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Mémo visuel de physique

De
240 pages
Cet aide-mémoire  en couleur présente, sous une forme visuelle, l'essentiel des savoirs indispensables en physique  à connaître en vue des examens et des concours. Regroupés par thèmes, plus de 400 schémas et photos sont commentés pour permettre aux étudiants de réviser d'un seul coup d'oeil !
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MÉMO VISUEL DE PHYSIQUE L’ESSENTIEL EN FICHES
Sous la direction deGiancarlo Faini DIrecteur de recherche au CNRS, centre de nanoscIences et de nanotechnologIes (C2N) Hervé Courtois Professeur à l’unIversIté Grenoble Alpes, InstItut Néel Sylvia Matzen Maître de conférences à l’unIversIté ParIs-Sud, centre de nanoscIences et nanotechnologIes (C2N) Charlotte Py Maître de conférences à l’unIversIté ParIs DIderot, laboratoIre matIère et systèmes complexes Pierre Seneor Professeur à l’unIversIté ParIs-Sud, unIté mIxte de physIque CNRS/THALES
UnIformIsatIon des IllustratIons et mIse en page des iches : Bernadette Coléno
PhotographIes de couverture : En haut à gauche : trou noIr, vue d’artIste © gmutlu – Istockphoto.com En haut à droIte : dIodes électrolumInescentes (LED) © nobeastsoierce – FotolIa.com En bas à gauche : éolIennes © Leskas – 123RF.com En bas à droIte : tomographIe de cerveau © akesak – Istockphoto.com
© Dunod, 2017 11, rue Paul Bert, 92240 Malakof www.dunod.com ISBN 978-2-10-074948-5
16 17 18 19 20
13 14 15
21 22 23 V
La cinématique du point
Les coordonnées et repères Les référentiels dans l’espace et le temps La vitesse et l’accélération Les expressions dans le repère cartésien Les expressions dans les repères polaire et cylindrique Les expressions dans le repère sphérique Les expressions dans le repère de Frenet Le changement de référentieL Le changement de référentiel La composition des vitesses et des accélérations Application aux référentiels en translation Application aux référentiels en rotation autour d’un axe fixe
La dynamique du point et des systèmes de points Les Lois denewton re Fiche 11: le principe d’inertie et les référentiels galiléensloi de Newton La 1 e Fiche 12La 2 : le principe fondamental de la dynamiqueloi de Newton e Fiche 13La 3 loi de Newton : le principe de l’action et de la réaction Les forces Fiche 14La force d’attraction gravitationnelle Fiche 15Les forces de frottement Fiche 16Le travail d’une force Fiche 17Les forces conservatives Fiche 18Les forces d’inertie ou pseudoforces Les énergies Fiche 19L’énergie potentielle Fiche 20L’énergie cinétique Fiche 21L’énergie mécanique
Fiche 7 Fiche 8 Fiche 9 Fiche 10
Fiche 1 Fiche 2 Fiche 3 Fiche 4 Fiche 5 Fiche 6
2 3 4 5 6 7
Comment utiliser cet ouvrage Avantpropos Remerciements Constantes Conversions et ordres de grandeur
8 9 10 11
Table des matières
XII XIII XIV XV XVI
Partie 1– Mécanique classique
V
I
Fiche 22 Fiche 23
Fiche 24 Fiche 25 Fiche 26
Fiche 27 Fiche 28 Fiche 29
Fiche 30 Fiche 31 Fiche 32
Fiche 33
Table des matières
Les systèmes en rotation Le moment d’une force Le théorème du moment cinétique Les osciLLateurs Les oscillations harmoniques Les oscillations amorties Les oscillations forcées et le phénomène de résonnance Les systèmes de points La description d’un système de points La mécanique d’un système de points Collisions de systèmes de points La mécanique terrestre et céLeste Manifestations de la rotation de la Terre Les marées Forces centrales et lois de Kepler La reLativité La relativité
