PHYSIQUE NS3 — ÉCOLE ALPHANET ACADEMY

Cours complet, progressif et interactif pour les élèves en ligne et en présentiel

Bienvenue dans ce cours de physique de la NS3 à l’École Alphanet Academy !

La physique nous aide à comprendre le monde qui nous entoure. Pourquoi les objets tombent-ils vers le sol ? Comment une voiture avance-t-elle ? Pourquoi une ampoule s’allume-t-elle ? Comment un microscope nous permet-il d’observer des éléments invisibles à l’œil nu ? Comment la chaleur se transmet-elle d’un objet à un autre ?

Toutes ces questions ont des réponses scientifiques que nous allons découvrir progressivement.

Ce cours est conçu spécialement pour les élèves de la NS3, particulièrement ceux qui suivent leurs leçons sur la plateforme de l’École Alphanet Academy. Le langage est simple, les explications sont détaillées et les exemples sont tirés de la vie quotidienne.

Les leçons comprennent :

• des explications faciles à comprendre ;

• des notes essentielles à recopier ;

• des exemples concrets et des expériences simples ;

• des questions de compréhension ;

• des exercices d’application et des problèmes numériques ;

• de petits devoirs à envoyer sur la plateforme, dans Google Classroom ou dans le groupe WhatsApp du cours.

Comment travailler chaque leçon sur la plateforme ?

Convention pédagogique : les encadrés verts représentent les notes à copier ; les consignes orange correspondent aux exercices ; les consignes violettes indiquent le travail à envoyer. Si le professeur donne une méthode particulière, celle-ci reste prioritaire.

PARTIE 1 — LES INTERACTIONS ET LA COHÉSION DE LA MATIÈRE

Leçon 1. La loi de la gravitation universelle

1.1. Pourquoi les objets tombent-ils vers le sol ?

Imagine que tu lâches une mangue mûre d’une branche. Elle tombe vers le sol. Si tu lances un ballon vers le haut, il monte pendant un court instant, puis redescend.

Pourquoi ces objets reviennent-ils vers la Terre ?

La réponse est la gravitation. Tous les corps qui possèdent une masse exercent une attraction gravitationnelle sur les autres corps. Cette attraction existe entre la Terre et la Lune, entre le Soleil et les planètes, mais aussi entre deux objets ordinaires.

La Terre attire les objets vers son centre. C’est cette attraction qui contribue à leur poids. La Lune, de son côté, est maintenue sur son orbite par l’attraction gravitationnelle de la Terre. De même, les planètes tournent autour du Soleil sous l’effet de son attraction.

La gravitation agit donc à très grande distance. Cependant, entre deux objets de petite masse, cette force est extrêmement faible.

1.2. Énoncé de la loi de la gravitation universelle

Isaac Newton a formulé une loi qui permet de calculer la force d’attraction gravitationnelle entre deux corps.

1.3. Comprendre les effets de la masse et de la distance

• Si la masse du premier corps double, tandis que les autres grandeurs restent constantes, la force double.

• Si les deux masses doublent, la force est multipliée par quatre.

• Si la distance entre les centres double, la force est divisée par quatre.

• Si cette distance triple, la force est divisée par neuf.

La distance intervient au carré dans le dénominateur. Il faut donc être particulièrement attentif à ce point lors des calculs.

1.4. Exemple d’application

Deux corps ont respectivement les masses \(m_1=10\ \mathrm{kg}\) et \(m_2=20\ \mathrm{kg}\). La distance entre leurs centres est \(r=2\ \mathrm{m}\).

Calculons la force gravitationnelle.

Données :

Formule :

Application numérique :

La force est très faible, car les masses utilisées sont petites à l’échelle astronomique.

1.5. Questions de compréhension

1. Qu’est-ce que la gravitation ?

2. Pourquoi une mangue tombe-t-elle vers le sol ?

3. Énonce la loi de la gravitation universelle.

4. Quelle est l’unité de la force gravitationnelle ?

5. Que devient la force si la distance entre les deux corps double ?

6. Quelle différence existe-t-il entre la masse et le poids ?

1.6. Exercices d’application

Exercice 1 — Vrai ou faux

a. La gravitation existe uniquement entre la Terre et la Lune.

b. Deux corps possédant une masse s’attirent gravitationnellement.

c. Lorsque la distance double, la force est divisée par deux.

d. La force gravitationnelle s’exprime en newtons.

Exercice 2 — Calcul

Deux corps ont des masses de \(5\ \mathrm{kg}\) et \(8\ \mathrm{kg}\). La distance entre leurs centres est de \(2\ \mathrm{m}\).

1. Écris la formule de la gravitation universelle.

2. Remplace les lettres par les valeurs numériques.

3. Calcule la force d’attraction.

4. Calcule la nouvelle force si la distance passe à \(4\ \mathrm{m}\).

Leçon 2. La loi de Coulomb

2.1. Les charges électriques

Tu as peut-être déjà remarqué qu’un peigne en plastique frotté contre des cheveux secs attire de petits morceaux de papier. Pourtant, le peigne n’est pas un aimant.

Ce phénomène est dû à l’électricité statique. En frottant deux matériaux, on peut provoquer un transfert d’électrons et donner aux objets des charges électriques.

Il existe deux sortes de charges électriques :

• la charge positive, notée \(+\) ;

• la charge négative, notée \(-\).

Les charges de même signe se repoussent. Les charges de signes opposés s’attirent.

2.2. Énoncé de la loi de Coulomb

La loi de Coulomb permet de calculer la valeur de la force électrique entre deux charges ponctuelles immobiles dans le vide.

Attention : la formule donne la valeur positive de la force. Pour connaître son sens, il faut observer les signes des charges : les charges identiques se repoussent et les charges opposées s’attirent.

2.3. Exemple de calcul

Deux charges ont les valeurs :

La distance entre elles est \(r=0{,}30\ \mathrm m\).

Calculons la valeur de la force électrique.

Le produit des charges vaut :

Donc :

Si les deux charges sont positives, elles se repoussent. Si l’une est positive et l’autre négative, elles s’attirent, tout en conservant la même valeur de force dans les conditions indiquées.

