Matière abordée au cours de physique, semaine après semaine

Matière abordée au cours de physique, semaine après semaine
PHYS-G-101 Stéphane Swillens: 2011/2012
semaine du
19/9 (6h) Introduction: approche de la physique par l'observation: quelques manips en exemple (tabouret en
mouvement, essoreuse à salade, thermomètre de Galilée, caddie du Cora, verre retourné, siphon à
air, flamme dansante, tricycle), Newton dans un caddie. Masse d'inertie, masse gravitationnelle.
Cinématique: mouvement dans l'espace, notions d'intervalle, de position, d'espace parcouru;
description vectorielle, somme vectorielle, repère orthonormé, projections et composantes
vectorielles; passage d'un problème N dim à N problèmes 1 dim; formalisme à 1D, xva: calcul
de pente et de dérivée, avx: calcul de surface et d'intégrale, conditions initiales; orientation des
vecteurs vitesse et accélération; techniques de résolution d'applications graphiques et analytiques à
1D; équations du MRUA; application 2D: lancer d'une boule de pétanque.
26/9 (6h) Dynamique: 3 lois de Newton; forces (fondamentales) gravitationnelle, électrique, nucléaires forte
et faible; forces de contact entre solides: description sur base de l'observation (chaise tirée);
techniques de résolution d'un problème de dynamique; application: glissement d'un objet sur un
plan incliné.
notion de poids et de poids effectif: effet de l'accélération; applications: poids effectif d'un objet
dans l'ascenseur (problème à 1D), dans le cas particulier de la chute libre, dans un métro (problème
à 2D);
3/10 (4h) techniques de calcul du poids effectif (à partir de la force du support sur l'objet, ou à partir de
 
m(g  a ) ?); principe d'équivalence (fusée immobile sur le sol terrestre ou en accélération en
absence de gravitation).
Statique: mise en mouvement de rotation; introduction du moment de force par l'observation d'une
expérience (2 planches tournant autour d'un axe et reliées par un ressort);
produit vectoriel et techniques associées (règle du tire-bouchon); calcul du moment de force; mise
en équations de l'état d'équilibre de translation et de rotation; applications: grimpeur immobile sur
paroi verticale;
description du centre de gravité (CG) par l'observation; coordonnées du centre de gravité:
démonstration; centre de gravité (CG) et centre de masse (CM); application: CM du système terrelune, la chaise qui glisse ou bascule, polygone de sustentation;
10/10 (3.5h) CG de la planche trouée; chute d'haltères symétriques et dissymétriques; tricycle qui avance ou
recule.
Mouvement circulaire: introduction intuitive sur la cause du mouvement circulaire d'un point
matériel; effets d'une force oblique par rapport à la trajectoire: composantes parallèle et
perpendiculaire de la force en relation avec les variations de grandeur et d'orientation de la vitesse;
force centripète ou radiale: exemples d'objets en mouvement circulaire et nature physique de la
force centripète;
définition des variables angulaires, rappel sur le radian, orientation et sens des vecteurs vitesse et
accélération angulaires; équations cinématiques pour le MCUA;
 
équation de la dynamique dans la direction tangentielle conduisant à I   ";
définition du moment d'inertie pour un point matériel (mR2), extension du concept aux corps solides
(propriété d'additivité du moment d'inertie), cylindre tournant autour de différents axes;
application: chute du yo-yo (accélération et poids effectif);
17/10 (4h) équation de la dynamique dans la direction radiale: "marad=Frad", démonstration géométrique de
arad=v2/R; applications concernant la force centripète: satellite en orbite (3ème loi de Képler);
voiture tournant dans un plan horizontal; pendule tournant dans un plan horizontal, centrifugeuse
(essoreuse), calcul et analyse du poids effectif dans ces différents systèmes; le mouvement
circulaire pour générer des états d'apesanteur dans un champ de gravitation (navette en orbite) ou de
pesanteur artificielle en absence d'un champ de gravitation (satellite torique en rotation).
discussion: caddie sur tapis roulant.