La mécanique des fLuides Fiche 34Les forces de pression Fiche 35La loi de l’hydrostatique Fiche 36La poussée d’Archimède Fiche 37: lois de Stokes et PoiseuilleL’écoulement d’un fluide visqueux Fiche 38: conservation du débit et relation de BernoulliL’écoulement d’un fluide parfait
Partie 2– Thermodynamique
Les systèmes thermodynamiques Fiche 39Les systèmes et les variables d’état Fiche 40La température et la thermométrie Fiche 41L’équation d’état et la fonction d’état Fiche 42Les gaz parfaits et les mélanges de gaz parfaits Fiche 43Les gaz réels Fiche 44La théorie cinétique des gaz parfaits Fiche 45L’étude microscopique du gaz parfait
24 25
26 27 28
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37
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46 48 49 50 51 52 53
Les principes de La thermodynamique
Fiche 46 Fiche 47 Fiche 48 Fiche 49 Fiche 50 Fiche 51 Fiche 52 Fiche 53 Fiche 54
Fiche 55 Fiche 56 Fiche 57 Fiche 58 Fiche 59 Fiche 60
Table des matières
échanges et biLans dénergie Les transformations thermodynamiques L’énergie interne, l’énergie totale, l’enthalpie et les capacités thermiques Les coefficients thermoélastiques Transfert thermique et coefficients calorimétriques Énergies et capacités thermiques d’un gaz parfait Énergies et capacités thermiques d’une phase condensée Le travail des forces de pression er Le 1 principe de la thermodynamique pour un système fermé er Le 1 principe de la thermodynamique pour un système ouvert sens dévoLution et biLan dentropie e Le 2 principe et identités thermodynamiques L’interprétation statistique de l’entropie Transformations réversibles d’un gaz parfait Transformations irréversibles d’un gaz parfait (détentes) Les fonctions et potentiels thermodynamiques U, H, F et G Le potentiel chimique et le mélange monophasé
Les transitions de phase Fiche 61Les changements d’état d’un corps pur Fiche 62L’enthalpie massique de changement d’état Fiche 63Les équilibres entre phases Fiche 64Variations des fonctions d’état d’un corps pur diphasé liquidevapeur
Les cycLes thermodynamiques Fiche 65Généralités et rendements des machines dithermes Fiche 66Le cycle de Carnot Fiche 67Les cycles moteurs à combustion interne Fiche 68Les cycles moteurs à changement d’état Fiche 69Les cycles récepteurs
Les transferts de masse et de chaLeur Fiche 70Les transferts par diffusion : modélisation générale Fiche 71La diffusion particulaire Fiche 72La diffusion thermique par conduction Fiche 73La diffusion thermique par convection Fiche 74Les transferts thermiques radiatifs Fiche 75Les résistances thermiques Fiche 76La thermoélectricité
54 55 56 57 58 59 60 61 62
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71 72 73 75
76 77 79 80 81
82 83 84 86 88 90 91
VII
Table des matières
Les ondes Fiche 77 Fiche 78 Fiche 79 Fiche 80 Fiche 81 Fiche 82 Fiche 83 Fiche 84 Fiche 85
Partie 3– Ondes et matière
Qu’estce qu’une onde ? La propagation des ondes Les ondes sinusoïdales Les ondes planes Les ondes sphériques L’impédance d’un milieu Le changement de milieu Les ondes acoustiques Ondes stationnaires, modes propres, résonnance
La mécanique quantique Fiche 86Le photon Fiche 87Ondes et particules Fiche 88L’équation de Schrödinger Fiche 89L’effet tunnel et la microscopie tunnel
physique de La matière physique atomique Fiche 90Les atomes Fiche 91Éléments de physique atomique Fiche 92Éléments de physique nucléaire Fiche 93La radioactivité Fiche 94Particules élémentaires et interactions fondamentales physique des soLides Fiche 95La structure des solides Fiche 96Les propriétés mécaniques des solides Fiche 97Les propriétés électroniques des solides Fiche 98Les différents états électroniques des solides Fiche 99Surfaces atomiques, modèle de Drude
