PHYSIQUE-CHIMIE

COURS DE PHYSIQUE

Par Hugo Curtillet

Terminale S

CHAPITRE 1: Les caractéristiquesdes ondes

I - Les ondes progressives

Une onde progressive est le phénomène de propagation d'une perturbation. Elle transporte unique-ment de l'énergie.

Définition 1:

La célérité d'une onde est donnée par la relation v =d

t.

Relation 1:

II - Les ondes progressives sinusoïdales

- La période temporelle T correspond à la durée minimale au bout de laquelle un motif, unphénomène, se reproduit à l'identique.

- La période spatiale � correspond à la distance séparant deux motifs consécutifs identique.On parle de longueur d'onde.

Définition 2:

La longueur d'onde � correspond à la distance parcourue par l'onde pendant une période T .

� = v:T ou � =v

F

Relation 2:

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�

�

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Terminale S

CHAPITRE 2: Les ondes sonores

I - Généralités

- L'intensité sonore I est la puissance P de la vibration sonore reçue par unité de temps.

I =P

S

- Le niveau d'intensité sonore L permet d'exprimer la sensation auditive. À 1000Hz, le seuild'audibilité I0 est de 10�12W:m�2 et le seuil de douleur IM est de 1W:m�2.

L = 10� logI

I0

Relation 1:

II - Timbre et spectre d'un son

- La hauteur d'un son dépend de sa fréquence fondamentale.

- Le timbre d'un son dépend de la forme du signal lié au nombre et à l'amplitude des harmo-niques

- un son est pur lorsqu'il a un signal sinusoïdale.

- Si un son n'est pas pur, il est composé d'harmoniques.

Définition 1:

La fréquence des harmonique est un multiple de la fréquence de la fondamentale.

Fn = n� F1

Relation 2:

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�

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Terminale S

CHAPITRE 3: Propriétés des ondes

I - La di�raction

La di�raction est une modi�cation de la direction de propagation d'une onde (mécanique ou éléctro-magnétique) au passage d'une ouverture ou d'un obstacle de petite taille sans modi�cation de � etde F . Une onde est di�racté si � > a

Définition 1:

L'écart angulaire (ou demi angle de di�raction) � entre le milieu de la tâche centrale de di�ractionet la première zone d'extinction est donné par la relation :

� =�

a

Relation 1:

II - Les interférances

Lorsque deux ondes de même nature se rencontrent, elles créent des interférences.On appelle di�érence de marche � la di�érence entre les deux distance S2P et S1P . L'inter-frangei est la distance minimale séparant deux franges sombres ou brillantes successives

Définition 2:

Il existe deux types d'interférences :

- Les interférences constructives si : � = k:�

- Les interférences destructives si : � =�k + 1

2

��

La valeur de l'inter-frange i est donnée par i =�D

aavec a la distance entre les deux fentes.

Relation 2:

III - L'e�et Doppler

L'e�et Doppler correspond à un décalage de la fréquence d'un son perçu par un récepteur lorsquel'émetteur et/ou le récepteur est en mouvement . Plus la vitesse est grande, plus le décalage estimportant.

Définition 3:

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Terminale S

CHAPITRE 4: Les outils de lamécanique classique

I - Étude cinématique

Le référentiel est le solide de référence dans lequel on étudie le mouvement. Chaque référentiel estassocié à :

- Un repère d'espace pour quanti�er la position.

- Un repère de temps pour associer une date à chaque position

Définition 1: le référentiel

- La position d'un mobile M dans un repère (O;�!{ ;�!| ;�!k ) est donnée par son vecteur position

��!OM . La position en fonction du temps se note

��!OM(t). L'ensemble est point M au �l du

temps est la trajectoire.

- Le vecteurs vitesse �!v caractérise la variation du vecteur position en fonction du temps.

- Le vecteur accélération �!a caractérise la variation u vecteur �!v en fonction du temps.

Définition 2: les vecteurs

-��!OM(t)

0@

x(t)y(t)z(t)

1A, donc

��������!OM

������ = OM =

px2 + y2 + z2 si le repère est orthonormé.

- �!v =d

dt

��!OM

- �!a (t) =d�!v (t)

dt

- Le vecteur quantité de mouvement �!p = m:�!v

Relation 1:

II - Les types de mouvement

Il existe plusieurs types de mouvement :

- Le mouvement rectiligne et uniforme de trajectoire droite, vitesse constante et accélérationnulle.

