des Lumières.

Idée de Condorcet : établir l’invariabilité des mesures en les rapportant à des étalons basés sur des phénomène physiques.

Ainsi, chaque nation pourrait l’adopter, le système étant basé sur des phénomènes universels.

XVIIIè siècle : philosophie des Lumières.

Idée de Condorcet : établir l’invariabilité des mesures en les rapportant à des étalons basés sur des phénomène physiques.

Ainsi, chaque nation pourrait l’adopter, le système étant basé sur des phénomènes universels.

Marie Jean Antoine Nicolas de Caritat, marquis de Condorcet (1743-1794), mathématicien et philosophe.

14 juillet 1789 : Révolution française et climat de réforme générale en France.

8 mai 1790 : l’assemblée Nationale, sur proposition de Talleyrand, adopte le principe d’un système d’unités universel.

Charles-Maurice de Talleyrand-Périgord (1754-1838), ecclésiastique, homme d’état et diplomate.

16 février 1791 : définition du mètre : la dix millionième partie du quart du

méridien terrestre.

Borda (1733-1799) Laplace (1749-1827) Lagrange (1749-1827) Monge (1746-1818)

La commission du mètre

Définir le mètre = définir les unités dérivées.

Surface, volume…

Un étalon choisi : il faut le mesurer

Il a fallu mesurer le méridien terrestre.

Un étalon choisi : il faut le mesurer

Il a fallu mesurer le méridien terrestre.

18 germinal an III (7 avril 1795) : la Convention vote le système métrique décimal.

1799 : premier étalon du mètre et du kilogramme.

Étalon actuel du kilogramme

Le système métrique, du fait de son universalité et de la révolution

industrielle se diffuse hors de France.

Dans les années 1860, de très nombreux pays ont déjà adopté le système.

Dans les années 1860, de très nombreux pays ont déjà adopté le système.

Problème pratique : ils dépendent de la France où sont les étalons.

1875 : conférence internationale

• Création du Bureau International des Poids et Mesures.

• Signature de la convention du mètre

Les états fondateurs de la Convention

Rôle initial du B.I.P.M. : réaliser des étalons de longueur et de masse.

LE B.IP.M. effectue cependant des travaux sur la fiabilité des mesures et

les constantes physiques.

LE B.IP.M. effectue cependant des travaux sur la fiabilité des mesures et

les constantes physiques.

Ils aboutissent au Système International d’unités (S.I.)en 1960.

LE B.IP.M. effectue cependant des travaux sur la fiabilité des mesures et les constantes

physiques.

Ces travaux conduisent à proposer de nouvelles définitions des unités, et à

proposer de nouvelles unités de référence (émergence de l’électromagnétisme).

On aboutit ainsi au Système International d’unités (S.I.) en 1960.

2. Dimension d’une grandeur.

Toute grandeur peut s’exprimer en fonction des sept grandeurs de base du système international

Grandeur Symbole

Longueur L

Masse M

Temps T

Courant électrique I

Température ΘQuantité de matière N

Intensité lumineuse J

Toutes les autres grandeurs sont des grandeurs dérivées de ces sept

grandeurs.

Toutes les autres grandeurs sont des grandeurs dérivées de ces sept

grandeurs.

Le volume est une grandeur dérivée de la longueur.

Toutes les autres grandeurs sont des grandeurs dérivées de ces sept

grandeurs..

Le volume est une grandeur dérivée de la longueur.

La vitesse est une grandeur dérivée de la longueur et du temps.

Toute grandeur X peut donc s’exprimer selon :

[X] =MaLbTcIdΘeNfJg

Exemples

3. Les unités de base du système international.

7 grandeurs de base = 7 unités de base

Grandeur Unité Abréviation

Masse

Longueur

Temps

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme

Longueur

Temps

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur

Temps

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre

Temps

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin K

Quantité de matière

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin K

Quantité de matière Mole

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin K

Quantité de matière Mole mol

Intensité lumineuse

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin K

Quantité de matière Mole mol

Intensité lumineuse Candela

Grandeur Unité Abréviation

Masse Kilogramme kg

Longueur Mètre m

Temps Seconde s

Intensité du courant Ampère A

Température Kelvin K

Quantité de matière Mole mol

Intensité lumineuse Candela Cd

Ces unités sont définies à partir de mesures de phénomènes physiques

UNITÉ DÉFINITIONMètre (m) Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458

de seconde.

Kilogramme (kg) Le kilogramme est l'unité de masse ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme.

Seconde (s) La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Ampère (A) L'ampère est l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à 2 × 10–7 newton par mètre de longueur.

Kelvin (K) Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.

Mole (mol) 1. La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12.2. Lorsqu'on emploie la mole, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d'autres particules ou des groupements spécifiés de telles particules.

Candela (Cd) La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

Système décimal pour les multiples et sous multiples.

Système décimal pour les multiples et sous multiples.

Yotta (Y) :1024 Yocto (y) : 10-24

Zetta (Z): 1021 Zepto (z) : 10-21

Exa (E) : 1018 Atto (a) : 10-18

Péta (P) : 1015 Femto (f) : 10-15

Téra (T) : 1012 Pico (p) : 10-12

Giga (G) : 109 Nano (n) : 10-9

Méga (M) : 106 Micro (µ) : 10-6

Kilo (k) : 103 Milli (m) : 10-3

Hecto (h) : 102 Centi (c ) : 10-2

Déca (d) : 10 Déci (d) : 10-1

• Toutes les unités du S.I. sont des unités dérivées de ces sept unités : vitesse en m.s-1, concentration en mol.m-3…

• De nombreuses unités dérivées ont des noms d’usage : le joule pour l’énergie (kg.m².s-2), le hertz pour la fréquence (s-1)…

Remarque : le litre (L) ne fait pas partie du S.I.

Remarque : le litre (L) ne fait pas partie du S.I.

Mais fait partie des unités tolérés avec le S.I. comme l’heure, le degré d’angle, la tonne …

Écriture des symboles d’unité :

• En caractères droits : m et non m.

• En minuscules, sauf si l’unité provient d’un nom propre auquel cas la première

lettre est une majuscule.Seconde (s), joule (J), kilomètre (km),

pascal (P).

Liste des unités recommandées : norme ISO 80000, grandeurs et unités.

• Le choix des unités est crucial.

• Pour que ses résultats soient reconnus, un laboratoire doit être accrédité (en France par la COFRAC)

4. Écriture d’un résultat numérique

À une valeur numérique donnée est associée un certain nombre de chiffres significatifs.

Il est conseillé d’utiliser la notation scientifique.

Pour les calculs :

Principe :

Le résultat ne peut être plus précis que les données.

Notion d’incertitude :

• Incertitude absolue.

• Incertitude relative.

• Incertitude absolue.

A = a + Da

• Incertitude relative.

• Incertitude absolue.

A = a + Da

• Incertitude relative.

Da/a

5. Tracé de courbes.

UN TITRE

LÉGENDE

LÉGENDE

ÉCHELLE+

UNITÉ

ÉCHELLE+

UNITÉ

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Bipm.org

Metrologie-francaise.fr