cours de physique 2 2003 - site de daniel huilier · chapitre 1 de l’atome aux galaxies (2h)...

[L]Chapitre

Cours de physique2o 2003

Benjamin MAUCLAIRE

Table des matières

1 Révisions (1,5h) 6

A L’exploration de l’espace (10h, 5TP) 7

1 De l’atome aux galaxies (2h) 8I Structure de notre univers (1h C) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I.1 Les galaxies : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8I.2 Comment utiliser les puissances de dix? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8I.3 L’année de lumière : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

II Voyage à travers notre univers (1h C) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10II.1 Les dimensions des objets de notre environnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . 10II.2 La structure de l’atome : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

III Classement sur une échelle de distances : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10IV Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11V T.P. 1 - Les puissances de dix : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

V.1 Les unites en physique : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13V.2 Multiples et sous multiples des unités : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13V.3 Méthode de conversion des unités : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13V.4 Les ordres de grandeur : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

VI T.P. 2 - Mesure de la taille d’une cheveux : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Mesure des distances (2h) 15I Comment écrire les longueurs? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

I.1 Ordre de grandeur d’un nombre : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15I.2 Chiffres significatifs et précision d’une mesure : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

II Les propriétés de la lumière : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16III Les méthodes de visée : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

III.1 Mesures de distances : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17III.2 Mesures d’angles et diamètre apparent : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17III.3 Mesures d’angles et parallaxe : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18III.4 Mesure d’une distance à partir d’une ombre - méthode d’Ératosthène : . . . . . . . 18

IV Principe du sonar : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18V Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19VI T.P. 3 - Expérience de Franklin : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20VII T.P. 4 - Mesure par paralaxe : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20VIII T.P. 5 - Expérience d’Ératosthène : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Physique 2snd B. MAUCLAIRE

TABLE DES MATIÈRES 3

3 Décomposition de la lumière par un prisme (3h) 21I Lumière et radiations : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

I.1 L’expérience deNEWTON : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21I.2 Radiations lumineuses et rayonnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

II Le phénomène de réfraction : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22II.1 Mise en évidence : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22II.2 Indice de réfraction : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24II.3 Les lois de Descartes : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

III Dispersion de la lumière par un prisme : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25IV Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

IV.1 1 à 6 p.208 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26IV.2 14 p.208 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26IV.3 Le plongeur : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26IV.4 La dispersion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26IV.5 20 et 22 p.209 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

V Correction des exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27V.1 Le plongeur : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27V.2 Dispersion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27V.3 20 p. 209 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27V.4 22 p.209 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

VI Fiche élève : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4 Les spectres, messages de la lumière (2h) 30I La spectroscopie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30II Les types de spectres : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

II.1 Les spectres d’émission : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31II.2 Les spectres d’absorption : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

III Évolution des spectres avec la température : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33IV Analyse spectrale : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34V Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

V.1 Types de spectres : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35V.2 Interpréter une expérience : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35V.3 Réaliser et interpréter un spectre : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

VI Fiches expérimentales : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

B L’univers en mouvement et le temps (8h, 4TP) 38

1 Étude des mouvements (2h) 39I Comment étudier le mouvement d’un objet? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39II Nécessité d’un référentiel : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39III Vitesse d’un point : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40IV Les types de mouvements : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41V Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

V.1 16, 17 et 18 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42V.2 10 et 13 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42V.3 14 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42V.4 1 à 5 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

VI Correction des exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42VI.1 14 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42



VI.2 17 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42VI.3 14 p.240 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

VII T.P. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42VII.1 Relativité du mouvement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42VII.2 Étude de la chute d’une goutte/chronophotographie : . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2 Principe d’inertie (3h) 43I Interactions et forces : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

I.1 Qu’est-ce qu’une action mécanique? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43I.2 Qu’est-ce qu’une force? : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44I.3 Représentation et utilisation des forces : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

II Force et mouvement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45III Le principe d’inertie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

III.1 L’inertie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47III.2 Exemples illustrants le principe d’inertie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48III.3 Utilisation du principe d’intertie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

IV Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50IV.1 7 et 8 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50IV.2 9, 10 et 11 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50IV.3 10 et 12 p.103 Hachette 2004 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

V Correction des exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51V.1 7 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51V.2 8 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51V.3 9 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51V.4 10 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51V.5 11 p.263 Hatier 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52V.6 10 p.103 Hachette 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52V.7 12 p.103 Hachette 2004. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

VI T.P. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54VI.1 Le vélo-boule : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54VI.2 Forces et mouvement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3 L’interaction gravitationnelle (2h) 55I La gravition universelle : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

I.1 Étude d’un texte historique qur la gravition : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55I.2 La loi de la gravitation universelle : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56I.3 La pesanteur : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

II Trajectoires de projectiles : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58II.1 Chute libre d’un corps : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58II.2 Influence de la vitesse initiale : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58II.3 Influence de la direction initiale du mouvement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

III Applications à l’astronomie : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59III.1 Mouvement de la Lune et des satellites : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59III.2 Mouvement des astres : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

IV Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60IV.1 10, 11 et 14 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60IV.2 12 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60IV.3 18 p.254 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

V Étude d’un texte historique sur la gravitation universelle : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61VI Fiche élève : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62



VII Correction des exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VII.1 10 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VII.2 11 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VII.3 12 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VII.4 14 p.253 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

VIII T.P. : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64VIII.1 Études de chronophographies du mouvement de corps lancés : . . . . . . . . . . . 64VIII.2 Étude de la chute d’une goutte : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4 Le temps (1h) 67

C L’air qui nous entoure (6h, 3TP) 68

1 Pression et température d’un gaz (2h-3h) 69I Description d’un gaz : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69II La pression d’un gaz : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69III La température d’un gaz : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70IV Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

IV.1 Étude documentaire fontaine de Torricelli p.284 Hatier 2000 : . . . . . . . . . . . 70

2 Équation d’état des gaz parfaits (2h) 71I Les variables d’état d’un gaz : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71II L’équation d’état du gaz parfait : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72III Exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73IV Correction des exercices : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Fait avec LaTeX


Chapitre 1

Révisions (1,5h)


Première partie

L’exploration de l’espace (10h, 5TP)


Chapitre 1

De l’atome aux galaxies (2h)

Objectifs :

– Savoir positionner des objets sur une échelle de dimensions ;

– Savoir que le remplissage de l’espace microscopique et astronomique est lacunaire ;

– Savoir que le Système Solaire est une partie appart entière de la galaxie.

I Structure de notre univers (1h C) :

I.1 Les galaxies :

– Une galaxie (diaporama) :

• Image informatique de l’Univers en structure en bulles : 13,7 milliards d’a.l. ;→Nous pouvons observer l’Univers jusqu’à une distance de13,7 milliards d’années lumières.

• Les superamas de galaxies : 100 millions d’a.l. ;

• Les amas de galaxies : 20.106 et 30.106 a.l. ;

• La Voie Lactée : 100 000 a.l. ;

• Nébuleuses diffuses = pépinières d’étoiles : 107 particules par cm3 (sur Terre,1019 ppcm3) ;

• Les amas d’étoiles (ouverts et globulaires) : de 42 à 300 a.l. ;

• Les étoiles : la plus proche est à 4,3 a.l. ;

• Le Système Solaire : 7 u.a. ;

• La Terre, notre planète : 6 400 km de diamètre ;

• Les nébuleuses planétaires : 0,3-3 a.l. ;

• Les supernovæ: idem.

– Observation :À l’echelle cosmique, la matière est essentiellement lacunaire.

I.2 Comment utiliser les puissances de dix? :

– Pour exprimer des les grands nombres comme ceux vus précédement.


I. STRUCTURE DE NOTRE UNIVERS (1H C) : 9

– Notations avec les puissances de dix :La notation scientifique est l’écriture d’un nombre sous la forme du produit :

a×10n ou a.10n

– Remarque : cette écriture met en évidence l’ordre de grandeur du nombre et indique la précision aveclaquelle sa valeur est connue.

– Opérations sur les puissances de dix :

Formule Exemple

10m×10n = 10m+n 102×103 = 105

110n = 10−n 1

104 = 10−4

10m

10n = 10m−n 102

103 = 10−1

(10m)n = 10m×n (103)2 = 106

– Exercices : calculs avec les puissances de dix.

I.3 L’année de lumière :

– Vitesse de la lumière :

c = 3,00.108m.s−1

– Définition de la vitesse :

v =dt

– Image d’une galaxie : 100000 a.l.=105 a.l.

• Combien de kilomètre cela fait-il?

• Définition :une année de lumière est la distance parcourue par la lumière en une année.

d = c× t ; A.N. : d = 2,998.108×365,25×24×3600= 9,461.1015 m

1 a.l.' 9,5.1015 m' 1016 m

• On en déduit le diamètre de la galaxie :Dgalaxie' 9,5.1017 km.

– Voir loin, c’est voir dans le passé :

• Exemple : l’étoile la plus proche de la Terre est Proxima du Centaure et est située à 4,3 a.l.

• L’image que nous recevons aujourd’hui de Proxima du Centaure a été émise il y a environ quatreans !

Plus nous observons loin dans l’espace et plus nous regardons dans le passé.


II. VOYAGE À TRAVERS NOTRE UNIVERS (1H C) : 10

II Voyage à travers notre univers (1h C) :

II.1 Les dimensions des objets de notre environnement :

– Une visite guidée en donnant les ordres de grandeurs :

1. Film sous Célestia ;

2. Mesurer la taille d’une élève ;

3. Observation de chloroplastes au microscope ;

4. Photo d’un réseau cristallin d’un métal ;

5. Représentation d’un atome.

– Une idée des ordres de grandeurs? (à compléter par les élèves après présentation des documents)Déf. : L’ordre de grandeur d’un nombre ets la puissance de 10 la plus proche de ce nombre.