- Le mouvement rectiligne varié de trajectoire droite, vitesse augmente ou diminue et accélé-ration ou décélération.

- Le mouvement circulaire, dans son cas, on utilise un repère de Frenet

Définition 3:

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CHAPITRE 4: Les outils de la mécanique classique Terminale S

Dans un repère de Frenet : �!a = an + at avec an =v2

Ret at =

dv

dt

Relation 2:

III - Les lois de Newton

1) Première loi :Dans un référentiel galiléen, si la somme vectoriel des forces extérieures s'exerçant sur un systèmeest nulle, alors son centre d'inertie est soit immobile, soit animé d'un mouvement rectiligneuniforme, et réciproquement.

P��!Fext =

�!0 () �!vG =

�!cte

2) Seconde loi :Dans un référentiel galiléen, la variation du vecteur quantité de mouvement �!p d'un systèmepar rapport au temps est égale à la somme des forces extérieures appliquées à ce système.

P��!Fext =

d�!p

dtou encore

P��!Fext = m:�!aG

3) Troisième loi :

Si un système A exerce sur un système B une force�!F A=B alors le système B exerce sur le

système A une force�!F B=A telle que :

�!F A=B = �

�!F B=A

Lois de Newton

- Le Poids�!P :

- Origine : le centre de gravité

- Direction : verticale

- Sens : vers le centre de la Terre

- Expression :�!P = m:�!g

- La force électrostatique�!F :

- Origine : le corps chargé

- Direction : la même que celle de champ électrique�!E

- Sens : Celui du champ si q > 0 (+! �), dans le sens opposé si q < 0 (� ! +)

- Expression :�!F = q:

�!E

Relation 3:

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CHAPITRE 4: Les outils de la mécanique classique Terminale S

IV - Les lois de Kepler

1) Première loi :Dans un référentiel héliocentrique, les trajectoires des planètes sont des ellipses dont le centredu Soleil est un foyer.

2) Seconde loi :Pendant une durée �t �xe, le rayon joignant le centre du Soleil à celui de la planète en mouve-ment parcourt une aire �A constante.

3) Troisième loi :La carré de la période de révolution T d'une planète en révolution autour du Soleil est propor-tionnel au cube du demi-grand axe a de l'ellipse :

T 2

a3= cte

Lois de Kelper

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Terminale S

CHAPITRE 5: Travail et énergie

I - Le travail d'une force

Le travailWAB(�!F ) constant dont le point d'application se déplace de A vers B est égale au produit

scalaire�!F :�!AB

WAB(�!F ) =

�!F :�!AB = F:AB: cos� avec W en J, AB en m et F en N

Si � 2 [0; 90[, alors le travail est positif, on dit qu'il est moteur.Si � 2]90; 180], alors le travail est négatif, on dit qu'il est résistant.Si � = 90, alors le travail est nul.

- Le travail du poids : WAB(�!P ) = mgh avec W en J, m en kg, g en N/kg et h en m.

- Le travail de la force électrique : WAB(�!Fe) = qEL avec E en V/m, q en C, L en m et W en

J. Mais UAB = E � L, donc WAB(�!Fe) = qUAB

Le travail du poids et de la force électrique sont indépendants un chemin suivi. Ces forces sontdites conservatrices.

Relation 1:

II - Transferts d'énergie

A) Énergies potentielles et forces conservatives

- WAB(�!P ) = ��Epp

- WAB(�!F ) = ��Epe

- La variation d'énergie potentielle d'un système se déplaçant d'un point A à un point B estégale à l'opposé du travail e�ectué par la force conservative associée :

�Ep = �WAB(�!F )

Relation 2:

B) Énergie mécanique

L'énergie mécanique d'un système s'écrit :

Em = Ec+ Ep

Relation 3:

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Terminale S

CHAPITRE 6: La relativitérestreinte

- Durée propre : Un événement est un phénomène qui se produit en un point de l'espace et àun instant donnée. L'intervalle de temps entre deux événements se produisant en un mêmelieu s'appelle la durée propre et ne note �T0.

- Durée mesurée (ou durée impropre) : Il s'agit de l'intervalle de temps mesuré entre duxévénements mais en un lieu di�érent, on la note �T , durée impropre ou mesurée.

Définition 1:

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Terminale S

CHAPITRE 7: Transferts thermiques

I - Comment passer du macroscopique au microscopique

- On peut passer du macroscopique au microscopique en utilisant la constante d'Avogadro NA

qui représente le nombre d'entités dans une mole.

