Embed Size (px)
Citation preview
2015 – 2016
Lycée 1
PHYSİQUE
Lycée 1 physique
1
CHAPITRE I
LA NATURE DE
LA PHYSIQUE
Lycée 1 physique
2
CHAPITRE I LA NATURE DE LA PHYSİQUE
2. Les branches de la physique
La physique est un domaine d'étude divers et afin de la comprendre , des scientifiques ont été forcés de concentrer leur attention sur un ou deux domaines plus petit de la discipline.
La physique couvre tellement de domaine, qu’elle est divisée en plusieurs champs spécifiques d'étude.
● Acoustique (son et l'audition)
● Electricité et magnétisme
● Mécanique
● Nucléaire et la physique moderne (quantique, nucléaire, Astronomie, la relativité et de la matière condensée)
● Optique (Lumière et Vision)
● Thermodynamique.
. Les physiciens aiment poser des questions. Ils essayent de trouver des réponses pour presque tous les phénomenes;
La personne qui étudie les domaines de la physique s'appelle un physicien. Les physiciens étudient des objets aussi petits que des atomes et aussi grands que des galaxies. Ils étudient les natures de la matière, l’énergie et comment elles sont reliées entre elles.
I) QU’ EST-CE QUE LA PHYSIQUE ?
1 définition
La physique est l'étude scientifique de la matière et de l'énergie et comment elles interagissent les unes avec les autres.
La physique traite principalement la partie non-vivante de la nature..
La physique forme la base de la plupart de la technologie présente et future.
Lycée 1 physique
3
3. La Physique et d'autres secteurs scientifiques
La physique peut être considérée comme la plus fondamentale des sciences.
Plusieurs parties de la biologie, de la chimie, de la géologie et de la technologie emploient la physique.
4. La méthode scientifique
La méthode scientifique a été premièrement présentée par Galilée. Toutes les branches de la science devraient employer la méthode scientifique pour avoir ainsi une solution à un problème.
La première étape de la méthode scientifique est d'avoir un problème.
Une fois que le problème est énoncé, le scientifique commence à observer.
Des théories scientifique sont principalement examinées a partir de l'observation et acceptées, rejetées, ou sont modifiées principalement en raison des données de l'observation.
Il y a deux types de base d'observation : quantitative et qualitative.
a) L'observation qualitative
Les observations qualitatives sont celles qui sont faites en employant nos cinq sens. Quand quelqu'un dit que « l'eau dans la bouilloire est chaude » la personne dit ce rapport selon son observation à partir de la vapeur sortant ou en touchant l'extérieur du recipient.
Dans des observations qualitatives le but est une description complète et détaillée. Le chercheur peut seulement savoir approximativement à l'avance ce que il recherche. Le chercheur est l'instrument recueillant les données.
b) L'observation quantitative
Les observations quantitatives sont celles qui sont faites en utilisant un instrument de mesure. Quand quelqu'un dit que « l'eau dans la bouilloire est à 80°C », il le dit selon sa mesure faite en utilisant un thermomètre.
Le chercheur utilise des outils, tels que les questionnaires ou l'équipement pour rassembler des données numériques. Les données sont sous forme de nombres et de statistiques et elles sont objectives. Les données quantitatives sont plus efficaces, et sont capable d’évaluer des hypothèses, mais peuvent manquer quelques détails.
Lycée 1 physique
4
Tandis que le scientifique fait des observations, il « rassemble des données » également. Une fois que les données sont rassemblées il est temps d’émettre une « hypothèse ».
L’ hypothèse
Une hypothèse est une tentative d’énoncé qui propose une explication possible à un certain phénomène ou événement. Une bonne hypothèse est un rapport que l’on peut verifier et qui peut permettre une prévision.
L’ expérience
La prochaine étape vérifie l'hypothèse en exécutant une expérience avec les variables appropriées. Il y a trois genres de variables qui sont nécessaires a être identifiées dans une expérience : indépendante, dépendante, et commandée.
-La variable indépendante est la variable qui est manœuvrée (changée) exprès.
- La variable dépendante est la variable qui est observée, et qui change suivant la variable indépendante.
- Les variables qui ne sont pas changées s'appellent les variables commandées.
Les données rassemblées pendant l’expérience devraient être enregistrées et organisées pour avoir un rapport de conclusion.
La conclusion
La conclusion de projet est un résumé des résultats de l'expérimentation et un rapport de la façon dont les résultats se relient à l'hypothèse. Les raisons pour lesquelles des résultats expérimentaux sont contraires au hypothèses sont incluses.
La conclusion peut se terminer en donnant des indications pour les prochains essais.
Lycée 1 physique
5
Lycée 1 physique
6
II/ GRANDEURS PHYSIQUES ET UNITES
1) Les quantités de base et dérivées et leurs unités dans la physique
Une quantité physique est une propriété physique caractérisant un certain aspect de la nature qui peut être mesuré ou calculé. Temps, la température, vitesse, énergie sont juste quelques exemples des quantités physiques.
Des quantités physiques sont habituellement exprimées par des symboles. Ils ont un nombre-qui montre la grandeur. Les unités d'une valeur énoncent la norme à laquelle le nombre sera comparé.
« Le SYSTÈME INTERNATIONAL DES UNITÉS »,
SI en abrégé, définit sept (7) quantités de base. Six d'entre elles sont employés dans la physique et la septième est employée dans la chimie. Ces quantités sont considérées pour être les bases de la physique. La physique exprime tout dans l'univers à partir de ces quantités de base.
a) Unités de base
A ce jour, le Système International d’unités, le SI, est constitué de sept unités de base (entre parenthèse le symbole qui la représente de façon unique) :
Il y a sept unités de base du SI :
Grandeur de base Unité SI de base
Nom Symbole Nom Symbole
longueur l mètre m
masse m kilogramme kg
temps, durée t seconde s
courant électrique I, i ampère A
température thermodynamique
T kelvin K
quantité de matière n mole mol intensité lumineuse Iv candela cd
b) Les unités dérivées
Les unités dérivées sont nombreuses et viennent compléter les unités de base. Elles peuvent avoir des noms spéciaux (hertz, pascal, becquerel, ...) mais peuvent toujours être exprimées à partir des unités de base..
Lycée 1 physique
7
Il est aussi à noter que ces unités sont reliées entre elles pour former un système cohérent.
Enfin, chaque grandeur peut avoir à couvrir une vaste étendue de valeurs. Pour éviter d'avoir à utiliser des facteurs multiplicatifs ou des valeurs avec un grand nombre de zéros, on a recourt à des préfixes..
Quelques exemples d'unités dérivées:
Grandeur Unité
la différence de potentiel, U : volt (V = W/A)
la capacité électrique, C : farad (F = C/V)
la résistance électrique, R : ohm (Ω = V/A)
l'inductance, L : henri (H = Wb/A)
la quantité électrique, Q : coulomb (C = A.s)
la puissance, P : watt (W = J/s)
l'énergie, W : joule (J = N.m)
l'induction magnétique, B : tesla (T = Wb/m2)
le champ électrique, E : volt par mètre (V/m)
le champ magnétique, H : ampère par mètre (A/m)
la conductance électrique, G : siemens (S = A/V)
la masse volumique : ρ kg.m-3
le volume : V m-3
la force : F newton (N)
le couple : M N.m
la pression : p pascal (Pa)
la fréquence : υ hertz (Hz)
la vitesse de rotation (tr/min)
Lycée 1 physique
8
Les préfixes du SI Facteur Préfixe Symbole
1012 téra T
109 giga G
106 mega M
103 kilo k
102 hecto h
101 déca da
10-1 déci d
10-2 centi c
10-3 milli m
10-6 micro µ
10-9 nano n
10-12 pico p
Lycée 1 Physique
9
III ) LES MESURES
Quand les physiciens travaillent sur des quantités physiques, ils font des expériences. Dans leurs expériences ils font des mesures pour rassembler des données. Ils doivent utiliser les appareils de mesure appropriés..
Il y a deux types de mesure : Direct et indirect.
1. La mesure directe
La mesure directe consiste à mesurer exactement la chose que vous cherchez à déterminer. Vous comparez les quantités de la même dimension. Vous utilisez l'appareil de nécessaire dans votre mesure, telle qu'employer un bâton de mètre pour la longueur, une balance pour la mesure de masse , un chronomètre pour le temps, etc.….
2. La mesure indirecte
La mesure indirecte signifie que vous mesurez quelque chose en mesurant autre chose. vous comparez des quantités entièrement différentes ou faites des calculs pour avoir votre résultat, tel que mesurer la distance couverte dans un intervalle de temps pour trouver la vitesse d'un objet mobile, etc.….
IV) CLASSIFICATION DES GRANDEURS PHYSIQUES
La plupart des quantités physiques produites dans la physique sont des quantités de grandeur scalaire ou vectorielle
1) La quantité scalaire
Une quantité scalaire est définie comme une quantité qui a seulement la grandeur. Une quantité scalaire n'a aucun composant directionnel, seulement la grandeur. Par exemple, les unités de temps (minutes, jours, heures, etc.) représentent une quantité de temps seulement et n'indiquent rien de la direction. Les exemples typiques des quantités scalaires sont temps, température, volume, densité, masse, énergie et etc.
m = 1 kilogramme t = 24 seconde V = 220 volts par exemple
2) La quantité vectorielle
Elle est définie comme une quantité qui a une grandeur et une direction. Ces quantités sont représentées par une flèche appelée un vecteur. Un vecteur a une grandeur et une
Lycée 1 Physique
10
direction. La direction indique comment le vecteur est orienté relativement à un certain axe de référence.
Des exemples de quantités vectorielles sont : déplacement, vitesse, accélération, force, poids etc. Par exemple : Une voiture se deplace vers l'Est à 50 km/h
=> Direction= Est Nombre =50 Unité : km/h:
Un objet pèse 600N => Direction : En bas Nombre : 600 Unité : N
Les quantités vectorielles ont deux caractéristiques, une grandeur et une direction. Les quantités scalaires ont seulement une grandeur.
