CM Chapitre2 Introduction
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Page 1 : Panorama sur la PhysiqueChapitre 2 – Introduction à la «pensée scientifique»Présentation rédigée par Émilie Dupont Cergy : emilie.dupont@cyu.fr, CY308Physique - 2023-2024
Page 2 : Programme de Panorama sur la PhysiqueChapitre 1 - IntroductionChapitre 2- Introduction à la pensée scientifiqueChapitre 3- Optique: l’étude de la lumièreChapitre 4 – Cinématique: la description du mouvementChapitre 5 - Mécanique
Page 3 : 2.1 La méthode scientifiqueLa méthode scientifique
Page 4 : 2.1 La méthode scientifiqueLa méthode de la PhysiqueLes notionsUne notion est une idée, une grandeur physique utilisées pour analyser les phénomènes physiques.Exemples : espace, énergie, temps, longueur, masse, ...Les lois et les principesPar l’observation, par l’analyse, nous pouvons tirer des relations entre les grandeurs physiques. Ces relations qui peuvent être mathématiques, sont appelés lois.Les lois peuvent être limités à un certain domaine de la Physique ou ont une portée très générale sur le fonctionnement de la Physique : ce sont des principes.
Page 5 : 2.1 La méthode scientifiqueLa méthode de la PhysiqueLes modèlesUn modèle est une analogie ou une représentation pratique d’un système physique. Des simplifications sont parfois nécessaires dans le modèle. Les modèles sont parfois utiles comme des étapes intermédiaires. Il existe aussi des modèles purement mathématiques dont les propriétés reflètent la réalité, bien que les entités mathématiques ne soient pas observées.Les théoriesUne théorie rassemble les notions, les principes, un modèle, des postulats pour élaborer des lois.Une théorie doit être descriptive et prédictive et c’est l’expérimentation qui dira si une théorie sera acceptée ou rejetée pour le domaineconsidérée de l’expérimentation.
Page 6 : 2.1 La méthode scientifiqueMéthode de la physique
Page 7 : I Physique - 2020-20212.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesuresExemple: la chute des corpsOn lâche en même temps sur la Lune un marteau et une plume. Lequel arrive le premier au sol? La plume?Le marteau?Les 2 en même temps?Dans le vide, aucun des deux ne tombe?Aristote IVème siècle Galilée 1564-1642
Page 8 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesuresGalilée 1564-1642
Page 9 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesures2
Page 10 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesures2
Page 11 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesures2
Page 12 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesures2dans la plupart des cas, cette année...
Page 13 : 2.1 La méthode scientifiqueExpériences et mesures2
Page 14 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleDimensions• Par convention, toutes les grandeurs sont organisées selon un système de dimensions. Chacune des sept grandeurs de base a sa propre dimension, représentée symboliquement par une lettre majuscule.
Page 15 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleDimensions• Toutes les autres grandeurs sont des grandeurs dérivées. Les dimensions des grandeurs dérivées se déterminent à partir des dimensions des 7 grandeurs de base et des équations de la physique.La dimension d’une grandeur G se note entre crochets : G. Si G=1, la grandeur G est sans dimensionDéterminer l’unité de n’importe quelle grandeur simplement à partir de sa dimension.