2.4. Comparaison entre gravitation et force électrique

2.5. Questions de compréhension

1. Quelles sont les deux sortes de charges électriques ?

2. Que se passe-t-il lorsque deux charges positives sont rapprochées ?

3. Que se passe-t-il entre une charge positive et une charge négative ?

4. Quelle est l’unité de la charge électrique ?

5. Cite un exemple d’électricité statique dans la vie quotidienne.

2.6. Exercices

Exercice 1 : Deux charges sont toutes deux négatives. S’attirent-elles ou se repoussent-elles ? Justifie ta réponse.

Exercice 2 : Deux charges valent \(q_1=4\times10^{-6}\ \mathrm C\) et \(q_2=2\times10^{-6}\ \mathrm C\). Elles sont séparées de \(0{,}20\ \mathrm m\).

1. Calcule la valeur de la force électrique.

2. Précise si elle est attractive ou répulsive si les deux charges sont positives.

3. Explique ce qui arrive à la force si la distance double.

Leçon 3. L’interaction forte

3.1. Que trouve-t-on à l’intérieur d’un atome ?

Tout ce qui nous entoure est constitué de matière : les cahiers, les arbres, l’eau, les bâtiments et même l’air.

La matière est composée d’atomes. Un atome possède un noyau central entouré d’électrons. Le noyau contient des protons et des neutrons.

Les protons portent une charge électrique positive, tandis que les neutrons sont électriquement neutres. Les électrons portent une charge négative.

Mais une question se pose : si les protons sont tous positifs, pourquoi ne s’éloignent-ils pas les uns des autres dans le noyau ?

La réponse est liée à l’interaction forte.

3.2. Définition et rôle de l’interaction forte

L’interaction forte est une interaction fondamentale de la nature. Elle agit entre les quarks, particules qui composent notamment les protons et les neutrons. Une force résiduelle de cette interaction contribue à maintenir les protons et les neutrons liés dans le noyau atomique.

À très petite échelle, cette interaction est extrêmement intense. Son effet est cependant limité à des distances de l’ordre de la taille du noyau atomique.

Sans cette interaction, les noyaux atomiques ne pourraient pas se maintenir sous leur forme habituelle. La matière telle que nous la connaissons serait profondément différente.

3.3. Questions de compréhension

1. Quelles particules constituent le noyau d’un atome ?

2. Quelle est la charge électrique d’un proton ?

3. Pourquoi les protons se repoussent-ils électriquement ?

4. Quel est le rôle de l’interaction forte dans le noyau ?

5. Quelle différence existe-t-il entre un proton et un neutron ?

3.4. Exercice

Complète les phrases suivantes :

a. Le noyau de l’atome contient des ______ et des ______.

b. Les protons possèdent une charge ______.

c. L’interaction forte contribue à maintenir les ______ liés dans le noyau.

d. Les particules appelées quarks constituent notamment les ______ et les ______.

Leçon 4. La cohésion de la matière

4.1. Pourquoi les objets conservent-ils leur forme ?

Prends un morceau de craie, un verre d’eau et un ballon gonflé. Ces trois objets ont des propriétés différentes, mais ils sont tous constitués de matière.

Dans un solide, les particules sont proches les unes des autres et restent liées autour de positions relativement fixes. Elles vibrent, mais ne se déplacent pas librement sur de grandes distances.

Dans un liquide, les particules sont également proches, mais elles peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Le liquide conserve son volume approximatif, mais prend la forme du récipient.

Dans un gaz, les particules sont généralement très éloignées les unes des autres et se déplacent librement dans l’espace disponible.

La cohésion de la matière dépend des interactions entre ses constituants et de leur agitation thermique. Les structures de la matière sont donc le résultat de plusieurs phénomènes microscopiques.

4.2. Les trois états physiques

4.3. Les changements d’état

Lorsque l’eau est chauffée, la glace peut fondre, puis l’eau liquide peut se vaporiser. Lorsqu’on refroidit la vapeur d’eau, elle peut se condenser en eau liquide. Une eau suffisamment refroidie peut se solidifier.

Ces changements d’état montrent que la température et l’énergie échangée influencent le mouvement des particules et l’organisation de la matière.

4.4. Questions et exercices

1. Pourquoi une pierre conserve-t-elle sa forme ?

2. Pourquoi l’eau prend-elle la forme d’un verre ?

3. Quelle différence existe-t-il entre un liquide et un gaz ?

4. Comment appelle-t-on le passage de l’état solide à l’état liquide ?

5. Donne deux exemples de changements d’état dans la vie quotidienne.

Exercice d’application : classe les exemples suivants selon leur état physique habituel : air, glace, huile, vapeur d’eau, fer solide, jus dans un verre.

PARTIE 2 — MÉCANIQUE : MOUVEMENT, FORCES ET LOIS DE NEWTON

Leçon 5. Le mouvement d’un solide indéformable

5.1. Qu’est-ce qu’un solide indéformable ?

Observe une voiture qui roule, une roue qui tourne ou un livre que tu déplaces sur une table. Ces objets peuvent se déplacer sans que leur forme change de manière importante.

En physique, on appelle solide indéformable un modèle de solide dont les distances entre les différents points restent constantes pendant le mouvement.

Dans la réalité, certains objets se déforment légèrement. Le modèle du solide indéformable permet de simplifier l’étude de leur mouvement lorsque ces déformations sont négligeables.

5.2. Référentiel et trajectoire

Pour décrire un mouvement, il faut choisir un référentiel, c’est-à-dire un objet ou un ensemble de repères par rapport auquel on observe le mouvement.

Un passager assis dans un autobus est immobile par rapport à son siège, mais il est en mouvement par rapport à la route.

La trajectoire est l’ensemble des positions successives occupées par un point du solide.

5.3. Vitesse et accélération

La vitesse moyenne correspond à la distance parcourue divisée par la durée du parcours, lorsque l’on parle de vitesse moyenne fondée sur la distance.

• \(v_{\mathrm{moy}}\) : vitesse moyenne, en m/s ;

• \(d\) : distance parcourue, en mètres ;

• \(\Delta t\) : durée, en secondes.

L’accélération décrit la variation de la vitesse au cours du temps :

Elle s’exprime en mètres par seconde carrée (\(\mathrm{m/s^2}\)).

Un objet accélère lorsque sa vitesse augmente dans le sens du mouvement. Il peut également avoir une accélération lorsque sa vitesse diminue ou lorsque sa direction change.

5.4. Exemple

Un véhicule parcourt \(120\ \mathrm m\) en \(10\ \mathrm s\).