En comparant deux quantités de vecteur de. le même type, vous devez comparer la grandeur et la direction. Pour des grandeurs scalaires, vous devez seulement comparer la grandeur.
EXERCICE DE PHYSIQUE - CHAPITRE 1
A- Complète avec :
Qualitative, physique, physiciens, conclusion , indirect, données, voltmètre, hypothèse, dépendant, thermomètre, vecteur, météorologie, galileo galilei, de base, indépendant, incertain, scalaire, chaleur, optique, quantitative, dérivée, direct, systématique, radioactivité, géologie.
1) La différence de potentiel est mesurée par…………………
2) La masse est une grandeur……………….
3) La science qui étudie la matière et l’énergie est appelée…………….
Lycée 1 Physique
11
4) L’application de la physique qui étudie la terre est appelée…………..
5) La méthode scientifique a été appliquée la 1ère fois par………………..
6) La branche de la physique qui étudie le comportement de la lumière dans différents support à travers des corps transparents, s’appelle…………….
7) Nous utilisons nos sens pour une observation…………………………….
8) Une tentative d’explication possible d’un phénomène ou d’un événement est appelée………………….
9) Les grandeurs telles l’énergie, la puissance, l’accélération, la vitesse sont des grandeurs…………………….et elles sont la combinaison de grandeurs…………….telles la longueur, le temps, la masse.
10) Mesurer la fièvre d’un patient avec un ………………………..… est un exemple de mesure……………………………
11) Les grandeurs qui ont une direction sont des grandeurs……………………
12) Nous devons mesurer le déplacement et le temps pour avoir la vitesse d’une voiture. Ce type de mesure s’appelle mesure…………………………..
13) L’étude des phénomènes atmosphériques s’appelle………………………..
B/ Dire si les phrases suivantes sont vraies ou fausses. Puis corriger les phrases fausses.
a) La physique est l’étude sociale sur la relation entre l’homme et son environnement……….
b) La masse est une grandeur vectorielle et est dirigée vers le centre de la terre. ………
Lycée 1 Physique
12
c) La branche de la physique qui étudie les propriétés magnétiques de la matière est appelée magnétisme. --------------
d) Les observations qualitatives dépendent de nos sens.-------------
e) Einstein fut la première personne à introduire la méthode scientifique. -------------
f) Dans la mesure de la vitesse d’un objet, le temps est la variable indépendante, tandis que le déplacement est la variable dépendante._ _ _ _ _ _
g) La calorie est l’unité SI de l’énergie._ _ _ _ _ _ _ _
h) Le travail, la puissance et l’énergie sont des exemples de grandeur de base. _ _ _ _ _
i) On peut mesurer la hauteur d’un building avec un voltmètre. _ _ _ _ _ _ _
j) S’il y a une erreur dans la mesure. La cause est toujours liée à l’expérimentateur. __ _ k) Les grandeurs vectorielles ont une direction. _ _ _ _ _ _ _ _ _ l) Les grandeurs vectorielles sont représentées par les lignes brisées. _ _ _ _ _ _ _ _
C- Ecrire les évènements ou objets ci dessous dans la branche de la physique correspondante
1. Un réfrigérateur refroidit les objets qui s’y trouvent à l’intérieur. 2. Utilisation du microscope pour voir les cellules des plantes.
3. Les poulies servent à soulever les lourdes charges. 4. Les lampes fluorescentes produisent de la lumière et on utilise une boussole pour
trouver notre direction.
5. Une infirmière mesure la fièvre d’un patient avec le thermomètre.
6. Une balle de billard en mouvement entre en collision avec une autre balle et cause son mouvement.
7. Une centrale nucléaire utilise l’uranium comme combustible.
8. Regarder une fourmi à travers de magnifiques lunettes.
9. Utiliser un aimant pour rassembler des aiguilles dispersées.
Lycée 1 Physique
13
10. La musique parvient à mes oreilles.
11. L’énergie est produite sur le soleil par des atomes d’hydrogène.
Branche Événement ou objet Mécanique
Electricité
Magnétisme
Optique
Les ondes
Thermodynamique
Physique nucléaire
D/ Ci-dessous se trouve une liste d’observation qualitative et quantitative. Mettre une croix dans la bonne colonne pour chaque observation.
Observations qualitative quantitative
Le temps est nuageux aujourd’hui
La police dit que je conduisais à 130 km/h
La soupe est très chaude
Je ne peux pas voir nettement les objets éloignés
L’enfant fait une fièvre de 39°C
Le vent souffle avec une vitesse de 20 m/s
Le téléphone a sonné 5 fois
J’ai apporté 2 kg de pommes hier
Cette soupe au piment est piquante
Il y a 20 minutes avant la fin de cette leçon
Il fait très froid dehors
Lycée 1 Physique
14
Nous avons besoin de 20 mn de tissus
Lycée 1 Physique
15
E/ Compléter les grandeurs suivantes avec leur unité. Dire si ce sont des grandeurs de base ou dérivée.
Grandeur Unité
Relation
De base / dérivée
1. pression a. ampère 1 &
2. puissance b. seconde 2 &
3. longueur c. kelvin 3 &
4. résistance d. watt 4. &
5. résistance électrique e. volt 5. &
6. accélération f. coulomb 6. &
7. temps g. kg/m3 7. &
8. masse h. Newton 8. &
9. charge électrique i. Candela 9. &
10. courant électrique j. joule 10. &
11. tension électrique k. kilogramme 11. &
12. énergie l. Pascal 12. &
13. température m. mètre 13. &
14. intensité lumineuse n. m/s2 14. &
15. densité (masse volumique) o. ohm 15. &
Lycée 1 Physique
16
CHAPITRE 2
LA MATIERE ET SES
PROPRIETES
Lycée 1 Physique
17
CHAPITRE II : LA MATIERE ET SES PROPRIETES
I- LA MATIÈRE ET SES DIFFÉRENTS ÉTATS
1/ Qu’est ce que la matière ?
La matière est tout ce qui se trouve autour de nous et dans l’espace. Il existe un nombre infini de sortes de matière, il convient de les classer selon leurs propriétés communes. En les observant d’un point de vue générale, il est possible de les diviser en 4 groupes : 1- les solides
2- les liquides
3- les gaz
4- le plasma
Mais comme la connaissance des sciences s’accroît dans le temps, les observations peuvent se développer, les connaissances antérieures peuvent être annulées ou modifiées, il sera possible de faire des changements dans le classement de la matière.
Les connaissances en physique étant toujours limitées, on peut accepter aussi la présence d’autres états de la matière dont on ignore encore l’existence. Les observations et les expériences récentes démontrent la présence d’un 4ème état nommé « plasma ».
2- Les états de la matière
a- L’état solide
C’est un état dont les molécules s’attirent avec une très grande force et qui vibrent à leur place.
Par conséquent, ces molécules ne se déplacent pas à l’intérieur de leur volume qui leur est consacré. Donc les solides ne sont pas coulant (fluide).
Leur masse, leur volume et leur forme sont invariables.
L’espace vide entre les molécules est minimal, on peut dire qu’elle n’existe pas. Sauf quelques exceptions.
b- L’état liquide
Lycée 1 Physique
18
Les forces d’attraction entre les molécules n’étant pas si grande comme celles qui existent dans les solides, les molécules vibrent et peuvent se déplacer un peu, c’est pourquoi on peut dire qu’ils sont coulants (fluide).
Il y a des espaces vides très petits entre leur molécules.
Ils sont incompressibles, ils sont indifférents à l’action d’un aimant.
Ils ont un volume propre mais pas de forme précise. Ils prennent la forme des récipients qui les contiennent.
c- L’état gazeux
Les forces d’attraction entre les molécules sont très petites.
D’où les molécules font des mouvements indépendamment.
Ils sont coulant (fluide).
Ils ont une masse précise mais ils n’ont pas de volume et de forme propre.
Il existe beaucoup d’espace entre les molécules. Donc ils sont compressibles.
Si on leur fait subit une force pressante, leur volume diminue.
d- L’état plasmique
C’est un état qui n’est rencontré fréquemment. On peut exprimer que le plasma est le gaz ionisé. « Etre ionisé », c’est prendre des électrons ou céder des électrons. Les gaz, à des hautes températures ou soumis à des grandes pressions, perdent leurs électrons.
Ainsi le plasma est un ensemble de particules chargées d’électrons libres négatives et de noyaux positives. Mais l’ensemble est électriquement neutre. Mais il est un bon conducteur électrique. Puisque le plasma est obtenu avec des grandes pressions, on pense que le plasma existe dans les planètes comme Jupiter, dans lesquelles il y a une grande pression. Si non, on ne peut pas arriver à une pression si grande dans les conditions de laboratoires de notre jour.
Selon la quantité de molécules de gaz ionisés, il existe deux sortes de plasma. Dans la première, le pourcentage d’ionisation est très élevé car l’ionisation se passe à des températures très hautes (des millions de °C). La deuxième sorte de plasma est obtenue à des températures entre 2000 et 10000°C. Ainsi le pourcentage d’ionisation est 50% (la moitié du gaz est ionisé).
Lycée 1 Physique
19
On peut observer l’état plasmique dans les étoiles, dans l’espace entre les étoiles et les planètes et même dans l’atmosphère se trouvant autour des planètes. On dit que 96% de l’Univers est à l’état plasmique.
Le plasma est utilisé dans l’industrie. Il est obtenu dans des fours à hautes températures (entre 1200-1700°C). Il est utilisé pour couper les métaux, le nettoyage des surfaces, le galvanisation des surfaces métalliques et céramique. Surtout les lunettes, les verres et les appareils d’optique. il est utilisé aussi dans l’illumination (les lampes fluorescentes) et dans les ordinateurs, les appareils électroniques et dans les bandes de voix et de vue. Et finalement, il est utilisé dans la stérilisation des produits alimentaires.
