poly TD

Licence 1 (MIPI & PCGI)
Concepts et Méthodes de la Physique
Polycopié d’exercices
Année universitaire 2017-2018
Pierre et Marie Curie dans leur laboratoire en 1906.

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Avant-propos
Ce fascicule regroupe des exercices se rapportant au cours de l’U.E. 1P001/1P002 « Concepts et Méthodes
de la Physique ». Il est divisé en chapitres identiques à ceux du polycopié de cours. De la même façon que
pour le cours, les chapitres n’ont pas tous le même volume. Les chapitres 3 et 4 proposent plus d’exercices
que les autres et demandent par conséquent d’y passer plus de temps.
•Chapitre 1 : La démarche du physicien
•Chapitre 2 : Grandeurs physiques, dimensions et unités
environ 2 séances
•Chapitre 3 : Des systèmes qui évoluent dans le temps
environ 4 séances
•Chapitre 4 : Des systèmes qui évoluent dans le temps et dans l’espace
environ 6 séances
–Cinématique : décrire le mouvement 2séances
–Dynamique : les lois du mouvement et de l’équilibre 2séances
–Dynamique : le point de vue énergétique 2séances
•Chapitre 5 : Des systèmes complexes
hors programme 1
Certains exercices sont considérés comme des révisions ou des pré-requis, ils devront être faits par
l’étudiant-e à la maison et ne seront a priori pas corrigés en TD. Ils pourront faire l’objet d’un rapide
contrôle en début de séance. Ces exercices sont repérés par le symbole -.
D’autres exercices seront systématiquement corrigés en TD dans tous les groupes, ils font partie des
«incontournables» etsontrepérésparlesymbole b. Ils doivent impérativement avoir été préparés
avant la séance de TD.
Enfin une dernière catégorie correspond à des exercices supplémentaires qui seront éventuellement traités
en TD en fonction du temps disponible. À défaut ils pourront être utilisés par l’étudiant-e pour son travail
personnel. Ils sont repérés par le symbole fl.
Certains exercices demandent a priori plus de réflexion, ils sont repérés par le symbole I. Cela ne veut
en aucun cas dire que l’étudiant-e ne doit pas chercher, mais seulement qu’il est normal que cela lui demande
plus d’efforts.
Les symboles pour repérer les exercices
-les exercices à faire seul-e chez soi, qui ne seront a priori pas corrigés en TD.
bles exercices incontournables qui sont à préparer avant le TD et seront vus en TD
par toutes les sections.
flles exercices pour s’entrainer ou « pour aller plus loin ».
Ipermet de repérer les exercices plus délicats.
Corrolaire : Ine peut cohabiter avec -.
1. À partir de l’année universitaire 2016-2017, le chapitre 5 est devenu hors programme. Les exercices sont proposés pour
ceux qui veulent aller plus loin (fl).
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CHAPITRE 1
La démarche du physicien
1.1 bÉtudier un système physique
1. Quelles sont les différentes échelles auxquelles s’intéresse la physique ?
2. Donner les échelles caractéristiques de la taille d’un noyau atomique, d’un atome, d’une molécule, d’une
cellule, de la Terre, d’une galaxie, de l’Univers observable.
3. Quelle est la différence entre un modèle et une théorie ?
4. Quelle démarche suit le physicien ? En quoi cela diffère-t-il d’autres sciences comme les mathématiques ?
1.2 bOrdres de grandeur
1. Donner un ordre de grandeur du nombre de secondes dans une année terrestre, du nombre de mètres
dans une année-lumière.
2. Un atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron séparés par la distance moyenne a0
(rayon de l’orbite de Bohr). Comparer les forces d’interaction électrostatique et gravitationnelle entre
les deux particules.
Données, dans le système international :
Quantité physique Valeur Unité S.I.
Rayon de Bohr a0=0,53 ⇥1010 m
Constante de gravitation G=6,67 ⇥1011 kg1.m3.s2
Constante de Coulomb k=8,99 ⇥109m3.kg1.s4.A2
Charge du proton e=1,60 ⇥1019 C
Masse du proton mp=1,67 ⇥1027 kg
Masse de l’électron me=0,91 ⇥1030 kg
3. Comparer le poids de l’électron et celui du proton à l’interaction gravitationnelle estimée à la question
précédente.
4. Distance entre deux atomes dans un gaz.
Un récipient de volume Vcontient nmolécules de gaz.
(a) Que vaut v,levolumemoyenoccupéparunemolécule?
(b) Faire un schéma illustrant V,n,etv,endéduired,ladistancemoyenneentredeuxmolécules.
Données numériques : V= 22,4L;n=6⇥1023
5. Un noyau atomique de nombre de masse Aaunrayondel’ordreder0⇥A1/3,oùr0=1,3fm est le
rayon d’un nucléon (proton ou neutron).
(a) En supposant que le noyau a une forme sphérique, donner l’expression de son volume Ven fonction
de r0et de A,puisenfonctiondeAet vle volume moyen occupé par un nucléon.
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