Objet Taille

Limites de l’UniversDiamètre de la Voie LactéeDiamètre du Système SolaireRayon de la TerreTaille de l’hommeTaille d’un organite cellulaireDimensions de l’atome

– Quelques unités utiles : (tableau non exhaustif)

II.2 La structure de l’atome :

– Est constitué d’un noyau central chargé électriquement positiviment ;

– D’un nuage d’électrons chargés négativement et en mouvement rapide ;

– Un atome peut être comparé à une balle de tennis (6,4 cm de diamètre), le noyau, située au centred’un terrain d’3,4 km de diamètre où se trouveraient des petits poids (les électrons).

– L’atome possède un diamètre moyen de 0,1 nanomètre (1 Å) et le noyau a un rayon de 10−3 pico-mètres (10−15 m).

– L’atome est surtout constitué de vide : on dit qu’il possède une structure lacunaire.

III Classement sur une échelle de distances :

Placement de 14 objets vus durant le cours ou connus sur un axe allant de 10−15 m à 1024 m.


IV. EXERCICES : 11

IV Exercices :

1. Le litre et ses multiples :

Unité kilolitre hectolitre litre décilitre centilitre millilitreSymbole kL hL L dL cL mL

Valeur en L

2. Multiples dum3 : 1 m3 =? dm3, ... et1 m3 = 1 000 L.

Multiples de m3 m3 m2 m dm3 dm2 dm cm3 cm2 cmValeur en m3

Valeur en L

3. 12 p.179 Hatier :Une bouteille contient 3,5.1025 molécules de d’eau ; on y ajoute 10 morceaux de sucre contenantchacun 9.1021 molécules de saccharose. Combien cette eau sucrée contient-elle de molécules toutesorgigines confondues?

4. 13 p.179 Hatier :Répondre sans calculatrice aux questions suivantes :

a) Combien d’atomes, d’un diamètre de 100 pm, faudrait-il aligner pour obetnir l’équivalent de lalongueur d’une alumette de 5 cm?

b) Combien d’alumettes faudrait-il disposer bout à bout pour faire le tour de la Terre (40 000 km)?

5. 18 p.179 Hatier :En utilisant la notation scientifique, exprimer en mètreles longueurs suivantes :

a) 1,4 million de km.

b) 3 500 km.

c) 110 pm.

d) 0,4µm.

14, 15 et 36 p.180-1 Hatier 2000 :

18 p.179 :


V. T.P. 1 - LES PUISSANCES DE DIX : 12

V T.P. 1 - Les puissances de dix :

– Tableau des unités.

– Tableau des multiples.

– Méthode de conversions des unités+schéma avec flèches.

– Opérations sur les puissances de dix :

Formule Exemple

10m×10n = 10m+n 102×103 = 105

110n = 10−n 1

104 = 10−4

10m

10n = 10m−n 102

103 = 10−1

(10m)n = 10m×n (103)2 = 106

– Images et films sur les ordres de grandeur (cf. cours) : le film.

– Tableau des ordres de grandeurs à remplir.

Objet Taille


– Exercices sur les puissances de dix : livre Mathprépa.

1. Le litre et ses multiples :

Unité kilolitre hectolitre litre décilitre centilitre mililitreSymbole kL hL L dL cL mL

Valeur en L

2. Multiples dum3 : 1 m3 =? dm3, ... et1 m3 = 1 000 L.

Multiples de m3 m3 m2 m dm3 dm2 dm cm3 cm2 cmValeur en m3

Valeur en L

3. Hatier : 12, 13, 18 p.179.

– Jeu de cartes aimantées sur le classement sur une échelle de puissances de dix.→ Devoir : se constituer une échelle de calessement de 10 entités avec axe des puissances de dix.

– Si temps : la structure de l’atome (cours).

– Exercices à faire : 14, 15 p.179, 36 p.181.


T.P. 1 UNITÉS, MULTIPLES ET PUISSANCES DE DIX

V.1 Les unites en physique :

Grandeur Intrument de mesure Unité Symbole

longueurmassevolume

temps (durée)température

intensitétension

résitance

V.2 Multiples et sous multiples des unités :

Préfixe Symbole Puissance de dix correspondante Opération pour la conversion

piconanomicromillicentiunitédécahectokilo

mégagiga

V.3 Méthode de conversion des unités :

On se propose de convertir la valeur de la massem= 1,35kgen hectogramme.Action à faire Calcul

Repérer l’unité : gramme (g), seconde (s), mètre (m), . . .Repérer le préfixe : kilo, méga, . . .Supprimer le préfixe et le remplacer par la puissance de dix correspondante.Ajouter le nouveau préfixe et diviser la valeur à convertir par la puissance dedix correspondante.

V.4 Les ordres de grandeur :

Objet Taille


VI. T.P. 2 - MESURE DE LA TAILLE D’UNE CHEVEUX : 14

VI T.P. 2 - Mesure de la taille d’une cheveux :


Chapitre 2

Mesure des distances (2h)

Objectifs :

– Savoir manipuler les chiffres significatifs d’une mesure.

– Savoir déterminer des longueurs en utilisant la lumière.

– Connaître la méthode d’Ératosthène.

– Savoir utiliser l’année de lumière.

I Comment écrire les longueurs? :

I.1 Ordre de grandeur d’un nombre :

– Déf. : l’ordre de grandeur d’un nombre petit ou grand est la puissance de dix la plus proche dece nombre.

– Exemple : on a pu mesurer que la disatnce entre deux atomes voisins de cuivre dans cube métalliqueest de 2,51×10−10 m. L’ordre de grandeur de cette distance est de 10−10 m.

– Avantage : dans un calcul, l’ordre de grnadeur du résultat peut s’estimer de tête.

– Exemple : combien d’atomes de cuivre faudra-t-il aligner pour obtenir une longueur de 1 cm?

• Calcul précis :10−2

2,51·10−10 → difficile à faire de tête.

• En remplaçant 2,51·10−10 par 3 ·10−10, on peut trouver mentalement le résultat :13 ·108, soit

environ3·107.L’ordre de grandeur est ici de106.

– Exos. : 23 p.180 Hatier 2000.

I.2 Chiffres significatifs et précision d’une mesure :

– Mesurons l’épaisseur d’un CD :

• À l’aide d’une rêgle : 1 mm.

• À l’aide d’un pied à coulisse : 1,2 mm.

• À l’aide d’une mesure indirecte de l’épaisseur de 10 CDROMs : 1,23 mm.


II. LES PROPRIÉTÉS DE LA LUMIÈRE : 16

– Bilan :

Méthode no 1 2 3

Épaisseurmesurée (m)

1·10−3 1,2·10−3 1,23·10−3

Précision dela mesure

1 mm 0,1 mm 0,01 mm

Nombrede chiffressignificatifs

1 2 3

– Le nombre de chiffres significatifs utilisés pôur exprimer une valeur donnée indique la précisionavec laquelle cette valeur est connue.

– Conséquence :

• Le diamètre de la Lune mesuré par l’Observatoire de Nice vaut D=3,48·103 km. La circonfé-rence de la Lune donnée parC = πD vaut alors à la calculatrice : C=10932,5592 km.La circonférence doit être arrondie à trois chiffres significatifs pour être en adéquation avec lerayon utilisé pour le calcul : C=10,9·103 km.

• Le résultat d’une multiplicatin ou d’une division ne doit pas avoir plus de chiffres signifi-catifs que la donnée utilisée pour le calcul qui en comporte le moins.

– Remarque :

• Expérience : mesure de la tension d’une pile de 4,5 V avec un voltmètre en changeant les ca-libres.

• “0”, zéro est un chiffre significatif.

– Déf. chiffres significatifs :Dans l’écriture d’un nombre sous la forme a,bcd· · · ·10±n et a 6= 0, les chiffres utilisés pourécrire le nombre décimala sont appelés chiffres significatifs.

– Exos. : 26 p.180 Hatier 2000.

II Les propriétés de la lumière :

– Expérience : rayon LASER passant à travers plusieurs trous placés en ligne.→ Schéma.

– Propriété 1 :Dans le vide et dans l’air, la lumière se propage en ligne droite.

– Définition : on représente le trajet de la lumière dans les schémas grâce à unrayon lumineux.

– Propriété 2 : vitesse de la lumière.

• La première mesure de la vitesse de la lumière a été réalisée parRÖMER en observant le mou-vement des satellites de Jupiter.

• De nos jours, elle est déduite de la mesure de la longueur d’onde d’une radiationλ d’un LASERhélium-néon reliée mathématiquement à la vitesse de la lumière : =̧λν = 299792,458km/s.


III. LES MÉTHODES DE VISÉE : 17

• Déf. :La célérité de la lumière dans le vide et dans l’air vautc = 3,00·108 m.s−1. C’est unevitesse limite.

– L’année de lumière :

• 1 a.l.' 1016 m.

• Exprimer les trés grandes distances en années de lumière permet de mieux se rendre compte deson caractère gigantesque et renseigne en même temps sur la durée de son trajet.

– Exo. 12 p.194 Hatier 2000.

III Les méthodes de visée :

III.1 Mesures de distances :

– But : mesurer une hauteur ou une distance d’un objet inacéssible ou lointain.

– Exemple : calcul de la hauteur d’un arbre.

• Montage en classe : règle du tableau, poteau en bois à mesurer. . .

• Schéma : construction ensemble.

• Mesures :

Mesures Inconnuesd HDh

• Mise en équation du problème :

Théorème de Thalès :hd

= HD ouhH

= dD.

H =hd·D

A.N.: H=. . . m.

• Conclusion :L’utilisation du théorème de Thalès permet de calculer la hauteur réélle d’un objet inacéssible.

III.2 Mesures d’angles et diamètre apparent :

– Définition :angle apparent.Schéma.

– Applications : utilisations courantes en astronomie.

– Cas où l’objet est plan :ditance angulaire.

• Définition : si l’objet est plan et représenté par un segment [AB], l’angleα est alors appellédistance angulaire entre A et B.Schéma.


IV. PRINCIPE DU SONAR : 18

• Calcul d’un diamètre apparent :

tanα =diamètre réél de l’objet

distance entre l’objet et l’œil

• Ici, nous aurons :tanα =BCAC

– Exo. : 16 p.194 Hatier 2000.

III.3 Mesures d’angles et parallaxe :

– Exo. 1 : parallaxe p.191 Belin 2000.