NA = 6;02� 1023mol�1

- L'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de dix la plus proche de ce nombre.

Définition 1:

II - L'énergie au niveau microscopique

A) L'énergie interne U

Un système possède :

- Au niveau macroscopique :

- Une énergie cinétique lié à son mouvement : Ec =1

2mv2 .

- Des énergies potentielles liées aux interactions avec l'extérieur : Epp = mgz .

- Au niveau microscopique :Les entités sont toujours en mouvement désordonnés (on parle d'agitation thermique) et eninteraction (électrique, magnétique,...). Elles possèdent donc des énergies cinétique microsco-pique et potentielles microscopiques : l'ensemble de ces énergies microscopiques dé�nie unegrandeur macroscopique appelé l'énergie interne du système. Elle se note U et s'exprime enJ.

Etot = U + Eméca = U + Ec + Epot

Définition 2:

B) Variation d'énergie interne �U

- On ne mesure que la variation �U de l'énergie interne entre un état initial et un état �nal.

- Cette variation est la conséquence d'échanges d'énergie du système avec l'extérieur, sousforme de travail W ou par transfert thermique Q.

- Dans le cas où le système étudié n'interagit pas avec son environnement (système isolé), sonénergie interne reste constante : �U = 0J.

- Par convention, W et Q sont > 0 s'ils sont reçus par le système et < 0 s'ils sont cédés par lesystème.

Définition 3:

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CHAPITRE 7: Transferts thermiques Terminale S

III - Transferts thermiques

A) Les trois modes de transferts thermiques

Il existe trois modes de transferts thermiques :

- La conduction

- La convection

- Le rayonnement

Définition 4:

B) Flux et résistance thermique

- Le �ux thermique � à travers une surface est la puissance thermique qui la traverse. Ce �uxévalue la vitesse de transfert thermique Q pendant une duré �t. Il va spontanément de lasource chaude vers la source froide et est irréversible.

� =Q

�t

- La résistance thermique d'un corps traduit sa capacité à s'opposer au transfert thermique.

- Pour une paroi plane dont les deux faces sont à la température �1 et �2 avec �1 > �2,traversé par un �ux thermique �, la résistance thermique Rth en K/W est dé�nie par :

Rth =�1 � �2

�

- Pour une paroi plane, la résistance dépend de :

- Son épaisseur e en m

- Sa surface S en m2

- Sa constitution caractérisé par une conductivité thermique notée � en W/m/K

Rth =e

�� S

Définition 5:

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CHAPITRE 7: Transferts thermiques Terminale S

IV - Bilans énergétiques

- Dé�nir le système macroscopique étudié.

- Déterminer la nature des transferts énergétiques (travail ou chaleur) entre le système etl'extérieur.

- Déterminer le sens de ces transferts : l'énergie reçue par le système est comptée positivementet celle cédée négativement.

- Réaliser un diagramme énergétique et déterminer un rendement (en %) noté � :

� =énergie utileénergie reçue

Définition 6:

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Terminale S

CHAPITRE 8: Transferts quantiquesd'énergie

I - Dualité onde-corpuscule

A) La lumière

À partir de 1905, Einstein déduit des travaux de Hertz que la lumière est à la fois continue (uneonde) et discontinue (une particule). Cette conclusion l'amènera à la dualité onde-particule dela lumière qui présente simultanément des propriétés des ondes (di�raction, interférence) et despropriétés des particules (interaction avec la matière). L'énergie de la lumière est transportée pardes photons qui présentent un aspect particulaire et ondulatoire.

Définition 1:

L'énergie E d'un photon est donnée par la relation :

E = h:� () E =h:c

�

Relation 1:

B) Dualité onde-particule de la lumière ET de la matière

Louis De Broglie postule en 1923 que tous les objets microscopiques de la matière (électron, pro-ton,...) présentent, comme la lumière, un double aspect ondulatoire et corpusculaire. Il introduit lanotion d'onde de matière qui permet de lier onde et particule.

Définition 2:

A toute particule de masse m, de vitesse v et de quantité de mouvement p = m:v est associée unelongueur d'onde � telle que :

p =h

�

Relation 2: relation de De Broglie

C) Aspect probabiliste des phénomènes quantiques

Les phénomènes quantiques sont des phénomènes où interviennent des objets microscopiques de lamatière et qui ne s'expliquent pas par la mécanique classique de Newton.On peut conclure que le comportement d'un photon est aléatoire et peut se comporter comme uneonde et comme une particule. Néanmoins, face à un grand nombre, on peut prévoir avec une certaineprobabilité son comportement. Les phénomènes quantiques ont donc un aspect probabiliste.

