INTRODUCTION INTRODUCTION SOMMAIRE Définition de la Physique. Les branches de la Physique au début du 20ème siècle. Relativité restreinte et mécanique quantique. Définition de la mécanique. Histoire résumée de la mécanique. Méthode scientifique. Mesure et grandeurs fondamentales. Unités étalons et grandeurs dérivées. Modèle physique (approximation du point matériel, modèle du solide indéformable). La physique est la science qui a pour but d’étudier les composantes de la matière, leurs interactions mutuelles ainsi que leurs évolution dans l’espace et dans le temps. A la lumière des ces données, la physique explique et prévoit les propriétés de la matière, et les phénomènes naturels que nous observons. Jusqu’au début du XXème la physique comptait cinq branches principales plus ou moins indépendantes entres elles, ces branches sont : La mécanique ; La thermodynamique ; L’électromagnétisme ; L’optique ; et L’acoustique. Ces différents domaines de la physique étaient capables d’expliquer la plupart des phénomènes connus à l’époque. Mais la subsistance de quelques phénomènes rebelles allait s’avérer déterminante pour l’évolution de la discipline. C’est ainsi qu’apparut la théorie de la relativité restreinte en 1905, suivie de la théorie de la mécanique quantique en 1923, ouvrant la voie à la physique dite moderne par opposition à la physique classique précédemment citée. Cette évolution dans les concepts physiques a eu pour résultat de briser les barrières entres les différentes disciplines de la physique menant ainsi a une vision plus globale et unifiée des phénomènes physiques (bien que les différentes branches citées continuent a être enseignées séparément). En physique fondamentale la branche qui étudie les propriétés du mouvement est appelée Mécanique, elle est elle même divisée en deux parties, d’abord la Cinématique qui est l’étude de la géométrie du mouvement, ensuite la Dynamique qui prend en considération les causes du mouvement (notion de forces). 1 INTRODUCTION HISTORIQUE Le commencement de la mécanique marque aussi le commencement de la physique. L’histoire conventionnelle situe le début de la mécanique en tant que science réelle en 1610, date où Galileo Galilei écrit « l’essayeur » et où il considère que le grand livre de l’univers est écrit en langage mathématique, de cette union entre nature et mathématique va naître l’invention la plus prolifique du genre humain qui est la méthode scientifique. « Les discours » de Galilei écrits en 1638 sont une ébauche magistrale de ce que devrait être plus tard un modèle de méthode scientifique. Mais la mécanique n’atteint le statut de science indépendante qu’en 1687 avec la parution des « principes » de Newton . A partir de cette date la mécanique ne cesse d’évoluer sous l’influence de grands noms tel que d’Alembert, Lagrange, Gauss, Bernoulli ….. L’avènement de la relativité restreinte (Einstein 1905) et de la mécanique quantique semble reléguer la mécanique classique ou newtonienne au rôle d’approximation grossière. En fait non seulement la mécanique classique avait survécue, car elle donnait de très bons résultats pour des masses assez grandes et des vitesses peu élevées par rapport à la vitesse de la lumière, mais aussi en ajoutant à cette théorie les notions d’atome et de champ elle devient capable d’expliquer un très grand nombre de phénomènes physiques tel que les grandeurs thermodynamiques classiques et électromagnétiques. Sans oublier que du point de vue historique et pédagogique la mécanique est le modèle de méthode scientifique par excellence sur lequel se sont réglées toutes les autres disciplines expérimentales. METHODE SCIENTIFIQUE ET MESURE La démarche scientifique qui consiste en une suite Observation-RaisonnementExperience nous semble si évidente aujourd’hui qu’on a peine a croire qu’elle n’existe que depuis cinq siècles. En fait si nous observons la démarche de plusieurs hommes de sciences depuis l’antiquité et dans la plupart des civilisation nous remarquons que cette méthode – bien que différente d’une personne à une autre – existait sous une forme rudimentaire et non codifiée. L’absence d’une méthode scientifique explicite était dû essentiellement à l’imperfection des mesures et des modèles utilisés. Mesurer une grandeur c’est lui donner une valeur numérique (mesurer la position d’un astre dans le ciel et étudier son mouvement c’est lui assigner des coordonnées à chaque période de l’année), c’est aussi définir cette grandeur (angles et distances). Donc une observation sans mesures précises ne pourrait aboutir qu’a des résultats qualitatifs, ces derniers ne pourrait en aucune façon nous mener à un modèle expérimental adéquat. Les grandeurs fondamentales mesurées en physique sont les longueurs (espace), les intervalles de temps, les masses (quantité de matière), et les charges électriques (courant électrique). Pour pouvoir mesurer ces grandeurs nous prenons des références que nous appelons étalons (par exemple une coudée pour les petite distances ou la distance terre soleil pour les distances astronomiques ; la période de vibration d’un atome ou l’oscillation d’un pendule pour de petites périodes ou l’année de révolution terrestre pour de grandes périodes ;…), les étalons ainsi utilisés nous définissent un système d’unités. Le système d’unité adopté internationalement est le système (MKSA), où l’unité de longueur est le mètre ; l’unité de temps est la seconde ; l’unité de masse est le kilogramme ; et l’unité de courant est l’ampère (que vous verrez au module d’électricité). A partir de ces quatre grandeurs nous pouvons obtenir des grandeurs dérivées (vitesse, accélération, énergie, …..) qui servent à décrire différent phénomènes physiques. 2 INTRODUCTION Le modèle physique utilisé a une importance considérable dans la compréhension du phénomène. Par modèle nous voulons dire une schématisation de la réalité physique (par exemple l’approximation du point matériel), d’où le modèle doit prendre en compte tous les facteurs influents sur le phénomène de manière significative, en faisant un minimum d’approximations. Dans l’approximation du point matériel nous considérons que tous les corps interagissant entre eux sont représentés dans l’espace par des points de masses différentes. Dans ce modèle nous ne pouvons pas étudier la rotation des corps autours de leurs centres de gravités respectifs. Donc pour prendre en compte cette rotation nous utiliserons non pas le modèle de point matériel mais celui de solide indéformable. Le module de mécanique I de cette année comprend l’étude de la mécanique du point matériel, de la mécanique d’un système isolée de particules (chocs élastiques et inélastiques, introduction à la théorie cinétique des gaz), dynamique d’un solide indéformable, et enfin si nous le pourrons quelques éléments de la statique des fluides. 3