Pour convertir en kilomètres par heure, on multiplie par 3,6 :

La vitesse moyenne est donc de \(12\ \mathrm{m/s}\), soit \(43{,}2\ \mathrm{km/h}\).

5.5. Les mouvements particuliers

• Mouvement rectiligne uniforme (MRU) : trajectoire droite et vitesse constante.

• Mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA) : trajectoire droite et accélération constante.

• Mouvement circulaire : trajectoire circulaire ; la direction de la vitesse change au cours du mouvement.

5.6. Questions et exercices

1. Qu’est-ce qu’un solide indéformable ?

2. Définis un référentiel.

3. Quelle différence existe-t-il entre une trajectoire rectiligne et une trajectoire circulaire ?

4. Une voiture parcourt \(300\ \mathrm m\) en \(20\ \mathrm s\). Calcule sa vitesse moyenne.

5. Un cycliste passe de \(2\ \mathrm{m/s}\) à \(8\ \mathrm{m/s}\) en \(3\ \mathrm s\). Calcule son accélération moyenne.

Leçon 6. Les efforts exercés sur un solide

6.1. Qu’est-ce qu’une force ?

Pousser une porte, tirer un seau avec une corde ou lancer un ballon sont des actions mécaniques. En physique, on représente ces actions par des forces.

Une force peut :

• mettre un objet en mouvement ;

• arrêter ou ralentir un objet ;

• modifier la direction du mouvement ;

• déformer un objet.

Une force est une grandeur vectorielle. Elle se représente par une flèche appelée vecteur-force.

6.2. Les caractéristiques d’une force

Une force possède quatre caractéristiques :

1. Le point d’application : l’endroit où la force agit.

2. La direction : horizontale, verticale ou oblique.

3. Le sens : par exemple vers le haut, vers le bas, vers la gauche ou vers la droite.

4. L’intensité : la valeur de la force, exprimée en newtons (N).

6.3. Les forces les plus courantes

• Le poids : force gravitationnelle exercée par la Terre sur l’objet, dirigée approximativement vers le centre de la Terre.

• La réaction du support : force exercée par un support sur l’objet en contact avec lui.

• La tension : force transmise par une corde ou un câble tendu.

• La force de frottement : force qui s’oppose généralement au glissement relatif ou à la tendance au glissement entre des surfaces.

• La force appliquée : force exercée par une personne ou un autre objet.

Le poids se calcule, près de la surface terrestre, par :

Avec \(P\) en newtons, \(m\) en kilogrammes et \(g\approx9{,}8\ \mathrm{N/kg}\).

Exemple : un sac de \(5\ \mathrm{kg}\) a un poids approximatif de :

6.4. Équilibre d’un solide

Un livre posé au repos sur une table subit principalement son poids vers le bas et la réaction de la table vers le haut. Si ces forces se compensent, la résultante est nulle.

Un objet est en équilibre de translation lorsque la somme vectorielle des forces qui s’exercent sur lui est nulle. Pour un solide étendu, l’équilibre complet exige aussi que la somme des moments des forces soit nulle.

6.5. Exercices

1. Cite quatre effets possibles d’une force.

2. Donne les quatre caractéristiques d’une force.

3. Calcule le poids d’un objet de \(8\ \mathrm{kg}\), avec \(g=9{,}8\ \mathrm{N/kg}\).

4. Un livre est immobile sur une table horizontale. Quelles sont les deux principales forces qui s’exercent sur lui ?

5. Explique pourquoi un ballon peut changer de direction lorsqu’un joueur le frappe.

Leçon 7. Les lois de Newton

7.1. Première loi : le principe d’inertie

Imagine un ballon posé sur le sol. Il reste immobile jusqu’à ce qu’une action le mette en mouvement. Une fois lancé, il ralentit généralement à cause des frottements et de la résistance de l’air.

En l’absence de force résultante, un corps conserve son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme.

C’est le principe d’inertie. Il s’applique dans les référentiels dits galiléens.

7.2. Deuxième loi : la relation fondamentale de la dynamique

Lorsqu’une force résultante agit sur un objet, elle peut modifier sa vitesse. Plus la force résultante est grande, plus l’accélération est grande pour une même masse. Pour une même force, un objet de masse plus importante subit une accélération plus faible.

La loi fondamentale de la dynamique s’écrit :

Cette relation vectorielle signifie que l’accélération possède la même direction et le même sens que la force résultante lorsque la masse est constante.

Exemple : une force résultante de \(12\ \mathrm N\) agit sur un chariot de \(3\ \mathrm{kg}\).

7.3. Troisième loi : action et réaction

Quand tu pousses un mur, tu exerces une force sur lui. Le mur exerce simultanément une force opposée sur toi.

Les deux forces ont la même intensité, la même direction, des sens opposés et agissent sur deux corps différents.

Il ne faut pas les confondre avec deux forces qui s’annulent sur un seul objet : les forces d’action et de réaction agissent sur des objets différents.

7.4. Questions et exercices

1. Énonce les trois lois de Newton.

2. Pourquoi un passager est-il projeté vers l’avant lorsqu’un véhicule freine brusquement ?

3. Une force résultante de \(20\ \mathrm N\) agit sur un objet de \(4\ \mathrm{kg}\). Calcule son accélération.

4. Une force de \(15\ \mathrm N\) agit sur un objet qui accélère à \(3\ \mathrm{m/s^2}\). Calcule sa masse.

5. Explique pourquoi les forces d’action et de réaction ne s’annulent pas directement sur un même corps.

PARTIE 3 — ÉNERGIE, CHALEUR ET STRUCTURE MICROSCOPIQUE

Leçon 8. Le théorème de l’énergie cinétique

8.1. Qu’est-ce que l’énergie cinétique ?

Un ballon en mouvement peut déplacer un objet placé sur son passage. Une voiture en mouvement peut effectuer un travail lorsqu’elle pousse ou déplace un objet. Ces exemples montrent qu’un corps en mouvement possède une énergie appelée énergie cinétique.

L’énergie cinétique dépend de la masse du corps et de sa vitesse. Plus la masse est grande, plus l’énergie cinétique est grande à vitesse identique. Si la vitesse double, l’énergie cinétique est multipliée par quatre.