– Exo. 2 : triangulation p.32 Hachette 2000.

– Exo. 3 : T.P. 1 p. Belin 2000.

III.4 Mesure d’une distance à partir d’une ombre - méthode d’Ératosthène :

– T.D. : p. 193 Hatier 2000.

IV Principe du sonar :

– Principe :En connaissant la vitesse du signal et le temps qu’il met pour réaliser l’aller-retour jusqu’àl’obstacle, on peut en déduire la distance nous séparant de l’objet.

– Exo. 28 p.195 Hatier 2000 :

1. Schéma : bateau avec signal aller-retour.

v =2dt

d =12

vt

A.N. : d =12

1500×132·10−3

d = 90m

2.

dm =12

vtm

A.N. : dm =12

1500×1,5·10−3

dm = 1,125m' 1,2 m


V. EXERCICES : 19

V Exercices :

23 p.180 Hatier 2000 :

8 à 12 feuille 1 :

3, 4 et 7 feuille 1 :

16 p.194 :

12 et 26 p. 194-195 Hatier 2000 :


VI. T.P. 3 - EXPÉRIENCE DE FRANKLIN : 20

VI T.P. 3 - Expérience de Franklin :

Mot : évaluer

Peut-on connaître lataille précise

d’une molécule ?

Non

J’utilise alors lesgrains de sables pour

me faire une idée,une représentation.

- But : je cherche à connaître la taille d’un grain de sable.- J’étale les grains de sable dans un cristallisoire ;- Comien y’a-t-il de grains de sable le long de l’épaisseur ?J’ai une "monocouche".- Le cristalliasoire possède un diamètre D de 30 cm.- Pour connaître le volume de sable versé dans le cristallisoire,je le verse dans une éprouvette graduée : quel volume V lis-tu ?

- Comment faire pour alors trouver la taille d’un grain de sable ?- Le diamètre permet de connaître la surface en m^2 et le volumeen m^3 est connu.- Comment trouver a taille du grain en mètre ?

- Il faudrait diviser les m^3 par les m^2.- Nous avons une "galette" de sable, donc il y a une relation entre V, S et h.

Amorce de solution :

Équation de la solution :

mètre = m^3/m^2h=V/S

VII T.P. 4 - Mesure par paralaxe :

VIII T.P. 5 - Expérience d’Ératosthène :


Chapitre 3

Décomposition de la lumière par un prisme (3h)

Objectifs :

– Connaître la notion de radiation ;

– Savoir que la longueur d’onde dans la vide caractérise une radiation mo,ochromatique ;

– Savoir différencier une lumière polychromatique et monochromatique ;

– Connaître et appliquer les lois de la réfraction ;

– Savoir utiliser un prisme pour décomposer la lumière blanche.

I Lumière et radiations :

I.1 L’expérience deNEWTON :

– Étude de texte p. 59 Nathan 2004 (lire les questions, puis y répondre en lisant le texte) :

1. La lumière solaire.

2. Position de la source, du prisme et de l’écran ainsi que sens de propagation.

3. Une suite ininterrompue de couleurs : les couleurs de l’arc-en-ciel. La couleur rouge se trouveen bas de l’écran.

– Quelle interprétation a faitNEWTON selon vous?

• La lumière est composée d’un multitude de couleurs.

• Cet ensemble de couleurs est appeléspectre.

• Chaque couleur précise possède une direction de propagation différente à la sortie du prisme :le bleu est plus dévié que le rouge.

– EXP. : spectre d’une source blancheLampe halogène+condenseur, prisme quartz (A=60o), focaliseurf ′ = 200mm, écran.

– Modèle de la lumière :La lumière est constitué d’un ensemble de radiations lumineuses. Chaque riadiation correspondà une couleur très précise.


II. LE PHÉNOMÈNE DE RÉFRACTION : 22

I.2 Radiations lumineuses et rayonnement :

– Définition :Dans l’air et dans le vide, on caractérise une radiation par un nombre, appelé longueur d’ondenotéeλ exprimée en mètre et ses sous-multiples.

– Correspondances entre les plages de longueur d’onde (dans le vide) et la couleur perçue par un œilhumain “normal” :

Couleur violet bleu vert jaune orange rougeλ (nm) 400-420 440-480 490-540 550-570 580-600 650-800

• Exemple : quelle est la plage de longueur d’onde correspondant à la couleur de ton blouson?

• Placer sur une flèche horizontale graduée en nm les plages de couleurs (à la maison).

– Définition de rayonnement :On appelle rayonnement l’ensemble des radiations émises par une source.

– Deux catégories de rayonnement :

• Rayonnement monochromatique : rayonnement constitué d’une seule raidiation.→ jaunepur.

• Rayonnement polychromatique : rayonnement constitué de plusieurs raidiations.→ vert(mélange de plusieurs riadiations).

– L’IR et les UV :

• Le rayonnement visible : de 400 nm à 800 nm.

• Le rayonnement ultraviolet (UV) : constitué des radiations de longueurs d’onde inférieures à400 nm.

• Le rayonnement infrarouge (IR) : constitué des radiations de longueurs d’onde supérieures à 800nm.

II Le phénomène de réfraction :

II.1 Mise en évidence :

– EXP. 1 : cuve avec 10 gouttes de lait + LASER + papier d’Arméni.

• Schéma avec tous les rayons, les points,. . .

• Vocabulaire :

∗ Plan d’incidence : plan contenant le rayon incident et la normale à la surface (plan de lafeuille).

∗ Normale à la surface :droite perpendiculaire à la surface de séparation et servant à repérerles angles.

∗ Rayon incident : rayon lumineux arrivant sur le surface de séparation.

∗ Rayon réfracté : rayon lumineux provenant de la surface de séparation et dirigé vers lemilieu 2.

∗ Rayon réfléchi : rayon représentant la partie de la lumière incidente qui est réfléchie par lasurface.



eau

LASER

FIG. 3.1:Cuve d’observation du phénomène de réfraction.

FIG. 3.2:Rayons lumineux du phénomène de réfraction.

– Observations :

• Lorsque la lumière traverse une surface de séparation entre 2 milieux transparents, elle subit unbrusque changement de direction : c’est le phénomène deréfraction ;

• À la surface de séparation, de 2 milieux transparents, ou observe aussi un phénomène deré-flexion.

– EXP. 2 : récipient contenant une pièce + PC + webcam + vidéoprojecteur.

1. Qu’observe-t-on?

2. Quels point communs ces deux expériences epossèdent-elles?

3. En utilisant leurs points communs, proposer une interprétation.



II.2 Indice de réfraction :

– Pourquoi la lumière est-elle déviée?L’indice de réfraction est la caractéristique physique d’un milieu à pouvoir dévier la lumière.

– Déf. : l’indice de réfraction noté n est égal au rapport de la vitesse de la lumière dans le videcet de la vitesse dans la lumière dans le milieu.

n = cv

• Exemples d’indice :

milieu indice n

vide 1,000air 1,000eau 1,33

verre 1,5 à 1,7

• Remarque : ce sont des indices moyens.

• Application : calcul de la vitesse de la lumière dans l’eau.

v =cn

=3,00.108

1,33= 2,26.108 m.s−1

La lumière se propage moins rapidement dans l’eau que dans l’air.

– n n’est pas constant pour un même matériau :

• Exemple pour le verre flint dun prisme :

radiation λ (nm) valeur de l’indice

bleue 434 1,652jaune 589 1,629rouge 768 1,618

• L’indice d’un milieu autre que le vide et l’air dépend de la longueur d’onde de la lumière.

• C’est pour cela que les indices donnés dans l’exemple sont dits “moyens” : une moyenne a étécalculée.

II.3 Les lois de Descartes :

– Première loi de Descartes :

• Le rayon réfracté et le rayon réfléchi sont dans le plan d’incidence (plan de la feuille).

• Rappelez-vous le schéma. . .

– Troisième loi de Descartes :

• L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence;

i′ = i1

• Rappelez-vous le schéma. . .


III. DISPERSION DE LA LUMIÈRE PAR UN PRISME : 25

– Seconde loi de Descartes :

• À quoi 1,33 cela vous fait-il penser? Rappellez-vous le TP :n = 1,33pour l’interface air-eau ;

∗ La 2o loi de Descartes s’écrit ici :sini1 = neausini2 ;

∗ Mais la formule n’est pas homogène ;

∗ Il s’agit de l’air pour le membre de droite, donc :n = 1;

∗ D’où : nair sini1 = neausini2 ;

∗ Généralisation : 1ermilieu→ n1, 2o mileu→ n2.

n1sini1 = n2sini2

• Autremenent écrit :sini1sini2

= n2n1

• La rapport des sinus des anglesi1 et i2 est égal au rapport des indices des milieux 2 et 1.

• Application :Un rayon lumineux arrive depuis l’air sur un verre d’indice n=1,50 avec un angle d’incidencei1 = 30o. Calculeri2 pour pouvoir dessiner le rayon réfracté.

sini2 =nair

nverresini1' 0,333, donc i2' 19,5◦

III Dispersion de la lumière par un prisme :

– Nous avons vu les phénomène de réfraction, de réflexion.Nous allons voir dans ce paragraphe le phénomène dedispersion puisquen dépend de la longueurd’onde.

– Expérience deNEWTON :

• Matériel : lampe halogène+condenseur, prisme quartz (A=60o), focaliseurf ′ = 200mm, écran.

• Schéma du phénomène observé :

FIG. 3.3:Phénomène de dispersion par un prisme.

– Explication :Le primse dont l’indice varie avec la longueur d’onde, disperse la lumière polychromatique.Parce que l’indice de réfraction du prisme dépend de la longueur d’onde, le prisme disperse lalumière blanche (polychromatique).

– Schéma des rayons lumineux :


IV. EXERCICES : 26

FIG. 3.4:Marche des rayons lumineux à la sortie du prisme.