Travail, énergie, puissance: introduction intuitive de la notion de travail (glissement sans
frottement d'un objet sur un plan incliné) et de son expression par le produit scalaire;
effet du travail: modification de l'énergie cinétique (translation et rotation); force gravitationnelle
comme force conservative; énergie potentielle gravitationnelle à la surface terrestre;
principe de conservation d'énergie: énergies totale et mécanique;
mise en équation et technique de résolution; applications: objet glissant sans frottement sur un plan
incliné, un bloc glissant sur un plan horizontal tiré par un bloc tombant à la verticale et relié par un
câble entraînant une poulie;
définition de la puissance, formulation particulière faisant intervenir la vitesse; application: voiture
montant une côte.
Quantité de mouvement et moment cinétique: introduction intuitive de la conservation de la
quantité de mouvement: choc de 2 boules en absence de force extérieure;
24/10 (4h) démonstration de la conservation de quantité de mouvement; définition de l'impulsion et réécriture
de la loi de Newton: effet d'une impulsion sur la variation de la quantité de mouvement;
conservation de la vitesse du centre de masse en absence de force extérieure (exemple: recul
occasionné par un tir, ballon qui se dégonfle, fusée); technique de résolution et applications: choc
de 2 boules, rebond d'une balle de tennis lancée obliquement sur le sol;
introduction intuitive de l'effet d'une impulsion sur une boule en mouvement circulaire,
modification de l'orientation du plan de rotation; démonstration de la variation de la direction et/ou
de la grandeur du moment cinétique en présence d'un moment de force extérieur: cas pratiques;
conservation du moment cinétique en absence de moment de force extérieur;
applications: patineuse tournant sur elle-même; effet gyroscopique: roue tournante retenue par un
fil; temps d'arrêt d'une meule.
Révision de la "Mécanique" par l'étude de la variation de la vitesse d'un satellite en orbite elliptique:
approche "dynamique", approche "conservation de l'énergie mécanique", approche "conservation du
moment cinétique". Deuxième loi de Képler.
31/10 (1h) moment cinétique d'un point matériel; rotation d'un frisbee, d'un galet lancé pour faire des ricochets.
Pression: énergie cinétique d'un gaz, relation avec la température absolue, vitesse quadratique
moyenne; introduction intuitive de la pression d'un gaz dans une enceinte fermée, chocs sur les
parois, définition de la pression, direction de la force générée par une pression, loi des gaz parfaits;
7/11 (2h) pression hydrostatique (démonstration), pression atmosphérique et sa mesure (baromètre, relations
entre unités de pression: Pa, bar, "kg/cm²"), pression d'un pneu et sa mesure (manomètre, pression
absolue, pression de jauge ou manométrique); application: fonctionnement de la cocotte minute;
introduction intuitive de la poussée d'Archimède (pesée d'une bouteille avant et après immersion
dans l'eau d'un bac); démonstration de la poussée d'Archimède;
application: détermination de la masse volumique de la bouteille (ou de la couronne du roi Hérion II
de Syracuse).
14/11 (2h) Application pour la pression hydrostatique: le siphon à air (tuyau faisant passer l'air ambiant
extérieur vers l'intérieur d'une bouteille pleine d'eau renversée dans un bac d'eau).
Différentes visions de la poussée d'Archimède; champ de pesanteur en tant que cause du poids, de
la pression hydrostatique et de la poussée d'Archimède. Condition de flottabilité; application:
thermomètre de Galilée.
Tension superficielle: introduction intuitive: aiguille flottante, cadre souple,
orientation des forces de tension superficielle; travail associé à une augmentation de la surface de
contact liquide-air: rupture de liaisons entre molécules du liquide; tension superficielle; état
d'énergie minimum = minimisation de la surface de contact; passage du travail à la force de tension
superficielle; notion de coupure et orientation de la force par rapport à la coupure; application:
aiguille flottante.