Autour de notre Terre, la couche appelée « ionisphère » est en état plasmique.
* Propriétés commune à toute la matière :
1ère activité : remplir les cases vides du tableau
Nom de la
Matière
Couleur Masse Volume Forme Odeur Goût coulant
Bonbon (sucre)
+ + + + + + +
Eau de Cologne
+ + + -
Air - +
Pain
Lait
D’après le tableau, quelles sont les propriétés commune de ces matières ?
Est-ce que ces propriétés communes sont valables pour toute la matière de la nature ? Y-a-t-il des matières qui ne possèdent pas ces propriétés ?
Lycée 1 Physique
20
3. Les propriétés de la matière
On examine la matière par ses propriétés physiques et chimiques. Puis on rassemble ces propriétés par celles qui sont communes et distinctives.
En comparant deux matières, les conditions d’ambiance doivent être les mêmes.
a)Les propriétés communes
Les propriétés communes de la matière ne servent pas à voir la différence entre ces deux matières mais les propriétés distinctives font voir cette différence.
La masse, le volume sont parmi les propriétés communes. Toute sorte de matière peut avoir la même masse et le même volume.
En sachant la masse et le volume, nous ne pourrons pas faire une différence entre deux matières. Trois blocs de verre, de bois ou d’acier peuvent avoir le même volume ou la même masse, pourtant ils sont faites de 3 matières différentes.
b) Les propriétés distinctives
On appelle « propriétés distinctives » de la matière, celles qui restent fidèle à la matière même si on modifie sa quantité ou ses dimensions.
Exemple, la couleur, l’odeur, le goût, la dureté, l’élasticité, etc. Ces propriétés dont on cite, sont celles que l’on peut examiner à l’aide de nos organes de sens.
L’eau issue d’une même source, possède la même couleur, la même odeur et le même goût.
Il existe plusieurs propriétés distinctives. L’odeur, le goût, la couleur sont parfois insuffisantes pour saisir la différence. Chaque matière réagit différemment à certaines phénomènes comme à
la chaleur, au courant électrique ou à la poussée exercée par les fluides.
La propriétés propre à la matière, qui n’appartient pas à une autre matière, est appelée « propriété distinctive ». Les plus connues sont :
la masse volumique (la densité), la conductivité électrique, la conductivité thermique, la dilatation, les températures de fusion, d’ébullition, la chaleur spécifique etc.
Deux matières dont une des propriétés citées ci-dessus se manifestant autrement, sont dites deux matières différentes.
Lycée 1 Physique
21
Vérifions nos connaissances
1- Une bille en fer est battue pour en faire devenir une monnaie.
Lesquelles de ces quantités sont elles changées ?
I- Sa masse
II- Ses dimensions
III- Son volume
Réponse : II (seule la forme du fer peut changer)
2- On peut attendre un verre d’eau pure, à la température constante pour une longue durée de temps.
Quelles sont les qualités qui peuvent être changées ?
I- Son goût
II- La hauteur d’eau dans le verre
III- Sa masse
Réponse II et III (car l’eau peut s’évaporer, sa masse et son volume diminueront mais son goût est sa propriété distinctive, elle ne changera pas)
3- Un enfant veut savoir si deux corps solides sont faits de même matière.
I- Il mesure leur masse
II- Il les jette dans un récipient plein d’eau
III- Il mesure leur température à laquelle ils commence à se fondre
Quelle est l’opération qui ne servira point à aboutir son but.
Réponse : I (car la masse est la propriété commune de la matière. Deux corps différents peuvent avoir la même masse)
Lycée 1 Physique
22
4- On exerce une force pressante sur un ballon rempli d’eau afin de ne pas faire l’éclater.
quelles sont les quantités variées lors de cette action ?
I- Sa masse
II- Ses dimensions
III- Son volume
Réponse : II (la forme du ballon peut changer seulement)
II ETUDE DES PROPRIÉTÉS COMMUNES DE LA MATIÈRE :
LA MASSE ET LE VOLUME
1) Introduction
La quantité de matière est appelée la masse.
Elle dépend du nombre de proton, de neutron des atomes.
A part les réactions chimiques, la masse est une grandeur qui reste constante à toute pression ou température. La masse est une grandeur scalaire. Son unité est le kilogramme et elle est mesurée avec une balance.
La notion de masse prouve que la matière occupe une place dans l’espace. la place occupée dans l’espace prend le nom de « volume ».
La pression ne change pas le volume des liquides et des solides. Elle peut seulement changer leur forme.
Mais la variation de température peut provoquer un changement de volume. Le volume d’un gaz est égale au volume du récipient qui le contient.
Le volume est aussi une grandeur scalaire. Il est représenté par V et son unité est le mètre-cube (m3)
Tant qu’un liquide ou un solide se trouve dans un récipient, une autre matière ne peut pas prendre de la place dans le même récipient. C’est pourquoi un objet solide, jeté dans un liquide, remplace une quantité de liquide égale à son volume, ainsi le liquide déborde.
Pourtant, si un ballon contient un gaz, on peut y ajouter un 2ème gaz, ils auront le volume total égal toujours au volume du ballon.
Lycée 1 Physique
23
volume = axbxc
Volume : (A×h)/3
2. Comment mesurer le volume d’un corps solide ?
Les corps solides sont divisés en deux selon leur aspect externe.
1- les solides qui ont une forme géométrique
2- les solides qui on une forme quelconque
Ainsi le volume d’un corps peut être calculé ou être mesuré. On calcule le volume d’un corps dont la forme est géométrique. On donne les formules de volume suivant la forme géométrique :
cylindre: Volume : R²h
Aire latérale : 2 Rh
sphère: Volume : 4/3 R³ Aire : 4 R²
cube: Volume : c³ Surface : 6c²
cône: Volume : ( R²h)/3 parallelepipède rectangle
pyramide:
Pour les corps dont la forme n’est pas simple ou géométrique, la recherche du volume sera faite à l’aide d’une éprouvette graduée ou d’un vase débordeur.
Lycée 1 Physique
24
Pour cela l’objet solide doit être complètement immergé dans le liquide. On constate une variation de niveau du liquide. La différence entre le volume final (V2) et initial (V1) du liquide correspondant au volume d’objet solide.
V1 = ________ ___ V2 = ________ ___
Vsolide = V2 – V1 = _____ - _____ = ________ ___
1) Un corps Y de masse 120g, fait allourdir un récipient plein de liquide de 100g.
En déduire la masse du liquide débordé.
Réponse : M liq.débordé = 20g
2) Un coté d’un cube mesure 3cm.
a) Calculer son volume
b) Combien de cubes de 3cm peut-on introduire dans ce cube ?
Réponse : a) V=27cm3
b) n=9
Lycée 1 Physique
25
Y
1) On construit un cylindre de rayon r , a partir d’une sphère de rayon r.
De combien sera sa hauteur ? (en fonction de r)
Réponse : h= 4/3 r
2) Une éprouvette cylindrique de rayon 20cm et de hauteur 50cm contient de l’eau. Si on introduit un cône de même rayon et de même hauteur que l’éprouvette, combien de litres d’eau restera dans l’éprouvette ?
Réponse : V= 40litres
6) On remplit le récipient avec de l'eau de manière qu'il reste 40cm3 de vide. Un objet Y de volume 120cm3 est jeté dans l'eau
Quel est le volume d'eau débordée?
Rép. : V eau débordée = 80cm3
7) Une éprouvette graduée contient du sable jusqu'à la moitié. Pourquoi peut-on verser de l'eau plus que la moitié de son volume?
Rép. : Entre les grains de sable, il y a de l'espace vide rempli d'air. C'est pourquoi l'eau pénètre aussi à l'intérieur du sable.
ACTIVITE 4
A) vrai ou faux:
----Le groupement de la matière et des événements est une des méthodes scientifiques; et cette méthode est appelée « classification ».
1. ---- On appelle « matière » tout ce qui a des dimensions et tout ce qu'on saisit directement ou indirectement par les organes de sens.
Lycée 1 Physique
26
2. ---- L'état solide de la matière est l'état pour lequel les molécules s'attirent fortement, se vibrent et en même temps elles font des mouvements de translation (mouvement libre à l'intérieur de leur volume)
3. ---- Le plasma est l'état pour lequel les particules sont en intéraction continue.Il est bon conducteur de chaleur et de courant électrique. Il s'influence aussi de l'aimant.
4. ---- Pour la comparaison des matières, il faut des mêmes conditions. Ces conditions sont la pression et la température.
5. ---- Si deux matières ont certaines propriétés distinctives les mêmes, aux mesures dans les mêmes conditions, ces deux matières sont absolument les mêmes.
6. ----- La masse est une grandeur indépendante du nombre de protons et de neutrons.
7. ----- La pression ne peut pas changer le volume des liquides et des solides.
B) Indiquer les prépositions correctes:
LIQUIDE COULEUR MASSE M.VOLUMIQUE
X BLEU M ρ
Y BLEU 2M 2ρ
Z ROUGE M ρ
Que peut-on dire de ces trois liquides dont les mesures sont faite à la même température?
I. Ils sont le même liquide
II. X et Z peuvent etre le même. Y est un liquide différent.
III. X et Y peuvent etre le même. Z est un liquide différent.
IV. Y et Z peuvent etre le même. X est un liquide différent.
V. Ils sont des liquides différents.
2- Un parmi les cinq n'est pas un état? Lequel?
Lycée 1 Physique
27
a) solide b) liquide c) ion d) plasma e) gaz
3- Qu'est-ce qui n'est pas à conseiller à une personne qui voudra savoir si deux liquides inodores et de même couleur, sont de même matière?
a) Gouter des deux liquides
b) Comparer la poussée d'Archimèdes qu'exercent ces deux liquides
c) Comparer les températures d'ébullition
d) Comparer les volumes de meme masse
e) Comparer les températures de fusion
4-Lesquels peuvent être comprimés?