IV Exercices :

IV.1 1 à 6 p.208 Hatier 2000 :

IV.2 14 p.208 Hatier 2000 :

radiation λ (nm) valeur de l’indice

bleue 434 1,652jaune 589 1,629rouge 768 1,618

IV.3 Le plongeur :

Un rayon LASER envoyé par un plongeur se propage dans l’eau et arrive à la surface de séparationeau-airsous un angle d’incidence 30o.

1. Faire le schéma correspondant à la situation.

2. Calculer l’angle de réfraction.

3. On fait varier l’angle d’incidence. Que se passe-t-il si l’angle d’incidence dépasseiL (faire des essaisà la machine)? Pour quelle valeur de l’angle d’incidence nomméeiL a-t-on un angle de réfractionégale à 90o?

IV.4 La dispersion :

On veut mettre en évidence la dipersion de la lumière par un verre. L’indice de ce verre pour la lumièrerouge estnR = 1,504et pour la lumière bleuenB = 1,521.

1. Calculer l’angle de réfraction pour un rayon rouge et un rayon bleu arrivant sur le verre avec un angled’incidence égal à 25o.

2. Faire un schéma des rayons et de l’interface air-verre.

IV.5 20 et 22 p.209 Hatier 2000 :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


V. CORRECTION DES EXERCICES : 27

V Correction des exercices :

V.1 Le plongeur :

1. Schéma.

2. neausini1 = nairsini2 ⇐⇒ sini2 = neaunair

sini1' 0,665 −→ i2 = 42o.

3. Pouri2 = 90o=⇒ sini2 = 1 =⇒ sini1 = nairneau

= 0,752=⇒ iL = 49o.

4. L’expérience montre que sii1 > iL, le rayon ne se réfracte plus, il est totalement réfléchi.

V.2 Dispersion :

1.sini1(couleur) =

nair

nverre(couleur)sini1

Rouge :sini2(R) = 11,504sin25= 0,281 i2(R) = 16,3o.

Bleu : sini2(B) = 11,521sin25= 0,278 i2(B) = 16,1o.

2. Schéma.

V.3 20 p. 209 :

1. i2' 52o.

2. nvverre= nairsini1sini2

' 1,2.

3. vverre = cnverre

' 2,4.108 m.s−1.


VI. FICHE ÉLÈVE : 28

V.4 22 p.209 :

1. Elle reste rouge car le LASER émet un rayonnement monochromatique qiu ne peut donc pas êtredisperse par le prisme.

2. Le prisme disperse la lumière blanche car c’est une rayonnement polychromatique.

3. La lumière blanche est composées d’une infinité de radiations monochromatiques.

VI Fiche élève :


Correspondances entre les plages de longueur d’onde (dans le vide) et la couleur perçue par un œilhumain “normal” :

Couleur violet bleu vert jaune orange rougeλ (nm) 400-420 440-480 490-540 550-570 580-600 650-800

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

eau

LASER

FIG. 3.5:Cuve d’observation du phénomène de réfraction.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

FIG. 3.6:Marche des rayons lumineux à la sortie du prisme.

Chapitre 4

Les spectres, messages de la lumière (2h)

Objectifs :

– Connaître la nature d’un spectre émis par un corps chaud ;

– Savoir distinguer un spectre d’émission d’un spectre d’absorption ;

– Savoir reconnaître une entité chimique à partir d’un spectre.

I La spectroscopie :

– Depuis bien longtemps, l’objectif des astronomes a convergé vers l’étude des caractéristiques desastres qu’ils ont observés. Mais, pour cela, il faudrait pouvoir manipuler ces objets, les scruter deprès, les décortiquer pour les analyser... bref tout ce que l’on peut faire avec les objets accéssibles surTerre.

Or, les étoiles et les astres en général ne sont pas atteignables et seul leur rayonnement nous parvient.Il faut donc nous résoudreà faire parler la lumière : c’est le rôle de la spectroscopie.

Les physiciens ont alors été amenés à se poser la question suivante :pourquoi un corps est-il lumi-neux?C’est ainsi que des modèles de rayonnement succédèrent à des modèles atomiques et qu’unethéorie établissant la correspondance entre les particularités du spectre (obtenu en dispersant la lu-mière) et les propriétés de la matière fut élaborée.

– Définition : la spectroscopie est l’étude de la répartition de l’énergie lumineuse selon la longueurd’onde.

– L’appareil : la décomposition de la lumière se fait grâce à un spectroscope dont la pièce principale estle système dispersif (prisme, réseau. . . ).

– Qu’est-ce que permet de savoir la spectroscopie?

• La composition chimique de l’astre distant ;

• La température de la source lumineuse ;

• La vitesse de déplacement de la source ;

• Et d’autres grandeurs physiques : densité électronique, magnétisme. . .

II Les types de spectres :

– Pourquoi un corps est-il lumineux?→ “loi du bout de métal chaud”.


II. LES TYPES DE SPECTRES : 31

II.1 Les spectres d’émission :

II.1.a Les spectres continus :

– EXP. 3 :

• Spectre de la lumière blanche avec un réseau/prisme.

• Interprétation :la lumière blanche est constituée d’une infinité de radiations (couleurs) sansdiscontinuités.

– Schéma du principe d’apparition d’un spectre continu d’émission :

→

FIG. 4.1:Conditions donnant lieu à un spectre continu d’émission.

– Conclusion :un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression) émet une lumière dontle spectre est continu.

II.1.b Les spectres de raies d’émission :

– Vous les étudirez en T.P..

→

FIG. 4.2:Conditions donnant lieu à un spectre de raies d’émission.

– Observation : on constate la présence de fines bandes colorées verticales, ce sont desraies.

– Conclusion :Le spectre de la lumière émise par un gaz basse pression (peu dense) à haute température estconstituée de radiations (raies colorées) précises sur fond noir et reliées à la nature chimique dugaz.


II. LES TYPES DE SPECTRES : 32

II.2 Les spectres d’absorption :

II.2.a Spectres de bandes d’absorption :

– EXP. 1 : interposer une boîte de Petri contenant une solution deKMnO4 devant la fente ;

• Observation : une partie des couleurs du spectre de la lumière blanche n’est plus visible ;

• Définition : Comme une partie des radiations est visible, on appelle cela unspectre de banded’absorption ;

• Interprétation : ce spectre de bande d’absorption est caractéristique des molécules de permanga-nate et des ions potassium.

– Schéma du principe d’apparition de bandes d’absorption :

FIG. 4.3:Conditions donnant lieu à un spectre de bandes d’absorption.

– Conclusion :lorsqu’une solution colorée est traversée par de la lumière blanche, le spectre de lalumière obtenue présente des bandes noires sur fond coloré du spectre de la lumière blanche ;ce spectre de bandes d’aobsorption est caractèristique de la substance dissoute.

II.2.b Spectres de raies d’absorption :

– EXP. 2 : analyse par un spectroscope à réseau du sodium gazeux

• Montage expérimental : mélange eau salée saturée-alcool

FIG. 4.4:Montage expérimental pour l’observation des raies d’absorptiondu sodium gazeux.

• Description :Meilleure est la qualité du réseau meilleur est le spectre. Verser du gros sel sur la laine de verre.Utiliser de l’alcool à bruler. Prévoir deux récipients : une assiette dans une plus grande. Fentefine <1mm. Projecteur diapo + condensaeur.

• Observation : il apparaît une raie noire dans la partie jaune du spectre continu ;


III. ÉVOLUTION DES SPECTRES AVEC LA TEMPÉRATURE : 33

• Interprétation : lors de la traversée de la vapeur de sodium par la lumière blanche, des radiationsjaunes ont été absorbées qui est caractériqtique du sodium.

– Schéma du principe d’apparition de raies d’absorption :

→

FIG. 4.5:Conditions donnant lieu à un spectre de raies d’absorption.

– Conclusions :

1. Lorsqu’un gaz à basse température et à basse pression est traversé par de la lumièreblanche, le spectre de la lumière transmise est constituées de raies noires sur le fond colorédu spectre de la lumière blanche ;

2. À chaque raies correspond une radiation monochromatique de longeur d’onde dans le videbien déterminée ;

3. Le spectre de raie d’absorption permet d’identifier la gaz traversé : c’est sa signature.

III Évolution des spectres avec la température :

– EXP. 4 : rétro modifié pour l’évolution du spectre avec la température ;

• Schéma du montage :

~ 80V−220V

filament~ T

Sens de déplacement

spectroscopeprojecteur diapo

FIG. 4.6:Montage permettant l’observation de l’évolution du spectre avec la température.

• Observation : plus la tension est importante, plus le filament donc le gaz contenu dans l”mapouleest chaud, plus le spectre est intense dans le bleu.

– Conclusion :lorsque la température sélève, le spectre continu d”émission devient de plus en pluslumineux et s’enrichit de couleurs verte, puis bleue et violette ;


IV. ANALYSE SPECTRALE : 34

– Loi de Wien :λmax.T = 2,898.106 (K)

– Applications :

• Dans quelle gamme de longueur d’onde le corps humain rayonne-t-il?

• Retrouver la température du Soleil par simulation de la loi de Wien avec un tableur.

• Quelle est la température du Soleil?La courbeI5500K = f (λ) est donnée.

IV Analyse spectrale :

– Vue en exercice et en T.D.


V. EXERCICES : 35

V Exercices :

V.1 Types de spectres :

Attribuer à chacun des spectres ci-dessous une de ses caractéristiques : continu, de raies démission, de raiesd’absorption ou de bandes d’absorption.

V.2 Interpréter une expérience : V.3 Réaliser et interpréter un spectre :

1. Schématiser un montage permettant de réaliserun spectre d’absorption.

2. La lumière transmise par un gaz éclairé par dela lumière blanche donne-t-elle u spectre deraies ou un spectre de bandes?

3. Même question pour la lumière transmise parune solution colorée éclairée par de la lumièreblanche.


VI. FICHES EXPÉRIMENTALES : 36

VI Fiches expérimentales :

FIG. 4.1:Conditions donnant lieu à un spectre de bandes d’absorption.

FIG. 4.2:Montage expérimental pour l’observation des raies d’absorptiondu sodium gazeux.

→

FIG. 4.3:Conditions donnant lieu à un spectre de raies d’absorption.