8.2. Formule de l’énergie cinétique

• \(E_c\) : énergie cinétique, en joules (J) ;

• \(m\) : masse, en kilogrammes (kg) ;

• \(v\) : vitesse, en mètres par seconde (m/s).

8.3. Exemple

Un ballon de \(2\ \mathrm{kg}\) se déplace à \(3\ \mathrm{m/s}\).

8.4. Le théorème de l’énergie cinétique

Le théorème de l’énergie cinétique affirme que la variation de l’énergie cinétique d’un corps entre deux positions est égale à la somme des travaux des forces exercées sur ce corps.

Le travail d’une force constante s’exerçant sur un déplacement rectiligne s’écrit :

où \(\theta\) est l’angle entre la force et le déplacement.

Une force qui favorise le déplacement effectue un travail positif. Une force opposée au déplacement effectue un travail négatif. Une force perpendiculaire au déplacement effectue un travail nul dans ce modèle.

8.5. Exercices

1. Définis l’énergie cinétique.

2. Calcule l’énergie cinétique d’un objet de \(4\ \mathrm{kg}\) se déplaçant à \(5\ \mathrm{m/s}\).

3. Que devient l’énergie cinétique si la vitesse double ?

4. Un objet possède une énergie cinétique initiale de \(10\ \mathrm J\). Les forces effectuent un travail total de \(6\ \mathrm J\). Calcule son énergie cinétique finale.

5. Pourquoi les freins d’un vélo diminuent-ils son énergie cinétique ?

Leçon 9. Le principe de conservation de l’énergie

9.1. L’énergie peut-elle disparaître ?

Lorsqu’une balle tombe, son énergie potentielle gravitationnelle diminue tandis que son énergie cinétique augmente. Lorsqu’une lampe fonctionne, l’énergie électrique se transforme notamment en lumière et en chaleur.

L’énergie change donc de forme et peut être transférée d’un système à un autre. Dans un système isolé, l’énergie totale se conserve.

Il est important de distinguer la conservation de l’énergie totale de la conservation de la seule énergie mécanique.

9.2. Énergie mécanique

Dans un champ gravitationnel uniforme, près de la surface terrestre, l’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet peut être calculée par :

• \(m\) : masse en kg ;

• \(g\) : intensité de la pesanteur en \(\mathrm{N/kg}\) ;

• \(h\) : hauteur choisie par rapport à une référence, en m.

L’énergie mécanique est la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle :

En l’absence de frottements et d’autres transferts dissipatifs, l’énergie mécanique se conserve. Avec des frottements, une partie de l’énergie mécanique se transforme notamment en énergie interne.

9.3. Exemple d’une balle qui tombe

Une balle tenue en hauteur possède de l’énergie potentielle. En tombant, elle perd de la hauteur et gagne de la vitesse. Si l’on néglige la résistance de l’air, la diminution de l’énergie potentielle correspond à une augmentation de l’énergie cinétique.

Au moment du choc avec le sol, une partie de l’énergie est transférée sous forme de déformation, de bruit et de chaleur. L’énergie totale ne disparaît pas.

9.4. Questions et exercices

1. Énonce le principe de conservation de l’énergie.

2. Quelle est la différence entre énergie cinétique et énergie potentielle ?

3. Calcule l’énergie potentielle d’un objet de \(2\ \mathrm{kg}\) placé à \(5\ \mathrm m\), avec \(g=9{,}8\ \mathrm{N/kg}\).

4. Cite trois transformations d’énergie observées dans la vie quotidienne.

5. Pourquoi l’énergie mécanique d’un objet peut-elle diminuer en présence de frottements ?

Leçon 10. Le transfert de chaleur

10.1. Chaleur et température : deux notions différentes

Lorsqu’on place une cuillère dans une tasse de thé chaud, la cuillère se réchauffe. De l’énergie est transférée du thé vers la cuillère.

En physique, la température caractérise l’état thermique d’un corps. La chaleur est un transfert d’énergie provoqué par une différence de température.

La chaleur se transfère spontanément d’un corps plus chaud vers un corps plus froid jusqu’à l’établissement d’un équilibre thermique, si les conditions permettent d’atteindre cet équilibre.

10.2. Les trois modes de transfert thermique

10.3. Calcul d’une quantité de chaleur

Pour un corps qui change de température sans changer d’état, on utilise :

• \(Q\) : énergie thermique transférée, en joules ;

• \(m\) : masse en kilogrammes ;

• \(c\) : capacité thermique massique en \(\mathrm{J/(kg\cdot{}^\circ C)}\) ;

• \(\Delta T=T_f-T_i\) : variation de température.

Pour l’eau, on peut utiliser approximativement \(c=4180\ \mathrm{J/(kg\cdot{}^\circ C)}\).

Exemple : on chauffe \(0{,}5\ \mathrm{kg}\) d’eau de \(20^\circ C\) à \(30^\circ C\).

Cette valeur suppose que l’énergie reçue sert uniquement à augmenter la température de l’eau.

10.4. Questions et exercices

1. Distingue la chaleur de la température.

2. Cite les trois modes de transfert thermique.

3. Pourquoi une cuillère métallique plongée dans du thé chaud devient-elle chaude ?

4. Calcule l’énergie nécessaire pour chauffer \(0{,}2\ \mathrm{kg}\) d’eau de \(25^\circ C\) à \(35^\circ C\). Utilise \(c=4180\ \mathrm{J/(kg\cdot{}^\circ C)}\).

5. Quel mode de transfert explique le réchauffement de la Terre par le Soleil ?

Leçon 11. Description microscopique de la matière

11.1. Ce que l’œil ne peut pas voir

Un verre d’eau paraît calme, mais les particules qui le composent sont en mouvement. Même dans un solide, les atomes ou les molécules vibrent autour de positions d’équilibre.

La description microscopique étudie la matière à l’échelle des atomes, des molécules et des particules. Elle permet de comprendre plusieurs phénomènes observés à notre échelle : la pression d’un gaz, la diffusion d’un parfum, la dilatation thermique et les changements d’état.

11.2. Solide, liquide et gaz à l’échelle des particules

• Dans un solide, les particules sont généralement proches et organisées selon une structure qui dépend du matériau. Elles vibrent autour de positions relativement fixes.

• Dans un liquide, les particules restent proches, mais peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres.

• Dans un gaz, les particules sont éloignées en moyenne et se déplacent librement entre leurs collisions.

