INTRODUCTION
Importance de la Physique, mesures, unit´es A lire
Comment, quand vous ˆetes `a la plage, en observant le Soleil se coucher sur l’ocan, vous pouvez estimer le rayon de la Terre
TRAN Minh Tˆam
Table des mati` eres
La Physique : son but, ses m´ethodes, son ´etat actuel 1
But de la Physique, ses m´ethodes . . . 1 La Physique moderne . . . 4
La mesure en Physique 7
Mesurer . . . 7 Le Syst`eme International d’unit´es . . . 8
Le temps . . . 10
La Masse . . . 11
Analyse dimensionnelle . . . 12
D´etermination du rayon de la Terre . . . 13
But de la Physique, ses m´ethodes
La Physique ´etudie la composition et le comportement de la mati`ere et ses interactions au niveau le plus fondamental. Cette ´etude inclut la des- cription et la compr´ehension de la Nature et des ph´enom`enes naturels, mais comporte aussi un volet pr´edictif qui met les mod`eles `a l’´epreuve l’exp´erience.
Domaine d’application
Le domaine d’application de la Physique est tr`es vaste, puisqu’il court de la Physique des particules (le minuscule) `a l’Astrophysique (l’immense) en passant par la Physique atomique et mol´eculaire, par la Physique de la mati`ere condens´ee ; des applications de la Physique peuvent ˆetre trouv´ees en Chimie, en Biologie, en Sciences de la Terre, en Astronomie et Astro- physique et en Sciences de l’Ing´enieur.
La Physique classique
C’est celle qui ´etait en vigueur jusqu’au d´ebut du 20eme` si`ecle ; elle ´etait constitu´ee des trois piliers suivants :
– la m´ecanique classique : description du mouvement des particules et des syst`emes de particules,
– l’´electromagn´etisme : ´etude des champs ´electriques et magn´etiques, des ondes ´electromagn´etiques et de l’optique,
– la thermodynamique : ´etude des transferts de chaleur, des propri´e´es des syst`emes `a grand nombre de particules.
La Physique moderne
Depuis le d´ebut du 20eme` si`ecle, l’exp´erience a montr´e que la Physique classique ne pouvait expliquer le ph´enom`enes microscopiques ni ne s’ac- commodait des ph´enom`enes dans lesquels les vitesses des particules sont tr`es grandes. La Physique Moderne se compose des trois piliers suivants :
– la relativit´e restreinte, qui d´ecrit le comportement des particules dot´ees de grande vitesse ; cette th´eorie a chang´e notre vision de l’espace et du temps,
– la m´ecanique quantique, qui d´ecrit le monde sub-microscopique ; cette th´eorie nous a oblig´es `a avoir une autre vision de la r´ealit´e,
– la relativit´e g´en´erale, qui d´ecrit les ph´enom`enes `a tr`es large ´echelle, met en relation la gravitation et les propri´et´es g´eom´etriques de l’espace.
La Physique utilise des notions, s’aide de mod`eles et d´eveloppe des th´eories.
Les notions
Une notion est une id´ee, une grandeur physique utilis´ees pour analyser les ph´enom`enes physiques.
Exemples : espace, ´energie, temps, longueur, masse, charge ´electrique, etc...
Certaines de ces notions peuvent ˆetre des grandeurs mesurables, certaines sont faciles `a appr´ehender intuitivement, d’autre absolument pas : de la charge ´electrique, par exemple, nous pouvons connaˆıtre les effets, mais sommes incapable de dire ce qu’elle est.
Les lois et les principes
Par l’observation, par l’analyse, nous pouvons tirer des relations entre les grandeurs physiques. Ces relations qui peuvent ˆetre math´ematiques, sont appel´es lois.
Exemple : la deuxi`eme loi de Newton exprime la relation qui existe en Physique classique entre les grandeurs “force” et “acc´el´eration”.
Les lois peuvent ˆetre limit´es `a un certain domaine de la Physique (cf.
l’exemple ci-dessus), certaines d’entre elles ont une port´ee tr`es g´en´erale sur le fonctionnement de la Physique : ce sont des principes.