VI. FICHES EXPÉRIMENTALES : 37

→

FIG. 4.4:Conditions donnant lieu à un spectre continu d’émission.

→

FIG. 4.5:Conditions donnant lieu à un spectre de raies d’émission.

~ 80V−220V

filament~ T

Sens de déplacement

spectroscopeprojecteur diapo

FIG. 4.6:Montage permettant l’observation de l’évolution du spectre avec la température.


Deuxième partie

L’univers en mouvement et le temps (8h, 4TP)


Chapitre 1

Étude des mouvements (2h)

Objectifs :

– Connaître ce qu’est le référentiel terrestre.

I Comment étudier le mouvement d’un objet? :

– Représentation d’un objet par un point :

• Exemple : étude de ton parcours lorsque tu cours dans la rue.→ seul le mouvement d’ensemble du corps nous interesse : on choisit un point pour le représen-ter.

• Le centre de gravite :Le centre de gravité a été défini comme le point d’application de son poids.

• De façon générale, l’étude du mouvement d’un objet se ramène à l’étude du mouvementd’un point choisi de cet objet.

– Trajectoire :

• La trainée laissée par un avion matérialise la trajectoire de l’avion.

• L’exemple du yoyo nous montre qu’il faut un référentiel pour décrire son mouvement.→ 2 trajectoires observées selon le référentiel choisi : verticale ou sinusoïdale.

• Déf. trajectoire :c’est la ligne formée par l’ensemble des positions occupées par ce point au cours du mou-vement.

• Important :La trajectoire observée dépend du référentiel utilisé.

II Nécessité d’un référentiel :

– EXP. : mouvement d’un yoyo tenu par le passager d’un train et observé depuis le train et depuis lequai (matériel 1 carton découpé + craie).

– Quiz : de quoi a-t-on besoin pour repérer le mouvement du yoyo?

– Définition :Un référentiel est un objet par rapport auquel on repère les positions du point dont on étudie lemouvement. Il consiste en un repère mathématique muni d’une origine des dates.


III. VITESSE D’UN POINT : 40

– Référentiel terrestre :L’ensemble des objets de référence fixes par rapport à la Terre constituent le référentiel ter-restre.

• Exemple : le référentiel constitué par le quai de la gare est fixe par rapport à la Terre ; il permetl’observation du mouvement d’un train.

• Contre-exemple : un tapis roulant présent dans les aéroports ne peut pas être considéré commeappartenant au référentiel terrestre car il n’est pas fixe par rapport à la Terre.

– Utilisation du référentiel terrestre :

• À la question “Une maison est-elle immobile ou en mouvement?”, on ne peut répondre qu’aprèsavoir précisé le référentiel.

∗ Vue depuis l’espace, la Terre tourne sur elle-même et donc la maison est en mouvementavec la Terre.

∗ En revanche, si l’on se place dans le référentiel terrestre, la maison est alors immobile carest liée à la Terre.

• Précautions :

∗ Les référentiels terrestres permettent d’étudier des mouvements de courtes duréesréalisés sur Terre:chute d’une bille, mouvement d’un palet sur la glace. . .

∗ En revanche, les référentiels terrestre ne sont adaptés pour étudier le mouvement de la Luneet des planètes car la Terre n’est pas immobiles par rapport aux autres planètes.

– Exercices : 16 (en cours), 17 et 18 p.240 Hatier 2000.

III Vitesse d’un point :

– Exemples :

1. Sur l’autoroute vous roulez à 130 km/h en suivant la voiture de vos amis roulant à vitesse égale.

• Vue depuis votre voiture, la voiture que vous suivez sembleimmobile.

• Mais vue depuis le bord de la route, les deux voituresse déplacentavec une vitesse égale à130 km/h.

2. Un voyageur qui marche dans le TGV se déplace à une vitesse vallant 0,5m·s−1 dans le réfé-rentiel du train, mais à 80m·s−1 dans le référentiel terrestre.

– Conclusion : la vitesse dépend du référentiel choisi.

– Remarque : la vitesse affichée par le compteur d’une voiture s’appelle la vitesse instantanée. Il ne fautpas la confondre avec la vitesse moyenne.

– Vitesse moyenne :Dans un référentiel donné, la vitesse moyenne du point M entre les positions A et B est égale àla longueur du trajet entre A et B divisée par la duréet pour parcourir AB.

v︸︷︷︸m·s−1

=AB (m)

t (s)

• Exemple : 80m·s−1 correspond parcours de 80 mètres en une seconde.


IV. LES TYPES DE MOUVEMENTS : 41

• Unités : 1,0m·s−1=3,6km·h−1 et 1,0km·h−1=0,28m·s−1.

– Applications : déterminer v, d et t. . .

– Exercices : 10 et 13 p.240 Hatier 2000.

IV Les types de mouvements :

– Caractéristiques d’un mouvement :

Dans un référentiel donné, le mouvement d’un point (représentant un objet) possède 4 caracté-ristiques :

1. sa direction ;

2. son sens ;

3. la vitesse du point représentant l’objet.

– Tableau des 3 principaux types de mouvements classés selon la nature de la trajectoire et l’évolutionde la vitesse : p.239 Hatier 2004 (photocopies à distribuer).

• Les schémas représentent quelques positions d’un point en mouvement.

• Entre deux positions successives, il y a toujours le même instervalle de temps.

• En reliant les positions, on obtient la trajectoire du point.

– Exercices : 14 p.240 Hatier 2000.


V. EXERCICES : 42

V Exercices :

V.1 16, 17 et 18 p.240 Hatier 2000 :

V.2 10 et 13 p.240 Hatier 2000 :

V.3 14 p.240 Hatier 2000 :

V.4 1 à 5 p.240 Hatier 2000 :

VI Correction des exercices :

VI.1 14 p.240 Hatier 2000 :

1. v(0) = 0 m.s−1.

2. v(1) = 10m.s−1 etv(2) = 20m.s−1

3. Rectiligne non uniforme car v6=cste et trajectoire verticale.

VI.2 17 p.240 Hatier 2000 :

Aucun n’a raison :

– Dans le référentiel terrestre, le Soleil semble en mouvement.

– Dans le référentiel lié au Soleil (réf. héliocentrique), c’est la Terre qui apparaît en mouvement.

VI.3 14 p.240 Hatier 2000 :

1. Le point blanc décrit un cercle.

2. Le point vert est fixe.

3. Le point vert possède un mouvement rectiligne.

4. Le point vert décrit un mouvement hypocycloïde.

5. La seconde caméra placée sur la route est un référentiel terrestre.

VII T.P. :

VII.1 Relativité du mouvement :

VII.2 Étude de la chute d’une goutte/chronophotographie :


Chapitre 2

Principe d’inertie (3h)

Objectifs :

– Savoir appliquer le principe d’inertie.

– Connaître les effets d’une force.

I Interactions et forces :

I.1 Qu’est-ce qu’une action mécanique? :

– Définition d’une action mécanique :une action mécanique existe lorsqu’un objet agit sur un autre.

• Exemple : qu’est-ce qui peut arriver au ballon lors d’un match de football?

∗ Sa trajectoire peut être modifiée ;∗ Augmenter ou réduire sa vitesse ;∗ Il peut même être déformé s’il est frappé violemment ou si un joueur pose le pied dessus :

• Propriétés :Une action mécanique exercée sur un objet peut :

1. le mettre en mouvement ;2. modifier sa trajectoire ;3. modifier sa vitesse ;4. le déformer.

– Dans cette situation, on peut se poser la question : “Qui agit sur qui?”

• Exemples :

∗ Je porte une valise : mon bras agit sur la valise en la maintenant dessus le sol.∗ Mon cahier est posé sur mon bureau : le bureau agit sur le cahier pour le maintenir sur le

bureau.∗ Une craie tombe de mon bureau : l’attraction terrestre agit sur la craie en l’attirant vers le

sol.

• Conclusions :

1. Pour décrire une action mécanique, il faut toujours définir un acteuret un receveur.2. Il y a deux types d’actions mécaniques : celles de contact et celles agissant à distance.


I. INTERACTIONS ET FORCES : 44

• Remarque :l’objet qui est le sujet d’une étude est au aussi appelé système.

I.2 Qu’est-ce qu’une force? :

– Tirer un élastique attaché à une extrémité et dont la moitié a été coloriée avec un feutre (avec aussinoté à ses extrémités les points A et B).

– Observations :

• Les doigts tirent selon une direction définie par la droite passant par A et B : c’est ladroited’action.

• La droite (AB) indiquele sensde l’action.

• L’étirement de l’élastique dépend de l’intensité de l’action.

• Le point B est celui d’où l’on tire, donc d’où l’action mécanique agit : c’est lepoint d’applica-tion.

– Définition :On appelle forceune action mécanique dont on connaît les caractéristiques suivante :

1. point d’application ;

2. direction ;

3. sens ;

4. intensité en Newton (N).

– Exemples :

• Un sportif pratiquant le ski nautique : indiquer pour chacune des phrases ci-dessous, l’auteur etle receveur de l’action mécanique :

1. Le bateau tire la corde.

2. Le sportif se retient à la poignée.

3. La poignée tire le sportif.

• Par grand vent, Hervé joue avec son cerf-volent.

1. Quelles sont les trois forces qui s’exercent sur le cerf-volent?

2. Quelles sont les forces qui agissent par contact?

3. Parmi les forces, quelle est la force qui agit à distance?

I.3 Représentation et utilisation des forces :

– Représentons la force du pied qui agit sur le ballon :

– Une force est représentée par une flèche.Le flèche démarre toujours du point d’application de la force.

– Je vais vous donner 4 petites règles à appliquer pour pouvoir représenter une force :

1. Point d’application :l’endroit où l’auteur est en contact avec le receveur sinon c’est le centre dureceveur ;

2. La flèche :elle indique le sens et la direction de la force ;


II. FORCE ET MOUVEMENT : 45

FIG. 2.1:La force du pied sur le ballon.

3. La longueur de la flèche :elle est proportionnelle à l’intensité de la force, il faudra donc choisirune échelle pour le dessin de la force ;

4. Le nom de la force :il est symbolisé par la lettre “F” au dessus de laquelle on met une flèche etoù l’on précise l’auteur et le receveur.

