PHYSIQUE NOTIONNELLE

Dr. Lhoëst G.J.J.

 

1.1  Introduction

- Toute théorie physique a un domaine de validité et en dehors d'une certaine frontière elle n'est pas applicable.

- De nouveaux développement en physique ont souvent pour effet d'étendre le domaine de validité d'un principe

Par exemple le travail de Galilée (1564-1642) sur des corps en chute libre fut complété un demi siècle plus tard par les lois du mouvement et de la gravitation de Newton.

1.2  Modèles

En physique, un modèle est une version simplifiée d'un système physique qui serait trop compliqué à analyser si des simplifications n'y étaient pas apportées.  Le mouvement d'une balle de tennis dans l'air devrait tenir compte de paramètres de sphéricité, de flexibilité, de rotation, de résistance du vent et de l'air, du champ de gravitation terrestre  etc.  La simplification consiste à négliger grandeur et forme de la balle et de la considérer comme un objet ponctuel.  Laa balle devient un point se déplaçant suivant un chemin parabolique.

1.3  Standards et Unités

Tout nombre utilisé pour décrire un phénomène physique est appelé une quantité physique.  Certaines quantités physiques sont si fondamentales qu'il est possible de les définir en décrivant un procédé pour les mesurer.  Une telle définition est appelée une définition opérationnelle.  Une quantité physique peut être définie alternativement en utilisant d'autres quantités qu'il est possible de mesurer. 

Un mètre peut être utilisé pour mesurer une distance et un chronomètre pour mesurer un intervalle de temps.  lorsqu'une mesure de quantité est effectuée elle est comparée à un standard de référence, le mètre pour l'unité de longueur et la seconde pour l'unité de temps.

La définition du mètre ets la distance que la lumière parcoure en 1/299.792.458 sec.  La vitesse de la vitesse étant de 299.792.458 m.s-1  . Le standard de la masse est un cylindre composé d'un alliage de platine et d'irridium dont la masse est définie comme 1 kilogramme.  Une fois les unités fondamentales définies il est facile d'introduire des unités plus grandes ou plus petites pour les mêmes quantités physiques.  Dans le système métrique ces autres unités sont reliées aux unités fondamentales par des multiples de 10 ou de 1/10.

1 km = 1000 m = 103  (notation exponentielle)

1 cm = 1/100 m =  10-2  (notation exponentielle)

Les préfixes utilisés sont les suivants:

1 kilomètre = 1 km = 103  mètres = 103 m

1 kilogramme = 1 kg = 103 grammes = 103 g

1 kilowatt  = 1 kW = 103 watts  = 103  W

Le tableau ci-dessous rapporte des préfixes pour des puissances de dix.

    Puissances de 10                       Préfixes                                  Abbréviations

    10-18                atto                       a
    10-15            femto                       f
    10-12                                      pico                       p
    10-9            nano                       n
    10-6            micro                       m
    10-3            milli                       m
    10-2            centi                                c
    103            kilo                       k
     106            mega                       M
     109            giga                        G
     1012            tera                        T
     1015            peta                         P
     1018            exa                         E

Exemples d'utilisation de multiples de dix et de leurs préfixes.

1 nanomètre = 1 nm = 10-9 m                1 nanoseconde = 1 ns  =  10-9 s  (temps mis pour la lumière pour parcourir 0,3 m)

1 micromètre = 1mm = 10-6 m                1 microseconde = 1 ms = 10-6 s (temps mis par un PC pour effectuer une addition)

1 millimètre = 1 mm = 10-3 m                 1 milliseconde =   1 ms = 10-3 s (temps mis par le son pour parcourir 0,35 m)

1 centimètre = 1 cm  = 10-2 m                 1 minute =  1 min = 60 s

1 kilomètre = 1 km = 103 m                     1 heure  =  1 h  =  3600 s

1 microgramme = 1 mg = 10-9 kg              1 jour   =  24 h  =  86400 s

1 milligramme = 1 mg = 10-6 kg

1 gramme = 1 g = 10-3 kg

 

1.4  Consistance et Conversions des Unités

Des équations sont utilisées pour des établir des relations entre des quantités physiques qui sont représentées par des symboles algébriques.Par exemple on peut symboliser une distance de 10 m par d = 10 m , un temps t de 5 s par t = 5 s et une vitesse v de 2 m/s par 2m.s-1

Une équation doit être dimensionnellement consistante.  Un corps se déplaçant à une vitesse constante v parcoure une distance d en un temps t.  Ces quantités peuvent être reliées par l'équation

d = v x t  ou 10 m = 2m.s-1 x 5 s les secondes s'éliminant en numérateur et dénominateur

Exemples de conversion d'unités

a)  km par heure en mètre par seconde

50 km.hr-1 =  50 x 1000 m / 3600 = 13,9 ms-1

b)  km par heure en miles par heure

    50 km.hr-1 = 50 x 1 mi / 1,609 = 31,1 mi.hr-1

 

1.5  Précision et Nombre de chiffres significatifs

Toute mesure est liée à un certain degré d'incertitude si bien qu'un nombre rapportant une mesure est rarement donné avec plus de trois à quatre chiffres significatifs.  Lorsqu'une meilleure représentation d'un certain degré d'incertitude est nécessaire, des méthodes statistiques plus sophistiquées sont utilisées. 

Lorsque de très grands nombres ou petits nombres sont utilisés, ils peuvent être regroupés en puissance de dix et ce type de notation est appelée notation scientifique.  Par exemple la distance de la terre au soleil est d'environ 149.000.000.000 m ou 1,49 1011 m.  Dans ce type de représentation, le nombre de chiffre significatif est de trois. 

La même technique peut être utilisée pour multiplier ou diviser de très petits nombres.  Par exemple , l'énergie E correspondant à la masse d'un électron est donnée par l'équation d'Einstein  E = mc2  ou c est la vitesse de la lumière  = 2,997925 x 108 ms-1 .et m est la masse de l'électron = 9,11x 10-31 kg. 

E = (9,11x10-31 kg)(3,00 x 108 ms-1)2      E = (9,11) (3,00 )2 (10-31) (108)2  kg.m2.s-2   E= (82,0) (10 -31 + 16 )  kg.m2.s-2  

E = 8,2x 10-14 kg.m2.s-2   

Pour une meilleure précision utiliser  c = 2,997925 . 108 ms-1

1.6  Vecteurs et Additions Vectorielles

Certaines quantités physiques comme le temps, la température, la masse, la densité, une charge électrique peuvent être décrites complètement par un nombre unique avec une unité associée.  D'autres quantités ont cependant des propriétés directionnelles et ne peuvent pas être décrites par un nombre unique. Un exemple en est la vitesse d'un corps dont il est nécessaire de conna^tre la vitesse de déplacement mais aussi la direction de déplacement.  La force est un autre exemple pour laquelle il est nécessaire de connaître la grandeur de la force appliquée mais aussi sa direction. 

Lorsqu'une quantité physique est décrite par un nombre unique, elle est qualifiée de quantité scalaire.

Une quantité physique qui a une composante de grandeur et de direction est qualifiée de quantité vectorielle.

Les calculs avec des quantités scalaires utilisent les opérations de l'arithmétique ordinaire mais ceux avec des quantités vectorielles seront un peu différents.  ces quantités vectorielles jouent un rôle essentiel dans tous les domaines de la physique.

1.6.1  Vecteurs et Addition de Vecteurs

 

 

 

2.  Mouvement le long d'une ligne Droite