11.3. Température et agitation thermique

Lorsque la température d’un gaz augmente, l’énergie cinétique moyenne de translation de ses particules augmente également. Dans un solide ou un liquide, l’augmentation de température intensifie généralement l’agitation microscopique.

Exemple : si tu ouvres un flacon de parfum, l’odeur peut progressivement se répandre dans une pièce. Les molécules du parfum se déplacent et se mélangent à celles de l’air. Ce phénomène s’appelle la diffusion.

11.4. Exercices

1. Qu’étudie la description microscopique ?

2. Les particules d’un solide sont-elles immobiles ?

3. Pourquoi l’odeur d’un parfum se répand-elle dans une pièce ?

4. Que se passe-t-il généralement lorsque la température d’un gaz augmente ?

5. Explique la différence entre la disposition des particules dans un solide et dans un gaz.

PARTIE 4 — ÉLECTRICITÉ, MAGNÉTISME ET ÉLECTROMAGNÉTISME

Leçon 12. Les générateurs, les résistances et les récepteurs

12.1. Comprendre un circuit électrique

Dans une maison, les ampoules, les ventilateurs, les téléphones et les ordinateurs utilisent de l’énergie électrique. Pour comprendre leur fonctionnement, il faut connaître les principaux éléments d’un circuit.

• Le générateur fournit de l’énergie électrique au circuit. Une pile est un exemple de générateur.

• La résistance est un dipôle qui s’oppose au passage du courant et transforme généralement une partie de l’énergie électrique en chaleur.

• Le récepteur utilise l’énergie électrique pour produire un autre effet : lumière, mouvement, son ou chaleur.

• Les fils conducteurs relient les éléments.

• L’interrupteur permet d’ouvrir ou de fermer le circuit.

Le courant électrique circule dans un circuit fermé. Dans un circuit ouvert, le courant ne circule pas dans la branche interrompue.

12.2. La loi d’Ohm

Pour une résistance ohmique à température constante, la tension \(U\) à ses bornes est proportionnelle à l’intensité \(I\) du courant qui la traverse.

• \(U\) : tension, en volts (V) ;

• \(R\) : résistance électrique, en ohms (\(\Omega\)) ;

• \(I\) : intensité du courant, en ampères (A).

Exemple : une résistance de \(6\ \Omega\) est traversée par un courant de \(2\ \mathrm A\).

12.3. Puissance électrique

La puissance électrique correspond à la quantité d’énergie transférée ou transformée par unité de temps.

Elle s’exprime en watts (W).

Pour une résistance ohmique, on peut également écrire :

L’énergie électrique transférée pendant une durée \(t\), lorsque la puissance est constante, est :

12.4. Association de résistances en série

Deux résistances sont en série lorsqu’elles sont placées l’une à la suite de l’autre dans une même branche, sans dérivation entre elles.

Dans une association en série :

• le courant est identique dans toutes les résistances ;

• les tensions aux bornes des résistances s’additionnent ;

• la résistance équivalente est la somme des résistances.

La formule est :

Exemple : deux résistances de \(4\ \Omega\) et \(8\ \Omega\) sont montées en série.

Si elles sont soumises à une tension totale de \(24\ \mathrm V\), le courant vaut :

12.5. Association de résistances en parallèle

Dans une association en parallèle, les résistances sont branchées entre les mêmes deux points du circuit.

• La tension est identique aux bornes de chaque branche.

• L’intensité totale est la somme des intensités dans les branches.

• La résistance équivalente vérifie :

Pour deux résistances :

Exemple : deux résistances de \(6\ \Omega\) et \(3\ \Omega\) sont branchées en parallèle.

12.6. Les courants dérivés

Dans un circuit comportant plusieurs branches, le courant se partage entre les différentes branches. On parle de courants dérivés.

La loi des nœuds de Kirchhoff affirme que la somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités qui en repartent.

Par exemple, si un courant de \(5\ \mathrm A\) arrive à un nœud et se partage en deux courants, \(I_1=2\ \mathrm A\) et \(I_2\), alors :

12.7. Questions de compréhension

1. Quel est le rôle d’un générateur ?

2. Quelle différence existe-t-il entre un générateur et un récepteur ?

3. Énonce la loi d’Ohm.

4. Quelle différence existe-t-il entre une association en série et une association en parallèle ?

5. Pourquoi la tension est-elle identique aux bornes des branches montées en parallèle ?

6. Énonce la loi des nœuds.

12.8. Exercices d’application

Exercice 1 — Loi d’Ohm

Une résistance de \(10\ \Omega\) est traversée par un courant de \(0{,}5\ \mathrm A\). Calcule la tension à ses bornes.

Exercice 2 — Série

Trois résistances de \(2\ \Omega\), \(3\ \Omega\) et \(5\ \Omega\) sont montées en série sous une tension de \(20\ \mathrm V\).

1. Calcule la résistance équivalente.

2. Calcule l’intensité du courant.

3. Calcule la tension aux bornes de chaque résistance.

Exercice 3 — Parallèle

Deux résistances de \(4\ \Omega\) et \(12\ \Omega\) sont montées en parallèle sous une tension de \(12\ \mathrm V\).

1. Calcule la résistance équivalente.

2. Calcule l’intensité dans chaque branche.

3. Calcule l’intensité totale.

Exercice 4 — Courants dérivés

Un courant de \(8\ \mathrm A\) arrive à un nœud. Deux branches transportent respectivement \(3\ \mathrm A\) et \(I_3\). Détermine \(I_3\).

Leçon 13. Le magnétisme, les aimants et le champ magnétique

13.1. Qu’est-ce qu’un aimant ?

Un aimant est un objet capable d’exercer des forces magnétiques sur certains matériaux, notamment le fer. Les aimants possèdent deux pôles : un pôle nord et un pôle sud.

Deux pôles de même nom se repoussent, tandis que deux pôles de noms différents s’attirent.

Le magnétisme est présent dans de nombreuses technologies : moteurs électriques, haut-parleurs, systèmes de fermeture magnétique et dispositifs médicaux.

13.2. Le champ magnétique

Un aimant crée autour de lui un champ magnétique. Ce champ décrit l’action magnétique possible en chaque point de l’espace.

On représente souvent le champ par des lignes de champ. À l’extérieur d’un aimant, ces lignes sont conventionnellement orientées du pôle nord vers le pôle sud.