Exemples :
• le principe de la conservation de l’´energie,
• le principe d’invariance des lois de la Physique selon le lieu et l’instant.
Les mod`eles
Un mod`ele est une analogie ou une repr´esentation pratique d’un syst`eme physique. Des simplifications sont parfois n´ecessaires dans le mod`ele. Les mod`eles sont parfois utiles comme des ´etapes interm´ediaires. Il existe aussi des mod`eles purement math´ematiques dont les propri´et´es refl`etent la r´ealit´e, bien que les entit´es math´ematiques `a leur base ne soient pas ob- serv´ees.
Exemples :
– le mod`ele g´eocentrique a perdur´e jusqu’`a Copernic au 16eme` si`ecle,
– le mod`ele plan´etaire de Bohr pour l’atome d’hydrog`ene marque une ´etape in- term´ediaire avant la victoire de la th´eorie quantique,
– le mod`ele des quarks est initialement un mod`ele purement math´ematique. Bien qu’ils n’aient jamais ´et´e isol´es, dans les exp´eriences, tout se passe comme si les quarks ´etaient des particules r´eelles,
– le mod`ele standard donne depuis 30 ans une description des interactions des particules ´el´ementaires qui n’a jusqu’`a pr´esent pas ´et´e prise en d´efaut.
Les th´eories
Une th´eorie rassemble les notions, les principes, un mod`ele, des postulats (hypoth`eses de d´epart) pour ´elaborer des lois ; si les notions qu’elle a r´eunies proviennent de domaines diff´erents, la th´eorie permet de relier ces divers ph´enom`enes.
Une th´eorie doit ˆetre descriptive et pr´edictive et c’est `a l’aune de l’exp´erimentation qu’une th´eorie sera accept´ee ou rejet´ee pour le domaine consid´er´ee de l’exp´erimentation.
Exemple :
La th´eorie de la gravitation de Newton est tr`es pr´ecise et permet, par exemple, de lancer des satellites jusqu’au confins du syst`eme solaire (capacit´e pr´edictive), comme d’expliquer les anneaux torsad´es de Saturne (capacit´es descriptives).
La Physique moderne
La curiosit´e humaine n’a pas de limite ! Nous recherchons et sp´eculons sur l’´evolution de la vie, sur nos origines et nous nous posons des ques- tions sur l’origine et l’´evolution de l’Univers. Nous recherchons les r´eponses `a ces questions dans la religion, la philosophie et, depuis peu, dans la Physique.
Il est maintenant ´etabli que la mati`ere est form´ee d’un petit nombre d’´el´ements de base sensibles `a quelques forces fondamentales :
Particule Symbole Charge Interaction
Neutrino ´electron νe 0 faible
Electron e− −1 ´electro− faible
Neutrino mu νµ 0 faible
LEPTONS Muon µ− −1 ´electro− faible
Neutrino tau ντ 0 faible
Tau τ− −1 ´electro− faible
up u 2/3 ´electro− faible et forte down d −1/3 ´electro − faible et forte charme c 2/3 ´electro− faible et forte QUARKS ´etrange s −1/3 ´electro − faible et forte top t 2/3 ´electro− faible et forte bottom b −1/3 ´electro − faible et forte
La derni`ere colonne donne le type “d’interaction” `a laquelle la particule est sensible.
La notion d’interaction est explicit´ee ci-apr`es.
uu d d
du
?
Les électrons d'un atome...
"orbitent" autour d'un noyau...
qui est constitué de protons...
... et de neutrons
qui sont formés de quarks u et d ...
qui sont les particules les plus élémentaires d'après notre
connaissance actuelle.
(à suivre)...
Lesforces. Les ´elements de base que sont les leptons etquarks forment des structures de toutes dimensions, depuis le proton, constitu´e de trois quarks, aux atomes et mol´ecules, aux liquides, solides, et aux grandes concentra- tions de mati`ere que sont les ´etoiles et les galaxies. Pour constituer ces structures, les particules fondamentales doivent interagir d’une certaine fa¸con ; elles le font via quelques “interactions” fondamentales que nous pouvons consid´erer comme g´en´erant des forces.
