Matière abordée au cours de physique, semaine après semaine

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Matière abordée au cours de physique, semaine après semaine

Publié le : jeudi 21 juillet 2011
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Matière abordée au cours de physique, semaine après semaine
PHYS-G-101 Stéphane Swillens: 2010/2011
semaine du
20/9 (4h)
Introduction
: approche de la physique par l'observation: quelques manips en exemple, 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;
27/9 (4h) 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.
Dynamique
: 3 lois de Newton; forces (fondamentales) gravitationnelle, électrique, nucléaires forte
et faible; forces de contact entre solides: description sur base de l'observation);
4/10 (4h) techniques de résolution d'un problème de dynamique; application: glissement d'un objet sur un
plan incliné; Réponses aux questions.
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 une fusée (en
absence d'attraction gravitationnelle
principe d'équivalence), dans une voiture (problème à 2D)
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);
11/10 (4h) 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; la bouteille sur le plateau du barman;
applications: grimpeur immobile sur paroi verticale; description du centre de gravité (CG) par
l'observation; centre de gravité et centre de masse; coordonnées du centre de gravité: démonstration;
application: CG du système terre-lune; haltères dissymétriques; la barre qui glisse sur les doigts.
18/10 (4h)
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 (mR
2
), extension du concept aux corps solides
(propriété d'additivité du moment d'inertie), cylindre tournant autour de différents axes;
application: chute du yo-yo;
équation de la dynamique dans la direction radiale: "ma
rad
=F
rad
", démonstration géométrique de
a
rad
=v
2
/R; applications concernant la force centripète: satellite en orbite (3ème loi de Képler);
voiture tournant dans un plan horizontal;
25/10 (4h) effet ressenti dans un métro roulant selon une trajectoire circulaire; pendule tournant dans un plan
horizontal, centrifugeuse, calcul et analyse du poids effectif dans ces différents systèmes; le
mouvement circulaire pour générer des états d'apesanteur dans un champ de gravitation ou de
pesanteur artificielle en absence d'un champ de gravitation.
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;
Discussion: le frottement statique comme cause du mouvement (mouvement du piéton, du cycliste,
de la voiture développant une force motrice interne).
1/11 (2h)
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; 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: tir); technique de résolution et
applications: choc de 2 boules, rebond d'une balle lancée obliquement sur le sol;
8/11 (4h) 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 sur base de l'analyse du mouvement d'un satellite en orbite elliptique. Réponses aux
questions.
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
15/11 (4h) loi des gaz parfaits; pression hydrostatique (démonstration), pression atmosphérique, baromètre,
manomètre, pression absolue, pression de jauge ou manométrique; applications: tuyau recourbé
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; condition de flottabilité;
fonctionnement de la montgolfière; 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.
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.
22/11 (4h) contact solide-fluide-gaz, notion d'angle de contact; capillarité, niveau du liquide à l'intérieur d'un
capillaire: démonstration;
lois 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, feuille en sustentation.
29/11 (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;
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;
6/12 (6h) 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
; principe d'addition d'ondes sinusoïdales; démonstration
de l'onde stationnaire comme résultante de deux ondes identiques se propageant en sens opposé;
notions de noeud et de ventre;
application: corde vibrante, contraintes physique, caractéristiques des ondes stationnaires, fréquence
fondamentale et harmoniques (démonstration), vitesse de propagation, 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; phénomène de battement (démonstration); notions d'interférences
constructive (d=m
) et destructive (d=(2m+1)
/2) sur base de la différence de marche d.
1h utilisée pour révision et réponses aux questions
FIN de la matière pour l'écrit de janvier!
13/12 (4h) 1h utilisée pour révision et réponses aux questions
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, aberration
chromatique; tromperies dues à la réflexion: miroir, reflet à la surface de l'eau, route mouillée ou
chaude, mirage; comparaison des perceptions sonore et lumineuse; vision des contrastes et illusions
d'optique.
20/12 (4h) 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.
Optique géométrique
: 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/s
o
+1/s
i
; application (graphique et numérique): microscope optique.
OEil et défauts optiques
: description de l'oeil 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.
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