Plus les lignes sont rapprochées dans un schéma, plus le champ est représenté comme intense.

Le champ magnétique est une grandeur vectorielle, souvent notée \(\vec B\). Son unité SI est le tesla (T).

13.3. Le champ magnétique terrestre

La Terre se comporte approximativement comme un grand aimant. Son champ magnétique contribue à orienter l’aiguille d’une boussole.

Les pôles géographiques et les pôles magnétiques ne coïncident pas exactement. De plus, les pôles magnétiques changent lentement de position au cours du temps.

Le champ magnétique terrestre participe aussi à la protection de notre environnement contre une partie des particules chargées provenant du Soleil.

13.4. Le flux magnétique

Le flux magnétique mesure la quantité de champ magnétique traversant une surface donnée, en tenant compte de l’orientation de cette surface.

Pour un champ uniforme traversant une surface plane :

• \(\Phi\) : flux magnétique, en webers (Wb) ;

• \(B\) : intensité du champ magnétique, en teslas (T) ;

• \(S\) : aire de la surface, en mètres carrés (\(\mathrm{m^2}\)) ;

• \(\theta\) : angle entre le champ magnétique et la normale à la surface.

Le flux est maximal en valeur absolue lorsque le champ est perpendiculaire à la surface, et nul lorsque le champ est parallèle à cette surface.

Exemple : un champ de \(0{,}2\ \mathrm T\) traverse perpendiculairement une surface de \(0{,}5\ \mathrm{m^2}\).

13.5. Questions et exercices

1. Quels sont les deux pôles d’un aimant ?

2. Comment se comportent deux pôles identiques ?

3. Qu’est-ce qu’un champ magnétique ?

4. Quelle est l’unité du champ magnétique ?

5. Explique le rôle de la boussole.

6. Un champ de \(0{,}5\ \mathrm T\) traverse perpendiculairement une surface de \(0{,}2\ \mathrm{m^2}\). Calcule le flux magnétique.

Leçon 14. L’électromagnétisme

14.1. Le lien entre électricité et magnétisme

L’électricité et le magnétisme sont étroitement liés. Lorsqu’un courant électrique traverse un fil conducteur, il crée un champ magnétique autour de ce fil.

Cette découverte a permis la réalisation d’appareils qui utilisent l’électricité pour produire des effets magnétiques, comme les électroaimants et les moteurs électriques.

14.2. L’électroaimant

Un électroaimant est généralement constitué d’une bobine de fil conducteur parcourue par un courant. L’ajout d’un noyau de fer doux peut renforcer le champ magnétique.

La force de l’électroaimant dépend notamment du courant, du nombre de spires et des caractéristiques du noyau.

Les électroaimants sont utilisés dans certaines grues pour déplacer des objets en fer, dans des relais et dans divers systèmes industriels.

14.3. Questions et exercice

1. Qu’est-ce qu’un électroaimant ?

2. Quel est le rôle de la bobine ?

3. Pourquoi peut-on ajouter un noyau de fer ?

4. Cite deux applications des électroaimants.

Exercice pratique : décris une expérience permettant de montrer qu’un courant électrique produit un champ magnétique. Précise le matériel nécessaire, les étapes et le résultat attendu.

Leçon 15. L’induction électromagnétique

15.1. Peut-on produire de l’électricité avec un aimant ?

Imagine que tu déplaces un aimant à proximité d’une bobine reliée à un appareil de mesure. Le mouvement de l’aimant peut provoquer l’apparition d’une tension électrique dans la bobine.

Ce phénomène est appelé induction électromagnétique. Il se produit lorsqu’il y a une variation du flux magnétique à travers un circuit.

Si le flux reste constant, il n’y a pas de tension induite par cette variation. Si le flux varie, une tension induite peut apparaître.

15.2. La loi de Faraday-Lenz

La loi de Faraday-Lenz relie la tension induite à la variation du flux magnétique.

Pour une bobine de \(N\) spires, la force électromotrice induite moyenne s’écrit :

Le signe négatif exprime la loi de Lenz : le phénomène induit s’oppose à la variation de flux qui lui donne naissance.

L’induction est à la base du fonctionnement de nombreux générateurs électriques et transformateurs.

15.3. Exemple

Une bobine de \(100\) spires subit une variation de flux de \(0{,}02\ \mathrm{Wb}\) par spire en \(0{,}5\ \mathrm s\). On suppose la variation uniforme.

La valeur absolue de la tension induite moyenne est :

Le signe et le sens de la tension dépendent du sens de variation du flux et de l’orientation choisie pour la bobine.

15.4. Questions et exercices

1. Définis l’induction électromagnétique.

2. Quel rôle joue la variation du flux magnétique ?

3. Que représente le signe négatif dans la loi de Faraday-Lenz ?

4. Cite deux appareils utilisant l’induction électromagnétique.

5. Une bobine de \(50\) spires subit une variation de flux de \(0{,}01\ \mathrm{Wb}\) par spire en \(0{,}1\ \mathrm s\). Calcule la valeur absolue de la tension induite moyenne.

Leçon 16. La loi de Laplace

16.1. Une force exercée sur un conducteur parcouru par un courant

Lorsqu’un fil parcouru par un courant électrique est placé dans un champ magnétique, il peut subir une force magnétique.

Cette action est décrite par la loi de Laplace. Elle intervient dans le fonctionnement des moteurs électriques, qui transforment de l’énergie électrique en énergie mécanique.

16.2. Expression de la force de Laplace

Pour un conducteur rectiligne de longueur \(L\), placé dans un champ magnétique uniforme, la valeur de la force est :

• \(F\) : force magnétique, en newtons (N) ;

• \(B\) : champ magnétique, en teslas (T) ;

• \(I\) : intensité du courant, en ampères (A) ;

• \(L\) : longueur du conducteur dans le champ, en mètres (m) ;

• \(\theta\) : angle entre le courant et le champ magnétique.

Lorsque le conducteur est perpendiculaire au champ, la force est maximale. Lorsqu’il est parallèle au champ, la force est nulle dans ce modèle.

16.3. Exemple

Un fil de longueur \(0{,}20\ \mathrm m\) est traversé par un courant de \(3\ \mathrm A\). Il est placé perpendiculairement à un champ magnétique de \(0{,}5\ \mathrm T\).