Page 16 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleDimensions2
Page 17 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleDimensions2
Page 18 : Histoire et évolution du système international d’unitésFin 18ème siècle Révolution française, un système métrique décimal voit le jour aveccomme premières grandeurs de base et unités : • la longueur le mètre, • la masse le kilogramme,• le temps la seconde. • la longueur en mètre • La masse en kilogrammehttps://www.ladepeche.fr/article/2012/03/21/1311673-regime-draconien-pour-trois-elephants-d-un-cirque-suisse-en-surpoids.html• Le temps en secondehttps://www.cerveauetpsycho.fr/sd/neurosciences/les-neurones-du-temps-qui-passe-15194.phpInformations supplémentaires sur le Système international d’unités
Page 19 : Le système métrique décimal doit être complété pour plusieurs raisons:• nouvelles instrumentations, • nouvelles machines créées pour pallier les besoins relatifs aux évolutions industrielles. • Le développement de l’industrie électrique, • l’apparition de l’éclairage, • le développement des machines à vapeur, et d’autres nécessités métrologiques. En 1948 une enquête est demandée par la CGPM sur trois domaines d’activité photométrie, électricité et température. Il en résulte que :• L’ampère est ajouté en 1948. La candela et le kelvin sont introduits en 1954 10ème CGPM.• En 1960 11ème CGPM, le système de mesure est renommé : le Système international d’unités SI. Introduction d’une septième unité, la mole 14ème CGPM en 1971, chimie. Histoire et évolution du système international d’unitésInformations supplémentaires sur le Système international d’unitésCféGé él dP idM
Page 20 : Histoire et évolution du système international d’unitésÀ ce jour, le système international d’unités, SI, est donc constitué de sept unités de base adoptées au niveau international par la CGPM : • le mètre m, • le kilogramme kg, • la seconde s, • l’ampère A, • le kelvin K, • la candela cd • et la mole mol. Utilisées par tous au quotidien, elles sont essentielles dans la science, dans l’industrie et la vie courante. Informations supplémentaires sur le Système international d’unités
Page 21 : Informations supplémentaires sur le Système international d’unités• En physique, mesurer revient à déterminer le rapport entre deux quantités de même nature dont l’une – supposée constante – fait office d’étalon ou d’unité. • Premiers étalons pratiques basés sur le corps humain :mesurer en pieds, en pouces ou en coudées, la distance entre deux objets. • Problème : si tout le monde a un pied, tout le monde n’a pas la même pointure… → Étalons anthropomorphiques• Avec l’essor des sciences et des échanges internationaux: besoin d’unités plus précises et plus universelles.• Pour rendre fiables et comparables les mesures et faciliter les échanges , il faut assurer un minimum de constance…Le système métrique doit reposer sur des constantes physiques d’où la nécessité d’une redéfinition de 4 unités de mesure sur les 7 du SI.
Page 22 : « Un système d’unités est une construction humaine et les définitions du Système international se sont donc à l’origine appuyées sur la physique classique. Les changements successifs de définition ont découlé de la volonté d’utiliser des mesures plus stables et plus fondamentales, accompagnant ainsi les progrès de la physique »Jean-Philippe Uzan, physicien à l’Institut d’astrophysique de ParisSphère de SiliciumInformations supplémentaires sur le Système international d’unités
Page 23 : Informations supplémentaires sur le Système international d’unitéshttps://www.lne.fr/fr/comprendre/systeme-international-unites/
Page 24 : Sur les 7 unités du SI, unités ont ainsi fait l’objet d’une redéfinition en 2018 26ème CGPM : Informations supplémentaires sur le Système international d’unitésDéfinition du kelvin Expérience : Résonateur acoustique1Définition de l’ampèrepar rapport à la charge élémentaire: Expérience : réseau de Hall pour générateur quantique2Définition de la mole Expérience: Sphère de silicium34Vous trouverez des informations concernant les expériences permettant la mesure des constantes en regardant les liens fournis en fin de présentation.
