Physique Mécanique

Jeanmichelgastonguay

Description

• redaction
• revision - matière potentielle : note lors de la remise
• cours - matière potentielle : obligatoires
• cours - matière potentielle : calcul différentiel
• exposé - matière potentielle : magistraux par semaine
• cours - matière potentielle : ayant des évaluations individuelles et en équipe
• revision - matière potentielle : la note finale
• cours - matière potentielle : session
• cours - matière potentielle : mécanique
• cours - matière potentielle : sans motif valable

Physique Mécanique 203-NYA-05 3-2-3 COURS DESTINÉ AUX ÉTUDIANTS DE 2ième SESSION EN SCIENCES DE LA NATURE Scott Weis peut faire le ¼ de mille (402 m) en 4.582 secondes, atteignant une vitesse de 519 km/h à bord de son « dragster » de la catégorie « Top Fuel », soit une accélération de 3,2g. Durant le trajet, le sang s'évacue de son cerveau sous l'effet de l'accélération, rétrécissant son champ de vision.

• effort de travail individuel dans le cahier d'exercices
• aspect expérimental de la matière étudiée
• vmm vmm vvvvmmm
• θθ θθ
• conservation de l'énergie
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• mouvements
• mouvement
• travail
• travaux

Sujets

• Redaction
• Calcul infinitésimal
• Session
• Mécanique

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Extrait

Physique Mécanique 203NYA05 323 ième COURS DESTINÉ AUX ÉTUDIANTS DE 2 SESSION EN SCIENCES DE LA NATURE

Scott Weis peut faire le ¼ de mille (402 m) en 4.582 secondes, atteignant une vitesse de 519 km/h à bord de son « dragster » de la catégorie « Top Fuel », soit une accélération de 3,2g. Durant le trajet, le sang s’évacue de son cerveau sous l’effet de l’accélération, rétrécissant son champ de vision. (Source: www.nhra.com) JeanMichel Gastonguay Local 122.2 6656606 poste 286 www.profweb.qc.ca/sciencececc/physique HIVER 2011

PhysiqueMécanique

La physique est la science qui étudie les propriétés générales de la matière, de l’espace, du temps, et établit les lois qui rendent compte des phénomènes naturels. (Larousse 2000)

I. INDICATIONS PÉDAGOGIQUES Ce cours deMécanique est le premier d’une série de trois cours obligatoires de physique du programme de sciences de la nature du Centre d’Études Collégiales en Charlevoix. Les deux autres cours sontÉlectricité et Magnétisme(203NYB05, session 3), etOndes, optique et physique moderne(203NYC05, session 4). Le cours s'appuie sur divers préalables du secondaire en sciences et en mathématiques; il aura donc comme rôle de normaliser et d'approfondir les acquis des étudiants sur les principes de base. On utilisera également certaines notions mathématiques enseignées lors du cours de calcul différentiel. Dans le cours de physique mécanique, on traite principalement des grandes lois régissant le mouvement des corps à l'échelle macroscopique et des grands principes de conservation. L'étudiante et l'étudiant seront initiés à la méthode scientifique et, de façon plus explicite, ils aborderont de manière théorique et expérimentale la cinématique et la dynamique de translation et de rotation, l'équilibre statique, le travail et l'énergie, l'impulsion, la quantité de mouvement et les grands principes de la conservation. Ce cours permettra d’associer une multitude de principes de la vie de tous les jours aux principes fondamentaux de la physique qui les régissent. On insistera beaucoup sur la compréhension théorique. D’autre part, les objectifs poursuivis par les expériences de laboratoires seront de développer chez l'étudiante ou l'étudiant un esprit critique face à un résultat expérimental, et de continuer l’apprentissage de la rédaction d'un rapport d'expérience complet par informatique. De plus, le cours devra amener les étudiantes et les étudiants à faire des liens entre les disciplines scientifiques et à reconnaître leur apport à l'étude d'un problème en vue d'une intégration des apprentissages. II. ÉNONCÉ DE LA COMPÉTENCE À la fin du cours, l’étudiant devra être capable d’analyser différentes situations et phénomènes physiques à partir des principes fondamentaux reliés à la mécanique classique: 1 Décrire le mouvement de a) translation et de b) rotation des corps; 2 Appliquer les concepts et les lois de la dynamique à l'analyse du mouvement des corps; 3 Effectuer des calculs de travail et d'énergie dans des situations simples; 4 Appliquer les principes de conservation de la mécanique; 5 Vérifier expérimentalement quelques lois et principes reliés à la mécanique.