21/11 (4h) contact solide-fluide-gaz, notion d'angle de mouillage ou de contact; capillarité, niveau du liquide à
l'intérieur d'un capillaire: démonstration;
Discussion: le carton soutenu par un verre d'eau retourné, le Flanby; autres exemples soumis à la
réflexion: la ventouse, le compte goutte.
loi de Laplace: démonstration; application: la petite bulle se vide dans la grosse bulle;
Hydrodynamique: introduction intuitive: le robinet qui goutte, le filet d'eau qui se rétrécit;
notion de débit pour un liquide incompressible, équation de continuité; notion de ligne et tube de
courant, écoulements laminaire et turbulents;
introduction intuitive de la conservation d'énergie mécanique pour un fluide non visqueux en
écoulement laminaire: déduction du théorème de Bernoulli comme conséquence de la cohésion
présente dans un fluide; démonstration du théorème de Bernoulli; exemples pratiques en
applications du théorème: vitesse d'écoulement (bidon troué), effet Venturi, sonde Pitot, feuille en
sustentation.
28/11 (4h) introduction intuitive de la viscosité et définition; profil des vitesses; perte de charge due au
frottement: loi de Poiseuille; résistance à l'écoulement, résistance équivalente pour montages en
série et en parallèle, puissance d'une pompe; déplacement d'un solide dans un fluide: forces de
résistance à l'avancement: force d'origine visqueuse en v (force de Stokes) et force d'origine
dynamique en v², nombre de Reynolds, notion de vitesse limite;
(suite à l'arrêt du métro: 2h de révision) Discussion: relations entre pression hydrostatique, tension
superficielle et loi de Laplace dans le cadre de la capillarité; variation de pression (contre-intuitive)
dans un écoulement vertical (principe de l'exo 07A4).
FIN de la matière pour le test de janvier!
Mouvement périodique: vecteur tournant et sa projection sur un axe; période et pulsation ou
fréquence angulaire, amplitude; oscillation sinusoïdale; solution de l'équation d²x/dt²=-²x;
oscillateur harmonique: pendule oscillant dans un plan vertical avec une petite amplitude;
introduction au phénomène d'élasticité: allongement d'un élastique en fonction de la force de
traction; force de rappel, loi de Hooke, module de Young;
oscillateur harmonique: masse attachée à un ressort, évolution dans le temps des énergies cinétique
et potentielle, conservation de l'énergie totale; équilibres stable et instable; oscillation amortie;
technique de résolution: décomposition de l'oscillation en 4 quarts de période (exemple: temps de
contact entre la raquette et la balle frappée).
Ondes: introduction intuitive: "ola" sur une rangée d'étudiants, vitesse de propagation, propagation
d'une déformation locale: démonstration de la validité de l'équation générale y=f(x-vt); description
des événements consécutifs à la chute d'un objet sur une surface d'eau, onde vue comme une série
d'oscillateurs en déphasage progressif; onde sinusoïdale, description des caractéristiques et relations
entre elles: vitesse de propagation v, nombre d'onde k, fréquence angulaire ou pulsation ,
fréquence f, période T, longueur d'onde ;
12/12 (4h) principe de superposition: addition d'ondes sinusoïdales; démonstration de l'onde stationnaire
comme résultante de deux ondes identiques se propageant en sens opposé; notions de nœud et de
ventre; application: corde vibrante, contraintes physique, caractéristiques des ondes stationnaires,
fréquence fondamentale et harmoniques (démonstration), vitesse de propagation (fonction de la
tension et de la masse linéique: démonstration), énergie d'un élément de corde vibrante;
Onde sonore: introduction intuitive du phénomène sonore: de la corde vibrante de la guitare
jusqu'au cerveau; onde sonore comme propagation d'une perturbation de la pression dans un milieu
(gaz, liquide, solide); définition du module B de compressibilité d'un milieu; vitesse de propagation
du son dans un milieu compressible; onde sonore stationnaire dans les tuyaux à extrémités ouvertes
ou fermées, démonstration des relations donnant la fréquence des harmoniques;
intensité d'un son, intensité en 1/R², démonstration; échelle d'intensité en dB; perception du son,
diagramme d'audition; notions d'interférences constructive (d=m) et destructive (d=(2m+1)/2) sur
base de la différence de marche d.