−→F Auteur/Receveur

– Exercices : planche de figures.Système : 3=bras, 2=boule, 1=plafond, 4=main, 10=chien, 13=aimant, 7=auto.

1. Déterminer l’auteur et le receveur des forces mis en jeu.

2. Déterminer les 3 premières caractéristiques des forces.

3. Représenter les forces par leur vecteur.

II Force et mouvement :

– Experiences :

1. Peut-on imposer une trajectoire circulaire à un objet?

• Matériel : balle+papier+table.• Montage :

FIG. 2.2:Comment imposer une trajectoire circulaire à un objet? (Hatier 2004).

2. Influence de la masse :

• Matériel : 2 balles de ping-pong+sèche cheveux.


II. FORCE ET MOUVEMENT : 46

• Montage :

FIG. 2.3: Influence de la masse sur le mouvement d’un objet (Hatier 2004).

– Ces deux expériences nous amènent à conclure :

1. L’effet d’une force sur le mouvement:Une force qui s’exerce sur un corps modifie :• soit la modification de la direction du mouvement ;• soit la modification de la vitesse de l’objet ;• ou soit la modication des deux à la fois.

2. Le rôle de la masse :L’effet d’une force sur le mouvement d’un objet dépend de la masse de cet objet. L’effetde cette force est d’autant plus important que la masse est petite.

– Exercices 7 et 8 p.263 Hatier 2004.


III. LE PRINCIPE D’INERTIE : 47

III Le principe d’inertie :

III.1 L’inertie :

– Expériences :

1. Mesure de la vitesse d’un mobile autoporteur (système pseudo-isolé) :

• Matériel : mobile autoporteur+table adaptée.• Montage :

FIG. 2.4:Mouvement d’un mobile autoporteur (Nathan 1987).

FIG. 2.5:Calcul de la vitesse d’un mobile autoporteur.

• Le mouvement est-il uniforme? Points équidistants=⇒ mouvement uniforme.

dM2M4 = dM7M9 = dM15M17 = 1.7 cm; t = 2τ ; τ = 40ms

vM3 = vM8 = vM16 =dMi−1Mi+1

2τ=

17·10−3

2·40·10−3 = 0.43m·s−1

2. Masse à l’équilibre (suspendue à un ressort) :

• Matériel : bille d’acier+ressort+potence.• Montage :

FIG. 2.6:Masse suspendue à un ressort.



– Qu’est-ce que l’inertie : c’est la résistance qu’oppose un objet à la modification de son mouve-ment.

– Énoncé du principe d’inertie :

Tout corps persévère en son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces quis’exercent sur lui se compensent.

– Remarque : un principe est une loi générale qui est vérifiée par l’exactitude de ses conséquences.

– Exercices : 9, 10 et 11 p.263 Hatier 2004.

III.2 Exemples illustrants le principe d’inertie :

– Dans chacune des situations, il faudra définir :

1. Le référentiel d’étude ;

2. Le système ;

3. Le mouvement ;

4. Les forces se compensent-elles? ;

5. Décrire la suite du mouvement du système que permet de prévoir le principe d’inertie.

– Situations :

• Le chauffeur d’une voiture freine brutalement. Quel va être le mouvement des jouets posés surla plage arrière?Le mouvement n’est plus uniforme.

• Dans une voiture, les enfants n’ont pas attachés leur ceinture de sécurité. Un piéton traverse larue et le conducteur freine brusquement. Quel va-t-il arriver aux enfants?Ils vont persévérerdans leur mouvement car rien ne les retient.

• Un camion chargés de briques mal attachées entame un virage. Les briques vont-elles rester surle camion?Les briques mal attachées vont persévérerdans leur mouvement rectiligne.

• Lors de démarrage brutal d’un ascenseur vers le haut, le cartable que vous portez à la main vousparaît-il exercer la me force sur votre bras?Non car : à l’arrêt le bras compense le poids ; au démarrage, il faut que votre bras tire d’avan-tage pour faire monter le cartable avec vous.

– Exercices : 10 et 12 p.103 Hachette 2004.

III.3 Utilisation du principe d’intertie :

– Remarque : on appliquera le principe d’inertie dans le référentiel terrestre que pour des mou-vements de courtes durées.

– Cas no 1 :

• Exemple : livre posé sur la table.

1. Système : livre.

2. Bilan des forces : son poids, la force exercée par la table sur le livre.

3. Schéma.



• Si un corps est immobile ou s’il est en mouvement rectiligne uniforme (v ne varie pas),alors les forces qui s’exercent sur lui se compensent.

– Cas no 2 :

• Exemple : enfant assis sur un tourniquet.

1. Système : enfant.

2. Bilan des forces : son poids, la force exercée par le tourniquet sur l’enfant.

3. Schéma.

• Si un corps n’est ni immobile et ni en mouvement rectiligne uniforme (direction et vitessevarient), alors les forces qui s’exercent sur lui ne se compensent pas.

– Cas no 3 :

• Exemple : deux jumeaux tirant sur la même corde.

1. Système : corde.

2. Bilan des forces : les forces exercées par les 2 jumeaux.

3. Schéma.

• Si les forces qui s’exercent sur un corps se compensent, alors le corps est immobile ou enmouvement rectiligne uniforme : sa vitesse et sa direction ne varient pas.

– Cas no 4 :

• Exemple : un père et son fils tirent sur la même corde.

1. Système : corde.

2. Bilan des forces : les forces exercées par le père et par son fils.

3. Schéma.

• Si les forces qui s’exercent sur un corps ne se compensent pas, alors ce corps n’est niimmobile ni en mouvement rectiligne uniforme : sa vitesse et sa direction varient.


IV. EXERCICES : 50

IV Exercices :IV.1 7 et 8 p.263 Hatier 2004. :

IV.2 9, 10 et 11 p.263 Hatier 2004. :

IV.3 10 et 12 p.103 Hachette 2004 :



V Correction des exercices :

V.1 7 p.263 Hatier 2004. :

– Lire l’énoncé jusqu’à la fin.

– Schéma du problème :

– Réponse : les deux boules possèdent même vi-tesse mais des masses différentes ; elles ontdonc une inertie (voir définition) différente.

V.2 8 p.263 Hatier 2004. :

– 3 véhicules : moto, mobylette, voiture.Qu’est-ce qui les différencie du point de vue de la physique ? Quels sont ce que l’on appelle enphysique les paramètres?

– Réponse :mmobylette< mmoto< mvoiture; les vehicules les plus massifs s’opposent à la modificationde leur mouvement.

V.3 9 p.263 Hatier 2004. :

Souligner les mots importants dans l’énoncé.→ ligne droite, vitesse constante.

1. La voiture se déplace en ligne droite et v=cste, donc le mouvement estrectiligne uniforme.

2. D’après le principe d’inertie, comme le mouvement est rectiligne uniforme, l’ensemble des forces secompensent.

V.4 10 p.263 Hatier 2004. :

Souligner les mots importants dans l’énoncé.→ ligne droite, s’arrète.

1. La skieur se déplace en ligne droite, donc le mouvementrectiligne et freiné. est-il uniforme?

2. Le {skieur+skis} est soumis à sonpoids, la réaction du sol sur le skieuret la force de frottementdu sol sur ses skis.

3. Bien que le mouvement soit rectiligne,la vitesse n’est pas constante. Donc d’apres le principed’inertie, l’ensemble des forces ne se compensent pas.



V.5 11 p.263 Hatier 2004. :

1. La trajectoire est un cercle, donc lemouvement est circulaire.

2. Le mouvement n’est pas rectiligne uniforme, donc d’après le principe d’inertie, les forces ne se com-pensent pas. En effet :

– Dans l’espace, il n’y a pas de frottements car c’est le vide.

– La Lune est attirée par la Terre : elle subitl’attraction gravitationnelle .

– Remarque :Expérience de la boule attachée à une ficelle.Si la Lune n’était pas attirée par la Terre, elle aurait un mouvement rectiligne. Mais la forcegravitationnelle exercée par la Terre modifie à chaque intant la direction du mouvement de laLune.

V.6 10 p.103 Hachette 2004. :

Souligner les mots importants dans l’énoncé.

1. Bilan des forces exercées sur le système Appousiak-traîneau :

a) Le poids du système et la force du sol sur le système.

b) Le poids du système, la force du sol sur le système et la force de frottement du sol.

c) Le poids du système et la force du sol sur le système.

2. Application du principe d’inertie :

– Sur la partie AB, lemouvement est rectiligne uniforme, donc d’après le principe d’inertie, lesforces se compensent.

– Au point C, le système estau repos, donc d’après le principe d’inertie, les forces se compensent.

– Sur la partie BC, le mouvementn’est plus uniforme car v diminue. Donc d’après le principed’inertie, les forces ne se compensent pas sur la partie

V.7 12 p.103 Hachette 2004. :

Souligner les mots importants dans l’énoncé.

1. Il faut que la savonnette soit soit très humide pour rendre liquide le savon et que les jointures ducarralage soient très petites, lisses et au même niveau que les dalles.



2. Marie a tort dans ce cas de figure car commeles forces se compenseraient, le mouvement seraitrectiligne et uniforme d’après le principe d’inertie.

3. La vitesse diminue :

a) Le mouvement serait rectiligne maisuniforme.

b) D’après le principe d’inertie, les forces ne se compenseraient plus : la force de frotement et nonle poids finirait par arrêter la savonnette.


VI. T.P. : 54

VI T.P. :

VI.1 Le vélo-boule :

– Réglages de AviMéca.

– Acquisitions des points de mesures.

– Reporter les trajectoires sur pochettes transparentes.

– Interprétation des mesures.

VI.2 Forces et mouvement :

– Rappel résultats graphiques et interprétations du T.P. vélo-boule :→ vidéo+étude Synchronie trajectoire hypocloïde.

– Peut-on changer de trajectoire une balle de tennis?

– influence de la masse sur la trajectoire : 2 balles + sèche-cheveux.