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III. CONTENU SECTION 1 : LA CINÉMATIQUE Chapitre 1 et 2: Introduction et vecteurs Unités de longueur, de masse et de temps, analyse dimensionnelle, conversion des unités à l’intérieur du SI, chiffres significatifs, système de coordonnées et référentiels, vecteurs et scalaires, quelques propriétés des vecteurs, composantes d’un vecteur et vecteurs unitaires, stratégie de résolution des problèmes.  Chapitre 3 : La cinématique à une dimension Vitesse moyenne et instantanée, accélération, diagramme du mouvement, m.r.u.a., corps en chute libre.  Chapitre 4 : L’inertie et le mouvement à deux dimensions Vecteurs déplacement, vitesse et accélération, mouvement à deux dimensions à accélération constante, mouvement d’un projectile, mouvement circulaire uniforme, accélération tangentielle et radiale dans le mouvement curviligne, vitesse et accélération relative. SECTION 2 : LA DYNAMIQUE  Chapitre 5 : Dynamique de la particule (sans friction) Introduction à la mécanique classique, la notion de force, première loi de Newton et systèmes inertiels, masse inertielle, deuxième loi de Newton, poids, troisième loi de Newton, quelques applications des lois de Newton. Chapitre 6 : Autres applications des lois de Newton (Friction) Forces de frottement, application de la deuxième loi de Newton au mouvement circulaire uniforme, mouvement circulaire non uniforme, mouvement en présence de forces de résistance dépendant de la vitesse, mouvement dans un référentiel accéléré. SECTION 3 : L’ÉNERGIE ET LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT  Chapitre 7 : Travail et énergie Travail effectué par une force constante, produit scalaire de deux vecteurs, travail effectué par une force variable, énergie cinétique et théorème de l’énergie cinétique, puissance. Chapitre 8 : La conservation de l’énergie

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Énergie potentielle, forces conservatives et forces non conservatives, forces conservatives et énergie potentielle, conservation de l’énergie, variation de l’énergie mécanique en présence de forces non conservatives, conservation de l’énergie en général, nouvelle approche concernant l’énergie potentielle gravitationnelle.  Chapitre 9 : La quantité de mouvement Quantité de mouvement et principe de conservation, impulsion, collisions élastiques et inélastiques le long d’un axe, collisions dans un plan. SECTION 4 : MOUVEMENT DE ROTATION Chapitre 10 et 11: Le système de particules et les mouvements de rotation Vitesse et accélération angulaires, cinématique de la rotation, relations entre les grandeurs angulaires et linéaires, énergie cinétique de rotation, moment de force et produit vectoriel, relation entre le moment de force et l’accélération angulaire. SECTION 5 : LA GRAVITATION  Chapitre 13 : Le champ gravitationnel et le mouvement orbital La force gravitationnelle, la loi de la gravitation universelle de Newton, les lois de Kepler, le mouvement des planètes, énergie intervenant dans le mouvement des planètes et des satellites, les forces de la nature.

IV. LABORATOIRES  Les expérimentations se font en équipe de 2 personnes. La présence aux laboratoires est obligatoire. Une absence injustifiée à une séance de laboratoire entraîne une note de zéro (0) sur le rapport de laboratoire qui doit être remis pour cette séance. Dix laboratoires sont prévus : (pas de rapports pour les 2 premiers) 0. Introduction 6. La deuxième loi de Newton 1. Incertitudes, calculs, appareils 7. La friction 2. La cinématique 8. La conservation de l’énergie 3. Le projectile 9. La conservation de la quantité 4. L’équilibre statique de mouvement 5. Le plan incliné La préparation individuelle des membres de l’équipe est évaluée. Une mauvaise préparation pourra faire perdre jusqu'à 20% des points du rapport de laboratoire correspondant.