19/12 (2h) Révisions et réponses aux questions sur la matière du test de janvier (voir définition ci-dessus)
5/12 (4h)
23/1 (2h)
30/1 (4h)
6/2 (4h)
13/2 (4h)
20/2 (4h)
27/2 (4h)
Onde lumineuse: aspects ondulatoire et corpusculaire de la lumière; vitesse de propagation, énergie
du photon; fréquences et type d'onde électromagnétique; interactions lumière-matière, indice de
réfraction; phénomènes générés à l'interface de deux milieux; démonstration de la loi de la
réflexion, rapport d'intensités réfléchie et incidente; démonstration de la loi de Snell-Descartes pour
la réfraction; réflexion totale, application: fibre optique; tromperie due à la réfraction: position du
poisson dans l'eau; lame à faces parallèles; prisme
décomposition de la lumière blanche; tromperies dues à la réflexion: miroir, reflet à la surface de
l'eau, route mouillée ou chaude, mirage.
Lentilles sphériques minces, rayons de courbure, convention des signes, lentilles biconvexes et
biconcaves; approche graphique de construction d'une image (sur base de la loupe), foyers et
distance focale; images réelle et virtuelle en fonction de la position de l'objet; techniques de calcul,
convention sur les signes des positions et des grandeurs d'objet et d'image; facteur de grandissement
transversal; formule des opticiens (sans démonstration), puissance d'une lentille, démonstration de
1/f=1/so+1/si; application (graphique et numérique): microscope optique; aberration chromatique.
Interférences, démonstration des franges de Young; résolution et pouvoir de séparation de franges
par un réseau de fentes; diffraction et démonstration de la position des franges.
Œil et défauts optiques: description de l'œil en tant que système optique, cornée, humeur aqueuse,
cristallin, humeur vitrée, rétine; caractéristiques optiques, indice de réfraction des différents
éléments, punctum remotum, punctum proximum, puissance optique, pouvoir d'accommodation;
défauts optiques et corrections, hypermétropie, presbytie, myopie, combinaison presbytie-myopie.
Correction du test de janvier (1h)
Comparaison des perceptions sonore et lumineuse; vision des contrastes et illusions d'optique.
Phénomène de battement.
Effet Doppler: visualisation du mouvement des fronts d'onde à la surface de l'eau, description
intuitive de l'effet du déplacement de la source par rapport à l'observateur, démonstration
géométrique de l'effet Doppler; mur du son, cône de Mach et relation entre nombre de Mach et
angle du cône.
Changement de référentiels: référentiels inertiel et non-inertiel, loi de composition des vitesses,
pseudo-forces d'inertie dans un référentiel non-inertiel; geffectif; exemples: fusée, centrifugeuse;
résolution de F=ma avec F(v), chute d'une sphère dans un fluide visqueux, vitesse limite dépendante
de g; séparation de particules de tailles différentes, sédimentation, coefficient de sédimentation, le
svedberg. Juxtaposition des différents concepts  Centrifugation: principe et utilité
Circulation du sang: rappel des concepts et des lois de l'hydrodynamique; système
cardiovasculaire, pulsation cardiaque, compliance de l'aorte et des grosses artères, pression
artérielle, unités; variation de pression artérielle au cours du cycle cardiaque, effet de la viscosité,
effet de la variation de section du vaisseau et de la ramification, effet de la hauteur; description et
fonctionnement du sphygmomanomètre, influence de la pression hydrostatique, exemples: voiles
noir et rouge, influence du geff; grandeurs caractéristiques du sang et du système circulatoire (masse
volumique, viscosité, volume, débit, résistance à l'écoulement, puissance cardiaque); effet
mécanique de la diminution de l'élasticité et de la section d'une grosse artère (artériosclérose).
Energie potentielle dans un champ central: rappels: loi de la dynamique, travail d'une force,
force gravitationnelle, champ et énergie potentielle à la surface terrestre; expression de l'énergie
potentielle gravitationnelle U(R) loin de la surface terrestre (pour U(R)=0), représentation
graphique. Vitesse de libération (démonstration).