Force Port´ee Intensit´e relative Gravit´e infinie 10−36 Electro − magn´etique infinie 10−2
Faible 10−17m 10−6
Forte 10−15m 1
– L’interaction gravifique, purement attractive, est responsable de la coh´esion `a large ´echelle, c.`a.d. de celle des syst`emes plan´etaires, galac- tiques...
– L’interaction ´electromagn´etique, r´epulsive et attractive, est respon- sable de la coh´esion atomique, mol´eculaire, cristalline ; elle est ´egalement responsable de certains ph´enom`enes `a grande ´echelle, comme le frotte- ment, la tension superficielle.
– L’interaction forte maintient les quarks `a l’int´erieur du proton, comme elle maintient la coh´esion des noyaux atomiques.
– L’interaction faible conduit `a la d´esint´egration du neutron, comme `a celles du muon et du tau. La d´esint´egration du neutron contribue pour une bonne part `a la radioactivit´e que nous observons. L’interaction faible est aussi `a l’origine, dans le coeur du Soleil, des r´eactions de fusion exo- thermiques des noyaux de protons en un noyau d’h´elium par le processus p + p → d + e+ + νe
(d est un noyau de “deut´erium” ou “hydrog`ene lourd”, constitu´e d’un proton et d’un neutron, e+ est un “positon”, antiparticule de l’´electron).
Il semble maintenant acquis que l’Univers a eu pour origine une explosion initiale, le Big Bang, il y a quelques 15 milliards ann´ees, `a une ´epoque o`u il ´etait extrˆemement chaud. La Physique actuelle permet de “remonter” le temps jusqu’`a 10−10 secondes.
Mesurer
La Physique est bas´ee sur la mesure qui consiste `a comparer une grandeur physique `a un ´etalon de cette grandeur.
Exemples : on mesurait les distances en les comparant au m`etre ´etalon, au pied, au l´y, etc... On peut comparer les intervalles de temps `a la dur´ee d’une journ´ee, d’une ann´ee, au changement de phase de la lune, etc...
Une fois ´etablie l’´etalon de mesure, p. ex. l’´etalon de longueur, il faut trouver les moyens de mesurer toutes les longueurs quelles qu’elles soient, p. ex.
le rayon d’une roue, la distance Terre-Lune, la dimension d’un atome, la distance `a Androm`ede, ... Evidemment, le m`etre ´etalon est des fois difficile
`a utiliser...
Il y a beaucoup de grandeurs en Physique ; heureusement, elles ne sont pas toutes ind´ependantes, la vitesse, par exemple, est le rapport d’une longueur sur un temps ⇒
– on choisit (en un accord international), un petit nombre de grandeurs physiques, par exemple la longueur et le temps,
– on fixe pour ces grandeurs seules des ´etalons,
– les autres grandeurs physiques sont d´efinies `a partir de ces grandeurs de base et de leur ´etalon.
La d´efinition des ´etalons doit ˆetre accessible et invariable. La demande de pr´ecision en Sciences et en Ing´enieurie pousse cependant `a la d´efinition d’´etalons invariables.
Le Syst`eme International d’unit´es
En 1971, la 14`eme Conf´erence sur les Poids et les Mesures a adopt´e 7 gran- deurs physiques comme grandeurs de base, formant ainsi le Syst`eme In- ternational SI; ce sont : la longueur, la masse, le temps, le courant
´electrique, la temp´erature thermodynamique, la quantit´e de mati`ere et l’in- tensit´e lumineuse. Ces grandeurs ne sont pas ind´ependantes.