I) Le solide II) Le liquide III) Le gaz IV) Le plasma
a) Seulement II
b) Seulement III
c) I et II
d) II et III
e) III et IV
5-Dans quel état, les particules de la matiere peuvent executer le mouvement de translation?
I-Solide II-Liquide III-Gaz IV- Plasma
a) Seulement II
b) Seulement III
c) I et II
d) I, II et III
Lycée 1 Physique
28
Eau h
V (air)
e) II, III et IV
6- Une éprouvette graduée contient un liquide jusqu'à la moitié on y jette un corps solide, insoluble dans ce liquide et qui ne fait pas déborder de liquide. Choisissez les énoncés correctes.
a) Le volume du liquide augmente mais sa hauteur ne change pas
b) Le volume et la hauteur du liquide augmentent
c) Le volume du liquide ne change pas , sa hauteur augmente
d) Le volume du liquide diminue, sa hauteur augmente
7- Une bille suspendue au plafond d'un contenant qui a un volume V d'air et de l'eau de hauteur h. Si le fil est coupé, la bille gagne le fond, que peut-on dire de V et de h?
h V
a) augmente augmente
b) augmente Ne change pas
c) ne change pas Augmente
d) augmente Diminue
e) diminue Augmente
8- Une boule d'air formée au fond d'un lac, augmente de volume en s'élevant a la surface a cause de la diminution de pression.
A quoi est lié cet événement ?
a) Les gaz ne sont pas influencés du champ magnétique
b) Les molécules des gaz font des mouvements de translation
Lycée 1 Physique
29
c) Les gaz chauffés se dilatent
d) Le volume des gaz est exactement égal au volume du contenant
e) Les gaz sont compressibles
9- Qu'est-ce qui n'est pas le plasma?
a) le soleil
b) l'éclair
c) la lave du volcan
d) la lampe fluorescente
e) la lampe de néon
11- Un vase dont la masse est 500g et le volume interne est 100 cm3. On y ajoute du sable sec jusqu’à sa moitié et la masse du vase augmente de 800g. on verse dessus de l’eau. mais à partir de 60 cm3, l’eau déborde.
En déduire le volume d’air entre les grains de sable.
Quelle est la masse volumique du sable ?
Rép : 100 cm3
2g/cm3
12- Un récipient de 1000 cm3 de volume est rempli par des billes de masse volumique de 3 g/cm3.
Sachant que la masse du récipient augmente de 2,7 kg, trouver l’espace vide (air) entre les billes.
Rép : 100 cm3
13- Une éponge a une masse de 0,1 g et un volume de 100 cm3. Elle absorbe jusqu’à 80 g d’eau.
Calculer la masse volumique de l’éponge.
Lycée 1 Physique
30
Y
rép : 5 10 –3 g/cm3
14/
Un objet solide Y a une masse volumique égale à 8g/cm3. Quand il est abandonné dans un liquide, la masse du récipient augmente de 50 g.
Sachant que 30 g du liquide déborde, déterminer la masse volumique du liquide.
Rép : 3 g/cm3
15/ Une boule métallique pleine a un volume égal à 80 cm3 s’est transformé en un cube vide.
La masse volumique de la boule est 2 g/cm3 , celle du cube est 0,4 g/cm3.
D’où, déterminer le volume de la partie vide (cavité) dans le cube.
Rép : 320 cm3
Lycée 1 Physique
31
III ETUDE DE LA SOLİDİTE ET DE LA TENSİON SUPERFİCİELLE
1. LA SOLIDITE :
Si on varie les dimensions d’un objet, la surface de section (SS) , la surface superficielle (SSf) et le volume (V) de cet objet changent.
Le rapport SS/V est appelé la solidité d’un objet.
Quand on varie les dimensions d’un objet de même quantité, le poids (le volume i.e. la masse i.e. le poids ) de l’objet augmente plus que sa surface de section.
Les êtres vivants et leurs dimensions
Les êtres vivants émettent de l’énergie proportionnellement avec leurs surfaces superficielles. Mais ils produisent de l’énergie proportionnellement avec leurs volumes.
Ex : la souris → le rapport SSf/V est grand par rapport à un éléphant. Comme la perte d’énergie de la souris sera grande, son métabolisme doit être rapide
(Les oreilles de l’éléphant (augmentant la SSf pour la perte facile de chaleur) lui permettent de réguler sa température corporelle)
La perte de chaleur des etres vivants ≈ SSf (=L2)
La chaleur produite par le métabolisme ≈ V (=L3)
Lycée 1 Physique
32
2. Tension superficielle dans les liquides
Tout d'abord, il est important de savoir que la tension superficielle est également appelée tension de surface ou énergie d'interface ou bien encore énergie de surface.
-La tension superficielle ; c’est la tendance des liquides à réduire leur surface exposée ( SSf) à la
plus petite surface possible.( La tension superficielle (aussi appelée énergie de surface) est due aux
attractions inter-moléculaires. Cette tension est assez élevée dans le cas de l'eau.)
La sphère est la forme de surface la plus petite possible.
- C’est une force existant au niveau de toute interface entre deux milieux différents. En effet, les molécules préférant être entourées par leurs congénères –hemcins-, le système tend à minimiser la surface de contact entre les deux milieux.
Exemples (pour la tension. Superficielle) :
1) la forme sphérique des bulles de savon
2) la forme bombée de la surface d’un verre un peu trop rempli
3) la stabilité de la goutte de rosée à la surface d’une feuille
4) certains insectes qui marchent sur l’eau
5) un objet léger qui se maintient à la surface d’un liquide
6) les phénomènes de capillarité, etc
LES FIGURES :
Ce phénomène explique par exemple la forme sphérique des bulles de
savon, il s’agit de la surface minimale pour un volume de gaz donné.
Un autre exemple : la forme bombée de la surface d’un verre un peu trop rempli.
Sans cette force de tension superficielle, qui s’oppose à l’accroissement de la surface,l’eau
déborderait…
Et un dernier avec cette goutte de rosée à la surface d’une feuille.
Trois milieux sont en présence : l’eau, l’air et la feuille. Au lieu de s’étaler sur
Lycée 1 Physique
33
la feuille, la goutte minimise sa surface de contact avec elle.
(C'est donc cette force, la tension superficielle, qui permet à la goutte d'eau de ne pas s'étaler sur
une feuille, ou à certains insectes de marcher sur l'eau, ou bien encore qui permet cette forme
bombée de l'eau dans un verre à ras bord avec la notion de capillarité.) Les molécules dans les liquides sont attirées également de tous les cotés (la résultante R=0), mais
aux près de la surface subissent
des attractions inégales et sont donc attirées vers le centre du liquide par cette nette force. La
surface apparait alors agissant comme
une membrane extrêmement mince.
Lycée 1 Physique
34
La résultante des forces s'exerçant sur les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide . Ce phénomène tend la surface.
Fig. 1 - Réunion de deux gouttes pour réduire l'énergie d'interface
REMARQUE : La forme et la grandeur de surface d’un liquide est fourni par le mouvement de ses molécules ; par la cohésion et par l’adhésion des molécules.
II) force de cohésion : c’est la force d’attraction entre les atomes et les molécules de la même
matière
III) force d’adhésion : c’est la force d’attraction entre les atomes et les molécules de deux
matières différentes.
Exemple :
Eau ↔ Eau Eau ↔ Verre
COHESION ADHESION
Lycée 1 Physique
35
La cohésion engendre –cause- la formation des gouttes d’eau, la tension superficielle cause les gouttes à être presque sphèrique, et l’adhésion garde les gouttes en place.
CONCLUSION :
La tension superficielle est le résultat de la cohésion et la capillarité est le résultat de la combination
de la cohésion et de l’adhésion.
Une goutte d’eau par exemple, tend à prendre la forme d’une sphère. Le phénomène est attribuable à la cohésion ; les forces d’attraction agissant entre les molécules du liquide.
Lycée 1 Physique
36
Unité de mesure de la tension superficielle
L'unité de mesure de la tension superficielle est le newton par mètre (N.m-1) qui est équivalent aux joules par mètre carré (J.m-2) qui est l'unité d'énergie de surface (ou dyne/cm). La tension superficielle est la force qu'il faut appliquer à un liquide pour provoquer l'extension de sa surface. On peut définir l'énergie d'interface comme un surplus d'énergie chimique lorsque les molécules de surface se trouvent à l'intérieur du liquide.
REMARQUE : La tension superficielle diminue avec l’augmentation de température.
Elle diminue aussi, quand on verse une certaine quantité de détergent dans l’eau.
Effet capillaire
La capillarité engendre –s l'effet bombé de l'eau dans un verre. Pour expliquer ce phénomène simplement, on peut dire que le verre exerce une attraction sur les molécules d'eau, et c'est pour cela que celles-ci montent et forme un ménisque –
L'eau est bombé vers le bas car l'eau remonte le long des parois.
IV- applications
1.
Lycée 1 Physique
37
La capillarité, ensemble des phénomènes observés à la surface d'un liquide lorsqu'il est en contact
avec un corps solide, tel que les parois d'un tube. Ce phénomène est notamment visible dans les tubes
capillaires (du latin capillus, qui signifie « cheveu »), c'est-à-dire dans les tubes de très faible
diamètre.
La capillarité dépend de la tension superficielle du liquide et du mouillage des parois du tube.
III- LA MASSE VOLUMIQUE DES MÉLANGES
Un ensemble de matières sans réaction chimique forme un mélange. L’eau de mer, les aliments que nous mangeons ou le thé sont quelques exemples de mélange.
On peut aussi parler de la masse volumique des mélanges.
ρ = M mélange / V mélange
Si les volumes des constituants sont égaux, la masse volumique du mélange est :
ρ mélange = (ρ1+ρ2+........+ρn )/n
n : nombre de constituants
Si les masses sont égales, à ce moment-là la masse volumique du mélange est
ρmélange =(M 1 + M2 +.........Mn)/ (V1 + V2+........Vn )
Lycée 1 Physique
38
Lycée 1 Physique
39
Position. Vitesse. Accélération
1. Référentiel, Repère
a) Cinématique du point
La cinématique est l’étude du mouvement des corps.