Electrostatique: expression de la force coulombienne (répulsive ou attractive), énergie potentielle,
représentation graphique, définition du potentiel V, somme algébrique de V pour un ensemble de
charges; relation entre force électrique et champ électrique E, ligne de champ et son orientation;
somme vectorielle de E pour un ensemble de charges; 2ème loi de Newton faisant intervenir E;
champ créé par une plaque plane chargée (à titre illustratif: description de la stratégie du calcul par
intégration); calcul du champ créé par deux plaques planes parallèles, relation entre champ et
différence de potentiel. Application: canon à électron, oscilloscope.
Théorème de Gauss: démarche par analogie avec hydrodynamique: équation de continuité, v en
1/R², flux, flux net à travers une surface fermée;
vision électrique possible car E en 1/R², flux électrique, théorème; utilisation élégante: calcul du
champ en un point extérieur à une plaque plane chargée; stratégie pour le calcul du champ en un
point extérieur à un fil rectiligne chargé. Application: question d'examen de biophysique en BA2.
5/3 (4h)
12/3 (4h)
26/3 (2h)
Loi d'Ohm: rappel de l'effet de forces dissipant l'énergie: frottement d'un objet qui glisse, fluide
visqueux et Poiseuille; analogie fluide en mouvement et charges électriques en mouvement, élément
résistif, loi d'Ohm, montage de résistances en série et en parallèle; puissance dissipée; exemples de
résistance non-ohmique.
Présentation de la procédure d'évaluation pour l'examen écrit.
Physique nucléaire: noyau atomique, énergie de liaison et défaut de masse, fusion, fission,
rayonnements , -, +, , n; interactions rayonnement-matière (annihilation électron-positon, effet
photo-électrique, diffusion Compton);.
Radioactivité: introduction intuitive, processus stochastique de désintégration, cinétique du 1er
ordre, décroissance exponentielle, demi-vie, activité, combinaison de 2 processus du 1er ordre.
Applications médicales: Gamma-Knife; imagerie de transmission: radiographie et tomographie
RX; imagerie d'émission: scintigraphie, tomographie par émission de positons (principes,
radiotraceur, détection des photons, collimation).
Diffusion de molécules dans un milieu: introduction intuitive, processus stochastique,
diffusion à une dimension, lois de Fick, équation de diffusion, coefficient de diffusion, déplacement
quadratique moyen.
Echographie: principe physique, calcul de la position d'un obstacle à l'onde ultrasonore (US),
vitesses de propagation de l'onde en fonction du milieu, impédance acoustique; interactions US /
tissus: réflexion, diffusion, réfraction, atténuation; construction de l'image, résolution; origines
physiques des artéfacts.
Relativité restreinte (ne fait pas partie de la matière d'examen): vision géométrique (leçon de
vulgarisation): espace-temps, ligne d'univers, rotation du référentiel "espace-temps" due à une
modification de vitesse, principe de simultanéité, principe de causalité, vitesse limite c, contraction
des longueurs, dilatation du temps.
Révision et réponses aux questions. Thèmes abordés par les questions:
calcul du poids effectif; patineur tournant sur lui-même et rapprochant les bras; précession de la
toupie; cocotte minute; thermomètre de Galilée; feuille de papier sous verre d'eau retourné;
longueurs d'onde différentes pour la corde guitare qui vibre et pour le son engendré; relation entre
vitesse et pression (Bernoulli / Poiseuille); relation entre les deux formulations de l'intensité (unités
W/m² ou dB), et relation avec la pression; impédance acoustique; vol supersonique, visualisation du
cône de Mach; voile rouge et voile noir; exo 07.J.3; paires de plaques de déviation du faisceau dans
l'oscilloscope; effet Compton et effet photoélectrique; lois de Fick
Ne fait partie de la matière d'examen que ce qui a été vu en auditoire, et qui est résumé ci-dessus.