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V. MÉTHODOLOGIE  Les trois périodes d’exposés magistraux par semaine serviront à expliquer les concepts théoriques. Il y aura parfois visionnement de documentaires reliés à la matière du cours. Beaucoup d’exemples pertinents viendront appuyer les démonstrations théoriques et seront souvent appliqués à différents phénomènes de la vie de tous les jours.  Deux périodes en laboratoire, dix fois durant la session serviront à initier l’étudiant à l’aspect expérimental de la matière étudiée et à visualiser les concepts théoriques. Les périodes de laboratoire non utilisées serviront soit pour de la théorie, des exercices ou encore, pour des dépannages avant les examens. Tout ce qui est vu en classe peut être matière à l’examen, à moins d’avis contraire. Un cahier de notes est par conséquent, on ne peut plus suggéré. VI. ÉVALUATION L’évaluation se divise en 2 parties : La partie théorique et la partie expérimentale. Tel que stipulé à la section 6.1.4C) de la politique départementale d’évaluation des apprentissages :«Pour les disciplines avec laboratoires expérimentaux, soit la biologie (101), la chimie (202) et la physique (203): l’étudiant ou l'étudiante doit obtenir au moins 60% dans chacune des deux parties du cours, soit la partie théorique et la partie expérimentale. Si la note de l'une des deux parties n'atteint pas ce seuil (60%), cette note lui sera attribuée pour l'ensemble du cours. Si les deux notes n'atteignent pas 60% pour chacune des deux parties, la note finale sera égale à la somme pondérée de ces deux notes.» Partie théorique : 3 examens* : ième Lundi20% 6 (Compétences 1a) et 2) ième 20% 11 Lundi(Compétences 2 et 3) 30% récapitulatif à prévoir dans la semaine d’évaluation(Compétences 1, 2, 3 et 4) *Note : Les examens seront conservés par le professeur après la consultation par les étudiants de la version corrigée. 3 x 2% pour l’effort de travail individuel dans le cahier d’exercices qui sera remis au début de chaque examen Partie expérimentale :(Compétence 5) 7 rapports de laboratoires pour 24% de la note finale

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VII. POLITIQUES(document commun pour tous les plans de cours) Présence aux cours La présence aux cours revêt une grande importance et l’étudiant ou l’étudiante doit se responsabiliser à cet égard. En effet, les heures de cours prévues à l’horaire sont considérées comme un temps d’apprentissage privilégié. En ce sens, l’enseignant ou l’enseignante n'est en aucun cas tenu de reprendre une activité d’apprentissage ou d’évaluation pour l’étudiant ou l’étudiante qui s’absenterait d’un ou de plusieurs cours sans motif valable. L’étudiant ou l’étudiante doit savoir que les périodes de disponibilité à l’horaire de l’enseignant et de l’enseignante sont prévues pour bonifier les apprentissages amorcés en classe. Conséquemment, l’enseignant ou l’enseignante peut refuser de répondre à celui ou à celle qui désirerait utiliser ces périodes pour reprendre des activités d’apprentissage ou d’évaluation parce qu’il ou qu'elle s’est absenté(e) des cours pour des raisons non valables. Absence et retard L’étudiant ou l’étudiante doit contacter son enseignant ou son enseignante le plus tôt possible quand il ou elle s’absente d’un cours pour des motifs jugés valables. Il y aura alors entente sur les modalités de reprise des activités d’apprentissage ou d’évaluation. Si le retard de l’étudiant ou de l’étudiante à l’examen est considéré justifié, il ou elle doit rencontrer l’enseignant ou l’enseignante en cause et ce dans les plus brefs délais, afin de déterminer les modalités de reprise de l’examen. Utilisation d’appareils électroniques En tout temps durant les cours :  Les téléphones cellulaires et les téléavertisseurs doivent être éteints ou en mode vibratoire et aucun vaetvient ne sera toléré relativement à leur utilisation.  Les ordinateurs portables personnels ne seront acceptés que s’ils supportent les apprentissages faits au cours. Lors des examens : appareil électronique (téléphone cellulaire, agenda électronique, ordinateur portable, etc.) Aucun ne sera toléré en classe. Le professeur se réserve le droit de regard sur la calculatrice qu’un élève peut utiliser. En particulier, la calculatrice à affichage graphique sera interdite. Évaluations Selon l’article 6.1.2 de la PIEA, pour les disciplines avec laboratoires expérimentaux, soit la biologie (101), la chimie (202) et la physique (203) : l’étudiant ou l'étudiante doit obtenir au moins 60% dans chacune des deux parties du cours, soit la partie théorique et la partie expérimentale. Si la note de l'une des deux parties n'atteint pas ce seuil (60%), cette note lui sera attribuée pour l'ensemble du cours. Si les deux notes n'atteignent pas 60% pour chacune des deux parties, la note finale sera égale à la somme pondérée de ces deux notes. Pour les cours ayant des évaluations individuelles et en équipe, l’étudiant ou étudiante doit obtenir au moins 60% dans la partie individuelle du cours. Si ce critère n'est pas atteint, cette note individuelle lui sera attribuée pour l'ensemble du cours. Travaux L’enseignant ou l’enseignante peut déduire un maximum de 10% des points d’un travail si l’étudiante ou l’étudiant ne respecte pas les règles de présentation énoncées dans leGuide de présentation d’un travail, e Agnès Lessard et al., 5 édition, 2009.

