Physique Générale C: Notes de Cours (2018-2019) - Cinématique à Chaleur

Physique G´en´erale C
Semestre d’automne (11P090)
Notes du cours bas´ees sur le livre
Physique
de Eugene Hecht, ´editions De Boeck
Version 2: 2018-2019
Enseignante:
Anna Sfyrla
Assistant(e)s:
David Miranda
Saba Parsa
Rebecka Sax
Marco Valente
Bibliographie
[1] Eugene Hecht, Physique, ´editions De Boeck.
[2] Eugene Hecht, College Physics, Schaum’s outlines.
[3] Randall D. Knight, Physics for Scientists and Engineers, Pearson.
[4] Yakov Perelman, Oh, la Physique!, Dunod.

Table des mati`eres
Rappel math´ ematique 1
Exercices - S´ erie 0 10
1 La cin´ ematique 11
1.1 D´eplacement ................................... 11
1.2 Vitesse....................................... 12
1.2.1 Vitessescalaire.............................. 13
1.2.2 Vecteurvitesse .............................. 14
1.3 Mouvement rectiligne uniforme (MRU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 MRUrelatif.................................... 16
1.5 Acc´el´eration.................................... 20
1.5.1 Acc´el´eration moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2 Acc´el´eration instantan´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Mouvement rectiligne uniform´ement acc´el´er´e (MRUA) . . . . . . . . . . . . 22
1.7 ApplicationsdeMRUA ............................. 23
1.7.1 Lachutelibre............................... 24
1.7.2 Le mouvement purement vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7.3 Le mouvement en deux dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Exercices - S´ erie 1 29
2 La dynamique 31
2.1 Qu’est-ce qu’une force? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Les trois lois de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1 La premi`ere loi de Newton: la loi d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 La quantit´e de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 La deuxi`eme loi de Newton: la relation entre la force et les change-
mentsdemouvement........................... 35
2.2.4 La troisi`eme loi de Newton: action et r´eaction . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.5 Conservation de la quantit´e de mouvement . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3 Diagramme du corps isol´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Lepoids...................................... 38
2.4.1 Poidsetcordes .............................. 39
2.4.2 ForcedeR´eaction ............................ 39
2.5 Mouvementscoupl´es ............................... 42
2.6 Frottement et mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.1 Le frottement statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
i

Semestre d’automne 2018-2019 Notes PGC
2.6.2 Le frottement cin´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.3 Le frottement avec roulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 ´ Equilibre des corps en translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.1 Syst`emes de forces parall`eles et colin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.2 Syst`emes de forces concourantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Exercices - S´ erie 2 52
3 Rotation 54
3.1 Mouvementcurviligne .............................. 54
3.1.1 Acc´el´eration centrip`ete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2 Forcecentrip`ete.............................. 56
3.1.3 Applications ............................... 57
3.2 Mouvementderotation ............................. 59
3.2.1 Cin´ematique de la rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Roulement sans glissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Exercices - S´ erie 3 66
4´ Equilibre et dynamique des corps en rotation 68
4.1 ´ Equilibre des corps en rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.1 Momentdeforces............................. 69
4.1.2 Deuxi`eme condition d’´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 ´ Equilibredessolides ............................... 72
4.2.1 Centredegravit´e............................. 72
4.2.2 Stabilit´e et ´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 La dynamique de la rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 Inertie de rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 Roulement sur un plan inclin´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1 Momentcin´etique ............................ 79
4.4.2 Conservation du moment cin´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Exercices - S´ erie 4 83
5 L’´ energie 85
5.1 Letravail ..................................... 85
5.2 Puissance ..................................... 91
5.3 ´ Energiecin´etique................................. 92
5.4 ´ Energiepotentielle ................................ 94
5.5 ´ Energieinterne .................................. 96
5.6 Conservation de l’´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.7 ´ Energiem´ecanique ................................ 96
5.8 Application: Les collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.8.1 Conservation de la quantit´e de mouvement . . . . . . . . . . . . . . 99
5.8.2 Collision ´elastique en une dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.8.3 Collision compl`etement in´elastique en une dimension . . . . . . . . . 102
5.8.4 Collision ´elastique en deux dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.9 Extra: un collisionneur des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
ii

Semestre d’automne 2018-2019 Notes PGC
Exercices - S´ erie 5 105
6 La gravit´ e selon Newton 106
6.1 La loi de la gravitation universelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2 Laforcecosmique.................................110
Exercices - S´ erie 6 115
7 La mati` ere & Les fluides 118
7.1 Lesatomes ....................................118
7.2 ´ Etatsdelamati`ere................................123
7.3 Hydrostatique...................................124
7.3.1 Pression hydrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.2 Variation de la pression avec la profondeur . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3.3 Pression atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.4 Principe de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.3.5 Les machines hydrauliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.6 Pouss´ee d’Archim`ede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.7 Tension superficielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.4 Hydrodynamique.................................133
7.4.1 ´ Ecoulement d’un fluide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.2 ´ Equation de continuit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4.3 ´ Equation de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.4.4 Tourbillons ................................139
7.4.5 Les fluides r´eels: la viscosit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Exercices - S´ erie 7 142
8´ Elasticit´ e et oscillations 144
8.1 LaloideHooke..................................144
8.2 Deformation et contrainte; le module de Young . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.3 Lesoscillations ..................................148
8.3.1 Mouvement sinuso¨ıdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.4 Exemples des Mouvements Harmoniques Simples . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.5 Amortissement, oscillations forc´ees, r´esonance . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Exercices - S´ erie 8 159
9 Ondes m´ ecaniques et le son 160
9.1 Caract´eristiques des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.2 Ondessinuso¨ıdales ................................161
9.3 Vitessed’onde ..................................163
9.4 ´ Energied’onde ..................................166
9.5 R´eflexion, absorption et transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.6 Leson.......................................170
9.6.1 Lesondessonores.............................170
9.7 Superposition des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.8 Les ondes stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.9 Niveaud’intensit´e ................................179
iii

Semestre d’automne 2018-2019 Notes PGC
9.10EffetDoppler ...................................180
Exercices - S´ erie 9 183
10 Propri´ et´ es thermiques de la mati` ere, ´ energie thermique et chaleur 185
10.1Temp´erature ...................................186
10.2 Dilatation thermique des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
10.3Loisdesgazparfaits ...............................190
10.4Gazr´eels .....................................192
10.5Diagrammedesphases..............................193
10.6Th´eoriecin´etique.................................194
10.7 ´ Energiethermique ................................199
10.8Changementdephase ..............................205
10.9 Transfert d’´energie thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Exercices - S´ erie 10 211
11 Thermodynamique 212
11.1 Premier principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
11.2Transformations .................................214
11.2.1 Transformations isothermes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
11.2.2 Transformations isochore et isobare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.2.3 Transformation adiabatique d’un gaz parfait . . . . . . . . . . . . . 220
11.2.4 R´esum´e des transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
11.3 Cycles: machines thermiques et r´efrig´erateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
11.4 Deuxi`eme principe de la thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.4.1 L’entropie.................................230
11.4.2 Ordre et d´esordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Exercices - S´ erie 11 234
Exercices - S´ erie 12 236
iv