Les grandeurs physiques de la cinématique sont le temps, la position, la vitesse et
l’accélération.
"Etudier le mouvement" veut dire :
Trouver l’équation de la trajectoire du mobile.
Trouver la relation mathématique (= équation) entre vitesse et temps.
Trouver la relation entre position et temps.
Trouver la relation entre vitesse et position.
b) La description du mouvement n’est pas la même dans tous les référentiels
La description d’un mouvement se fait par rapport à un corps (ou un système de plusieurs corps
immobiles les uns par rapport aux autres), choisi comme référence, appelé référentiel.
Voici quelques référentiels couramment utilisés :
o Terre (avec tous les corps en repos par rapport à la Terre : salle de classe,...) ;
o train, voiture, avion en mouvement par rapport à la Terre ;
o système formé par le centre de la Terre et trois étoiles fixes (= référentiel
géocentrique).
Exemple Deux voyageurs Ali et Burak sont assis dans un wagon en mouvement. Le voyageur
Ali observe Burak et conclut : Burak est immobile. Can se trouvant sur le quai où
passe le train, observe Burak et conclut : Burak est en mouvement.
Ces deux observations sont-elles contradictoires ?
Non, car elles sont faites dans deux référentiels différents : Ali fait ses observations
dans le référentiel du wagon, Can fait ses observations dans le référentiel lié à la
Terre.
Lycée 1 Physique
40
Pour décrire mathématiquement les caractéristiques d’un mouvement, un observateur utilise un
repère (repérage de la position) et une horloge (mesure du temps) liés au référentiel
d’observation.
Un repère est déterminé par une origine O et par une base.
Le plus souvent la base est orthonormée : le repère est
alors appelé repère cartésien (O, i , j , k) !
Les axes Ox et Oy perpendiculaires entre-eux, forment un
plan. L’axe Oz est perpendiculaire à ce plan.
Souvent le mouvement se déroule dans un plan et un repère
(O, i , j ) à 2 dimensions définissant ce plan suffit.
Si le mouvement est rectiligne, un seul axe Ox parallèle au
mouvement suffit. Ce sera le cas des mouvements rectilignes .
c) Le temps (t) est une grandeur physique fondamentale
Dans le domaine des sciences comme dans la vie courante, le temps intervient de deux manières :
1) La durée ou l’intervalle de temps qui s’écoule entre deux événements.
2) La date ou l’instant auquel un événement a lieu.
Toute durée est une différence de deux dates, et est donc indépendante de l’origine des
temps ! Si deux événements se produisent à des instants t1 et t2 > t1, alors l’intervalle de temps (ou
la durée) entre ces événements est t2 t1 > 0.
Le temps est mesuré à l’aide d’horloges .
L’unité S.I. (Système International d’unités) du temps est la seconde (s).
La trajectoire du point dépend du référentiel
La trajectoire est l'ensemble des positions
successives occupées par le mobile M lors de
son mouvement.
Elle est représentée par une courbe dans
l’espace. Comme toute courbe, la trajectoire
est déterminée, dans un repère donné, par
son équation mathématique.
La forme de la trajectoire dépend du
référentiel choisi.
Lycée 1 Physique
41
2. Position d’un mobile
a) Vecteur position et coordonnées cartésiennes
Soit M le mobile et (O, i , j ) le repère choisi. La position de M à chaque instant est
repérée par les coordonnées (ou composantes) x, y du vecteur position � .
Mathématiquement : � x y
a) Deplacement
OM =
Ainsi x < 0 si le mouvement se fait dans le sens négatif de la trajectoire ! Si l’on veut que le
déplacement soit positif, on n’a qu’à prendre la valeur absolue de x !
Remarque On note usuellement par x la différence « valeur finale de la grandeur x »
moins « valeur initiale de la grandeur x » : x = xfinal xinitial
x 2 y2
Lycée 1 physique
42
3. Vitesse d’un mobile
La rapidité avec laquelle un mobile change de position est indiquée par sa vitesse. On
distingue vitesse moyenne et vitesse instantanée.
La vitesse (v) est définie comme la distance parcourue par un objet par unité de temps.
vitesse = distance parcourue
temps écoulé
v = d
t
L'unité SI de la vitesse est le m/s (mètre par seconde).
La vitesse est une quantité scalaire.
Un objet a une vitesse constante s'il parcourt la même distance pendant des périodes de temps
égales.
Une vitesse constante est un exemple de mouvement uniforme.
La vitesse moyenne (v(moy)) est la distance totale parcourue pendant un intervalle de temps,
divisée par cet intervalle de temps.
vitesse moyenne = distance totale parcourue
temps écoulé
v(moy) = d
T
La vitesse instantanée est la vitesse scalaire d'un objet à un instant précis.
Le vecteur vitesse( ) est le déplacement d'un objet (changement de la position) par unité de
temps.
vecteur vitesse = déplacement
temps écoulé
=
---
t
L'unité SI du vecteur vitesse est le m/s.
Le vecteur vitesse est, comme son nom l'indique, une quantité vectorielle.
Un objet possède un vecteur vitesse constant s'il parcourt la même distance pendant les mêmes
intervalles de temps.
Lycée 1 physique
43
Un vecteur vitesse constant est un exemple de mouvement uniforme.
Le vecteur vitesse moyen ( (moy)) est le déplacement total d'un objet durant un certain intervalle
de temps, divisé par cet intervalle de temps.
(moy) =
( 1- 2)
--------
t
= ---
t
Le vecteur vitesse instantané est la vitesse algébrique instantanée dans une direction indiquée.
Un graphique de la position en fonction du temps ou un graphique du déplacement en fonction
du temps sert à analyser le mouvement d'un objet en une dimension.
La pente donne le vecteur vitesse de l'objet. La pente d'un segment de courbe entre deux points
du graphique fournit le vecteur vitesse moyen durant cet intervalle.
La pente de la tangente à la courbe en un moment précis donne le vecteur vitesse instantané à ce
moment précis.
La pente se calcule en divisant le changement de position par le changement de temps sur un
graphique de la position en fonction du temps.
* Direction et sens de v
Lorsque t devient très petit, t2 tend vers t1, et M2 tend vers M1. La norme du vecteur
déplacement tend vers zéro, et sa direction tend vers la tangente à la trajectoire au point
M1. Son sens reste orienté de M1 vers M2 = sens du mouvement.
Le vecteur vitesse instantanée v est à chaque instant tangent à la trajectoire. Son sens
est celui du mouvement.
Lycée 1 physique
44
d) Coordonnées du vecteur vitesse instantanée
Dans la base (O, i , j ), v s’exprime par : vx vy .
L’intensité v est donnée par la relation de Pythagore : v
Mouvement plan : v
Dans l’exemple de la figure : vx > 0 et vy < 0
Exemple : vx = 4 m/s et vy = -3 m/s, alors v = 5 m/s.
vx y v2
v2 x y v2
Lycée 1 physique
45
am
4. Accélération
Lorsque la vitesse v d’un mobile varie, on aimerait connaître la rapidité avec laquelle elle
varie. C’est justement l’accélération a du mobile qui comporte cette information !
L’accélération a (= vecteur accélération) indique de combien la vitesse v (= le vecteur
vitesse) varie en 1 seconde.
Attention : v peut varier en intensité et en direction !
Une forte accélération a (forte intensité du vecteur accélération) signifie que la vitesse varie
vite. Une faible accélération signifie qu’elle varie lentement. L’accélération a indique donc la
rapidité de variation de la vitesse v .
Exemples
* Mouvement rectiligne uniforme v ne varie pas
a = 0
* Mouvement uniforme mais non rectiligne v varie en direction; par contre v
(intensité de v ) reste constant
a 0
* Mouvement rectiligne mais non uniforme v varie; par contre la direction de
v reste constante
a 0
On distingue l’accélération moyenne
instantanée a à un instant donné.
au cours d’un intervalle de temps t, et l’accélération
a) Accélération moyenne
* Le mobile M devient de plus en plus rapide
A l’instant t1, le mobile se trouve en M1 avec la vitesse 1 .
Lycée 1 physique
46
am
A l’instant t2 , le mobile se trouve en M avec la vitesse 2
Au cours de l'intervalle de temps t = t2 – t1, la vitesse varie de 2 1 et l'accélération moyenne � m vaut :
* Le mobile M devient de plus en plus lent
Les formules sont exactement les mêmes. On voit que l'angle que fait
point M est un angle obtus.
1. Notations et vocabulaire
Un vecteur est noté avec une petite flèche. Le vecteur vitesse par exemple est noté : v . L’intensité
du vecteur est notée sans flèche. L’intensité du vecteur v est notée v.
Les termes intensité, module et norme d’un vecteur sont équivalents.
L’intensité d’un vecteur est un nombre strictement positif.
Les composantes ou coordonnées d’un vecteur sont notées avec les indices x, y, et z. Celles
du vecteur v par exemple sont notées vx, vy, vz. Elles sont les projections du vecteur sur
chaque axe. Ce sont des nombres algébriques (donc positifs ou négatifs) !
moy t
Lycée 1 physique
47
a x 0
vx v0x
. Mouvements rectilignes
Nous les étudions dans un repère cartésien comportant un seul axe Ox parallèle au
mouvement.
.
a) Mouvement rectiligne uniforme (MRU)
C'est un mouvement à vecteur accélération nul!
* Conditions initiales (C.I.)
t = 0 x = x0 (1)
vx = v0x (2)
* Accélération a 0 t
* Vitesse
t
* Position
x v0x t x 0
Lycée 1 physique
48
vx a x t v0x
b) Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV)
C'est un mouvement à vecteur accélération constant!