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L’enseignant ou l’enseignante peut demander à un étudiant ou une étudiante de reprendre un travail, sans l’avoir corrigé, si la qualité de présentation de ce dernier est déficiente. Une pénalité de 10% est alors imposée, et le nouveau délai de remise est convenu avec l'enseignant ou l'enseignante. Au moment de la correction, l’enseignant ou l’enseignante peut appliquer de nouveau les règles énoncées au paragraphe précédent du présent article. L’enseignant ou l’enseignante qui accepte un travail audelà du délai prévu dans les consignes peut enlever 20 % des points par jour de retard. Il ou elle refusera de corriger un travail si ce dernier a déjà été corrigé et remis aux étudiants. Qualité de la langue Conformément à l’article 6.1.8 de la PIEA, un enseignant ou une enseignante peut enlever jusqu’à 15% des points pour les erreurs de français dans une évaluation sommative. Plagiat ou tricherie Conformément à l’article 6.3.8 de la PIEA, tout plagiat ou tricherie entraîne la note zéro «0» pour l'activité d'évaluation des apprentissages concernée, et ce, pour toutes les personnes impliquées. Dans un tel cas, les personnes concernées devront rencontrer l’enseignant ou l’enseignante. En cas de récidive l'étudiant ou l’étudiante se verra attribuer la mention«échec»pour le cours. Révision de note Lors de la remise d’un examen ou d’un travail corrigé en cours de session, le temps alloué pour demander une modification à la correction, conformément à l’article 6.5.1 de la PIEA, est d’au plus une semaine. Pour éviter certains problèmes, il est fortement suggéré de faire cette demande surlechamp. De plus, conformément à l’article 6.5.2 de la PIEA, une demande de révision de la note finale peut être faite auprès de l’aide pédagogique individuel.

VIII. MÉDIAGRAPHIE Livres obligatoires disponibles au Marchand de livres: ème BENSON, Harris.Physique Mécaniqueédition, Éditions, StLaurent, 4 du Renouveau Pédagogique, 2009, 645 pages. GASTONGUAY, JeanMichel.Physique mécanique, cahier de laboratoire. Hiver 2011, 41 pages. Cahier Canada quadrillé de 32 pages. Ouvrages de référence fortement conseillés: Guide de rédaction d’un rapport de laboratoire du CECC. ième BOISCLAIR, G., et Pagé, J.,Guide des sciences expérimentales, 2 édition. Éditions du renouveau pédagogique, 199 pages. Ouvrage de référence: ère HECHT, Eugene.Physique Mécaniqueédition, Éditions, MontRoyal, 1 Thompson groupe modulo, 2006, 598 pages.

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Physique Mécanique MécaniqueClassique:Résumé des équations

dx dv x v=a= x x dt dt v=v+at fx i 2 2 v=v+2aΔx f i 2 at Δx=v t+ i 2 (v+v)t i f Δx= 2 v F=ma v P=mg v F= µN f F= −kx ress

2 kΔx E= − ress 2 W=FΔx

dW v P= =F⋅v dt 2 mv E= k 2 E=mgh p

p=mv

v−v= −(v−v) f f i i 2 1 2 1

d θ d ω ω = α = dt dt ω = ω + α t f i 2 2 ω = ω +2 α Δ θ f i 2 α t Δ θ = ω t+ i 2 ( ω + ω )t i f Δ θ = 2 Δx= Δ θ r v= ω r a= α r t t 2 2 v 2 mv a r = = ω r F c =

a= L

2 2 a+a r t

τ =I α =F ⊥ r

K Roulement

2 2 Mv I ω cm cm = + 2 2

P= τω 2 I ω E= k rot 2 Σm x i i x= cm

Σm v i i v= cm

Σm a i i a= cm

m=m=m⇒v=v v=v 1 2f i f i 1 2 2 1 (m−m)v2m v 1 2 1i1 1i m≠m⇒v=et v= 1 2 1f2f m+m m+m 1 2 1 2

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Constantes 2 g = 9,81 m/s 11 2 2 G=6.672 x 10 N m /kg 6 R T m= 6,378 x 10 24 M T = 5,98 x 10 kg 11 D TS = 1,5 x 10 m 30 M S kg= 1,99 x 10 6 R L m= 1,74 x 10 22 M L = 7,36 x 10 kg 8 D TL m= 3,84 x 10 8 c = 3 x 10 m/s

2 I=I+Mh CM 2 I=MR Objet ponctuel 2 Mr I= Disque 2 2 I=Mr Anneau 2 ML I= Tige centre 12 2 ML I= Tige bout 3 2 2MR I= Sphère pleine 5 2 2MR I= Sphère vide 3

Gm m 1 2 F= g 2

2 2 4 π 3 Kepler T=r Gm

sin(90− θ )=cos θ cos(90− θ )=sin θ 2 2 sin θ +cos θ =1 sin 2 θ =2sin θ cos θ 2 2 sec θ =1+tan θ