La direction de la force est perpendiculaire à la direction du courant et à celle du champ magnétique.

16.4. Questions et exercices

1. Énonce la loi de Laplace.

2. Quelles grandeurs déterminent la valeur de la force de Laplace ?

3. Pourquoi cette force est-elle nulle si le conducteur est parallèle au champ ?

4. Un fil de \(0{,}10\ \mathrm m\) est traversé par un courant de \(4\ \mathrm A\) dans un champ de \(0{,}2\ \mathrm T\), perpendiculairement au champ. Calcule la force.

5. Explique le rôle de la force magnétique dans un moteur électrique.

PARTIE 5 — LES INSTRUMENTS D’OPTIQUE

Leçon 17. L’œil humain

17.1. Comment voyons-nous les objets ?

Chaque jour, nous utilisons nos yeux pour lire, écrire, observer les couleurs, reconnaître les personnes et nous déplacer.

Mais comment l’œil nous permet-il de voir ?

Pour voir un objet, de la lumière provenant de cet objet ou réfléchie par lui doit parvenir à l’œil. La lumière traverse ensuite plusieurs structures de l’œil avant de former une image sur la rétine. Le cerveau interprète les informations transmises par le nerf optique.

L’œil est donc un instrument optique naturel.

17.2. Les principales parties de l’œil

• La cornée : première surface transparente traversée par la lumière ; elle participe à la convergence des rayons lumineux.

• L’iris : partie colorée qui contrôle le diamètre de la pupille.

• La pupille : ouverture par laquelle la lumière entre dans l’œil.

• Le cristallin : lentille convergente dont la courbure peut varier pour ajuster la mise au point.

• La rétine : membrane contenant les cellules sensibles à la lumière ; elle reçoit l’image.

• Le nerf optique : transmet les informations visuelles au cerveau.

17.3. Comment se forme l’image ?

La cornée et le cristallin font converger les rayons lumineux pour former sur la rétine une image généralement réelle, renversée et réduite.

Le cerveau traite ensuite les informations reçues et nous permet de percevoir notre environnement.

Pour observer des objets situés à différentes distances, l’œil modifie la courbure du cristallin. Ce phénomène est appelé accommodation.

17.4. Quelques défauts de la vision

La presbytie, quant à elle, est liée à la diminution progressive de la capacité d’accommodation avec l’âge.

17.5. Questions de compréhension

1. Quel est le rôle de la rétine ?

2. Quelle est la fonction de la pupille ?

3. Quel rôle joue le cristallin ?

4. Qu’appelle-t-on accommodation ?

5. Quelle lentille utilise-t-on habituellement pour corriger la myopie ?

6. Quelle différence existe-t-il entre la myopie et l’hypermétropie ?

17.6. Exercices

Exercice 1 — Complète

a. La partie colorée de l’œil est l’__________.

b. L’image se forme sur la __________.

c. Le __________ transmet les informations visuelles au cerveau.

d. L’__________ permet à l’œil d’ajuster sa mise au point.

Exercice 2 — Raisonnement

Un élève voit nettement les lettres de son cahier, mais distingue mal les écritures éloignées au tableau.

1. Quel défaut visuel pourrait expliquer cette difficulté ?

2. Quelle catégorie de lentille peut être utilisée pour la correction habituelle de ce défaut ?

3. Pourquoi est-il important de consulter un professionnel de la vue pour confirmer le diagnostic ?

Leçon 18. La loupe

18.1. Pourquoi utilise-t-on une loupe ?

As-tu déjà utilisé une loupe pour observer les détails d’un insecte, les lettres minuscules d’un document ou les nervures d’une feuille ?

Une loupe est un instrument optique constitué généralement d’une lentille convergente de courte distance focale. Elle permet d’observer un objet en donnant une image apparente plus grande que l’objet vu à l’œil nu.

La loupe est utilisée par les élèves, les horlogers, les collectionneurs, les biologistes et de nombreux professionnels.

18.2. Comment fonctionne une loupe ?

Pour obtenir une image virtuelle agrandie avec une loupe, on place l’objet entre la lentille et son foyer objet, à une distance inférieure à la distance focale.

L’image observée est alors :

• virtuelle, car elle ne peut pas être recueillie directement sur un écran ;

• droite, car elle n’est pas renversée par rapport à l’objet ;

• agrandie, dans les conditions habituelles d’utilisation de la loupe.

18.3. Le grossissement

Le grossissement d’une loupe exprime combien de fois l’image paraît plus grande que l’objet dans des conditions d’observation définies.

Dans le modèle de la loupe simple, on peut définir le grossissement commercial conventionnel par :

où \(f’\) est la distance focale exprimée en centimètres et où la référence de 25 cm correspond à la distance minimale conventionnelle de vision distincte.

Exemple : une loupe possède une distance focale de \(5\ \mathrm{cm}\).

Son grossissement commercial conventionnel est de 5.

Cette valeur conventionnelle ne doit pas être confondue avec le grandissement géométrique, qui compare les dimensions de l’image et de l’objet.

18.4. Questions et exercices

1. Qu’est-ce qu’une loupe ?

2. Quel type de lentille utilise-t-on généralement dans une loupe ?

3. Quelles sont les caractéristiques de l’image donnée par une loupe correctement utilisée ?

4. Calcule le grossissement commercial d’une loupe dont la distance focale est de \(10\ \mathrm{cm}\).

5. Pourquoi utilise-t-on une loupe pour observer certains détails d’un objet ?

Leçon 19. Le microscope optique

19.1. Observer l’invisible à l’œil nu

Une loupe permet d’agrandir l’image de petits objets, mais certains éléments sont trop petits pour être étudiés correctement avec une simple lentille.

Le microscope optique composé permet d’observer des objets très petits, comme des cellules, des tissus biologiques ou certains microorganismes, à l’aide de plusieurs éléments optiques.

Il est utilisé dans les laboratoires, les établissements scolaires, les hôpitaux et les centres de recherche.

19.2. Les principales parties du microscope

• L’oculaire : lentille par laquelle l’observateur regarde.

• L’objectif : lentille proche de l’objet observé.

• La platine : support sur lequel on place la préparation.

• La source lumineuse : éclaire la préparation.

• Les vis de mise au point : permettent d’obtenir une image nette.

19.3. Formation de l’image

Le microscope composé utilise deux systèmes de lentilles convergentes.