* Conditions initiales (C.I.)
t = 0 x = x0
(1)
vx = v0x
* Accélération
(2)
a constant ax constant t
* Vitesse
t (4)
* Position
t (6)
En éliminant t entre (4) et (6) on obtient une relation entre les vitesses et les abscisses :
vx v0x 2a x (x x 0 ) v 2a x
x 1
a t 2 v t x
x 0x 0
Lycée 1 physique
49
1 Forces 1.1 Rappel
Pour décrire les effets d’une force, nous devons préciser toutes ses propriétés :
• son point d’application ;
• sa droite d’action, c’est-à-dire sa direction ;
• son sens ;
• son intensité.
On peut réunir toutes ces propriétés en une seule grandeur mathématique, le vecteur ; une force est
donc représentée par un vecteur force (figure1).
droite d'action
F point d'application
sens
Figure 1 – Une force est représentée par un vecteur
La norme du vecteur est égale à l’intensité de la force. L’intensité du vecteur force � sera
notée F . L’unité d’intensité de force dans le Système international est le newton (N).
1.2 Mesurer des forces
1.2.1 Corps élastiques, corps plastiques
Un corps solide soumis à une force se déforme. S’il reprend sa forme initiale après la
suppression de la force, on l’appelle corps élastique, dans le cas contraire il s’agit d’un corps
plastique.
Lycée 1 physique
50
ressort
k
k
Loi de Hook
La figure3 montre le schéma du dispositif expérimental. On mesure l’allongement x du ressort en faisant varier l’intensité F de la force de 0 N à 1 N.
Remarque : une masse de 100 g exerce approximativement une force de 1 N dirigée verti-
calement vers le bas.
règle graduée
x
en absence de forces � force exercée ; réaction du ressort
Figure 3 – Étude de l’allongement d’un ressort
Loi de Hooke Un ressort initialement en équilibre se déforme sous l’effet d’une force. La déformation (allongement ou compression) x est proportionnelle à l’intensité F de
cette force :
La facteur de proportionnalité k est appelée constante de raideur du ressort, son unité de raideur est le N/m.
La constante de raideur indique l’i te sité de la force nécessaire pour allonger ou comprimer le ressort d’u e unité de longueur. Elle fait intervenir les caractéristiques physiques du ressort : sa longueur, son épaisseur, le matériau, . . .
F
ressort à forte raideur
élevé
ressort à faible raideur
bas
x
F = k x
R
masse
�
1
2
Lycée 1 physique
51
Figure 5 – Comparaison de la raideur de deux ressorts avec k1 > k2
Le diagramme de la figure5 montre que pour déformer différents ressorts d’une même
distance, la force nécessaire est d’autant plus intense que la raideur du ressort est élevée. De
façon équivalente, on constate que pour une même force, la déformation est d’autant plus grande
que la raideur du ressort est petite.
1.5.1 Méthode de résolution d’un problème à trois forces
Pour résoudre un problème comme celui posé dans l’exemple1.3, vous allez systématique- ment
appliquer la procédure suivante :
N S
Figure 12 – La boule soumise à trois forces est en équilibre
1re méthode : Utilisez la relation vectorielle : = � 1 +� 2 = −� 3
qui indique que l’une des trois forces appliquées est égale et opposée à la somme
géométrique des deux autres. Rappelons que le vecteur = −� 3 est la diagonale du
parallélogramme formé par � 1 et � 2
2e méthode : Projetez la relation vectorielle sur deux axes perpendiculaires de façon à
obtenir des relations algébriques entre les intensités des trois forces.
3e méthode : Décomposez une des forces suivant les directions des deux autres. Utilisez
ensuite la condition d’équilibre pour deux forces sur chacune des di- rections.
Les notions de projection et de décomposition d’un vecteur seront présentées dans les deux
sections suivantes. Il est important de bien maîtriser ces techniques mathé matiques.
1.5.2 Projection d’un vecteur
On choisit un système d’axes perpendiculaires Ox et Oy.
La projection du vecteur � sur l’axe Ox est obtenue en traçant deux perpendiculaires à cet
axe qui passent par les extrémités du vecteur ; la projection Fx est le segment de droite sur
T
boule
en acier
G
Fmag
Lycée 1 physique
52
M
M'
Fy
H
l’axe Ox délimité par les deux perpendiculaires (figure13). On procède de la même façon pour déterminer la projection Fy du vecteur sur l’axe Oy.
O Fx x
Figure 13 – Projections d’un vecteur sur deux axes perpendiculaires
Pour calculer les mesures algébriques des projections, on considère le triangle rectangle MHMt.
Dans ce triangle, l’intensité F est l’hypoténuse, Fx est le côté adjacent et Fy le côté opposé à
l’angle α. On a :
et :
cos α = Fx
F
⇒ Fx
= F cos α
sin α = Fy
F
⇒ Fy = F sin α.
Lycée 1 physique
53
1.5.3 Décomposition d’un vecteur
La décomposition d’un vecteur � consiste à écrire le vecteur comme une somme de deux
autres vecteurs� et � appelés composantes du vecteur : + La figure15amontre le vecteur � et les directions (1) et (2) suivant lesquelles on veut le décomposer. Sur ces directions on
construit le parallélogramme dont � est la diagonale. Les composantes cherchées � et � sont alors
les côtés du parallélogramme (figure 15b).
(a) Directions de la décomposition (b) Composantes du vecteur
Figure 15 – Décomposition d’un vecteur suivant deux directions quelconques
� = � + �
(1)
(2)
F1
F2
Lycée 1 physique
54
2. Les lois de Newton
2.1 1ere loi de Newton : Principe d’inertie
2.1.1 Le centre d’inertie
Expérience 1.5 Lançons un solide sur une table à coussin d’air horizontale (figure16). On
observe le mouvement de deux points du solide : le point P situé à sa périphérie et son centre de masse G.
Observation :
Le centre de masse G se déplace toujours sur une ligne droite et à vitesse constante.
Interprétation :
Dans un référentiel galiléen, si la somme vectorielle des forces qui s’exercent sur un
solide est nulle ( 0 F ), le vecteur vitesse G de son centre d’inertie ne varie pas.
Réciproquement, si le vecteur vitesse G du centre d’inertie d’un solide ne varie pas, la somme des forces qui s’exercent sur ce solide est nulle.
Figure 16 – Solide en mouvement sur une table horizontale
Lycée 1 physique
55
2.2 2eme loi de Newton : principe fondamental de la dynamique
Dans un référentiel galiléen, si un solide est soumis à un ensemble de forces de somme F non
nulle :
- il en résulte une variation du vecteur vitesse G de son centre d’inertie ;
- > Enoncé complet de la deuxième loi de Newton
- Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle extF des forces extérieures appliquées à
un solide est égale au produit de la masse du solide par le vecteur accélération de son
centre d’inertie :
- am=Fext
2.3 3eme loi de Newton : Principe de l’action et de la réaction
Principe d’interaction Lorsqu’un corps A exerce sur un corps B la force � A/B, alors
le corps B exerce sur le corps A la force � B/A.
A
Figure 17 – Principe d’interaction
Cette interaction est telle que (figure17) :
• � A/B et � B/A ont la même droite d’action ;
•� A/B = −� B/A.
Exemple 1.7 Une brique qui repose sur une table exerce une force � B/T sur la table. La
table réagit avec une force � T /B sur la brique.
brique
table
Lycée 1 physique
56
Fizik 9.Sınıf 4. Ünite Enerji
106
Chapitre 4
Travail, Puissance et Energie
.
Lycée 1 physique
57
Travail et puissance d'une force
1. Travail d’une force constante sur un chemin rectiligne
a) Force parallèle au déplacement
Déplacement rectiligne :
Le travail de la force F s’écrit donc : W( � ) = �
b) Force perpendiculaire au déplacement
� n’agit pas suivant le déplacement � n’influence pas le mouvement
Le travail de la force � est nul : W( � ) = 0.
c) Force quelconque
= angle entre � et .
On décompose � en � t (composante tangentielle au déplacement) et en � n (composante
normale au déplacement).
Donc : � � t � n
W(� ) W(� t ) W(� n ) .
Or : W( � t ) = � t� = Fcoss et : W( � n ) = 0.
Lycée 1 physique
58
Finalement, le travail de la force � au cours du déplacement s vaut :
W( F) = Fscos
On retrouve que si = 0, alors W = Fs, et si = 90°, alors W = 0 !
d) Définition du travail d’une force � constante au cours d’un déplacement rectiligne s
Exemple : F = 3 N; s = 2 m; = 30°.
Travail de F : W(� ) = Fscos= 3 N2 mcos30° = 5,2 J.
e) Unité S.I. : le joule (J)
Pour = 0, si F = 1 N et s = 1 m, alors W(� ) = 1 Nm = 1 joule = 1 J.
f) Rappel : produit scalaire de deux vecteurs et
Soient (ux, uy) et (vx, vy), alors :
g) Travail moteur et travail résistant
* 0°90°
cos0 W 0 : travail
moteur, car la force contribue au
mouvement!
* = 90°
cos= 0 W = 0 : la force ne
travaille pas!
* 90°180°
= uxvx + uyvy = uvcos (= angle entre u et v)
W( � ) = Fscos=Fs
Lycée 1 physique
59
WAB (� ) � FABcos
cos0 W 0 : travail
résistant, car la force
s’oppose au mouvement!
2. Travail d’une force constante sur un chemin quelconque
Le corps se déplace de A vers B suivant 2 chemins différents : chemin rectiligne (1) et chemin
curviligne quelconque (2). Il est soumis à la force constante � .
Remarque : Le travail d’une force � constante est indépendant du chemin suivi entre le
point de départ A et le point d’arrivé B
Lycée 1 physique
60
3. Exemple 1 : travail du poids d’un corps
4. Exemple 2 : travail de la tension d’un ressort
a) Force nécessaire pour tendre un ressort
On définit un axe Ox des abscisses :
Origine O : extrémité libre du ressort non tendu;
Direction : parallèle à la direction de la tension ;
Orientation tel que l’allongement x > 0. � : force exercée par un opérateur sur le ressort, nécessaire pour tendre le ressort d’une
longueur x. : tension du ressort = force exercée par le ressort tendu sur l’opérateur = force de rappel
qui tend à ramener le ressort dans son état non tendu.