Page 25 : Étalon national du kilogramme conservé au LNE Depuis 1889: l'unité de masse était définie par un cylindre de platine iridié conservé au Bureau international des poids et mesures BIPM, à Sèvres. L’IPK International Protype of Kilogram est gardé en sécurité, dans un caveau, sous trois cloches de verre : sa masse est par définition exactement égale à 1 kg. Informations supplémentaires sur le Système international d’unitésDéfinition du kilogramme 4
Page 26 : Définition du kilogramme Depuis 1889: l'unité de masse était définie par un cylindre de platine iridié conservé au Bureau international des poids et mesures BIPM, à Sèvres. L’IPK International Protype of Kilogram est gardé en sécurité, dans un caveau, sous trois cloches de verre : sa masse est par définition exactement égale à 1 kg. Informations supplémentaires sur le Système international d’unitésPour définir l’unité de masse, il faut définir très précisément la constante de Planck…par l’expérience de la balance de Watt…
Page 27 : Expérience de la balance du Watt ou balance de KibblePour mesurer la constante de Planck, les chercheurs ont utilisé une balance de Kibble qui compare des puissances électrique et mécanique. Son principe : une balance dont l’un des bras supporte une masse et l’autre est relié à une bobine placée dans un champ magnétique. Par une mesure en deux temps, il est possible de relier cette masse en kg, à une tension aux bornes de la bobine et un courant y circulant. Le lien avec la constante de Planck se fait via des phénomènes quantiques effets Josephson et Hall quantique impliquant cette tension et ce courant.Balance de Kibble du National Institute of Standards and Technology. Photo by Richard Steiner Original téléversé par Greg L sur Wikipédia anglais.Informations supplémentaires sur le Système international d’unitésDéfinition du kilogramme
Page 28 : Les technologies étant sans cesse en évolution, la précision au niveau de la mesure s’améliore au fil des années. Cela devrait aboutir, dans les prochaines années, à une nouvelle définition de la seconde et de la candela. Pour redéfinir la seconde, une des pistes étudiées : utilisation de l’horloge optique.Informations supplémentaires sur le Système international d’unitésEt ce n’est pas fini…
Page 29 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleAnalyse dimensionnelleQuatre intérêts :Vérifier l’homogénéité d’une formule et repérer les erreurs.Rechercher les dimensions d’une grandeur inconnue.Identifier une grandeur caractéristique d’un système.Déterminer la loi qui exprime une grandeur en fonction d’autres grandeurs : «analyse dimensionnelle» .une grandeur physique ↔ une dimension ↔ une unitéexpression en fonction des grandeurs physiques de baseon compare grandeurs de même dimension2
Page 30 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleAnalyse dimensionnelle
Page 31 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleAnalyse dimensionnelle - ExemplesKhan Academy:Présentation de l'analyse dimensionnelleExemple 1:on cherche à déterminer la dimension d’une vitesse V.
Page 32 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleAnalyse dimensionnelle - ExemplesExemple 2:Déterminer l’unité d’une force F dans le Système international, on détermine sa dimension F à l’aide d’une équation de la physique : P=m.g.
Page 33 : 2.2 Dimensions, unités, analyse dimensionnelleAnalyse dimensionnelle - ExemplesExemple 3:Vérifier l’homogénéité de la formule suivante :avec T, période de révolution d’une planète, G, constante de gravitation universelle, R, rayon de l’orbite circulaire, M, masse de l’astreattracteur.
Page 34 : Bibliographie 1Polycopié de cours2 Maria Barbi - 1P001 Concepts et Methodes de la Physique - groupes MIPI3 Wikipédia4 Encyclopédie Universalis5 David Sénéchal - «Histoire des sciences» PHQ399 Université de Sherbrooke, QC 6 pour la suite: Khan Academy , Unisciel etc.7 Transparents de Lucie Desplat Pau8 Playlist «Panorama sur la Physique»: https://www.youtube.com/playlist?list=PLjo5Br6lsjzt-sBwfAfqdydnJsXN2dt
Page 35 : Références• Laboratoire national de métrologie et d’essais LNE, https://www.lne.fr/fr/comprendre/systeme-international-unites/• https://www.bipm.org/utils/fr/pdf/24CGPMResolution1.pdf• https://www.bipm.org/utils/en/pdf/si-revised-brochure/Draft-SI-Brochure-2018.pdf• https://www.bipm.org/fr/measurement-units/• https://lejournal.cnrs.fr/articles/ces-constantes-qui-donnent-la-mesure
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