– Étude du mouvement (trajectoire + calul de vitesses instantanées) d’un mobile autoporteur.

– Si temps : T.P. sur le mouvement de Mars dans le référentiel géocentrique.


Chapitre 3

L’interaction gravitationnelle (2h)

Objectifs :

– Connaître ce qu’est le référentiel géocentrique.

– Connaître l’expression de~Fg et savoir l’utiliser.

– Savoir qu’elle est l’infleucne du vecteur~v0 sur la trajectoire d’un corps.

I La gravition universelle :

I.1 Étude d’un texte historique qur la gravition :

Voir document à la fin du chapitre.

1. Annoncer que nous allons établir l’expression de la force gravitationnelle ;

2. Formule dont la signification physique n’est pas évidente, donc il est nécessaire d’étudier au préalableun petit extrait du livre deNEWTON ;

3. Les contemporains deNEWTON n’étaient pas tous convaincus de l’universalité des lois, c’est pour-quoi NEWTON insiste particulièrement en l’appliquant à un grand d’exemples : Jupiter, aux autresplanètes, la Lune. . . avant de généraliser ;

4. Faire lire à voix haute chaque proposition par les élèves ;

5. Les problèmes de vocabulaire implique d’expliciter au tableau :

– “en raison réciproque” ;

– “quarré” ;

– “révolvants”.

6. Remplir la première ligne du tableau ensemble si nécessaire ;

7. Cours : récapitulatif des réponses des élèves et énoncer la loi de gravitation universelle.


I. LA GRAVITION UNIVERSELLE : 56

I.2 La loi de la gravitation universelle :

– Exemple 1 : sur Terre, lorsqu’on lâche un corps, il tombe.

– Interprétation : compte tenue de leur masse (la Terre [6 · 1024 kg] et le corps étudié), il existe uneinteraction gravitationnelle entre ce cor ps et la Terre.

– Remarque : en physique, on utilise souvent le mot(( corps)) pour(( ob jet)).

– Exemple 2 : dans le cas de la Lune et de la Terre, ccomme ces deux astre s possèdent une masse,ils sont en interaction gravitationnelle.→ C’est cette interaction qui permettra d’interpréter le mouvement de la Lune autour du la Terre.

– Enoncé de la loi de la gravitation universelle :

La valeur de l’intensité de la force d’interaction gravitationnelle exercée par un corps A sur uncorps B (et par un corps B sur un corps A) a pour expression :

FA/B = FB/A = F = GmAmB

d2

• G = 6,67·10−11 N.m2.kg−2 est la constante de gravitation universelle ;

• mA et mB : les masses des corps A et B enkg;

• d : distance enmètresentre les centres des corps A et B ;

• F s’exprime en newton (N).

– Schéma

– Exemples d’application :

1. Calcul de la valeur de la force d’interaction gravitationnelle qu’exerce un corps de massem= 45g sur un corps de massem= 100g, distants ded = 50cm :

F =6,67·10−11×4,5·10−2×1,00·10−2

(0,50)2 = 1,2·10−12 N

Cette valeur, bien que non nulle, est faible si on la compare au poids de chaque corps surTerre, c’est-à-dire la force gravitationnele de la Terre sur ces deux corps valant respectivement0,44 pour le premier et 0,98 N pour le second.

2. La valeur de la force d’interaction gravitationnelle entre la Terre et la Lune vaut :

F =6,67·10−11×6·1024×7·1022

(3,8·108)2 = 2·1020 N

Seule une force énorme peut ainsi agir de façon significative sur le mouvement de la Lune.

– Exercices : 10, 11 et 14 p.253 Hatier 2000.


I. LA GRAVITION UNIVERSELLE : 57

I.3 La pesanteur :

– Définition :

Sur Terre, tout corps est soumis à une force appelée poids−→P . Elle est verticale, dirigée vers le

bas et s’applique au centre de gravité du corps. Sa valeur en newton (N) est :

P = mg

• g est l’accélération de la pesanteur vallant en moyenne 9,80 N.kg−1 ;

• m est la masse du corps enkg.

Sur Terre, le poids peut être assimilé à la force d’interaction gravitationnelle exercée par laTerre sur ce corps.

– Application : “combien pèses-tu?” ; masse6=poids, puis calcul.

– L’assimilation duP àFg permete de calculer l’accélération de la pesanteurgT :

Si F = P alorsGMTm

R2T

= mgT , donc : gT =GMT

R2T

.

A.N.: gT =6,67·10−11×5,98·1024

(6,38·106)2 = 9,80N.kg−1.

– Application à faire : calcul degL (1,61 N.kg−1).

– Exercices : 12 p.253 (15 p.253) Hatier 2000.


II. TRAJECTOIRES DE PROJECTILES : 58

II Trajectoires de projectiles :

II.1 Chute libre d’un corps :

– Vu en T.P.

– Conclusion :Lorsqu’un corps est uniquement soumis à son poids, son mouvement est indépendant de lamasse et ne dépend que des conditions initiales de vitesse et de direction.

II.2 Influence de la vitesse initiale :

– Chronophotographies illustrant la relation entre la vitesse initiale et la trajectoire d’une bille :

FIG. 3.1:Trajectoire d’une bille pour des valeurs de vitesse initiale différentes.

– Interprétation :L’étude sur l’axe horizontale du mouvement de la bille est uniforme. C’est bien ce que prévoitle principe d’inertie compte tenue de la direction de la vitesse initiale : il persévère dans sonmouvement rectiligne (sur cet axe) et uniforme.


III. APPLICATIONS À L’ASTRONOMIE : 59

II.3 Influence de la direction initiale du mouvement :

– Chronophotographies illustrant la relation entre la vitesse initiale et la trajectoire d’une bille :

FIG. 3.2:Trajectoire d’une bille pour des directions de lancement différentes.

– Interprétation :Bien que le corps soit lancé dans une direction donné, celui-ci retombe. Comme le prévoit leprincipe d’inertie, le corps ne suit pas sa direction initiale car les forces qui s’exercent sur luine se compensent pas (frottement, poids).

– Exercices : 18 p.254 Hatier 2000.

III Applications à l’astronomie :

III.1 Mouvement de la Lune et des satellites :

– Expérience de la boule attachée à une ficelle.

– Interprétation :Si la Lune n’était pas attirée par la Terre, elle aurait un mouvement rectiligne. Mais la forcegravitationnelle exercée par la Terre modifie à chaque intant la direction du mouvement de laLune.

III.2 Mouvement des astres :

– Une loi universelle :La loi de la gravitation universelle s’applique dans tout notre Univers comme l’a prévuNEWTON.Ainsi, toutes les planètes du Système Solaire, leur satellites propres et nos satellites artificiels sontsoumis à l’attration gravitationnelle et orbitent autour de leurs centres respectifs.


IV. EXERCICES : 60

IV Exercices :

IV.1 10, 11 et 14 p.253 Hatier 2000 :

IV.2 12 p.253 Hatier 2000 :

IV.3 18 p.254 Hatier 2000 :


V. ÉTUDE D’UN TEXTE HISTORIQUE SUR LA GRAVITATION UNIVERSELLE : 61

V Étude d’un texte historique sur la gravitation universelle :É

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VI. FICHE ÉLÈVE : 62

VI Fiche élève :

FIG. 3.3:Trajectoire d’une bille pour des valeurs de vitesse initiale différentes.

FIG. 3.4:Trajectoire d’une bille pour des directions de lancement différentes.


VII. CORRECTION DES EXERCICES : 63

VII Correction des exercices :

VII.1 10 p.253 Hatier 2000 :

1. Fg augmente car est en1d2 .

2. Fg diminue si M diminue.

VII.2 11 p.253 Hatier 2000 :

1. FT/S =6,67.10−11×6.1024×1,99.1030

(1,50.1011)2 = 3,54.1022 N.

2. Oui carFT/S = FS/T : l’interaction est mutuelle.

VII.3 12 p.253 Hatier 2000 :

1. Fm/m′ = Fm′/m =6,67.10−11×0,058×0,058

(1,0)2 = 2,24.10−13 N.

2. Voir cours (définition deFg).

3. Fm/m′ = Fm′/m =6,67.10−11×0,058×0,058

(0,5)2 = 8,98.10−13 N. L’intensité de la force est multipliée

par 4 ((1,0)2

(0.5)2 ).

4. FT/m =6,67.10−11×0,058×6.1024

(1,0)2 = 2,23.1013 N.

Fm′/m

FT/m= 9,65.10−27' 10−26 N. La force entre les balles est négligeable devant la force exercée par

la Terre sur les balles.

VII.4 14 p.253 Hatier 2000 :

1. La force a pour point d’application le satellite et est dirigée vers le centre de la Terre.

2. Dans ce cas, le principe d’inertie permet de dire que le mouvement du satellite persévèreraitselon latrajectoire et la vitesse initiale qu’il avait au départ. Il aurait donc un mouvement rectiligne uniformetangent à son orbite et s’éloignerait alors de la Terre.


VIII. T.P. : 64

VIII T.P. :

VIII.1 Études de chronophographies du mouvement de corps lancés :

1. Chute de corps sans vitesse initiale :

– La durée de chute et la vitesse d’arrivée dépendent-elles des corps?

– De quels paramètres physiques la durée et la vitesse dépendent-elles?

Paramètres initiaux boule de pétanque Pomme Livre Rocherx0 (m) 0.0 2.0 4.0 6.0y0 (m) 11.0 11.0 11.0 11.0

v0 (m.s−1) 0 0 0 0α (o) 90 90 90 90

– Conclusion : la durée et vitesse finale ne dépendent que de la hauteur de la chute (t =

√2

hg

et

vz = gt+v0 =⇒ vz=0 =√

2gh).

2. Chute d’un corps sur différente planètes :

– La durée de la chute d’un corps (boule) dépend-t-elle de la planète où elle a lieu?

• Sur Terre : 1.5 s pour parcourir 11 m.

• Sur Mars : 2.44 s pour parcourir 11 m.

• Sur la Lune : 3.72 s pour parcourir 11 m.

– Conclusion : la durée de la chute dépend de la l’intensité de la pesanetur de la planète.