Principe des actions réciproques : � =
La force nécessaire pour soulever, en
ligne droite et à vitesse constante, un
corps de poids P
est F = P (principe d’inertie!).
Cette force est exercée par un
opérateur, par exemple. Ou bien elle est
la résultante de plusieurs forces qui ont
pour effet d’équilibrer le poids.
En tout cas : W(� ) = W( ) = +mgz
Lycée 1 physique
61
T = kx
Intensités : F = T
Rappel de la loi de Hooke : où k est la raideur du ressort.
Unités S.I. : k en N/m.
Attention : Tconstant, T varie au cours du déplacement (T augmente si x augmente, T
diminue si x diminue).
Lycée 1 physique
62
b) Expression mathématique du travail de la tension d’un ressort étiré à partir de
son état non-déformé.
On tend le ressort de raideur k d’un point initial A d’abscisse xi = 0 (origine O = point A),
jusqu’à un point final B d’abscisse xf > 0.
Remarque : La valeur absolue du travail d’une force correspond à l’aire en dessous de
la courbe représentant l’intensité de la force en fonction du déplacement parallèlement à
la force.
L’aire entre la courbe T = f(x) et l’axe Ox pris
entre xi et xf est égal à
W !
W = �. � . �
Or W( ) résistant W( ) < 0.
Donc : W kx 2
Travail de la force nécessaire pour tendre le ressort
Cette force est la force � = .Donc :
WF k 1 x x k2 2 1
x 2
2 f i
2
Lycée 1 physique
63
5. Puissance P d’une force constant
a) Définition
* P = travail effectué par la force par seconde.
Donc, si une force effectue un travail W pendant la durée t, sa puissance P vaut :
P = �
b) Unités S.I. : le watt (W)
W en J et t en secondes,
alors P = en watt (W)
c) Relation entre puissance et vitesse de déplacement du corps
Il faut que la force � soit constante et que la vitesse v de déplacement soit constante
(mouvement rectiligne uniforme) !
Dans ce cas : W(� ) = Flcos et : l = vt.
La puissance P de la force s’écrit alors : p= �.�.�� �∆
d) Autre unité pour le travail : le kilowatt-heure (kWh)
On a : W = P t.
* Si P = 1 kW et t = 1 h, alors W = 1 kW1 h = 1 kWh.
* 1 kWh = 1000 W3600 s = 3,6106
J
P Fv cos α �
Lycée 1 physique
64
6. Expression mathématique de l’énergie potentielle de pesanteur
Un opérateur soulève, à vitesse constante, un corps de l’altitude z = 0 (niveau de référence, Ep pes = 0)
à l’altitude z > 0.
L’énergie potentielle de pesanteur d’un corps de masse m
situé à l’altitude z vaut :
Elle dépend du niveau de référence choisi !
La variation de l’énergie potentielle de pesanteur d’un corps
de masse m vaut :
Ep pes = mgz = W( )
Elle est indépendante du niveau de référence choisi.
7. Expression mathématique de l’énergie potentielle élastique Un opérateur tend à vitesse constante un ressort de la position x = 0 (ressort non tendu) à la position x > 0 à l’aide des forces � op et � mur
.
* Système : Ressort de raideur k.
* Forces extérieures : Fop et
Fmur .
L’énergie potentielle élastique d’un ressort
de raideur k, tendu ou comprimé
d’une longueur x (repérée à partir du niveau de référence correspondant au ressort non
déformé) vaut :
Epel = K x2
Ep pes = mgz
Lycée 1 physique
65
8. Expression mathématique de l’énergie cinétique
a) Energie cinétique d’un corps ponctuel
Un opérateur lâche un corps ponctuel de masse m à l’altitude z > 0 avec une vitesse initiale
nulle. Le corps tombe en chute libre.
* Système : corps de masse m (dans le champ de pesanteur).
* Forces extérieures : aucune (le poids étant une force intérieure).
L’énergie cinétique d’un corps ponctuel de masse m animé d’une vitesse v vaut :
Ec = mv2
Lycée 1 physique
66
9. Théorème de l’énergie cinétique
c) Enoncé du théorème de l’énergie cinétique
La variation d’énergie cinétique d’un solide indéformable est égale la somme des
travaux des forces extérieures qui s’exercent sur lui.
Ec2 – Ec1 = Fnet . X
10. théorème de l’énergie mécanique
a) Les différentes formes de l’énergie mécanique E
* L’énergie mécanique d’un système se présente sous plusieurs formes :
énergie cinétique Ec;
énergie potentielle de pesanteur Ep pes;
énergie potentielle élastique Ep élast.
* Un système peut avoir de l’énergie mécanique sous toutes les formes en même
temps.
Dans ce cas :
* L’énergie mécanique d’un système peut se transformer d’une forme en une
autre.
b) Variation de l’énergie mécanique d’un système : théorème de l’énergie mécanique
Si plusieurs forces extérieures, de résultante Fr , agissent sur un système, alors la
variation de
l’énergie mécanique du système est égale à la somme des travaux des forces
extérieures :
E Wext W(Fr )
E = Ec + Ep pes + Ep élast
E c Wext
Lycée 1 physique
67
c) Echange d’énergie mécanique entre deux systèmes
* Si deux systèmes interagissent l’un sur l’autre, ils échangent l’énergie mécanique égale à
Wforce d'interaction .
* L’énergie reçue par l’un est égale à l’énergie cédée par l’autre.
* Au cours de l’échange, l’énergie mécanique peut changer de forme.
d) Conservation de l’énergie mécanique Em d’un système isolé ( � r = 0)
Em2 = Em1
11. Rendement
Pour qu’une machine puisse fonctionner, il faut lui fournir le travail Wfourni. La machine effectue sur un corps le travail Wutile qui est en pratique inférieur au travail fourni.
En général, la partie du travail fourni transformé par un système en travail utile est donnée par le rendement du système.
Définition
Le rendement η d’un système est égal au rapport du travail utile Wutile
effectué par ce système et du travail Wfourni nécessaire à son fonctionnement
:
Le rendement est un nombre sans unité exprimé le plus souvent en %.
Wutile η =
Wfourni
Le système isolé n’échange pas d’énergie mécanique avec l’extérieur. Son
énergie mécanique est conservée.
Lycée 1 physique
68
CHAPİTRE
Lycée 1 physique
69
1 La température
Définition La température T d’un corps est une mesure de l’agitation thermique des
particules qui le constituent : plus l’agitation thermique est importante, plus la température du corps est élevée.
thermomètre
agitation
(Le mouvement désordonné des particules d’un corps est appelé agitation thermique.)
L’unité S.I. de la température est le kelvin (K).
Souvent on mesure la température en degrés Celsius (◦C), avec 0 ◦C et 100 ◦C correspon- dant
respectivement à la température de fusion et d’ébullition de l’eau.
Pour une température exprimée en ◦C est notée θ, on a les relations de conversion suivantes :
T(K) = θ(◦C) + 273 ⇐⇒ θ(◦C) = T(K) − 273.
Formules pour passer d’une température a une autre
.
Lycée 1 physique
70
2 La Chaleur
Une autre façon de faire varier l’énergie interne d’un corps est de le mettre en contact avec un
autre corps de température différente.
Exemple Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l’eau
chaude à la température Teau > T (figure4).
Figure 4 – Transfert d’énergie interne de l’eau vers le corps
Le contact avec l’eau chaude fait augmenter la température du corps en fer et résulte en une
augmentation de son énergie interne.
Si la variation de l’énergie interne est due au contact avec un autre corps de température
différente, le mode de transfert d’énergie interne est appelé chaleur. La quantité de chaleur est
notée Q et s’exprime en joule (J). Définition La chaleur est un mode de transfert d’énergie interne entre deux corps de température différente.
En absence d’autres transferts d’énergie, la variation de l’énergie interne est égale à la chaleur
:
∆U = Q
Q > 0 si la chaleur est reçue par le système;
Q < 0 si la chaleur est fournie par le système.
*Principe d’équivalence
C’est J. P. Joule qui établira l’équivalence entre les différents modes de transfert. Le
principe de son expérience la plus célèbre est décrit ci-dessous, il la réalisa pour la première fois en
1845.
Dans un récipient contenant de l’eau et dont les parois sont parfaitement isolées, Joule, dans un
premier temps, élevait la température par un transfert d’énergie interne sous
U ¬ Q> 0
eau
Teau >T
corps T
Lycée 1 physique
71
forme d’un travail W . La chute d’une masse entraînait des pales qui remuaient l’eau
(figure6).
poulie
pale
Figure 6 – Principe de l’expérience de Joule
Dans un deuxième temps, il ramenait l’eau à son état initial en le refroidissant par échange d’une
quantité de chaleur Q avec le milieu extérieur.
Les mesures de Joule montrèrent que le travail est proportionnel à la quantité de chaleur. Joule
obtint comme facteur de proportionnalité 4,18. Cependant, le travail fut mesuré en J et la chaleur
en calorie (cal). Une calorie correspond à la chaleur qu’il faut fournir à 1 g d’eau pour élever sa
température de 1 ◦C.
En définissant la calorie par 1 cal = 4,18 J, le résultat de l’expérience de Joule peut s’écrire :
W + Q = 0.
Le travail est compté positivement alors que la chaleur est négative. Ce résultat montre
l’équivalence des modes de transfert d’énergie interne et peut être généralisé à tout sys- tème.
eau
masse
Lycée 1 physique
72
2.1 Capacité calorifique massique
Comment peut-on déduire la quantité de chaleur échangée par un corps de la variation de sa
température ? Quelles autres grandeurs ont une influence ? L’expérience suivante permet de
donner des réponses.