Définition 3:

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CHAPITRE 8: Transferts quantiques d'énergie Terminale S

II - Transferts quantiques d'énergie et laser

A) Transitions d'énergies

- Une entité (atome, ion, molécule) possède plusieurs niveaux d'énergie qui peuvent prendreuniquement certaines valeurs.

- L'énergie d'une particule est quanti�ée.

- Pour qu'une particule passe d'un niveau énergétique à un autre (transition énergétique),l'énergie (reçu ou cédée) est la di�érence d'énergie entre les deux niveaux :

E = jEsup � Einf j =h:c

�= h:�

- Absorption : La particule reçoit de l'énergie.

- Émission spontanée (dés-excitation) : La particule va perdre son énergie et émettre un photon.

Définition 4:

- Les principes de fonctionnement du laser :

- Pour obtenir une émissions stimulée, il faut que les atomes soient dans un état excité, ilfaut une inversion de population.

- L'ampli�cation est obtenue par e�et boule de neige des deux photons issus de la sti-mulation, qui vont émettre des photons de même fréquence et de même direction, c'estl'e�et laser.

- Propriétés du laser :

- Un faisceau laser est monochromatique

- Un faisceau laser est cohérent

- Un faisceau laser est très directif

- Un faisceau laser est très intense

Définition 5: le laser

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CHAPITRE 8: Transferts quantiques d'énergie Terminale S

B) Domaines spectraux

Il existe di�érents types de transitions énergétique dans la matière conduisant à des gammes d'éner-gies émises ou absorbées très di�érentes.

Définition 6:

C) Le laser

Le laser (Light Ampli�cation by Stimulated Emission of Radiation) fonctionne avec le principe del'émission stimulée ; un photon incident d'énergie E force (stimule) une emission de deux photonsde même énergie, même longueur d'onde, même fréquence et même direction

Définition 7:

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Terminale S

CHAPITRE 9: Transmission etstockage de l'information

I - Transmission des informations

Un signal est une représentation physique d'une information qui est transmis par une chaîne detransmission qui est composée des éléments suivants :

- Un encodeur qui transforme le signal analogique en signal numérique

- Un canal de transmission composé d'un émetteur et d'un récepteur

- Un décodeur qui transforme le signal numérique en signal analogique

Il existe deux types de signal :

- Le signal analogique qui est continue au cour du temps comme la voix par exemple.

- Le signal numérique qui est discontinue et qui est utiliser pas les appareils numériques.

Définition 1:

II - Numérisation d'un signal

Pour convertir une signal analogique en numérique, on le numérise à l'aide d'un ConvertisseurAnalogique-Numérique (CAN). La numérisation se fait en trois étapes :

- L'échantillonnage qui est la valeur temporel entre chaque mesure. Il faut que la fréquenced'échantillonnage soit au moins le double de la fréquence maximum numérisé, c'est le théorèmede Shannon.

Définition 2:

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CHAPITRE 9: Transmission et stockage de l'information Terminale S

- La quanti�cation qui est le nombre de valeur que peut prendre le signal numérique, elles'exprime en Bits.

- Le codage qui est la transformation des valeurs quanti�ées en binaire.

Plus la fréquence d'échantillonnage est élevée et le pas de la quanti�cation est petit, plus la numé-risation est de qualité.

On appelle pas l'écart entre deux valeur permises successives, le pas est toujours constant sur unmême enregistrement. On le détermine grâce à la plage d'entrée A du convertisseur et au nombrede Bits :

p =A

2n

Relation 1:

III - Les images numériques

Lors de la prise d'une photo, le capteur reçoit sur chaque pixel une grandeur analogique qu'ilconvertir en tension. Ce signal analogique, la tension, est alors quanti�é et numérisé en fonctiondu nombre de Bits disponibles.

A�n de pouvoir restituer l'image à travers un écran, les pixels sont composés de trois cellules, unebleu, une rouge et une verte, c'est le principe de la synthèse additive. La couleur d'un pixel est doncquanti�é en RGB ou RVB en français pour Rouge, Vert, Bleu. Ainsi est associé à chaque celluleune valeur, donc à chaque pixel trois valeurs.

Définition 3:

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