Grandeur Unit´e Symbole
Longueur m`etre m
Temps seconde s
Masse kilogramme kg
D’autres unit´es d´eriv´ees sont d´efinies `a partir de ces unit´es de base, p. ex., l’unit´e de puissance dans le syst`eme SI est le watt (symbole : W) :
1 watt = 1 W = 1 kg · m2/s3
Pour des quantit´es tr`es grandes ou tr`es petites, on emploie des pr´efixes : Facteur Pr´efixe Symbole Facteur Pr´efixe Symbole
10−1 d´eci− d 101 d´eca− da
10−2 centi− c 102 hecto− h
10−3 milli− m 103 kilo− k
10−6 micro− µ 106 m´ega− M
10−9 nano− n 109 giga− G
10−12 pico− p 1012 t´era− T
10−15 femto− f 1015 p´eta− P
10−18 atto− a 1018 exa− E
10−21 zepto− z 1021 zetta− Z
Exemples :
1,27 × 109 watts = 1,27 gigawatts = 1,27 GW
26,033 × 10−9 secondes = 26,033 nanosecondes = 26,033 ns
La longueur
En 1792, la jeune R´epublique fran¸caise ´etablit un nouveau syst`eme de poids et mesures. Le m`etre y est d´efini comme le dix millioni`eme (10−7) de la distance du pˆole `a l’´equateur.
Plus tard, pour des raisons de commodit´e, cette d´efinition fut abandonn´ee pour la distance entre deux traits sur une barre de platine-irridium, le m`etre
´etalon, conserv´e `a S`evres.
Dans les ann´ees 60, on d´efinissait le m`etre comme un multiple de la longueur d’onde d’une raie rouge du Krypton 86 :
1 m`etre = 1 650 763,73 λrouge Kr86
Dans les ann´ee 80, la pr´ecision de la mesure du temps devint telle que l’on d´efinit le m`etre comme la distance parcourue par la lumi`ere pendant un intervalle de temps :
1 m`etre = distance parcourue dans le vide par la lumi`ere en 1/299 792 458 seconde
⇔ c = 299 792 458 m/s
Remarquez l’am´elioration de la pr´ecision voulue par le d´eveloppement scientifique et technique. Voici quelques longueurs ou distances :
Mesure Longueur en m`etre
Distance `a la galaxie Androm`ede 2 × 1022
Distance `a l0´etoile la plus proche (Proxima Centauri) 4 × 1016
Distance `a Pluton 6 × 1012
Rayon de la Terre 6 × 106
Epaisseur d0une feuille de papier 1 × 10−4
Longueur d0un virus 1 × 10−8
Rayon de l0atome d0 hydrog`ene 5 × 10−11
Rayon du proton 1 × 10−15
Le temps
Tout ph´enom`ene r´ep´etitif peut servir `a la mesure du temps, comme les phases de la Lune, la r´ep´etition des saisons, la rotation de la Terre. Des pendules, des quartz vibrant, dont les p´eriodes ont ´et´e au pr´ealable calibr´es par rapport `a la rotation terrestre grˆace `a des observations astronomiques, peuvent ˆetre utilis´es.
Cependant, la pr´ecision de ces ´etalons de temps ne sont pas suffisants pour les besoins scientifiques modernes. Depuis 1967,
1 seconde = 9 192 631 770 ×
la p´eriode de la transition hyperfine du Cs133 dans son ´etat fondamental.
Mesure Intervalle de temps [s]
Dur´ee de vie du proton (th´eorique) 1 × 1039
Age de l0Univers 5 × 1017
Esp´erance humaine de vie 2 × 109
Dur´ee d0un jour 9 × 104
Intervalle de temps entre deux battements du coeur 8 × 10−1
Dur´ee de vie du muon 2 × 10−6
Dur´ees de vie les plus courtes des particules 1 × 10−23
Temps de Planck∗ 1 × 10−43
(*) Le temps de Planck est le temps le plus tˆot apr`es le Big Bang `a partir duquel les lois de la Physique que nous connaissons sont applicables.
La Masse
L’´etalon de masse est un cylindre de platine-irridium d´epos´e `a S`evres auquel on a assign´e la masse de un kilogramme.