Expérience 2.1 Un calorimètre contient de l’eau de masse m. Une résistance chauffante va
fournir une quantité de chaleur Q à l’eau. Un thermomètre mesure la température θ de l’eau.
thermomètre résistance
Figure 7 – Calorimètre
Q = c · m · ∆θ
La différence de température prend la même valeur, que les températures sont exprimées en ◦C ou
en K :
∆θ = θ2 − θ1 = (T2 − 273) − (T1 − 273)
= T2 − T1 = ∆T.
Le coefficient de proportionnalité c est appelé capacité calorifique massique et s’exprime en
J/kg K. Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier de 1 K la
température d’un corps de masse 1 kg. Énoncé Lorsque la température d’un corps de masse m passe d’une valeur initiale T1 à
une valeur finale T2, la quantité de chaleur Q échangée avec le milieu extérieur est donnée
par la relation :
Remarques :
• On vérifie que la chaleur est positive si la température augmente et négative dans le cas contraire.
• L’expression de la chaleur n’est pas valable s’il y a un changement d’état.
Q = m c (T2 − T1)
eau
Lycée 1 physique
75
Le tableau1adonne quelques valeurs de capacités thermiques massiques dans les conditions
normales de température et de pression (sauf indication contraire).
(b) chaleur latente
(a) capacité calorifique massique
Table 1 – Caractéristiques thermiques
Changement d'état dans la vie quotidienne Lorsque nous donnons de l’énergie a un corps solide, le matériau atteint une certaine température et commence à fondre . lorsque nous apportons de l'énergie à une substance à l'état liquide , nous observons son évaporation sous forme de gaz . Une substance devient encore du gaz, dans le cas de l'alimentation électrique dans le milieu nouveau passe liquide. De même, une substance à l'état liquide, est converti en l'état solide quand elle perd de l’énergie . Le cycle de l'eau est un phénomène naturel de changement d’état solide-liquide-gaz avec l'eau .
Substance Lf (kJ/kg) Lv (kJ/kg) Aluminium 388 10 800 Argent 103 2390 Cuivre 205 4796 Eau 334 2260
Éthanol 108 850 Fer 272 6095 Silicium 1790 12 800 Mercure 11,5 300 Or 64,9 1738 Plomb 23,2 862
Substance c (J/kg K) Aluminium 897 Argent 235 Cuivre 385 Eau 4186 Glace 2060
Éthanol 2460 Fer 444 Graphite 720 Huile Mercure
≈ 2000 139
Or 129 Plomb 129
Lycée 1 physique
76
Lycée 1 physique
77
Le graphique ci-dessous montre les differentes étapes du changement d’etat d’une substance .
Les étapes du changement d’état.
L'eau des radiateurs dans les
voitures en hiver peut se
solidifier a cause du froid- (0 oC) .Afin d'éviter le gel de l'eau
on ajoute un "anti-gel. Cela
permet le changement de la
température de congélation
qui est ainsi réduite.
Lycée 1 physique
78
2.2 Chaleur latente
Nous savons que lors d’un changement d’état, la température d’un corps ne change pas. Que
devient la chaleur fournie à ce corps si elle ne sert pas à augmenter sa température ?
.
Énoncé : Lorsqu’ un corps de masse m subit un changement d’état, la quantité de
chaleur Q échangée avec le milieu extérieur est donnée par la relation :
Pour une fusion, on écrit:
Qf = m.Lf
La grandeur Lf est appelée chaleur latente de fusion et s’exprime en J/kg. Sa valeur
correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer un corps de masse 1 kg de l’état solide à l’état liquide.
Figure 8 – Changements d’état
La fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent un apport de chaleur : Q > 0.
Les chaleurs latentes correspondantes Lf, Lv et Lsub sont positives.
La solidification, la condensation et la resublimation libèrent de la chaleur : Q < 0. Les chaleurs
latentes correspondantes Lsol, Lc et Lres sont négatives. Leurs valeurs absolues sont les mêmes que
pour les transformations inverses respectives :
Lsol = −Lf Lc = −Lv, Lres = −Lsub.
Le tableau 1b donne quelques valeurs de chaleurs latentes.
Q = m L
liquide
solide
resublimation
sublimation gaz
Lycée 1 physique
79
3 Transmission de la chaleur Le transport de la chaleur d’un point à un autre peu t se faire par trois manières différentes : par
conduction, par convection et par rayonnement.
3.1 Conduction
Expérience Sur une tige métallique, fixée horizontalement, on dépose de petites boules de cire (figure9). On
chauffe une extrémité à l’aide d’une flamme d’un brûleur à gaz.
Observation :
Ce sont d’abord les boules situées près de l’extrémité chauffée qui fondent, puis
celles qui en sont un peu plus éloignées, . . .
tige métallique
Figure 9 – Transmission de la chaleur par conduction
Interprétation :
Il y a eu une transmission de la chaleur de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide par
l’intermédiaire de la tige métallique.
Ce mode de transmission de la chaleur est appelé conduction.
Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par transfert de l’agitation thermique de proche en proche, sans transport de matière, on parle de conduction.
Les métaux sont les meilleurs conducteurs thermiques. Le bois, la laine de verre ou l’air sont
des mauvais conducteurs, on les utilise comme isolants thermiques.
boules de cire
brûleur à gaz
Lycée 1 physique
80
3.2 Convection
Expérience Un tube en verre de forme rectangulaire contenant de l’eau colorée est fixé verticalement
(figure10). Une extrémité inférieure du tube est chauffée à l’aide d’une flamme d’un brûleur à
gaz.
tube en verre
Figure 10 – Transmission de la chaleur par convection
Observation :
On observe des déplacements d’eau dans le tube formant des courants dits de
convection. Ce mode de transmission de la chaleur est appelé convection.
İnterpretation
L’eau en contact avec l’extrémité chaude se détend, sa masse volumique diminue.
L’eau chaude monte et est remplacée par de l’eau plus froide. Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par un déplacement d’un liquide ou d’un gaz, on parle de convection.
brûleur à gaz
Circulatio de l’eau
Lycée 1 physique
81
3.3 Rayonnement
Expérience On place un tube blanc et un tube noir contenant une quantité iden- tique d’eau à une
même distance d’une lampe à incandescence (figure11).
thermomètres
tube noir tube blanc
lampe à
incandescence
Figure 11 – Transmission de la chaleur par rayonnement
Observation :
Il y a une augmentation de la température de l’eau dans les deux tubes. L’eau contenue dans le
tube noir s’échauffe le plus rapidement.
Interprétation :
La quantité de chaleur transmise par conduction et par convection dans l’air entre la lampe et
les tubes est négligeable. La transmission de la chaleur sans l’intervention d’un milieu
intermédiaire est appelée rayonnement. Définition : Lorsque la transmission de la chaleur ne fait pas intervenir un milieu intermédiaire, on parle de rayonnement.
.
Lycée 1 physique
82
Isolation thermique
Ce sont des techniques mises en œuvre pour limiter la transmission de la chaleur. En construction, on utilise entre autres la laine de verre et les fenêtres à double voire triple
vitrage pour réduire les pertes thermiques d’une maison (figure12).
Chez les animaux exposés à un environnement froid, la fourrure ou le plumage servent
d’isolation thermique.
Figure 12 – Pertes thermiques Figure 13 – Effet de serre
Les gaz à effet de serre bloquent et réfléchissent une partie du rayonnement thermique
(figure13).
Les températures terrestres ne résultent pas seulement du blocage du rayonnement ther- mique,
mais entre autres des courants de convection dans l’atmosphère et dans les océans.
Lycée 1 physique
83
4. LA DİLATATİON
1. Dilatation linéique des solides
On observe qu'une barre solide s'allonge lorsque la température augmente. Cet allongement
dépend du matériau, mais on constate qu'il est proportionnel à l'accroissement de température et
à la longueur initiale de la barre. Désignons par :
la température initiale de la barre, en [K] ou [°C].
la température finale de la barre, en [K] ou [°C].
la variationt de température, en [K] ou [°C].
la longueur initiale de la barre, en [m].
la longueur finale de la barre, en [m].
La variation de longueur, en [m].
On a alors :
Où est le coefficient de dilatation linéique :
Lycée 1 physique
84
s'exprime en [K-1].
dépend du matériau.
est défini aux alentours de 20°C.
est de l'ordre de 10-5K-1 :
Substance
Invar 0.09
Porcelaine 0.3
Verre 0.85
Fer 1.1
Cuivre 1.7
Aluminium 2.4
Plomb 2.9
2. Exemples de dilatation linéique
Des joints permettent aux rails de chemin de fer de se dilater sans éclater :
Une erreur de mesure peut encore avoir des conséquences désastreuses de nos jours :
Lycée 1 physique
85
Principe du bilame :
Chauffez un bilame et il se tordra dans un sens, refroidissez-le et il se tordra dans l'autre !
Exemple : Bilame employé dans le thermostat d'un fer à repasser :
Lycée 1 physique
86
3. Dilatation volumique des solides
Prenons un cube solide de côté L0. Son volume initial vaut :
Si on chauffe ce cube, chacun de ses côtés subit une dilatation linéique :
Le volume final V devient alors :
On peut alors introduire un coefficient de dilatation volumique :
L'équation devient :
Ou encore :
Lycée 1 physique
87
4. Dilatation volumique des liquides
Le coefficient de dilatation volumique d'un liquide est dix à cent fois supérieur à celui d'un
solide :
Substance
Mercure 0,18
Eau 0,21
Glycérine 0,49
Essence 0,94
Chloroforme 1,1
Acétone 1,43
Éther 1,6
Lycée 1 physique
88
Bibliographie
Ortaöğreti FİZİK 9. Sı ıf DEVLET KİTAPLARI BİRİNCİ BASKI.,
Cours de physique M. André Robinet
http://phymain.unisciel.fr/