L’objectif forme d’abord une image intermédiaire réelle, généralement renversée et agrandie. L’oculaire fonctionne ensuite comme une loupe : il permet d’observer une image virtuelle agrandie de cette image intermédiaire.

L’image finale est généralement virtuelle, agrandie et renversée par rapport à l’objet initial.

19.4. Le grossissement total

Le grossissement total d’un microscope s’obtient en multipliant le grossissement de l’objectif par celui de l’oculaire.

Exemple : un microscope possède un objectif de grossissement 40 et un oculaire de grossissement 10.

Le grossissement total est donc de 400.

Un grossissement plus élevé ne garantit pas toujours davantage de détails : la résolution optique, la qualité des lentilles et l’éclairage jouent également un rôle important.

19.5. Questions et exercices

1. Quel est le rôle de l’objectif ?

2. Quel est le rôle de l’oculaire ?

3. Quelle différence existe-t-il entre une loupe et un microscope composé ?

4. Un microscope possède un objectif de grossissement 20 et un oculaire de grossissement 15. Calcule le grossissement total.

5. Pourquoi un grossissement très élevé ne garantit-il pas nécessairement une meilleure observation ?

Leçon 20. Les lunettes astronomiques

20.1. Observer les astres

Depuis la Terre, les étoiles, les planètes et la Lune paraissent parfois très petites. Les lunettes astronomiques permettent d’observer plus facilement certains détails de ces objets lointains.

Une lunette astronomique classique est un instrument optique constitué de deux systèmes convergents :

• L’objectif, situé du côté de l’astre observé ;

• L’oculaire, placé du côté de l’œil de l’observateur.

L’objectif collecte la lumière provenant de l’objet lointain et forme une image intermédiaire. L’oculaire permet d’observer cette image avec un angle apparent plus grand.

20.2. Comment fonctionne une lunette astronomique ?

Dans le modèle classique de la lunette astronomique afocale, l’objectif et l’oculaire sont deux lentilles convergentes. L’image intermédiaire formée par l’objectif est placée dans le plan focal objet de l’oculaire.

Les rayons émergents sont alors parallèles lorsque l’objet observé est suffisamment éloigné et que l’instrument est correctement réglé.

La lunette augmente l’angle sous lequel l’observateur voit l’objet : elle permet ainsi de distinguer plus facilement certains détails angulaires.

20.3. Le grossissement angulaire

Pour une lunette astronomique afocale dans les conditions habituelles d’observation, le grossissement angulaire est donné en valeur absolue par :

• \(f’_{\mathrm{objectif}}\) : distance focale de l’objectif ;

• \(f’_{\mathrm{oculaire}}\) : distance focale de l’oculaire.

Exemple : l’objectif a une distance focale de \(80\ \mathrm{cm}\) et l’oculaire une distance focale de \(4\ \mathrm{cm}\).

Le grossissement angulaire en valeur absolue est de 20. Dans la lunette astronomique classique à deux lentilles convergentes, l’image finale est renversée.

20.4. Comparaison des instruments optiques

20.5. Questions et exercices

1. À quoi sert une lunette astronomique ?

2. Quel est le rôle de l’objectif ?

3. Quel est le rôle de l’oculaire ?

4. Pourquoi les deux distances focales doivent-elles être exprimées dans la même unité ?

5. Calcule le grossissement angulaire en valeur absolue d’une lunette dont l’objectif possède une distance focale de \(120\ \mathrm{cm}\) et l’oculaire une distance focale de \(6\ \mathrm{cm}\).

6. Quelle différence existe-t-il entre un microscope et une lunette astronomique ?

ÉVALUATION GÉNÉRALE — PHYSIQUE NS3

École Alphanet Academy · Révision des cinq parties du programme

Cette évaluation peut être utilisée comme devoir de révision sur la plateforme des élèves, dans Google Classroom ou dans le groupe WhatsApp du cours.

Exercice 1 — Interactions et matière (20 points)

1. Énonce la loi de la gravitation universelle.

2. Deux charges positives sont rapprochées. Précise la nature de la force électrique entre elles.

3. Explique le rôle de l’interaction forte dans le noyau atomique.

4. Distingue les états solide, liquide et gazeux à l’échelle microscopique.

Exercice 2 — Mécanique (20 points)

1. Définis la vitesse moyenne.

2. Un véhicule parcourt \(240\ \mathrm m\) en \(20\ \mathrm s\). Calcule sa vitesse moyenne.

3. Énonce la deuxième loi de Newton.

4. Une force résultante de \(18\ \mathrm N\) agit sur un objet de \(6\ \mathrm{kg}\). Calcule son accélération.

Exercice 3 — Énergie et chaleur (20 points)

1. Écris la formule de l’énergie cinétique.

2. Calcule l’énergie cinétique d’un objet de \(4\ \mathrm{kg}\) se déplaçant à \(3\ \mathrm{m/s}\).

3. Énonce le principe de conservation de l’énergie.

4. Cite et explique brièvement les trois modes de transfert thermique.

Exercice 4 — Électricité et magnétisme (20 points)

1. Énonce la loi d’Ohm.

2. Deux résistances de \(4\ \Omega\) et \(6\ \Omega\) sont en série. Calcule la résistance équivalente.

3. Explique l’induction électromagnétique.

4. Écris la formule de la force de Laplace et indique les grandeurs qui interviennent.

Exercice 5 — Instruments d’optique (20 points)

1. Indique le rôle du cristallin.

2. Quelle lentille permet habituellement de corriger la myopie ?

3. Un microscope possède un objectif de grossissement 40 et un oculaire de grossissement 10. Calcule son grossissement total.

4. Une lunette astronomique possède un objectif de distance focale \(100\ \mathrm{cm}\) et un oculaire de distance focale \(5\ \mathrm{cm}\). Calcule son grossissement angulaire en valeur absolue.

Guide de travail pour les élèves en ligne

Consigne finale de l’École Alphanet Academy :

Chers élèves de la NS3, la physique ne consiste pas seulement à mémoriser des formules. Elle consiste à observer, à poser des questions, à raisonner et à chercher des explications scientifiques.

Travaillez régulièrement, réalisez les exercices avec sérieux et n’hésitez pas à demander des explications à votre professeur lorsque vous rencontrez une difficulté.

Observez le monde, comprenez ses lois et développez votre esprit scientifique !