Partie 4– Optique géométrique et optique ondulatoire
optique géométrique
Fiche 100 Fiche 101 VIII
propagation de La Lumière Le principe de Fermat Les lois de la réfraction
94 96 97 98 99 100 101 102 103
104 105 106 107
108 110 111 112 113
114 115 116 117 119
122 123
Fiche 102 Fiche 103 Fiche 104 Fiche 105 Fiche 106
Fiche 107 Fiche 108 Fiche 109 Fiche 110 Fiche 111 Fiche 112 Fiche 113 Fiche 114 Fiche 115 Fiche 116 Fiche 117
Table des matières
L’indice de réfraction Les fibres optiques Les prismes La couleur Le phénomène de mirage formation des images en optique Conditions de Gauss et notion d’image optique Les foyers, plans focaux et plans principaux La relation de conjugaison d’un système mince Les miroirs Les lentilles minces La construction géométrique de l’image d’un objet La formation d’une image par un miroir La formation d’une image par une lentille La mesure de la distance focale d’une lentille Le microscope et le télescope L’œil humain
optique onduLatoire:interférences et diffraction
Fiche 118 Fiche 119 Fiche 120 Fiche 121 Fiche 122
Fiche 123 Fiche 124 Fiche 125 Fiche 126 Fiche 127
Fiche 128 Fiche 129
Les interférences Notion de cohérence : temporelle et spatiale Interférences à deux ondes : source ponctuelle monochromatique Le dispositif des fentes de Young L’interféromètre de Michelson Interférence à deux ondes : source polychromatique La diffraction La diffraction des ondes lumineuses La diffraction par une ouverture circulaire La diffraction par une ouverture rectangulaire La diffraction par deux fentes minces La diffraction parNfentes : le réseau La poLarisation La polarisation de la lumière Illustrations et applications de la polarisation
125 126 127 128 129
130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140
141 143 145 146 148
150 151 152 153 154
156 157
I
X
Table des matières
Partie 5– Électricité, électromagnétisme et électronique
L’éLectrostatique Fiche 130Charges électriques et force de Coulomb Fiche 131Champ et potentiel électrostatiques créés par des charges ponctuelles Fiche 132Expressions du champ et du potentiel électrostatiques Fiche 133Lien entre champ et potentiel électrostatiques Fiche 134Le dipôle électrostatique Fiche 135Théorème de Gauss et applications Fiche 136La détermination de la charge élémentaire de l’électron
La magnétostatique Fiche 137Sources et lignes de champ magnétique Fiche 138La loi de Biot et Savart Fiche 139Le théorème d’Ampère Fiche 140Les solénoïdes Fiche 141La force de Lorentz Fiche 142La force de Laplace sur un conducteur parcouru par un courant Fiche 143Le moment magnétique Fiche 144Effet Hall, résonance magnétique nucléaire
L’éLectromagnétisme Fiche 145Induction magnétique : lois de Lenz et de Faraday Fiche 146:Circuit fixe dans un champ magnétique variable inductance propre et inductance mutuelle Fiche 147: applicationsCircuit fixe dans un champ magnétique variable Fiche 148Circuit mobile dans un champ magnétique constant Fiche 149Les opérateurs vectoriels Fiche 150Les équations de Maxwell Fiche 151La solution des équations de Maxwell sous forme d’ondes planes Fiche 152Énergie électromagnétique et vecteur de Poynting
L’éLectrocinétique Fiche 153Vision microscopique de l’électrocinétique Fiche 154Les dipôles : types, conventions et caractéristiques Fiche 155Les différents régimes, notations complexes, association de dipôles Fiche 156Dipôles passifs usuels : les résistors Fiche 157: les condensateursDipôles passifs usuels Fiche 158: les bobinesDipôles passifs usuels Fiche 159Dipôles actifs : sources de tension ou de courant Fiche 160Loi des mailles et loi des nœuds (lois de Kirchhoff) X