3. Caractéristiques du mouvement de la chute d’un corps (boule) sur Terre :

– Noter la valeur vitesse au cours du temps à caqhue position pourz0 = 11,0 m etv0 = 0 m.s−1.

– Valeurs :

Position 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10y (m) 11.0 10.86 10.58 10.0 9.28 8.28 7.08 5.64 4.0 2.14 0.0t (ms) 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500

v (m.s−1)

– Conclusion : la vitesse augmente donc le mouvement estrectiligne et varié ; d’après le PI, lesforces ne se compensent pas ; compte tenue du mouvement le corps est soumis à une forced’attration.

4. Influence de la vitesse initiale sur le mouvement :

– Paramètres initaux :x = 0 m, y = 11m, α = 0 o.

– Noter la durée de la chute et l’ascisse du point d’impact.

v0 (m.s−1) durée (ms) xf (m)2 1.5 304 1.5 66 1.5 9

– Conclusion : la durée de chute est la même car la hauteur reste constante mais la portée du lancéaugmente.


VIII. T.P. : 65

5. Caractéristiques du mouvement de lancé :

– Paramètres initaux :x = 0 m, y = 11m, α = 0 oetv0 = 6 m.s−1.

– Observer l’allure des graphesx = f (t), v = f (t) ety = f (t).

– Conclusion sur x : droite passant par l’origine=⇒ x = vt où v = cte; donc le mouvement estrectiligne uniforme.

– Conclusion sur v : droite passant par l’origine=⇒ x = coe f· t ; coef=9.8 S.I..

– Conclusion sur y : même que pour la chute libre : mouvementrectiligne uniformément accé-léré.

6. Influence de l’angle de la vitesse initiale :

– Paramètres initaux :x = 0 m, y = 11m, etv0 = 12m.s−1.

– Angles à tester : 20o, 30o, 45o, 60o, 70o.

– Conclusion : MRU en x et MRV en y.

7. Étude du mouvement d’un satellite autour de la Terre :

– Observer la trajectoire du satellite pour différentes vitesses initiales.

Vitesse initiale (m.s−1) 0 1000 1500 2000 3300 3700Trajectoire

– Conclusion : plus la vitesse initiale augmente, plus l’orbite s’applatie puis devient ouverte.

– Expliquer la mise en orbite des satellites.


VIII. T.P. : 66

VIII.2 Étude de la chute d’une goutte :

– Cf. énoncé T.P. labo.


Chapitre 4

Le temps (1h)

Objectifs :

– Connaître les carctéristiques de l’alternance nocturne-diunrne, des phases de la Lune et des saisons.

– Savoir mesurer et calculer une période.

– Savoir reconnaître un phénomène périodique.

– Connaître les caractéristiques d’un calandrier.

– Connaître différents appareil mesurant les durées : cadran solaire, clepsydre, horloges. . .

– Savoir mesurer une durée grâce à un pendule, grâce à une montre à quartz.


Troisième partie

L’air qui nous entoure (6h, 3TP)


Chapitre 1

Pression et température d’un gaz (2h-3h)

Objectifs :

– Savoir qu’un gaz est constitué de molécules en mouvement.

– Connaître les grandeurs caractéristiques mesurables d’un gaz.

– Savoir utiliser la relationp = FS.

– Connaître et savoir utiliser l’échelle de température Celcius.

I Description d’un gaz :

– Exérience de la canette :→ Comment expliquer ce que vous observer? Ces deux chapitres vont vous le permettre.

– Exemple d’étude : enceinte contenant un gaz en agitation.→ Simulation gaz.jar.

• Quels sont les paramètres permettant de décrire le gaz?

• Description microscopique :

∗ Il faudrait mesurer la vitesse et la position des atomes et molécules.

∗ Il faudrait le faire pour les millions de milliards d’entités : très difficile.

• Description microscopique :

1. Les chocs des atomes et molécules sur les paroies appuient sur les paroies : naissance d’unepression.

2. Les chocs contre les paroires et les colisions entre atomes et/ou molécules créent un échauf-fement : impose la température.

– autres paramètres permettant de décrire un gaz : V et n (1 mole contient 6,02.1023 atomes).

II La pression d’un gaz :

– La force pressante :

• Les chocs sur les parois créent une force pressante.

• Exemple : piston avec une masse de 1 kg.


III. LA TEMPÉRATURE D’UN GAZ : 70

• Définition :Un gaz exerce une force pressante sur les parois du récipent qui le contient. Cette force esttoujours perpendiculaire à la paroi.→ schéma.

– La pression d’un gaz :

• Définition :

p︸︷︷︸(Pa Pascal)

=F→ NS→ m2

1 bar = 1.105 Pa

La pression est égale au rapport de la force pressante sur la surface subissant la force.

• Remarque : si le récipent est ouvert,p = patmosph̀ere.

– Mesure :

• Enceinte et récipents : le manomètre.→ faire fonctionner la seringue reliée au manomètre.

• Pour la pression atmosphérique : le baromètre.

III La température d’un gaz :

– L’agitation moléculaire et atomique crée des chocs et des colisions, donc des pertes d’énergie et desfrottements, donc une élévation de la température.

– On dit que la température T décrit l’état thermique d’un corps.

– Mesure :

• Exemple : avec un thermomètre médical, il faut attendre la fin de mantonée de l’alcool.

• La mesure s’effectue lorsque l’équilibre thermique est atteint.

– Types de thermomètres :

• À système de dilatation : thermomètre à alcool.

• À rayonnement (cf. loi deWIEN).

• À grandeur électrique : thermomètre à sonde électronique.

IV Exercices :

IV.1 Étude documentaire fontaine de Torricelli p.284 Hatier 2000 :


Chapitre 2

Équation d’état des gaz parfaits (2h)

Objectifs :

– Connaître l’équation d’état des gaz parfaits.

– Connaître l’échelle de température absolue.

– Savoir utiliser la relationT = θ+273,5.

– Savoir utiliser la relationp.V = n.R.T.

I Les variables d’état d’un gaz :

– Qu’est-ce qu’un modèle?Un modèle d’un système physique est un ensemble de caractériques, de règles et de relations mathé-matiques permettant de décrire et de prévoir l’évolution du système étudié.

– Constatation :

• La description macroscopique de l’état d’un gaz fait intervenir 4 variables d’état : la tem-pérature, le volume, la pression et la quantité de matière.

• Ces grandeurs sont interdépendantes : quand l’une varie, au moins une autre va aussivarier.

– Exemple :Lorsqu’un ballon de volley gonflé est laissé au Soleil, l’augmentation de sa température engendre uneaugmentation de sa pression : le ballon devient plus dur au toucher.

– Le physicien françaisCHARLES a réalisé des mesures de température lorsqu’il baissait la pressionpour différentes valeurs du volume d’un même gaz. Il obtint le graphique suivant :

– Au début du XIX esiècle, le physicienCHARLES observa que les températures négatives nepeuvent déscendre en dessous d’une valeur limite voisine de -273oC.Cette térature a été choisie comme origine de l’échelle des températures absolue dite échelleK ELVIN .La relation entre les kelvin et les degrès Celsius est :

T(K) = θ(◦C)+273,15

↑ 1 K =⇒ ↑ 1 ◦C

La température en kelvin est égale à la température en degrès Celsius plus 273,15.


II. L’ÉQUATION D’ÉTAT DU GAZ PARFAIT : 72

– Remarque : on ne dit pas “degrès kelvin” mais “kelvin” tout court.

– Applications :

1. Convertir 310,35 kelvin en degrès Celsius : 37,2oC.

2. Convertir -270oC en kelvin : 3 K→ température résiduelle du big bang.

– Conséquence :

Au zéro absolu pour les gaz parfaits :

• il n’y a plus d’agitation thermique ;

• la pression est nulle.

II L’équation d’état du gaz parfait :

– La loi deBOYLE-MARIOTTE :En 1662 et 1676,BOYLE et MARIOTTE ont établi une relation entre la pression et le volume à T et nconstants quel sue soit le gaz.

pV = cste =⇒ p1V1 = p2V2

Lorsqu’un gaz passe d’un état 1 où sa pression estp1 et son volume estV1 à un état 2 tel quep = p2

etV = V2, le produit de sa pression et de sa température reste constant.

– Application :Lors d’un transfert de propane du camion du livreur vers la bombone d’une cuisinière, quelle va êtrela valeur de la pression lorsque le méthane passe d’un état de départ (3 bar, 52 m3) à un état final oùson volume est celui de la bombone de 5,2 m3 (correspondant à 13 kg de propane)?

p2 =p1V1

V2=

3.105×525,2

= 30.105 Pa= 30bar

– Des expériences conduites en laboratoire montrent que la valeur du produitp.V est la même pourtous les gaz.Tous les gaz ont, sous faible pression, un comportement identique à celui d’un gaz idéal, appelégaz parfait.

– Un modèle étant décrit par au moins une relation mathématique, nous allons quelle est-elle pour lesgaz parfaits.

– La loi des gaz parfaits :p︸︷︷︸Pa

V︸︷︷︸m3

= n︸︷︷︸mol

R T︸︷︷︸K

Constance des gaz parfaits: R = 8,31 J.mol−1.K−1

Le produit de la pression et du volume est toujours égale au produit du nombre de mol avec laconstante des gaz parfaits et avec la température.


III. EXERCICES : 73

– Applications :

1. Calculer la température de 3,96.10−2 mole de buthane (C4H10) contenue dans un une bouteille

d’un litre avec une pression de 1 bar :T = pVnR = 105×1,0.10−3

3,96.10−2×8,31 = 304K = 30,8 ◦C.

V = mρ = 13 kg

2,5 kg.m−3 = 5,2 m−3

n = mM = 13.103

58,1 = 223,7 mol

T = pVnR = 30.105×5,2

223,7×8,31 = 8393K

2. Calculer le volume d’une mole de gaz dans les conditions standards (θ = 20 ◦ et p=1,013.105

Pa) :V = Vm = 24L.mol−1 ! c’est le volume molaire.

III Exercices :

IV Correction des exercices :


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