Une autre d´efinition de la masse : les masses des atome peuvent ˆetre compar´ees entre elles plus pr´ecis´ement qu’avec l’´etalon de un kilogramme.
C’est pour cette raison que l’on a assign´e `a l’isotope 12 du Carbone une masse de 12 unit´es de masse atomiques (u.m.a.).
1 u.m.a. = 1,6605402 × 10−27 kg
⇔ 1 mole de C12 p`ese 12 grammes
Objet Masse en kilogramme
Notre galaxie 2 × 1041
Notre Soleil 2 × 1030
La Lune 7 × 1022
Un ´el´ephant 5 × 103
Une mol´ecule de P´eniciline 5 × 10−17 Un atome d0Uranium 4 × 10−25
Un proton 2 × 10−27
Un ´electron 9 × 10−31
Analyse dimensionnelle
Nous venons de voir que le choix des unit´es est arbitraire : il est donc n´ecessaire de pr´eciser l’unit´e dans laquelle on exprime le r´esultat d’une mesure. Deux grandeurs qui peuvent ˆetre mesur´ees avec la mˆeme unit´e sont dites de mˆeme dimension.
Si nous avons une loi, il sera possible, dans certains cas, de consid´erer que l’une des grandeurs physiques est une grandeur d´eriv´ee des autres et de choisir les unit´es de fa¸con `a ce que le nombre de grandeurs fondamentales soit diminu´ee.
Exemple : si nous avions introduit les 5 grandeurs fondamentales suivantes : la longueur, la masse, le temps, la charge et la force, les lois ´etabies par l’exp´erience nous auraient donn´e :
– la loi de Newton : F~ = k1M ~a – la loi de Coulomb : F~ = k2 q1q2
|~r|3 ~r – la loi de la gravitation : F~ = k3 m1m2
|~r|3 ~r
Nous pouvons d`es lors choisir un syst`eme d’unit´e tel que F~ = M ~a (k1 = 1 ). Dans ce cas, la force est une grandeur d´eri´ee dont l’unit´e est [F] = [M] [L] [T]−2 : c’est le choix du syst`eme SI. Dans l’expression pr´ec´edente, nous avons symbolis´e par [X] l’unit´e de la grandeur X.
Une ´equation d´efinissant une relation entre des grandeurs doit ˆetre homog`ene en dimension.
[les grandeurs des deux membres de l’´equation s’expriment dans la mˆeme unit´e]
L’analyse dimensionnelle consiste `a v´erifier l’homog´en´eit´e dimension- nelle des expressions alg´ebriques que l’on ´etablit. Cela ne garantit pas que l’´equation soit exacte, mais ´evite souvent des erreurs grossi`eres.
D´etermination du rayon de la Terre
Et si nous d´eterminions le rayon de la Terre en ´etant `a la plage ?
Je suis couch´e sur la plage. Le Soleil se couche sur un oc´ean calme. Quand il disparaˆıt, j’enclenche un chronom`etre et me l`eve de 1,70 m`etre et arrˆete le chronom`etre quand je vois `a nouveau le soleil disparaˆıtre. L’intervalle de temps mesur´e est de t = 11,1 s. Quel est le rayon de la Terre ?
A B
Centre de la Terre Soleil
θ
r
h
θ Ligne de visée sur le
"sommet" du Soleil d
Le point essentiel de ce probl`eme est que la ligne de vis´ee, au moment o`u le Soleil disparaˆıt, est tangente `a la Terre.
d2 + r2 = (r + h)2 = r2 + 2rh + h2 ⇒ d2 = 2rh + h2 ' 2rh L’angle dont a tourn´e la Terre, θ, est donn´e par :
θ
360◦ = t
24 h ⇒ θ = 0,04625◦ d = r tan θ ⇒ r2 tan2 θ = 2rh ⇒ r = 2h
tan2 θ = 5.22 × 106 m avec les donn´ees : h = 1,70 m et θ = 0,04625◦. Le r´esultat est `a 20 % de la valeur commun´ement admise pour le rayon moyen de la Terre (6,37 × 106 m).