160 161 162 163 164 166 168
169 171 172 173 174 175 176 177
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186 187 188 189 190 191 192 193
Les théorèmes de l’électrocinétique Puissance et énergie dans un circuit électrique Régime transitoire : le circuit RC Régime transitoire : le circuit RL Régime transitoire : le circuit RLC Le circuit RLC en régime sinusoïdal Le diagramme de Fresnel Analogie mécaniqueélectrocinétique, quadripôle Les filtres électroniques
Fiche 161 Fiche 162 Fiche 163 Fiche 164 Fiche 165 Fiche 166 Fiche 167 Fiche 168 Fiche 169
L’éLectronique
Table des matières
Index Crédits photographiques
La jonction PN Caractéristique IV de la diode à jonction PN Étude statique et dynamique de la diode Le transistor bipolaire Régimes statique et dynamique du transistor bipolaire Paramètres hybrides et amplificateur à transistor L’amplificateur opérationnel (AO) Le transistor à effet de champ L’énergie photovoltaïque
I
X
Fiche 170 Fiche 171 Fiche 172 Fiche 173 Fiche 174 Fiche 175 Fiche 176 Fiche 177 Fiche 178
213 219
203 204 206 207 208 209 210 211 212
194 195 196 197 198 199 200 201 202
X
I
I
2
Comment utiliser cet ouvrage
Thermodynamique
5 parties Les grands axes de la physIque
180 ches réparties en 5 parties Les notIons essentIelles du cours pour révIser rapIdement
600 schémas et photos en couleur pour Illustrer chaque notIon Importante
Et aussi…
Une lIste des constantes, unItés et ordres de grandeur
Un Index complet
RenvoIs entre FIches
Qu’estce qu’une onde ?
D eux classes principales d’ondes Ondes mécaniques : elles nécessitent un milieu matériel pour se propager en le déformant. Par exemple les ondes sonores sont une perturbation de la pression locale du milieu. Ondes électromagnétiques: elles ne nécessitent pas un milieu et peuvent ainsi se propager dans le vide. Elles résultent d’oscillations du champ électrique et magnétique.
O scillations et direction de propagation Onde transverse : les oscillations ont lieu dans la direction perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde (ex. : onde électromagnétique). Onde longitudinale: les oscillations ont lieu parallèlement à la direction de propagation (ex. : onde sonore dans un uide). Tandis que les ondes mécaniques peuvent être transverses ou longitudinales, les ondes électromagné-tiques dans l’espace libre sont transverses.
Exem ple de la propagation d’ondes sism iques Direction de la propagation Direction de la propagation
Sens de la déformation Transverse
Sens de la déformation Longitudinale
O nde gravitationnelle – une histoire de cent ans (19162016) C’est une oscillation de la courbure de l’espace-temps générée par un objet massif dans l’univers et qui se propage à grande distance de son point de formation. Prédites par A. Einstein en 1916 dans le cadre de la relativité générale, ces ondes sont produites par des masses accélérées et se propagent à la vitesse de la lumière dans le vide. Longuement débattues, l’existence des ondes gravitationnelles a été avérée par leur observa-tion en 2015. Cet évènement résulte de la coalescence de V IR G O deux trous noirs d’environ 30 masses solaires chacun.
L’observation de ces ondes a été possible grâce aux avancées technologiques dans la réalisation de détecteurs interférométriques mesurant des inmes variations de distance : le passage de l’onde induit un -18 déplacement maximal de ± 2·10 m, environ 1 000 fois plus petit que la taille d’un proton. Les bras de l’antenne interférométrique VIRGO pour la détection de ces ondes, en Italie, font 3 km de long.
FICHE 77
79
33
121
95
Les ondes